"ถ้า process flow ของคุณมันไม่สมเหตุสมผลเนี่ย ผลการคำนวณและข้อสรุปต่าง ๆ ของคุณจะหมดความหมายเลยนะ"
ผมเตือนนิสิตป.เอกคนหนึ่งเอาไว้หลังจากฟังการนำเสนอของเขา ซึ่งดูเหมือนว่าเขาไม่รู้ว่า unit ต่าง ๆ ที่เขาเอามาต่อกันเป็น superstructure เพื่อเปรียบเทียบ economic analysis นั้น มันทำงานอย่างไรและควรต้องมีอะไรประกอบบ้าง
การแยกสารด้วยการดูดซับนั้นเป็นการใช้ของแข็งที่ทำหน้าที่เป็นตัวดูดซับ (adsorbent) ดูดซับสารหนึ่ง (หรือหลายสาร) เอาไว้ จากของไหลที่ไหลผ่านเบดสารดูดซับนั้น การทำเช่นนี้ก็อาจทำไปเพื่อการกำจัดสิ่งปนเปื้อน (เช่น การดูดซับน้ำออกจากน้ำมัน การดูดซับน้ำมันหรือสารอินทรีย์ออกจากน้ำ การดูดซับสารอินทรีย์ออกจากแก๊สเพื่อกำจัดกลิ่น การดูดซับสารที่เป็นพิษต่อตัวเร่งปฏิกิริยาก่อนที่จะป้อนสารตั้งต้นนั้นเข้าทำปฏิกิริยา) หรือเพื่อการแยกสารผสมออกจากกัน (เช่นการแยกไนโตรเจนและออกซิเจนในอากาศออกจากกัน)
การแยกด้วยการดูดซับนั้นอาศัยหลักการที่ว่าสารดูดซับนั้นสามารถเลือกจับสารที่มีคุณสมบัติเฉพาะแบบหนึ่งได้ดีกว่าสารอื่นที่ไม่มีคุณสมบัติเฉพาะดังกล่าวนั้น เช่นการดูดซับน้ำออกจากน้ำมัน เราก็อาจเลือกใช้สารดูดซับที่พื้นผิวมีความเป็นขั้วเพื่อให้มันจับกับโมเลกุลน้ำได้ดี (เช่นพวก silica gel, zeolite) แต่พอเป็นการกำจัดน้ำมันหรือสารอินทรีย์ที่ปนเปื้อนอยู่ในน้ำ ก็อาจเลือกใช้สารดูดซับที่พื้นผิวไม่มีความเป็นขั้ว (เช่นพวก activated carbon) หรือบางครั้งก็อาจใช้ขนาดและรูปร่างโมเลกุลที่แตกต่างกัน เช่นสารดูดซับที่มีรูพรุนขนาดเล็กจะดักจับโมเลกุลขนาดเล็กที่สามารถแพร่เข้าไปในรูพรุนนั้นได้ ในขณะที่โมเลกุลที่มีขนาดใหญ่กว่าจะไม่สามารถแพร่เข้าไป และจะไหลผ่านเบดสารดูดซับไปได้ง่าย
ที่นี้ พอสารดูดซับดูดซับสารจนอิ่มตัวแล้วจะให้ทำยังไงต่อ ในกรณีของการแยกสิ่งปนเปื้อนนั้น ถ้าสิ่งปนเปื้อนที่ไหลเข้าระบบนั้นมีความเข้มข้นต่ำ ก็อาจออกแบบขนาดเบดสารดูดซับให้มากพอสำหรับการใช้งานได้ทั้งปี พอหยุดเดินเครื่องโรงงานทีก็เปลี่ยนใหม่ แต่ถ้าทำอย่างนั้นไม่ได้ ก็จะเลือกใช้สารดูดซับที่สามารถทำการไล่สารที่มันจับเอาไว้ออกไปได้ ปรกติก็ใช้การเพิ่มอุณหภูมิ เช่นการเอาซิลิกาเจลที่ดูดซับไอน้ำจนอิ่มตัวแล้วไปอบให้ร้อนเพื่อไล่น้ำออก แล้วนำกลับมาใช้ใหม่
ในกรณีของการจับสารที่มีปริมาณมากจนไม่สามารถออกแบบขนาดเบดให้ทำงานจนถึงรอบการหยุดเดินเครื่องครั้งถัดไปได (อย่างน้อยก็ราว ๆ ๓๐๐ วัน) ก็จะทำการเลือกใช้สารดูดซับที่เราสามารถทำการไล่สารที่มันจับเอาไว้นั้นออกไปได้ (คือทำการ regeneration หรือฟื้นคืนสภาพ) และเพื่อให้กระบวนการดำเนินต่อไปได้อย่างต่อเนื่องก็จะต้องมีเบดสารดูดซับเอาไว้อย่างน้อย ๒ เบด โดยเบดหนึ่งเป็นเบดหลัก อีกเบดหนึ่งเป็นเบดสำรองที่จะทำหน้าที่เมื่อต้องทำการฟื้นคืนสภาพสารดูดซับในเบดหลัก (รูปที่ ๑ ซ้าย)
ขนาดของเบดสำรองเทียบกับเบดหลักนั้นขึ้นอยู่กับช่วงระยะเวลาที่ต้องใช้ในการฟื้นคืนสภาพเบดหลัก ตัวอย่างเช่นสมมุติว่าเบดหลักนั้นใช้เวลา ๗ วันกว่าจะดูดซับสารจนอิ่มตัว แต่การฟื้นคืนสภาพนั้นใช้เวลาเพียงแค่ไม่ถึง ๑ วัน ดังนั้นขนาดของเบดสำรองนั้นก็ไม่จำเป็นต้องใหญ่เท่ากับขนาดของเบดหลัก เช่นอาจมีขนาดเพียงแค่ทำงานได้เพียง ๑-๒ วันก็พอ เพราะพอทำการฟื้นคืนสภาพเบดหลักเสร็จก็กลับไปใช้เบดหลักเหมือนเดิม จากนั้นก็ทำการฟื้นคืนสภาพเบดสำรอง เสร็จแล้วก็ให้มัน standby เอาไว้ รอรอบการทำงานถัดไป
ปฏิกิริยาการดูดซับเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ดังนั้นการไล่ที่สารดูดซับจับเอาไว้จึงใช้การเพิ่มอุณหภูมิเป็นหลัก และเมื่อไล่สารออกไปหมดแล้วก็จะต้องรอให้เบดนั้นเย็นตัวลงก่อนที่จะนำมาใช้งานใหม่
ที่เล่ามาข้างต้นนั้นเป็นกรณีของการดูดซับสารออกจากแก๊ส การดูดซับสารออกจากของเหลวก็มีหลักการทำนองเดียวกัน เพียงแต่การไล่สารที่ดูดซับเอาไว้นั้นมันมีวิธีที่แตกต่างกันไป เช่นอาจใช้การเปลี่ยนตัวทำละลาย (ที่สารที่ถูกดูดซับเอาไว้นั้นสามารถละลายได้ดี) เพื่อชะเอาสารที่ถูกดูดซับเอาไว้ออกมา หรืออย่างเช่นกรณีของเครื่อง softener ที่ทำการแลกเปลี่ยนประจุด้วยการเอาประจุ 2+ (พวก Ca2+, Mg2+, Fe2+) ออกจากน้ำ แล้วแทนที่ด้วยประจุ 1+ (ก็คือ Na+) พอจะทำการฟื้นสภาพก็จะใช้น้ำเกลือความเข้มข้นสูง (มี Na+ มาก) ล้าง Na+ ก็จะเข้าไปแทนที่พวกประจุ 2+ ก็จะนำกลับมาใช้ใหม่ได้
การนำเอาหลักการดูดซับมาใช้ในการแยกผลิตภัณฑ์สองชนิดเช่น A และ B ที่ผสมปนกันอยู่ก็มีหลักการทำงานแบบเดียวกัน เพียงแต่ตัวดูดซับนั้นไม่ควรที่จะดูดซับสารใดสารหนึ่งแรงมากเกินไป เพราะจะทำให้ไล่สารนั้นออกจากพื้นผิวได้ยาก และในกระบวนการแยกสารด้วยการดูดซับนี้ในขั้นตอนแยกสารก็จะให้เบดดูดซับทำงานที่สภาวะหนึ่งที่สามารถดูดซับสาร A ได้ดีกว่าสาร B และเมื่อเบดสารดูดซับดูดซับสาร A จนอิ่มตัวก็จะเปลี่ยนสภาวะการทำงานเพื่อให้มันคายสาร A นั้นออกมา และสภาวะการทำงานที่ทำการปรับเปลี่ยนที่ทำการมานานแล้วก็คือ "ความดัน" กล่าวคือในขั้นตอนการแยกจะให้สารดูดซับทำงานที่ความดันสูงเพื่อให้ดูดซับสาร A เอาไว้ พอมันดูดซับจนอิ่มตัวก็จะลดความดันเพื่อให้มันคายสาร A ออกมา ดังนั้นความดันการทำงานก็จะมีการแกว่งขึ้นลงตามจังหวะการทำงาน ระบบนี้จึงเรียกว่าเป็นระบบ Pressure Swing Adsorption (PSA) และก็มีใช้กันมานานแล้วในระดับ commercial scale ที่ใช้กันมากที่สุดน่าจะเป็นการแยก N2 และ O2 ในอากาศออกจากกัน (ถ้าไม่ต้องการความบริสุทธิ์สูงมากก็ใช้ได้ แต่ถ้าต้องการความบริสุทธิ์สูงมากก็เปลี่ยนไปใช้การกลั่นดีกว่า)
เพื่อให้กระบวนการแยกดำเนินได้อย่างต่อเนื่องจึงต้องมีเบดสารดูดซับหลายเบด (ดูรูปที่ ๑ ขวาประกอบ) กล่าวคือเริ่มแรกนั้นให้เบดที่ 1 ทำการดูดซับสาร A ก่อน พอดูดซับสาร A จนอิ่มตัวก็จะปิดสาย feed ที่ป้อนเข้าเบด 1 และเปิดให้ไหลเข้าเบด 2 แทน จากนั้นก็จะลดความดันในเบด 1 เพื่อให้คายสาร A ออกมา ถ้าเวลาที่ใช้ในการลดความดันเพื่อให้เบด 1 นั้นคายสาร A ออกมาสั้นกว่าเวลาที่เบด 2 ดูดซับสาร A จนอิ่มตัว การมีแค่ 2 เบดก็เพียงพอ แต่ถ้าหากเวลาที่เบด 2 ใช้ในการดูดซับสาร A จนอิ่มตัวนั้นสั้นกว่าเวลาที่ต้องใช้ในการไล่สาร A ออกจากเบด 1 ก็จำเป็นต้องมีเบดที่ 3 เพิ่มเข้ามาอีก ส่วนที่ว่าจะต้องมีกี่เบดนั้นก็ขึ้นอยู่กับระยะเวลาที่ดูดซับสารจนอิ่มตัวและไล่สารออกจากเบด ถ้าจะเห็นมี 5 เบดต่อขนานกันก็ไม่แปลก
"อุณหภูมิ" ก็เป็นอีกสภาวะการทำงานหนึ่งที่มีการศึกษากันทั้งในระดับห้องปฏิบัติการและ simulation (ที่ดูเหมือนจะมีเยอะด้วย) กล่าวคือการแยกสารจะกระทำที่อุณหภูมิต่ำเพื่อให้สารดูดซับดูดซับสาร A เอาไว้ก่อน จากนั้นจึงค่อยเพิ่มอุณหภมิเพื่อไล่สาร A ออกไป (ทำนองเดียวกันกับการวิเคราะห์ด้วยเครื่องแก๊สโครมาโทกราฟที่ใช้เทคนิค temperature programmed ที่เริ่มต้นการวิเคราะห์ที่อุณหภูมิต่ำ จากนั้นจึงเพิ่มอุณหภูมิ column ให้สูงขึ้น) ระบบนี้จึงเรียกว่าเป็นระบบ Temperature Swing Adsorption (TSA) และที่น่าสนใจก็คือ ไม่ยักเป็นที่นิยมนำมาใช้กันในระดับ industril scale
ของแข็ง (โดยเฉพาะสารดูดซับหรือลูกบอลเซรามิกที่ทำหน้าที่เป็นตัวรองรับ/ตัวกดเบดสารดูดซับ) มีค่าความจุความร้อนสูง ดังนั้นการทำให้เบดร้อนขึ้นหรือเย็นตัวลงจะใช้เวลานาน (ไม่เหมือนความดันที่ทำได้รวดเร็วกว่า) นอกจากนี้ถ้าหากอุณหภูมิมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วเกินไป มันก็อาจจะแตกหักได้เนื่องจาก thermal shock (ตัว vessel ไม่มีปัญหาหรอกเพราะมันทำจากโลหะ) ดังนั้นการออกแบบระบบ TSA นั้นมันจะมีเฉพาะเบดสารดูดซับไม่ได้ มันต้องมีระบบเพิ่มอุณหภูมิและลดอุณหภูมิเบดเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย
ในกรณีของการแยก N2 และ O2 ในอากาศออกจากกันด้วยเทคนิค PSA นั้น อากาศอัดความดันจะไหลผ่านเบดสารดูดซับที่มีรูพรุนขนาดเล็ก โมเลกุล O2 ที่มีขนาดเล็กกว่าจะแพร่เข้าไปในรูพรุนสารดูดซับ ทำให้แก๊สความดันสูงที่ไหลผ่านเบดไปนั้นมีความเข้มข้น N2 เพิ่มมากขึ้น และเมื่อลดความดันเบดให้ต่ำลง แก๊ส O2 ความดันสูงที่อยู่ในรูพรุนก็จะไหลออกมา แก๊สที่ออกมาจากเบดก็จะเป็น O2 ความดันต่ำ ที่ถ้าต้องการนำไปใช้ที่ความดันสูงขึ้นก็ต้องมีระบบคอมเพรสเซอร์เข้ามาอีก
ส่วนเทคนิค TSA นั้นอาศัยการสร้างพันธะระหว่างโมเลกุลของสารกับพื้นผิว ที่มีการคายความร้อนออกมา ถ้าหากสารดูดซับจับโมเลกุลสารได้แน่นมาก ก็ต้องใช้อุณหภูมิที่สูงมากในการไล่ (เช่นจากประสบการณ์ที่เคยมี การไล่น้ำออกจาก silica gel ทำได้ด้วยการอบไล่ที่อุณหภูมิประมาณ 130ºC แต่ถ้าเป็น zeolite อาจต้องใช้สูงกว่า 240ºC) ในกรณีของการทดลองในห้องปฏิบัติการนั้น vessel ที่ใช้บรรจุสารดูดซับมักจะเป็นทรงกระบอก (เช่นท่อ) ขนาดเล็ก ซึ่งมีพื้นที่ผิวต่อหน่วยปริมาตรสูง การทำให้เบดของแข็งที่บรรจุอยู่ภายในนั้นร้อนขึ้นหรือเย็นลงด้วยการให้หรือระบายความร้อนผ่านผนังจึงทำได้ง่าย แต่ถ้าเป็นเบดขนาดใหญ่ ค่าพื้นที่ผิวต่อหน่วยปริมาตรจะต่ำลงมาก การทำให้เบดมีอุณหภูมิสูงขึ้นหรือลดต่ำลงด้วยอัตราเร็วที่สูงดังต้องการจึงไม่ใช่เรื่องง่าย คงต้องใช้การผ่านแก๊สร้อนหรือเย็นเข้าไปในเบดโดยตรง ซึ่งต้องมีหน่วยเหล่านี้เข้ามาร่วมวงอีก ที่สำคัญคือระบบสาธารณูปโภคต่าง ๆ ที่ต้องมีเพื่อให้ระบบ PSA หรือ TSA นั้นทำงานได้จริง มันมีปรากฏอยู่ในโปรแกรม simulation หรือเปล่า และเรื่องสำคัญอีกเรื่องที่ต้องพิจารณาก็คือ สารดูดซับที่จะนำมาใช้ในการแยกสาร A และ B ออกจากกันในโปรแกรม simulation นั้น มันมีจริงหรือไม่ด้วย
โปรแกรม process simulation ปัจจุบันทำให้ผู้ใช้ใช้งานได้ง่ายด้วยการนำเอา block สำเร็จรูปของอุปกรณ์ต่าง ๆ มาต่อกันโดยที่ผู้ใช้นั้นไม่จำเป็นต้องรู้เลยว่าอุปกรณ์เหล่านั้นมันทำงานอย่างไร การนำเสนอที่เน้นไปที่ผลการคำนวณสุดท้ายที่เปรียบเทียบข้อดีข้อเสียของทางเลือกต่าง ๆ นั้น หลายครั้งที่พบว่าเมื่อกลับไปซักรายละเอียดของตัวกระบวนการที่ออกแบบเอาไว้ก็พบว่ามันไม่สมเหตุสมผล เช่น การบอกว่าปฏิกิริยานั้นเกิดทั้ง ๆ ที่ในความเป็นจริงนั้นมันไม่เกิดขึ้นจริง (การขาดความเข้าใจเรื่องค่าคงที่สมดุลกับอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี), การออกแบบกระบวนการที่ใส่ระบบสาธารณูปโภคที่จำเป็นต้องมีไม่ครบ (มันก็เลยดูเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมดี), การถ่ายโอนพลังงานที่เป็นไปไม่ได้ (เช่นการเอาพลังงานความร้อนที่คายออกมาที่อุณหภูมิต่ำ ไปป้อนให้กับหน่วยที่ต้องการพลังงานความร้อนที่มีอุณหภูมิสูงกว่า), การออกแบบกระบวนการที่ไม่คำนึงถึงวัสดุที่จะนำมาใช้ในการสร้างอุปกรณ์ต่าง ๆ เพื่อให้ทนกับการกัดกร่อนของสารได้ ฯลฯ
สิ่งที่ผมมักบอกย้ำกับนิสิตที่ทำวิจัยอยู่กับผมอยู่เสมอก็คือ สำคัญสุดคือ "วิธีการ" เพราะถ้าวิธีการผิด ผลที่ได้มันก็ไม่มีค่าแก่การพิจารณา
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น