Throttling Process กับ Flash separation MO Memoir : Tuesday 17 April 2561

เมื่อของไหลไหลผ่านช่องทางการไหลที่มีขนาดจำกัด (เช่น วาล์วที่เปิดไว้เพียงเล็กน้อย แผ่น orifice ท่อ capillary หรือวัสดุมีรูพรุน) โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงพลังงานจลน์ ไม่มีการแลกเปลี่ยนพลังงานกับสิ่งแวดล้อม เอนทาลปี (enthahly หรือที่ย่อว่า H) ของของไหลนั้นจะไม่มีการเปลี่ยนแปลง (∆H = 0)
 

จากความรู้ทางเทอร์โมไดนามิกส์ที่กล่าวว่า ∆H = ∆U + ∆(PV) (เมื่อ U คือพลังงานภายในหรือ internal energy P คือความดัน และ V คือปริมาตร) ในกรณีที่ของไหลนั้นเป็นแก๊สอุดมคติ ผลคูณของค่า PV จะคงที่เสมอ แต่สำหรับแก๊สจริงนั้นผลคูณของค่า PV จะเปลี่ยนแปลงไปตามความดันและอุณหภูมิ กล่าวคือถ้าการลดความดันนั้นทำให้ผลคูณของค่า PV เพิ่มมากขึ้น ค่า U จะต้องลดต่ำลงเพื่อรักษาให้ค่า ∆H = 0 ดังเดิม หรือแก๊สที่ผ่านการลดความดันจะมีอุณหภูมิลดต่ำลง ในทางกลับกันถ้าการลดความดันนั้นทำให้ผลคูณของค่า PV ลดต่ำลง ค่า U จะต้องเพิ่มขึ้นเพื่อรักษาให้ค่า ∆H = 0 ดังเดิม หรือแก๊สที่ผ่านการลดความดันจะมีอุณหภูมิสูงขึ้น เรื่องนี้เคยเล่าไว้ครั้งหนึ่งแล้วใน Memoir ปีที่ ๙ ฉบับที่ ๑๒๒๔ วันอังคารที่ ๒๓ สิงหาคม ๒๕๕๙ เรื่อง "Compressibility factor กับ Joule-Thompson effect"
 

กลไกนี้ถูกนำมาใช้ทั้งในระบบทำความเย็นและการแยกสาร ในระบบทำความเย็นนั้นจะใช้การอัดไอสารทำความเย็นให้มีความดันที่พอเหมาะ จากนั้นจึงให้สารทำความเย็นนั้นไหลผ่านวาล์วลดความดันหรือท่อ capillary เพื่อที่จะให้ได้ผลดี ช่วงความดันที่ลดลงนั้นควรทำให้สารทำความเย็นนั้นมีการควบแน่นเป็นของเหลว เพราะจะทำให้อุณหภูมิลดต่ำลงมา และของเหลวอุณหภูมิต่ำที่ได้จากการควบแน่นนี้เมื่อระเหยกลายเป็นไอจะสามารถดูดกลืนความร้อนได้มาก (ค่าความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ) ตัวอย่างเช่นกรณีของโพรเพน จาก PH (Pressure - Enthalpy) diagram ในรูปที่ ๑ ถ้าเราให้แก๊สโพรเพนที่ความดันสัมบูรณ์ 1000 kPa ที่อุณหภูมิ 30ºC ลดความดันลงเหลือความดันบรรยากาศ (100 kPa) อุณหภูมิแก๊สด้านขาออกจะลดลงเหลือประมาณ 10ºC (เส้นสีแดง) แต่ถ้าเราให้แก๊สดังกล่าวที่อุณหภูมิ 100ºC ความดันประมาณ 5000 kPa ลดความดันลงเหลือความดันบรรยากาศ แก๊สจะมีการควบแน่นแยกเป็นสองเฟสและมีอุณหภูมิเหลือประมาณ -30ºC 
  

แต่ถ้าก่อนที่จะทำการลดความดัน ถ้าทำให้ไอสารทำความเย็นนั้นมีการควบแน่นเป็นของเหลวก่อน เมื่อของเหลวนั้นไหลผ่านวาล์วลดความดัน บางส่วนจะกลายเป็นไอ และอุณหภูมิด้านขาออกที่ได้ก็จะลดต่ำลงไปอีก ระบบทำความเย็นที่ใช้กับเครื่องปรับอากาศและตู้เย็นตามบ้านเรือนต่าง ๆ นั้นก็ทำงานแบบนี้ กล่าวคือหลังจากทำการอัดไอสารทำความเย็นให้มีความดันสูงแล้ว (อุณหภูมิจะสูงตามไปด้วย) ก็จะให้ไอสารทำความเย็นความดันสูงนั้นระบายความร้อนออกสู่อากาศก่อน (ถ้าเป็นตู้เย็นก็ผ่านทางแผงขดลวดที่อยู่ทางด้านหลัง แต่ปัจจุบันจะมองไม่เห็นแล้วเพราะถูกปิดคลุมไว้ ถ้าเป็นเครื่องปรับอากาศก็จะเป็นส่วนของคอยล์ร้อนที่ติดตั้งอยู่นอกห้อง) จากนั้นจึงค่อยลดความดันลง
 

กลไกแบบเดียวกันนี้ก็มีการนำมาใช้ในการแยกสารในอุตสาหกรรมเคมีโดยมีชื่อเรียกว่า flash separation หรือ flash distillation กล่าวคือเมื่อให้สารผสม (ที่อาจเป็นแก๊ส หรือของเหลว หรือของเหลวที่มีแก๊สละลายอยู่) ที่ความดันสูง ลดความดันด้วยการไหลผ่านวาล์วลดความดันเข้าสู่ภาชนะรองรับ (ที่เรียกว่า flash drum ดูรูปที่ ๒) ส่วนใหญ่ของสารที่มีจุดเดือดต่ำจะไปอยู่ในเฟสไอ และในขณะเดียวกันส่วนใหญ่ของสารที่มีจุดเดือดสูงไปอยู่ในเฟสของเหลว ตัวอย่างของกระบวนการที่มีการนำเอา flash separation มาใช้ได้แก่การทำปฏิกิริยาในเฟสของเหลวที่สารตั้งต้นเป็นแก๊สที่ต้องละลายเข้าไปในเฟสของเหลวที่เป็นตัวทำละลายเพื่อทำปฏิกิริยา (เช่นในปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์ใน liquid phase หรือ slurry phase) การติดตั้ง flash drum จะช่วยลดปริมาณสารตั้งต้นที่หลงเหลือจากการทำปฏิกิริยาและละลายอยู่ในเฟสของเหลวออกไป ช่วยลดภาระการแยกสารออกจากกันในกระบวนการถัดไป

รูปที่ ๑ PH diagram ของโพรเพน

รูปที่ ๒ แผนผังการแยกสารด้วยกระบวนการ flash

ใน Memoir ฉบับที่แล้ว (เสาร์ที่ ๑๔ เมษายน ๒๕๖๑) ที่ได้ยกตัวอย่างกรณีของโรงแยกแก๊ส Esso Longford มาเล่านั้นได้กล่าวทิ้งท้ายไว้ว่า การลดลงของอุณหภูมิที่เกิดจากกระบวนการ flash นี้เป็นปัจจัยหนึ่งที่ทำให้อุณหภูมิของระบบลดต่ำลงกว่าปรกติมาก กล่าวคือด้วยเหตุการผิดปรกติหลายอย่าง แทนที่ของเหลวจากก้นหอ Absorption column ที่ส่งไป flash drum จะเป็น rich oil (ไฮโดรคาร์บอนในช่วงน้ำมันก๊าดที่มีแก๊สไฮโดรคาร์บอนช่วง C₁ - C₄ ละลายอยู่) ที่มีอุณหภูมิประมาณ 1ºC ความดันประมาณ 6900 kPa กลับกลายเป็น condensate ที่มากับแก๊สธรรมชาติ (ไฮโดรคาร์บอนเบาที่น่าจะอยู่ในช่วงแก๊สโซลีนที่มีแก๊สไฮโดรคาร์บอนช่วง C₁ - C₄ ละลายอยู่) ที่มีอุณหภูมิประมาณ -20ºC หรือต่ำกว่า (ผลจากการที่ระดับ condensate สูงจนล้นเข้าไปใน tray ของ rich oil และไหลออกมาแทน rich oil และจากการที่ไม่มี lean oil ไหลเข้าทางด้านบน Absorption column) ทำให้ของเหลวที่ออกจาก flash drum นั้นมีอุณหภูมิลดต่ำลงกว่า -30ºC ส่งผลให้อุณหภูมิทางด้าน downstream ลดต่ำลงไปอีก (ดังเช่นตัวอย่างในรูปที่ ๓ ที่เป็นกรณีของมีเทน จะเห็นว่ามีเทนที่อุณหภูมิ -20ºC ความดัน 6900 kPa เมื่อลดความดันลงเหลือ 4500 kPa อุณหภูมิจะลดลงเหลือประมาณ -35ºC)
 

และเมื่อมีการนำเอาของเหลวทางด้าน downstrem นั้นกลับมาใช้งานทางด้าน upstream ก็ยิ่งทำให้อุณหภูมิที่ flash drum นี้ลดต่ำลงไปอีก อุณหภูมิต่ำสุดที่บันทึกเอาไว้ได้ก่อนการระเบิดก็คือ -48ºC (อุณหภูมิที่ต่ำขนาดนี้ สามารถโลหะที่ใช้ทำทั้งตัว flash drum และอุปกรณ์ทางด้าน downstream เปลี่ยนสภาพจากเหนียวไปเป็นแข็งและเปราะ แต่ที่ยังไม่เสียหายก็เพราะยังไม่มีแรงกระแทกหรือความเค้นที่สูงพอมากระทำ)
 

มีหลายบทเรียนที่ได้จากกรณีของการระเบิดของโรงแยกแก๊ส Esso Langford บทเรียนหนึ่งก็คือความซับซ้อนที่เกิดจากความพยายามที่จะประหยัดพลังงาน (ด้วยการแลกเปลี่ยนความร้อนกันแบบพันกันไปหมด) ทำให้ผู้ปฏิบัติงานนั้นไม่สามารถเล็งเห็นผลกระทบที่เกิดขึ้นต่อเนื่องได้เมื่อระบบหนึ่งมีปัญหา และปัญหาที่เกิดขึ้นนั้นก่อให้เกิดผลกระทบที่เวียนรอบกลับมายังจุดตั้งต้นและทำให้ผลกระทบนั้นขยายตัวขึ้นไปเรื่อย ๆ (อย่างเช่นการที่ระบบมีอุณหภูมิที่ลดต่ำลงผิดปรกติในที่นี้) และอีกบทเรียนหนึ่งก็คือการให้ระบบควบคุมตัวหนึ่งไปอีกอำนาจเหนือระบบควบคุมอีกตัวหนึ่ง (ที่เรียกว่า override) แบบไม่มีข้อจำกัด ซึ่งในกรณีของอุบัติเหตุนี้คือการที่ปล่อยให้ระบบควบคุมอุณหภูมิไปมีอำนาจเหนือระบบควบคุมระดับ condensate แบบไม่มีขีดจำกัด ทำให้ condensate นั้นสะสมที่ก้น Absorption column จนล้นออกทางสาย rich oil ได้ รายละเอียดเรื่องเหล่าสามารถหาอ่านได้ในรายงานการสอบสวนที่มีเผยแพร่ทางอินเทอร์เน็ต เพียงแต่ก่อนอ่านขอแนะนำให้พิมพ์ภาพ process flow ออกมาก่อนเพื่อที่จะได้เข้าใจได้ง่ายขึ้นเวลาอ่าน

รูปที่ ๓ PH diagram ของมีเทน เส้นสีแดงคือเมื่อมีเทนที่อุณหภูมิ -20ºC ลดความดันจาก 6900 kPa เหลือ 4500 kPa

การแยกแก๊สธรรมชาติด้วยกระบวนการดูดซึม (Natural gas separation by absorption process) MO Memoir : Saturday 14 April 2561

การแยกแก๊สด้วยการดูดซึม (Absorption) อาศัยค่าการละลายที่แตกต่างกันของแก๊สในของเหลว เมื่อให้แก๊สผสมสัมผัสกับของเหลว แก๊สตัวที่ละลายได้ดีกว่าจะย้ายจากเฟสแก๊สเข้าไปอยู่ในเฟสของเหลว ดังนั้นแก๊สที่หลงเหลือจากการสัมผัสจะมีความเข้มข้นของตัวที่ละลายในของเหลวได้น้อยกว่าเพิ่มขึ้น ส่วนของเหลวตัวที่ดูดซึมแก๊สเอาไว้จนอิ่มตัวนั้นจะถูกนำไปให้ความร้อน เพื่อให้แก๊สที่ละลายอยู่นั้นหลุดออกมาจากของเหลว และสามารถนำของเหลวนั้นกลับไปใช้ในการดูดซึมแก๊สได้ใหม่ แผนผังอย่างง่ายของกระบวนการดังกล่าวแสดงไว้ในรูปที่ ๑ ข้างล่าง

รูปที่ ๑ แผนผังอย่างง่ายของกระบวนการแยกแก๊สด้วยการดูดซึม (Absorption process) ในกรณีของการใช้ความดันสูงเพื่อให้เกิดการดูดซึมได้ดีนั้น อาจมีการใช้ flash drum เพื่อช่วยในการระบายแก๊สออกจากของเหลวบางส่วนก่อนก็ได้

การดูดซึมนั้นอาจใช้เพียงแค่ความสามารถในการละลายของแก๊สในของเหลว (เช่นในกรณีของไฮโดรคาร์บอน C₁ - C₄ กับไฮโดรคาร์บอนที่เป็นของเหลว) หรืออาศัยการทำปฏิกิริยาระหว่างแก๊สกับของเหลว (เช่นในกรณีของการแยก CO₂ และ H₂S ออกจากแก๊สธรรมชาติ ที่ใช้สารละลายเบสเป็นตัวจับแก๊สกรด) เรื่องการแยก CO₂ และ H₂S ด้วยกระบวนการดูดซึมนั้นเคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๘ ฉบับที่ ๑๐๙๒ วันจันทร์ที่ ๗ ธันวาคม ๒๕๕๘ เรื่อง "การกำจัด CO2 และ H2S ด้วยกระบวนการ Hot Potassium Carbonate Absorption" และฉบับที่ ๑๐๙๔ วันศุกร์ที่ ๑๑ ธันวาคม ๒๕๕๘ เรื่อง "การกำจัด CO2 และ H2S ด้วยกระบวนการเอมีน (Amine gas treating process)"
 

การจำแนกแก๊สธรรมชาติมีเกณฑ์ที่ใช้กันทั่วไปอยู่ ๒ เกณฑ์ด้วยกัน เกณฑ์แรกคือดูจากไฮโดรคาร์บอนที่เป็นองค์ประกอบของแก๊ส ถ้าหากมีแต่มีเทน (methane CH₄) เป็นหลักก็จะเรียกว่าเป็น dry gas หรือแก๊สแห้ง แต่ถ้ามีไฮโดรคาร์บอนตัวอื่นที่หนักกว่ามีเทนปนอยู่ด้วยในปริมาณที่มีนัยสำคัญ ก็จะเรียกว่าเป็น wet gas หรือแก๊สเปียก เกณฑ์ที่สองจะดูว่ามีแก๊สกรดพวก CO₂ และ/หรือ H₂S ปนอยู่ด้วยหรือไม่ ถ้ามีแก๊สกรดเหล่านี้ปนอยู่ก็จะเรียกว่าเป็น sour gas แต่ถ้าไม่มีแก๊สกรดเหล่านี้ปนอยู่ก็จะเรียกว่าเป็น sweet gas ตัวอย่างเช่นแก๊สธรรมชาติในอ่าวไทยที่เรานำมาใช้นั้นประกอบด้วยไฮโดรคาร์บอนที่เป็นแก๊สตั้งแต่ C1 ไปจนถึง C4 และยังมีพวกที่เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องติดมาด้วย จึงถือว่าเป็น wet gas นอกจากนี้ยังมี CO₂ และ H₂S ปนมาด้วย จึงจัดว่าเป็น sour gas ด้วย องค์ประกอบเหล่านี้ส่งผลต่อการนำแก๊สไปใช้งาน เช่นถ้าเป็น wet gas ก็มักจะมีการแยกเอาไฮโดรคาร์บอนหนักออกจากมีเทนก่อน เพื่อเอาไปใช้ทำประโยชน์อย่างอื่น (เช่นใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตโอเลฟินส์หรือแก๊สหุงต้ม) และถ้า wet gas นั้นมีแก๊สกรดปนอยู่ด้วยก็ต้องทำการกำจัดแก๊สกรดออกก่อนที่จะทำการแยกแก๊ส

(ของเหลวที่มากับแก๊สธรรมชาติมีชื่อเต็มว่า natural gas condensate แต่มักเรียกกันสั้น ๆ ว่า condensate แต่บางทีก็เรียกว่า natural gasoline (NGL) เพราะมีจุดเดือดอยู่ในช่วงน้ำมันแก๊สโซลีน ในกรณีของบ้านเรานั้น condensate จะถูกแยกออกจากแก๊สที่แท่นกลางทะเล ไม่ได้ถูกส่งขึ้นบก)

วิธีการหลักที่ใช้แยกแก๊สธรรมชาติที่เป็น wet gas ในปัจจุบันเห็นจะได้แก่การกลั่น (distillation) ที่อาศัยจุดเดือดที่แตกต่างกัน แต่ในอดีตนั้นก็มีการใช้การดูดซึม (absorption) ด้วยไฮโดรคาร์บอนเหลว เพื่อดึงเอาแก๊ส C₂ - C₄ ออกจากมีเทน ตัวอย่างหนึ่งของโรงงานที่ใช้กระบวนการนี้ได้แก่โรงงานของบริษัท Esso ที่เมือง Longford ประเทศออสเตรเลีย ที่เกิดการระเบิดเมื่อหลังเที่ยงของวันศุกร์ที่ ๒๕ กันยายน พ.ศ. ๒๕๔๑ นั้น โดยเหตุการณ์ดังกล่าวเกี่ยวข้องกับการทำงานของหอดูดซับ (Absorption column) ที่ใช้ในการแยกไฮโดรคาร์บอนตั้งแต่ C₂ ขึ้นไปออกจากมีเทน จึงขอยกเอามาเป็นตัวอย่างเล่าสู่กันฟังในวันนี้เพื่อเป็นการปูพื้นฐานในการทำความเข้าใจอุบัติเหตุดังกล่าว รายละเอียดต่าง ๆ นำมาจากรายงานการสอบสวนสาธารณะที่เล่าไว้ใน Memoir ฉบับเมื่อวันพุธที่ ๑๑ เมษายนที่ผ่านมา
 

แก๊สธรรมชาติในที่โรงงานดังกล่าวรับมานั้นประกอบด้วยส่วนที่เป็นแก๊สที่ประกอบด้วยไฮโดรคาร์บอน C₁ - C₄ และส่วนที่เป็นของเหลว (ที่เรียกว่า condensate) ที่ถูกส่งรวมมาจากแท่นขุดเจาะก่อนมาแยกส่วนที่เป็นแก๊สและของเหลวออกจากกันก่อนส่วนแก๊สเข้าโรงแยก แก๊สที่ส่งเข้าโรงแยกนั้นจะมี condensate ติดมาด้วย และด้วยความดันที่ส่งมาที่สูงจึงทำให้ใน condensate นี้มีไฮโดรคาร์บอน C₁ - C₄ ละลายอยู่ในปริมาณที่มีนัยสำคัญ
 

แก๊สที่อุณหภูมิ -25ºC จะถูกป้อนเข้าหอดูดซึมทางด้านก้นหอ (ดูรูปที่ ๒ ประกอบ) condensate (สีเขียวในรูป) ที่เป็นของเหลวจะหนักกว่าและตกลงสู่ tray ที่รองรับอยู่ทางด้านล่าง ส่วนแก๊สนั้นจะลอยขึ้นบนไหลผ่าน valve tray ต่าง ๆ ที่มีน้ำมันที่ใช้ในการดูดซับนั้นไหลสวนทางลงมา น้ำมันที่ใช้ในการดูดซับนี้เป็นน้ำมันในช่วง aviation kerosene ที่ถูกป้อนเข้าทางยอดหอดูดซึม โดยก่อนที่จะป้อนเข้านั้นจะถูกทำให้อิ่มตัวด้วยมีเทนก่อนที่จะลดอุณหภูมิให้ต่ำเหลือ -20ºC น้ำมันที่เข้าทางยอดหอนี้เรียกว่า "lean oil" และเมื่อดูดซึมแก๊สจนอิ่มตัวแล้วจะเรียกว่า "rich oil" ที่ไหลออกทางก้นหอ (สีแดงในรูป) 
  

การทำให้ lean oil อิ่มตัวด้วยมีเทนก่อนก็เพื่อลดการละลายของมีเทน เพราะว่าการละลายของแก๊สเข้ามาในของเหลวนั้นเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ดังนั้นถ้าให้มีเฉพาะไฮโดรคาร์บอน C₂ - C₄ เท่านั้น (ซึ่งมีไม่มากเมื่อเทียบกับมีเทน) ที่ละลายเข้ามาใน lean oil ก็จะไม่ส่งผลกระทบต่ออุณหภูมิของ lean oil เท่าใดนัก 
  

condensate ที่แยกออกจากแก๊สที่ก้นหอ จะถูกนำมาให้ความร้อนด้วยหม้อต้มซ้ำ (หรือ reboiler) ที่อยู่ที่ก้นหอ เพื่อทำการไล่ไฮโดรคาร์บอนเบาที่ละลายอยู่ใน condensate ออกไป ก่อนจะถูกสูบออกจากก้นหอเพื่อนำไปผ่านกระบวนการอื่นต่อไป

รูปที่ ๒ ซ้ายคือรูปภาพหอดูดซึมที่โรงงานที่เกิดอุบัติเหตุใช้ ข้างในเป็นโครงสร้างที่เป็น tray ชนิด valve tray (ขวาบน) ส่วนรูปขวาล่างคือโครงสร้างส่วนล่างของหอที่มีการแยกเอาแก๊สธรรมชาติ condensate และ rich oil ออกจากกัน โดยในทางปฏิบัตินั้นจะมี condensate ส่วนหนึ่งหลุดติดไปกับแก๊สที่ไหลขึ้น และเข้าไปผสมกับ rich oil ที่ไหลสวนลงมา รูปเหล่านี้นำมาจากรูปที่ปรากฏในรายงานการสอบสวนสาธารณะ

(ตรงนี้ขอขยายความเพิ่มเติมหน่อย เทอร์โมไดนามิกส์กล่าวไว้ว่า ∆G = ∆H - T∆S เมื่อ G คือ Gibb's free energy H คือ Enthalpy T คืออุณหภูมิ และ S คือ Entropy (หรือความไม่เป็นระเบียบ) เนื่องจากการดูดซึมนี้เป็นปฏิกิริยาที่เกิดได้เอง ดังนั้น ∆G จะมีค่าเป็นลบ และเนื่องจากโมเลกุลที่เดิมเมื่ออยู่ในเฟสแก๊สนั้นสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ แต่เมื่อมาอยู่ในเฟสของเหลวจะมีการเคลื่อนที่ได้น้อยลง (ความไม่เป็นระเบียบลดลง) ค่า ∆S จึงมีค่าเป็นลบด้วย และด้วยการที่ T มีค่าเป็นบวกเสมอ ดังนั้นผลคูณ T∆S จึงมีค่าเป็นลบตามไปด้วย ดังนั้นเพื่อให้ผลรวมทางด้านขวาของสมการมีค่าเป็นลบ ค่า ∆H จึงต้องมีค่าเป็นลบ หรือการดูดซึมนั้นเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ซึ่งถ้าว่ากันตามนี้ถ้าจะให้ของเหลวดูดซึมแก๊สได้ดี ของเหลวนั้นจึงควรที่จะมีอุณหภูมิต่ำ (แบบเดียวกับที่ออกซิเจนละลายน้ำได้มากที่อุณหภูมิต่ำ แต่ละลายน้ำได้น้อยที่อุณหภูมิสูง) และอุณหภูมิที่ต่ำนี้ยังช่วยลดการระเหยของของเหลวดูดซึมไม่ให้หลุดรอดไปกับแก๊สที่ไหลออกจากหอดูดซึมด้วย แต่ถ้าไปดูกรณีของการแยก CO₂ และ H₂S ด้วยสารละลาย K₂CO₃ จะพบว่าใช้อุณหภูมิที่สูง นั่นเป็นเพราะมันมีเรื่องความสามารถในการละลายน้ำของ K₂CO₃ เข้ามาเกี่ยวข้อง เพราะ K₂CO₃ ละลายน้ำได้มากขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น และการจับแก๊สกรดนั้นก็เป็นปฏิกิริยาเคมีที่มีการจับยึดกันแน่น แม้ว่าอุณหภูมิที่สูงขึ้นจะทำให้การจับยึดนั้นอ่อนแรงลงก็ตาม แต่ผลที่ได้จากปริมาณ K₂CO₃ ละลายน้ำได้มากขึ้นนั้นโดดเด่นกว่า จึงทำให้ทำการดูดซับที่อุณหภูมิสูง
 

และอีกปัจจัยที่ส่งผลต่อค่าการละลายของแก๊สก็คือความดัน กล่าวคือที่ความดันสูงขึ้นแก๊สก็จะละลายเข้าไปในของเหลวได้มากขึ้น)

ในการออกแบบนั้น สิ่งที่ผู้ออกแบบมักคาดหวังก็คือแก๊สที่ไหลขึ้นทางด้านบนนั้นจะมีแต่เฉพาะแก๊สเท่านั้น ไม่มีหยดของเหลวติดไปด้วย แต่ในทางปฏิบัตินั้นจะมีโอกาสที่หยดของเหลวลอยติดไปกับแก๊สที่ไหลขึ้นด้านบนด้วยที่เรียกว่าเป็นปรากฏการณ์ carry over (แบบเดียวกับที่เรานั่งริมทะเลแล้วรู้สึกเหนียวตัว เพราะลมที่พัดจากทะเลเข้าฝั่งนั้นจะพาเอาละอองน้ำทะเลติดมาด้วย) ในกรณีของโรงงานนี้เช่นกัน ที่การสอบสวนพบว่าแม้ว่าในสภาพการทำงานปรกตินั้นก็เกิดการ carry over ของ condensate ไปยัง rich oil และตัว lean oil ที่ออกไปกับแก๊สที่ไหลออกทางยอดหอ
 

อันที่จริงการลดการ carry over สามารถทำได้หลายแบบ โดยหลักการก็คือให้การไหลของแก๊สมีการเปลี่ยนทิศทางการไหล โดยในขณะที่แก๊สไหลเลี้ยวไปตามช่องทางการไหลนั้น หยดของเหลวที่มีความหนาแน่นมากกว่าจะปะทะเข้ากับผนังของเส้นทางการไหล เกิดการจับกลุ่มเป็นฟิลม์ของเหลวบนผนังและไหลลงเบื้องล่าง การทำให้ของเหลวเปลี่ยนเส้นทางการไหลนี้อาจทำได้ด้วยการออกแบบระบบท่อทางออก (ดังตัวอย่างในรูปที่ ๓) หรือด้วยการติดตั้งอุปกรณ์ที่เรียกว่า mist eliminator ที่มีลักษณะเป็นโครงสร้างที่พรุนและมีเส้นทางการไหลที่หักเลี้ยววางขวางเส้นทางการไหลของแก๊สเอาไว้ โดยในขณะที่แก๊สไหลเลี้ยวไปตามช่องทางการไหลนั้น หยดของเหลวที่มีความหนาแน่นมากกว่าจะปะทะเข้ากับผนังของ mist eliminator กลายเป็นหยดของเหลวที่ไหลลงล่างและสะสมรวมกันเป็นหยดที่ใหญ่ขึ้นจนสามารถหล่นลงล่างสวนทางกับแก๊สที่ไหลขึ้นโดยไม่ถูกแก๊สพัดพากลับขึ้นไป

รูปที่ ๓ ท่อทางออกยอดหอของแก๊สรูปแบบด้านซ้ายนั้นมีโอกาสที่จะมีของเหลวหลุดติดไปกับแก๊สได้มากกว่ารูปแบบด้านขวาที่หยดของเหลวมีโอกาสมากกว่าที่จะลอยขึ้นไปปะทะผนังด้านบนแล้วรวมเป็นหยดที่ใหญ่ขึ้นก่อนตกลงมา

rich oil ที่ออกทางก้นหอจะถูกส่งต่อไปยัง Flash drum ที่ลดความดันด้วยการไหลผ่านวาล์วให้ความลดตกลงจาก 6900 kPa เป็น 4500 kPa การลดความดันนี้ช่วยในการไล่แก๊สบางส่วนออกจาก rich oil ก่อนที่จะทำเอา rich oil นี้ไปเข้ากระบวนการกลั่นเพื่อแยกเอาไฮโดรคาร์บอน C₁ - C₄ ออกไป

กระบวนการ flash นี้ไม่เพียงแต่จะไล่เอาแก๊สบางส่วนออกจากของเหลว แต่ยังสามารถทำให้อุณหภูมิของระบบนั้นลดต่ำลงด้วย และการลดต่ำลงของอุณหภูมิที่มากเกินไปนี้เอง ที่ส่งผลให้เกิดอุบัติเหตุตามมา สำหรับวันนี้คงพอแค่นี้ก่อน

การกำจัด CO2 และ H2S ด้วยกระบวนการ Hot Potassium Carbonate Absorption MO Memoir : Monday 7 December 2558

คาร์บอนไดออกไซด์ (carbon dioxide - CO₂) และไฮโดรเจนซัลไฟด์ (hydrogne sulfide - H₂S) เป็นแก๊สกรดที่พบได้เป็นประจำในแก๊สธรรมชาติหรือแก๊สสังเคราะห์ (synthesis gas เช่นที่ได้จากกระบวนการ coal gasification) หรือในโอเลฟินส์ที่ได้จากกระบวนการ thermal cracking ไฮโดรคาร์บอนต่าง ๆ ปริมาณและสัดส่วนของแก๊สกรดเหล่านี้ขึ้นอยู่กับแหล่งที่มาและกระบวนการผลิตแก๊สที่เป็นผลิตภัณฑ์ และความเข้มข้นสูงสุดที่ยอมรับได้ก็ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดเฉพาะของการนำไปใช้งานสุดท้าย (คือบางกระบวนการอาจยอมให้มีปนเปื้อนได้ในปริมาณมาก ในขณะที่บางกระบวนการเช่นการพอลิเมอร์ไรซ์ อาจไม่ต้องการให้มีปนเปื้อนเลยหรือถ้ามีก็ต้องให้น้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้)
  

การลดปริมาณ CO₂ และ H₂S ในแก๊สที่ต้องการนำไปใช้งานนั้นมีอยู่ด้วยกันหลายวิธีการ ขึ้นอยู่กับปริมาณปนเปื้อน ความเข้มข้นสูงสุดที่ยอมรับได้ และปริมาตรแก๊สที่ต้องทำการบำบัด ในกรณีของแก๊สที่มีอัตราการไหลไม่มาก มี CO₂ และ H₂S ในปริมาณที่ต่ำ และความเข้มข้นสูงสุดของ CO₂ และ H₂S ที่ยอมรับได้มีค่าต่ำ (เช่นแก๊สเอทิลีนที่ใช้ในกระบวนการพอลิเมอร์ไรซ์ในการผลิตพอลิเอทิลีน) การให้แก๊สนั้นไหลผ่านเบดของแข็งที่มีฤทธิ์เป็นเบส (เช่น KOH) ก็เป็นวิธีการที่เหมาะสม แต่วิธีการนี้ก็มีข้อเสียคือเมื่อเบด KOH ทำปฏิกิริยากับ CO₂ และ/หรือ H₂S แล้วจะไม่สามารถทำการฟื้นคืนสภาพ (regeneration) ได้ ต้องทิ้งของเดิมไปและบรรจุ KOH ใหม่แทนที่ ดังนั้นในการออกแบบจึงต้องมีการคำนวณขนาดเบดให้ใหญ่เพียงพอที่จะสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องจนถึงรอบระยะเวลาการเปลี่ยน KOH แต่ละครั้ง (เช่นอาจทุก ๖ เดือนหรือ ๑ ปี)

ในกรณีที่ต้องจัดการกับแก๊สในปริมาณมากและมี CO₂ และ H₂S ปนเปื้อนในปริมาณมาก การใช้สารละลายเบสดูดซับแก๊สกรดเหล่านี้ออกมาจากแก๊สที่ผ่านเข้ากระบวนการจะมีความเหมาะสมมากกว่า โดยหลักการก็คือการให้สารละลายเบสไหลสวนทางกับแก๊สที่มี CO₂ และ H₂S ปนเปื้อนอยู่ (แก๊สไหลจากล่างขึ้นบนในขณะที่สารละลายไหลจากบนลงล่างในหอที่เรียกว่า absorber) CO₂ และ H₂S จะทำปฏิกิริยากับเบสในสารละลายและย้ายเข้าไปอยู่ในสารละลาย ทำให้ความเข้มข้นของ CO₂ และ H₂S ในแก๊สที่เข้าสู่กระบวนการนั้นลดลง ส่วนเบสจะมี CO₂ และ H₂S เพิ่มสูงขึ้น เพื่อที่จะให้กระบวนการสามารถดำเนินไปได้อย่างต่อเนื่องและประหยัด เบสที่ใช้จึงควรที่จะสามารถทำการฟื้นคืนสภาพ คือไล่ CO₂ และ H₂S ออกไปได้ เพื่อที่จะได้นำสารละลายเบสกลับมาใช้งานได้ใหม่ โดยหลักก็คือให้สารละลายเบสดูดซับ CO₂ และ H₂S ไว้ที่ความดันสูงและอุณหภูมิต่ำ จากนั้นจึงค่อยนำเอาสารละลายเบสที่ดูดซับ CO₂ และ H₂S ไว้แล้วนั้นมาต้มไล่ CO₂ และ H₂S ออกที่ความดันต่ำและอุณหภูมิสูง (รูปที่ ๑) และเบสที่มีการนำมาใช้งานกันอย่างกว้างขวางก็คือโพแตสเซียมคาร์บอนเนต (potassium carbonate - K₂CO₃) และเบสอินทรีย์พวกอัลคานอลเอมีน (alkanol amine) ต่าง ๆ

Memoir ฉบับนี้จะขอนำเอาเรื่องเกี่ยวกับกระบวนการ hot potassium carbonate absorption มาเล่าสู่กันฟัง กระบวนการนี้ก็เป็นกระบวนหนึ่งที่เคยมีการนำมาใช้ในประเทศไทยในการกำจัด CO₂ ออกจากแก๊สธรรมชาติ รูปประกอบนำมาจากเอกสารอ้างอิง ๒ ฉบับดังต่อไปนี้

๑. "Removing hydrogen sulfide by hot potassium carbonate absorption" โดย J. H. Field, G. E. Johnson, H. E. Benson และ J. S. Tosh, U.S. Dept. of the Interior, Bureau of Mines (1960).

๒. "Pilot-plant studies of the hot-carbonate process for removing carbon dioxide and hydrogen sulfide" โดย J. H. Field, H. E. Benson, G. E. Johnson, J. S. Tosh และ A. J. Forney, U.S. Govt. Print. Off. (1962).

รูปที่ ๑ แผนผังอย่างง่ายของกระบวนการ hot potassium carbonate absorption (จากเอกสารอ้างอิง ๒) ในกระบวนการนี้จะทำการดูดซับ CO₂ (300 psig) ที่ความดันสูงและนำมาต้มไล่ที่ความดันต่ำ (5 psig) การที่อุณหภูมิที่หอ regenerator (หอที่ใช้ต้มไล่ CO₂) ต่ำกว่านั้นเป็นเพราะหอ regenerator ทำงานที่ความดันที่ต่ำกว่า แต่ก็จัดว่าเป็นอุณหภูมิที่สูง (ใกล้จุดเดือด) เมื่อเทียบกับจุดเดือดของของเหลวที่ความดันเหนือผิวของเหลวนั้น

ในกระบวนการ hot potassium carbonate absorption นั้น ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดคือ

K₂CO₃ + CO₂ + H₂O <---> 2KHCO₃

K₂CO₃ + H₂S <---> KHCO₃ + KHS

ในหอดูดซับ (absorber) ปฏิกิริยาจะเกิดจากซ้ายไปขวา ส่วนในหอฟื้นคืนสภาพ (regenerator) ปฏิกิริยาจะเกิดจากขวาไปซ้าย

และในกรณีที่แก๊สนั้นมีคาร์บอนิลซัลไฟด์ (carbonyl sulfide - COS) ปนอยู่ด้วย จะมีปฏิกิริยาเคมีเกิดร่วมคือ

COS + H₂O ----> CO₂ + H₂S

ในการออกแบบกระบวนการ มีหลายปัจจัยที่ต้องนำมาพิจารณา ปัจจัยหนึ่งที่สำคัญได้แก่ "อุณหภูมิ" เพราะมันส่งผลถึงความสามารถในการละลายน้ำของ K₂CO₃ อัตราเร็วในการทำปฏิกิริยาระหว่างสารละลายกับแก๊สกรด และค่าความดันไอสมดุล (ค่าความดันไอต่ำสุดของแก๊สกรดที่จะสามารถทำได้) แต่ที่แย่ก็คือมันไม่ได้ส่งผลไปในทิศทางเดียวกัน ดังนั้นในการออกแบบกระบวนการจึงจำเป็นต้องหาจุดสมดุลที่ให้ภาพรวมเฉลี่ยแล้วเหมาะสมที่สุด (และจุดสมุดลของแต่ละกระบวนการก็ไม่จำเป็นต้องเหมือนกันด้วย)

รูปที่ ๒ ค่าความสามารถในการละลายน้ำของ K₂CO₃ ที่อุณหภูมิต่าง ๆ (จากเอกสารอ้างอิง ๒)

ตัวอย่างผลของอุณหภูมิที่มีต่อการพิจารณาจุดที่เหมาะสมของการทำงานได้แก่

(ก) สารละลาย K₂CO₃ ความเข้มข้นสูงจะจับ CO₂ ได้มากกว่าสารละลายที่มีความเข้มข้นต่ำกว่า ดังนั้นการใช้สารละลายความเข้มข้นสูงจะมีอัตราการไหลที่ต่ำกว่า และเนื่องจาก K₂CO₃ ละลายน้ำได้มากขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น (รูปที่ ๒) ดังนั้นถ้าต้องการสารละลาย K₂CO₃ ความเข้มข้นสูงก็ต้องใช้อุณหภูมิสูง (และอาจต้องมีการเพิ่มความดันให้สูงขึ้นไปอีก เพื่อที่จะสามารถเพิ่มอุณหภูมิสารละลายให้สูงกว่าอุณหภูมิจุดเดือดที่ความดันบรรยากาศด้วย) แต่การใช้สารละลายที่มีความเข้มข้นสูงจนใกล้จุดอิ่มตัว ก็ต้องระวังการอุดตันในระบบอันเป็นผลจากการตกตะกอนในบริเวณของระบบที่มีอุณหภูมิต่ำ

(ข) อัตราการทำปฏิกิริยาระหว่าง CO₂ และ H₂S กับสารละลาย K₂CO₃ จะเพิ่มสูงขึ้นตามอุณหภูมิ (รูปที่ ๓) ดังนั้นถ้าใช้อุณหภูมิการดูดซับที่สูง ทั้ง CO₂ และ H₂S ก็จะละลายเข้าสู่สารละลาย K₂CO₃ จนถึงจุดอิ่มตัวได้อย่างรวดเร็ว ทำให้สามารถลดขนาดของหอดูดซับลงได้

(ค) ที่อุณหภูมิสูงขึ้นแก๊สจะละลายในของเหลวได้น้อยลง หรือค่าความดันไออิ่มตัวของแก๊สเหนือผิวของเหลวจะเพิ่มสูงขึ้น (รูปที่ ๔) ดังนั้นความเข้มข้นต่ำสุดของแก๊สกรดที่หลงเหลือที่สามารถลดได้นั้นจะแปรผกผันกับอุณหภูมิ การดูดซับที่อุณหภูมิต่ำกว่าจะสามารถลดความเข้มข้นของแก๊สกรดลงได้มากกว่า (ถ้าเปรียบเทียบที่สารละลาย K₂CO₃ เข้มข้นเท่ากัน และปล่อยให้ทำปฏิกิริยาจนระบบเข้าสู่สมดุล)

(ง) การไล่ CO₂ และ H₂S ออกจากสารละลายจะทำได้ดีที่อุณหภูมิสูงและความดันต่ำ อุณหภูมิสูงสุดที่จะทำได้คือจุดเดือดของของเหลว แต่จุดเดือดของของเหลวจะลดต่ำลงตามความดัน นอกจากนี้ค่าการละลายของ K₂CO₃ ยังลดต่ำลงเมื่ออุณหภูมิสารละลายลดลง ดังนั้นการออกแบบจึงต้องมั่นใจว่าสารละลาย K₂CO₃ ที่อุณหภูมิสูง จะไม่เกิดการตกตะกอน (ซึ่งจะทำให้ระบบอุดตัน) เมื่อลดอุณหภูมิของสารละลายให้ต่ำลง (ผลจากการลดความดันเหนือผิวของเหลว)

(จ) อีกปัจจัยหนึ่งที่ต้องพิจารณาคือการกำจัด H₂S ถ้าพิจารณาปฏิกิริยาระหว่าง H₂S กับ K₂CO₃ จะเห็นว่าแม้ว่ามันเป็นปฏิกิริยาที่ผันกลับได้ แต่การผันกลับได้นั้นมันไม่สมบูรณ์ เพราะ KHCO₃ ที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่าง H₂S กับ K₂CO₃ นั้นตอนต้มไล่แก๊สออกที่หอ regenerator อาจจับตัวกันเองและสลายตัวออกไปเป็น CO₂ แทนที่จะจับกับ KHS และสลายตัวออกไปเป็น H₂S ทำให้มี KHS สะสมอยู่ในระบบ (หรือความเข้มข้น K₂CO₃ ลดต่ำลงไปเรื่อย ๆ) ดังนั้นเพื่อให้กระบวนการ hot potassium carbonate ทำการกำจัด H₂S ได้ดีจึงจำเป็นต้องมี CO₂ เข้มข้นสูงในระดับหนึ่ง

จากที่กล่าวมาข้างต้นคิดว่าคงจะพอมองเห็นปัญหาในการออกแบบกันบ้างแล้วนะครับ

รูปที่ ๓ อัตราการเกิดปฏิกิริยาระหว่าง CO₂ H₂S และ COS กับสารละลาย K₂CO₃ เข้มข้น 40 wt% (จากเอกสารอ้างอิง ๑) จะเห็นว่าที่อุณหภูมิสูงขึ้น อัตราการทำปฏิกิริยาจะเพิ่มสูงขึ้นไปด้วย

แก๊สที่ผ่านกระบวนการ hot potassium carbonate absorption จะมีความเข้มข้นของ CO₂ และ H₂S ลดลง แต่จะมีสารประกอบอีกตัวหนึ่งเพิ่มเติมเข้ามา (ทั้ง ๆ ที่แก๊สที่ไหลเข้าระบบตอนแรกนั้นอาจจะไม่มีสารนี้อยู่เลย) ดูออกไหมครับว่าเป็นสารใด คำตอบก็คือ "น้ำ" ที่ใช้เป็นตัวทำละลาย K₂CO₃ ดังนั้นจึง
อาจต้องทำการติดตั้งหน่วยกำจัดน้ำออกจากแก๊สที่ผ่านการกำจัดแก๊สกรดออกไปแล้วเพิ่มเติมเข้ามาอีก

รูปที่ ๔ ค่าความดันไอสมดุลของ H₂S กับสารละลาย K₂CO₃ เข้มข้น 40 wt% (จากเอกสารอ้างอิง ๑) จะเห็นว่าที่อุณหภูมิสูงขึ้น ค่าความดันไอสมดุลจะเพิ่มสูงขึ้นไปด้วย

กระบวนการ absorption (ไม่ว่าจะเป็นการใช้สารละลาย hot potassium carbonate หรือ alkanol amine) มีการใช้พลังงานมากในการต้มไล่ CO₂ และ H₂S ออกจากสารละลาย สารละลายที่จับยึดแก๊สกรดเหล่านี้ได้ดีมาก (คือลดความดันไอสมดุลลงได้ต่ำมาก) จะต้องใช้พลังงานในการต้มไล่สูงตามไปด้วย

ผมเห็นงานวิจัยหลายงานที่มีการพัฒนาวัสดุของแข็งมีรูพรุนสำหรับดูดซับ CO₂ โดยอ้างว่ามันมีข้อดีกว่ากระบวนการ absorption ทั้ง ๆ ที่ในความเป็นจริงแล้วการเลือกกระบวนการที่เหมาะสมมันขึ้นกับปัจจัยหลายอย่างดังที่ได้กล่าวไว้ในหน้าแรก การนำเสนอเช่นที่กล่าวมานั้นมันเหมือนกับการสร้างรถยนต์ขึ้นมาแล้วทดสอบด้วยการทำเป็นแท๊กซี่ขนผู้โดยสารและกระเป๋าเดินทางจากโรงแรมในตัวเมืองเดินทางไปสนามบิน แล้วบอกว่าในอนาคตจะพัฒนารถดังกล่าวให้สามารถใช้บรรทุกดินบรรทุกหินสำหรับงานก่อสร้างได้ สิ่งที่ใช้งานได้ดีกับระบบขนาดเล็กไม่จำเป็นต้องใช้งานได้ดี (หรือใช้งานได้) กับระบบขนาดใหญ่ และในทางกลับกัน สิ่งที่ใช้งานได้ดีกับระบบขนาดใหญ่ก็ไม่จำเป็นต้องใช้งานได้ดี (หรือใช้งานได้) กับระบบขนาดเล็ก วิศวกรจำเป็นต้องเรียนรู้ข้อดีข้อเสียและข้อจำกัดของตัวเลือกต่าง ๆ จากนั้นจึงค่อยเลือกตัวเลือกที่เหมาะสมกับสถานการณ์ ในขณะที่นักวิจัยมักจะพูดแต่ข้อดีของงานของตัวเองโดยปกปิดข้อเสียต่าง ๆ เอาไว้