การระเบิดใน Furnace MO Memoir : Thursday 4 December 2568

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากบทความเรื่อง "Explosion in Furnace" จาก Oil Industry Safety Directorate ของ Government of Indis (https://www.oisd.gov.in/en-in/CaseStudies) เผยแพร่เมื่อ ๑๕ ตุลาคม ค.ศ. ๒๐๒๔ เป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในโรงกลั่นน้ำมันแห่งหนึ่งในประเทศอินเดีย

Furnace หรือ Fired heater หรือเตาเผาในที่นี้ เป็นอุปกรณ์ให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูง โดยทั่วไปจะเป็นการให้ความร้อนด้วยเปลวไฟโดยมีของเหลวหรือแก๊สร้อนไหลอยู่ในท่อ เตาเผานี้มีหลายรูปแบบและหลายขนาด ขึ้นกับการประยุกต์ใช้งานและกำลังการผลิต โดยมีลักษณะทั่วไปคือจะมีหัวเตา (burner) ที่เป็นจุดที่เชื้อเพลิงเกิดการเผาไหม้เป็นเปลวไฟ ติดตั้งอยู่ ณ ตำแหน่งต่าง ๆ ที่เหมาะสมของตัวเตาเผา เพื่อให้ได้อุณหภูมิการเผาไหม้สูงสุดและมั่นใจว่าเผาไหม้ได้สมบูรณ์ ปริมาณอากาศที่ใช้ในการเผาไหม้จะมากเกินพอเพียงเล็กน้อย (คือเผาไหม้เชิ้อเพลิงได้สมบูรณ์และยังมีออกซิเจนเหลืออยู่ไม่มาก) เพราะถ้าอากาศไม่พอ การเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ จะไม่สามารถดึงเอาพลังงานความร้อนของเชื้อเพลิงออกมาได้หมด แต่ถ้ามีอากาศมากเกินพอไปมาก พลังงานความร้อนที่เชื้อเพลิงปลดปล่อยออกมาจะถูกเฉลี่ยไปให้อากาศส่วนเกิน ทำให้อุณหภูมิแก๊สร้อนที่ได้จากการเผาไหม้นั้นลดต่ำลง

รูปที่ ๑ ภาพ furnace ที่เสียหายจากการระเบิด

ในการให้ความร้อนด้วยเปลวไฟนั้น สถานะของของไหลที่อยู่อีกฝากหนึ่งของผนังโลหะส่งผลต่ออุณหภูมิที่ผิวโลหะ ในกรณีที่ของไหลนั้นเป็นของเหลวและผนังโลหะไม่หนามาก จะประมาณได้ว่าอุณหภูมิที่ผิวโลหะนั้นจะเท่ากับอุณหภูมิจุดเดือดของของเหลวนั้นหรือสูงกว่าเล็กน้อย (ด้านรับความร้อน) และมันจะเป็นเช่นนี้แม้ว่าผิวโลหะนั้นจะถูกเปลวไฟลนโดยตรงก็ตาม แต่ถ้าอีกฟากหนึ่งของผนังโลหะนั้นเป็นแก๊สมันจะแตกต่างกันออกไป เพราะค่าความจุความร้อนของแก๊สนั้นต่ำกว่าของเหลวมาก ผิวโลหะจะมีอุณหภูมิสูงตามอุณหภูมิแก๊สร้อนที่ได้จากการเผาไหม้ และยังต้องระวังไม่ให้เปลวไฟนั้นสัมผัสกับผิวโลหะโดยตรง เพราะอุณหภูมิที่เปลวไฟนั้นจะร้อนกว่าอุณหภูมิของแก๊สร้อนอีก (รูปที่ ๒)

ตรงนี้ถ้านึกไม่ออกก็ลองนึกภาพการต้มน้ำในหม้ออะลูมิเนียมด้วยเตาแก๊ส โลหะอลูมิเนียมนั้นจะไม่เป็นอะไรตราบเท่าที่ระดับเปลวไฟนั้นต่ำกว่าระดับน้ำที่อยู่ในหม้ออะลูมิเนียม แต่ถ้าเราหม้ออะลูมิเนียมเปล่า ๆ ไปตั้งไฟบนเตาที่แรงเท่ากัน หม้อใบนั้นจะร้อนจัดจนอาจเกิดความเสียหายได้

รูปที่ ๒ อุณหภูมิที่ตำแหน่งต่าง ๆ ของเปลวไฟที่เกิดจากเทียนไข (รูปจาก https://www.chemistryviews.org/details/ezine/1393371/Chemistry_of_the_Christmas_Candle__Part_2/)

เหตุการณ์เกิดขึ้นที่เตาเผาของหน่วยกลั่นน้ำมันดิบหลังจากโรงงานหยุดเดินเครื่องเพื่อทำการซ่อมบำรุงและตรวจสอบเป็นเวลา ๒๒ วัน และเริ่มเดินเครื่องใหม่ได้ ๖ วันก่อนที่จะเกิดเรื่องช่วงกะดึก ในขณะนั้นหน่วยผลิตกำลังเดินเครื่องที่กำลังการผลิต 450 m³/hr หรือ 73% ของกำลังการผลิตเต็มที่ โดยในช่วงเวลา 2.30 น พนักงานกะดึกพบว่าวาล์วควบคุมการไหล (control valve) ที่ทำหน้าที่ป้อนเชื้อเพลิงไปยังหัวเตาของเตาเผาและวาล์วอื่นอีกบางตัว ค้างอยู่ในตำแหน่งเปิดของระดับการเปิดครั้งสุดท้าย (คือพนักงานเห็นว่าวาล์วเปิดค้างอยู่ที่ค่าค่าหนึ่ง) จึงได้แจ้งให้ฝ่าย Instrument เข้ามาตรวจสอบ ซึ่งได้เข้ามาตรวจสอบเมื่อเวลาประมาณ 5.30 น หลังจากที่ตรวจสอบแล้วช่างจึงได้ทำการ reset "analogue control card" ทำให้วาล์วควบคุมปรับตัวเองเข้าไปอยู่ในตำแหน่งปลอดภัย (fail-safe position) ซึ่งสำหรับวาล์วควบคุมการไหลของเชื้อเพลิง ตำแหน่งปลอดภัยดังกล่าวก็คือตำแหน่ง "ปิด"

เตาเผานี้เป็นชนิด balanced draft furnace กล่าวคือจะรักษาความดันภายในให้ต่ำกว่าความดันบรรยากาศภายนอกเล็กน้อย ซึ่งทำได้ด้วยการดูดแก๊สไอเสียจากการเผาไหม้ออก การทำเช่นนี้จะทำให้อากาศไหลเข้าไปในตัวเตาเผา ในขณะที่แก๊สเชื้อเพลิงที่หัวเตาฉีดพ่นออกมา รวมทั้งเปลวไฟที่เกิดขึ้น จะคงอยู่ในตัวเตาเผา ในภารทำงานปรกติปริมาณออกซิเจนส่วนเกินจะอยู่ระหว่าง 2-3% แต่ในช่วงกะเช้าก่อนเกิดเหตุนั้นพบว่าอยู่ที่ 3-4% และในช่วงบ่ายที่เวลา 15.20 น พบว่าปริมาณออกซิเจนส่วนเกินลดเหลือ 0.2-1%

วาล์วควบคุมอัตราการไหลส่วนใหญ่ในโรงงานมักจะใช้แรงดันลมดันแผ่นไดอะแฟรมให้วาล์วเปิดหรือปิดต้านกับแรงสปริงที่คอยดันให้วาล์วปิดหรือเปิดถ้าไม่มีแรงดันลมมากระทำ (วาล์วควบคุมที่เป็น globe valve มักเป็นแบบนี้ ถ้าเป็น ball valve ก็มักจะใช้การดันกระบอกสูบ) รูปร่างหน้าตาและองค์ประกอบของวาล์วควบคุมที่มีโครงสร้างแบบ globe valve อ่านได้ในเรื่อง "วาล์วควบคุมอัตราการไหล(Control valve) MOMemoir : Sunday 5 February 2560"

ในการเลือกว่าจะให้แรงดันของสปริงดันให้วาล์วปิด แล้วให้แรงดันลมดันให้วาล์วเปิด (ที่เรียกว่า failure close หรือย่อว่า fc) หรือให้แรงดันสปริงดันให้วาล์วเปิด แล้วให้แรงดันลมดันให้วาล์วปิด (ที่เรียกว่า failure open หรือย่อว่า fo) ก็ต้องพิจารณาว่าถ้าหากโรงงานมีปัญหาเช่น ไฟฟ้าดับ ไม่มีอากาศอัดความดันในระบบ ตำแหน่งไหนของวาล์วจะทำให้โรงงานปลอดภัยที่สุด (fail safe position) ซึ่งโดยหลักก็คือ "Maximise cooling" และ "Minimise heating" กล่าวคือรักษาการทำงานของระบบหล่อเย็น และตัดการทำงานของระบบให้ความร้อน (หรือสารอันตรายต่าง ๆ) ดังนั้นถ้าเป็นกรณีของน้ำหล่อเย็น ก็จะเลือกใช้วาล์วชนิด failure open และถ้าเป็นไอน้ำหรือเชื้อเพลิงที่ส่งไปเผาในเตาเผา ก็จะเลือกใช้วาล์วชนิด failure close

เนื่องด้วยระบบคอมพิวเตอร์ควบคุมในปัจจุบันจะเป็นระบบดิจิตอล (digital) แต่การทำงานของวาล์วควบคุมยังเป็นระบอนาล็อก (analogue) ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีวงจรที่ทำหน้าที่เปลี่ยนคำสั่งดิจิตอลให้เป็นสัญญาณควบคุมอนาล็อก และแปลงค่าอนาล็อกจากอุปกรณ์วัดให้เป็นค่าดิจิตอลที่คอมพิวเตอร์เข้าใจได้ ซึ่งในเหตุการณ์นี้อุปกรณ์ดังกล่าวก็คือ "analogue control card" ดังนั้นเมื่อช่างทำการ reset ""analogue control card"" จึงทำให้สัญญาณที่ส่งไปยังวาล์วควบคุมหายไป แรงดันของสปริงจึงดันให้วาล์วไปอยู่ในตำแหน่งที่ปลอดภัย ซึ่งในที่นี้คือตำแหน่งปิด

โอเปอร์เรเตอร์ในห้องควบคุมเห็นว่าวาล์วควบคุมการไหลเชื้อเพลิงปิดอยู่หลังจากผ่านไปแล้ว 6 นาที จึงได้ทำการเปิดวาล์วเชื้อเพลิงใหม่ผ่านระบบคอมพิวเตอร์ควบคุม และหลังจากนั้นประมาณ 3 นาทีก็เกิดการระเบิดขึ้นในเตาเผา ข้อมูลที่ระบบบันทึกไว้บอกว่าในช่วงเวลา 3 นาทีนั้นวาล์วเชื้อเพลิงเปิดได้ประมาณ 50% ในช่วงเวลาดังกล่าว LPG (แก๊สหุงต้มที่ประกอบด้วยโพรเพน 40.5% และบิวเทน 58.6% โดยที่เหลือเป็นไฮโดรคาร์บอนที่หนักกว่า) ที่ใช้ไปเชื้อเพลิงในเวลานั้นได้ไหลเข้าไปในเตาเผาประมาณ 155 กิโลกรัม

เตาเผาดังกล่าวจะมี pilot light ซึ่งก็คือหัวเตาเล็ก ๆ อยู่ในบริเวณหัวเตาใหญ่ ที่จะต้องจุด pilot light นี้ให้ติดก่อนที่จะเปิดหัวเตาใหญ่ ซึ่งเมื่อแก๊สที่ออกมากหัวเตาใหญ่พบกับเปลวไฟของ pilot light ที่จุดล่ออยู่ แก๊สนั้นก็จะลุกติดไฟทันที ในเหตุการณ์นี้เนื่องจากเตาเผาเป็นแบบเก่า ทำให้ไม่มีเครื่องวัดที่บ่งบอกว่า pilot light นั้นติดอยู่หรือไม่หลังจากที่แก๊สเชื้อเพลิงโดนตัดไป และโอเปอร์เรเตอร์ก็ไม่ได้ทำการตรวจสอบว่า pilot light นั้นติดอยู่หรือไม่ และไม่ได้ทำตามขั้นตอนการเริ่มเดินเครื่องเตาเผาอย่างถูกต้อง (ต้องมีการ purge ไล่แก๊สภายในเตาเผาออกก่อนด้วยเวลาที่นานพอ) ด้วยเหตุนี้เมื่อเปิดให้แก๊สไหลเข้าเตาเผาอีกครั้ง แก๊สจำนวนมากจึงไหลเข้าไปภายในเตาเผาโดยไม่เกิดการลุกไหม้ เกิดการสะสมจนมีความเข้มข้นสูงมากพอ และถูกจุดระเบิดด้วยท่อในเตาเผาที่ยังมีอุณหภูมิสูงอยู่ (อุณหภูมิที่ผิวท่อ ณ เวลานั้นสูงกว่า auto-ignition temperature ของแก๊สหุงต้ม)

(วิธีการหนึ่งที่ใช้ตรวจสอบว่า pilot light ลุกไหม้อยู่หรือไม่ก็คือการใช้ thermocouple วัดอุณหภูมิบริเวณหัว pilot light ค่าอุณหภูมิที่สูงแสดงว่ามีไฟลุกติดที่ตัว pilot light นั้น)

เพลิงไหม้และการระเบิดที่ Steam Cracker Unit, Czech Republic 2558 (2015) ตอนที่ ๒ ลำดับเหตุการณ์ MO Memoir : Thursday 1 February 2567

ก่อนที่จะเริ่มลำดับเหตุการณ์ ลองมาทำความรู้จักการกลั่นและการทำงานของหอกลั่นลำดับส่วนกันก่อน รูปที่ ๘ ข้างล่างเป็นหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนของโรงงานที่เกิดเหตุ

การกลั่นแยกสารโดยอาศัยจุดเดือดที่แตกต่างกัน เมื่อเราให้ความร้อนแก่ของเหลวที่เป็นสารผสม ไอที่ระเหยขึ้นมาจะมีสัดส่วนสารที่มีจุดเดือดต่ำมากกว่าของเหลวที่เหลืออยู่ และถ้าเรานำไอที่ระเหยขึ้นมานี้มาทำการควบแน่นให้เป็นของเหลวและให้ความร้อนจนระเหยกลายเป็นไอใหม่บางส่วน (ไม่ได้ระเหยทั้งหมด) ไอที่ระเหยขึ้นมาก็จะมีสัดส่วนสารที่มีจุดเดือดต่ำเพิ่มขึ้นไปอีก

ในหอกลั่นนั้นกระบวนการควบแน่นของไอและทำให้ของเหลวเดือดกลายเป็นไอนั้นเกิดใน "Tray" (หน้าตา Tray เป็นอย่างไรดูได้ในบทความเรื่อง "ทำความรู้จักหน้าตา Tray หอกลั่น" MO Memoir ฉบับวันเสาร์ที่ ๓ มกราคม พ.ศ. ๒๕๕๘) โดยของเหลวที่อยู่บนแต่ละ Tray นั้นจะได้รับความร้อนจากไอระเหยที่ออกมาจาก Tray ที่อยู่ต่ำลงไป โดยมีของเหลวที่อยู่ใน Tray ที่สูงกว่าไหลลงมาชดเชย จำนวน Tray มีมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับความแตกต่างระหว่างจุดเดือดของสาร ในกรณีของการแยกโพรเพนกับโพรพิลีนที่จุดเดือดแตกต่างกันไม่มาก จำนวน Tray ที่ใช้จะอยู่ที่ระดับประมาณ 200 Tray

รูปที่ ๘ หอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีน

รูปที่ ๘ เป็นแผนผังหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีน (Propylene column) ของโรงงานที่เกิดเหตุที่มีทั้งสิ้น 185 Tray สารผสมจะถูกป้อนผ่านวาล์วควบคุม FC 04-251 เข้าที่ตำแหน่ง Tray ที่ 106 ความเข้มข้นของโพรพิลีนใน Tray ที่สูงขึ้นไปจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ในทางกลับกันความเข้มข้นของโพรเพนใน Tray ที่อยู่ต่ำลงมาก็จะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ไอระเหยที่ออกจาก Tray ที่ 1 ที่อยู่บนสุดจะถูกควบแน่นเป็นของเหลวที่เครื่องควบแน่น EA-452 A/D (ด้วยกัน 4 ตัวคือ A-D) ด้วยการระบายความร้อนให้กับน้ำหล่อเย็น กลายเป็นของเหลวไหลลงมารวบรวมไว้ที่ Reflux drum (FA-407) ของเหลวที่ควบแน่นถูกดึงออกไปเป็นผลิตภัณฑ์โพรพิลีน โดยมีบางส่วนถูกสูบป้อนกลับเข้ามายัง Tray ที่ 1 ใหม่ เพื่อควบแน่นไอที่ระเหยออกมาจาก Tray ที่ 2 ของเหลวส่วนที่ถูกสูบป้อนกลับมายัง Tray ที่ 1 ใหม่นี้เรียกว่า "Reflux"

โพรเพน-โพรพิลีนมีจุดเดือดใกล้กัน (ความดันในการทำงานของหอกลั่นสูงกว่าความดันบรรยากาศนะ) ทำให้ต้องใช้ Tray จำนวนมาก ความสูงของหอก็เลยมากตามไปด้วย ในกรณีนี้จะอยู่ที่ขาดอีกนิดหน่อยก็ถึง 100 เมตรแล้ว เวลาวาดรูประบบหอกลั่นมักจะวาดรูปให้บรรดาเครื่องควบแน่น, Reflux drum, วาล์วระบายความดัน (Pressure Relief Valve) และปั๊มต่าง ๆ อยู่ทางด้านบนของรูป ก็เลยทำให้บางคนคิดว่าอุปกรณ์เหล่านี้ติดตั้งอยู่ทางด้านบนของหอ แต่ในความเป็นจริงมันติดตั้งอยู่ที่พื้นด้านล่าง คือไอระเหยจากยอดหอจะไหลลงมาควบแน่นที่เครื่องควบแน่นทางด้านล่าง มีเพียงของเหลวที่เป็น Reflux นั้นจะถูกปั๊มส่งกลับไปยังยอดหอ

แผนผังกระบวนการกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนในรูปที่ ๘ เหมือนกับที่เคยเล่าไว้ในเรื่อง "ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๒๐ Propylene fractionation section" MO Memoir ฉบับวันอาทิตย์ที่ ๑๖ ตุลาคม พ.ศ. ๒๕๕๙ ที่มีหอกลั่นเพียงตัวเดียว และใช้น้ำร้อนจาก Quench Tower มาเป็นตัวให้ความร้อนที่ Reboiler การออกแบบในช่วงเวลาถัดมามีการใช้หอกลั่นสองหอ (แต่ความสูงของแต่ละหอก็ยังอยู่ที่ระดับเกือบ 100 เมตรเช่นเดิม) ทำงานที่ความดันแตกต่างกัน โดยหอกลั่นแรกทำงานที่ความดันสูงกว่าหอกลั่นที่สอง และเปลี่ยนสารให้ความร้อนที่หม้อต้ำซ้ำเป็นสารอื่น

ของเหลวที่อยู่ที่ก้นหอจะเป็นโพรเพนความเข้มข้นสูงที่ถูกดึงออกไปเป็นผลิตภัณฑ์ โดยมีส่วนหนึ่งถูกนำไปต้มให้เดือดกลายเป็นไอใหม่อีกครั้งที่หม้อต้มซ้ำหรือ Reboiler EA-424 A/B (มีอยู่ด้วยกัน 2 ตัว) โดยใช้น้ำร้อน (Quench Water) ที่ได้มาจาก Quench Tower เป็นแหล่งให้ความร้อน (เป็นการลดอุณหภูมิของ Quench Water ไปในตัวก่อนนำกลับไปใช้งานใหม่) ไอที่ระเหยจะเป็นแหล่งให้ความร้อนกับ Tray 185 ที่อยู่ล่างสุด

รูปที่ ๙ การทำงานที่นำไปสู่ความไม่เสถียรของหอกลั่น

ต่อไปจะเป็นลำดับเหตุการณ์ที่นำไปสู่การเสียเสถียรภาพในการทำงานของหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีน (รูปที่ ๙)

ก่อนเกิดเหตุนั้น โรงงานทำงานที่กำลังการผลิตระดับ 90-99% ด้วยการเดินเครื่อง pyrolysis heater จำนวน 9 หน่วยจากทั้งหมด 10 หน่วย กำลังผลิตของหอกลั่นโพรเพน-โพรพิลีนอยู่ที่ 93.5% (32.1 ตันต่อชั่วโมง โดยกำลังการผลิตเต็มที่คือ 34.3 ตันต่อชั่วโมง)

ณ เวลา 8.16 น อัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นไปยังเครื่องควบแน่นโพรพิลีนยอดหอ (EA-425 A-D) ลดลงจากประมาณ 12,000 m³/hr ลงเหลือประมาณ 6,600 m³/hr ก่อนจะกลับมายังระดับเดิมในเวลา 13 นาที (ส่วนสาเหตุว่ามันลดลงได้อย่างไรนั้นค่อยว่ากันในตอนต่อไป) เมื่ออัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นลดลง ความดันในหอกลั่นโพรพิลีนก็เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว (เพราะไอระเหยของโพรพิลีนที่ออกมาจาก Tray 1 ไม่ควบแน่น ก็เลยสะสมอยู่ภายใน) วาล์วควบคุมความดัน (PRV-01-04) จึงเริ่มระบายความดัน และเริ่มการระบายโพรพิลีนออกสู่ระบบเผาแก๊สทิ้ง (บทความไม่ได้ระบุว่าผ่านทางวาล์วไหน แต่ดูจากรูปที่ ๘ แล้วน่าจะเป็นวาล์ว PC 04-254)

จากนั้นระดับของเหลวใน Reflux drum (FA-407) ลดลงเหลือ 0% ในเวลาไม่กี่นาที (เพราะไม่มีโพรพิลีนควบแน่นมากพอที่จะชดเชยของเหลวที่ป้อนกลับไปยังหอกลั่น) จากการประเมินสถานการณ์ทางโอเปอร์เรเตอร์เห็นว่าสถานการณ์วิกฤตมาก จึงตัดสินใจระบายโพรพิลีนออกสู่ระบบเผาแก๊สทิ้ง และพยายามทำให้หอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนกลับมามีเสถียรภาพเหมือนเดิม ซึ่งรวมทั้งการหยุดเดินเครื่อง pyrolysis heater 1 หน่วย (BA-107) (การหยุดเดินเครื่อง pyrolysis heater ไปบางหน่วยก็เพื่อลดกำลังการผลิต แต่ถ้าดูจากรูปที่ ๗ (ในบทความตอนที่ ๑) จะเห็นว่า เส้นทางจาก pyrolysis heater มายังหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนนั้นมีหน่วยผลิตต่าง ๆ คั่นกลางอยู่หลายหน่วย ทำให้ต้องใช้เวลานานกว่าจะเห็นผลของการลดกำลังการผลิต)

รูปที่ ๑๐ ช่วงเหตุการณ์ที่นำไปสู่การรั่วไหลและเพลิงไหม้

ลำดับเหตุการณ์ถัดมาบรรยายไว้ในรูปที่ ๑๐ หลังจากที่อัตราการไหลน้ำหล่อเย็นกลับคืนระดับเดิมหลังจากลดต่ำลงเป็นเวลา 13 นาที ความดันในหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนลดต่ำลงเป็นช่วงเวลาสั้น ๆ ก่อนที่จะเพิ่มสูงขึ้นอีกจนทำให้ต้องหยุดการทำงาน pyrolysis heater เพิ่มอีกหนึ่งตัว (BA-106) การสูญเสียการควบแน่นของโพรพิลีนทำให้ไม่มีโพรพิลีนเหลวไหลเข้า Reflux drum และเมื่อปริมาณของเหลวใน reflux drum หมดไปอย่างรวดเร็ว โอเปอร์เรเตอร์จึงจำเป็นต้องหยุดการทำงานของ Reflux pump (GA-406) (เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดความเสียหายกับปั๊มถ้าทำงานโดยไม่มีของเหลวอยู่ภายใน) ทำให้ไม่มีของเหลวไหลไปป้อนยัง Tray ที่ 1

ของเหลวในสาย Reflux ที่ป้อนกลับไปยัง Tray ที่ 1 จะไปช่วยควบแน่นสารที่มีจุดเดือดสูงที่ระเหยขึ้นมาจาก Tray ที่ 2 ก่อนหน้านี้ที่บอกว่าระดับของเหลวใน Reflux drum ลดเหลือ 0% แต่ยังไม่ได้บิดการทำงาน Reflux pump นั่นคงเป็นเพราะจุดต่ำสุดของอุปกรณ์วัดระดับนั้นไม่ได้อยู่ที่จุดต่ำสุดของระดับของเหลว เมื่อน้ำหล่อเย็นกลับมาไหลที่อัตราเดิมก็ทำให้การควบแน่นไอโพรพิลีนนั้นเพิ่มขึ้น ความดันจึงลดลง แต่ด้วยการที่ไม่มีของเหลวจาก Reflux drum ป้อนกลับไปยัง Tray ที่ 1 จึงไม่มีของเหลวที่จะไปควบแน่นไอที่ระเหยออกมาจาก Tray ที่อยู่ต่ำลงไป (ของเหลวที่อยู่ในTray ด้านบนจะไหลลงสู่ Tray ด้านล่างตลอดเวลา) ปริมาณไอที่ไหลมายังเครื่องควบแน่นจึงเพิ่มขึ้น ความดันจึงเพิ่มกลับขึ้นมาใหม่

จุดนี้น่าสนใจตรงที่ถ้าหากไม่มีปัญหาเรื่อง reflux ตรงนี้ เหตุการณ์จะกลับเป็นปรกติได้ไหม

และเมื่อหยุดการทำงานของ Reflux pump แล้ว โอเปอร์เรเตอร์ที่อยู่หน้างานเห็นการสั่นอย่างรุนแรงของวาล์วระบายความดันที่ระบายโพรพิลีนเข้าสู่ระบบเผาแก๊สทิ้ง (เกิด chattering) เวลาประมาณ 8.40 น โอเปอร์เรเตอร์จึงได้พยายามปิด gate valve ของ reliev valve ตัวที่มีการสั่นรุนแรงที่สุด (หอกลั่นมีวาล์วระบายความดัน 4 ตัวที่ตั้งให้เปิดที่ความดันเดียวกัน ซึ่งตรงนี้มีส่วนทำให้เกิดปัญหา เรื่องนี้จะมากล่าวถึงอีกครั้งในตอนต่อไป บทความบอกว่า "ตัวที่มีการสั่นรุนแรงที่สุด" แสดงว่าน่าจะเกิด chattering กับวาล์วระบายความดันหลายตัวพร้อมกัน) หลังพยายามปิดวาล์วได้เพียงไม่กี่นาทีโอเปอร์เรเตอร์ก็เห็นการรั่วของโพรพิลีนออกมาจากหน้าแปลนที่คลายตัวระหว่างตัว gate valve และวาล์วระบายความดัน โอเปอร์เรเตอร์ที่อยู่หน้างานจึงแจ้งห้องควบคุมให้ตามพนักงานดับเพลิงและอพยพออกจากบริเวณ

ในช่วงเวลาเดียวกันโอเปอร์เรเตอร์อยู่ในห้องควบคุมก็ได้เริ่มลดอัตราการไหลของ Quench water ที่เป็นตัวจ่ายความร้อนให้กับ Reboiler (EA-424 A/B) (เพื่อลดปริมาณไอที่ป้อนกลับเข้าหอกลั่น) ส่งผลให้หน่วยอื่นของ Steam Cracker ได้รับน้ำหล่อเย็นลดลง (เพราะ Quench water ต้องมาคายความร้อนที่นี่ให้เป็นน้ำเย็นก่อนนำไปใช้ยังหน่วยอื่น พอมาลดอัตราการไหลที่นี่ ก็เลยส่งผลกระทบต่อหน่วยที่รอรับน้ำหล่อเย็นจาก Reboiler ตัวนี้)

พนักงานดับเพลิงได้รับแจ้งเหตุเมื่อเวลาประมาณ 8.51 น และมาถึงที่เกิดเหตุเวลาประมาณ 8.55 น และพอถึงเวลา 8.57 น ไอโพรพิลีนที่รั่วออกมาก็เกิดการจุดระเบิด ก่อให้เกิดเพลิงไหม้บริเวณโดยรอบหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีน การระเบิดทำให้หม้อน้ำจำนวน 2 ตัวที่ผลิตไอน้ำความดันสูงให้กับหน่วย Steam cracker หยุดทำงาน โอเปอร์เรเตอร์จึงได้เริ่มทำการหยุดเดินเครื่องฉุกเฉิน (emergency shut down) ส่วนต่าง ๆ ของโรงงาน ณ เวลา 8.58 น

เวลาประมาณ 9.02 น ส่วนของท่อ DN500 (ที่ทำหน้าที่ระบายแก๊สออกสู่ระบบเผาแก๊สทิ้ง) ส่วนที่เชื่อมต่ออยู่ระหว่างหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนกับวาล์วระบายความดัน (PRV 03) ที่ถูกเปลวไฟลนโดนตรงเกิดการฉีกขาด (ในหอกลั่นยังมีโพรเพนและโพรพิลีนอยู่ และยังมีความดันอยู่ภายใน พอโลหะโดนไฟลนนานเข้า ความแข็งแรงก็เลยลดต่ำลง ท่อก็เลยฉีกขาด) (รูปที่ ๑๑)

รูปที่ ๑๑ ท่อที่เกิดการฉีกขาด

รูปที่ ๑๒ เป็นคำบรรยายการลุกลามของเหตุการณ์ การฉีกขาดของท่อให้เกิดเพลิงไหม้ขนาดใหญ่และผลที่ตามมาคือระบบท่อไอน้ำสำรองสำหรับ pyrolysis heater และอากาศอัดความดันสำหรับอุปกรณ์วัดคุม (instrument air) เสียหาย (สูญเสีย instrument air ก็เท่ากับสูญเสียการควบคุมการเปิด-ปิดวาล์วควบคุมที่ปรกติจะใช้แรงดันของอากาศตัวนี้ สูญเสียระบบไอน้ำก็ทำให้ไม่มีไอน้ำที่จะเข้าไปไล่ไฮโดรคาร์บอนที่ตกค้างอยู่ภายในท่อของ pyrolysis heater ได้) ทางโรงงานจึงได้ทำการอพยพผู้คนโดยเหลือไว้เท่าที่จำเป็น และเมื่อพนักงานสามารถควบคุมเพลิงที่หอกลั่นโพรพิลีนได้ จึงให้โอเปอร์เรเตอร์ภาคสนามเข้าไปตรวจสอบ pyrolysis heater เนื่องจากการหยุดเดินเครื่องและลดอุณหภูมินั้นไม่ได้เป็นไปตามขั้นตอนปฏิบัติที่ถูกต้องเนื่องจากสูญเสียไอน้ำและอากาศอัดความดันสำหรับอุปกรณ์วัดคุม เวลาประมาณ 10.15 น โอเปอร์เรเตอร์ภาคสนามที่เข้าไปทำการตรวจสอบ pyrolysis heater พบเพลิงไหม้ที่หน่วย BA-109 ที่บริเวณรับความร้อนด้วยการแผ่รังสี (ตำแหน่งที่ท่อจะมีอุณหภูมิสูงสุด) จึงได้ทำการปิดวาล์วเชื่อมต่อระหว่างระบบ pyrolysis heater กับหน่วยอื่น (วาล์ว RHEFLA DN-1000 ในรูปที่ ๓) และเมื่อเวลาประมาณ 10.55 น ก็ตรวจพบไฟไหม้ที่ BA-108 ตามด้วยที่ BA-107 และ BA-110 (รูปที่ ๑๓)

รูปที่ ๑๒ ช่วงเหตุการณ์ที่ลุกลามออกไป

โอเปอร์เรเตอร์หยุดการทำงาน pyrolysis heater BA-107 เป็นตัวแรก แต่พอพบว่ายังไม่สามารถลดความดันลงได้ก็หยุดการทำงานของ pyrolysis heater ฺBA-106 เป็นตัวที่สอง ถ้าดูลำดับเหตุการณ์ในรูปที่ ๑๔ จะเห็นว่าตั้งแต่เริ่มขั้นตอนหยุดการทำงาน BA-107 ที่เวลา 8.34 น จนถึงการระเบิดครั้งแรกที่เวลา 8.57 น ห่างกันเพียง 23 นาที ก่อนที่อีก 5 นาทีถัดมาจะเกิดการระเบิดครั้งที่สองที่ทำให้สูญเสียระบบไอน้ำและอากาศอัดความดัน ซึ่งช่วงเวลาดังกล่าวดูแล้วไม่เพียงพอที่จะไล่ไฮโดรคาร์บอนออกจาก pyrolysis ได้หมดและทำให้ระบบเย็นตัวลง

เพลิงไหม้ที่ pyrolysis heater สามารถดับได้ในเวลาประมาณหนึ่งวัน ส่วนเพลิงไหม้ที่หอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนนั้นดับลงได้ในอีก 5 วันถัดมา (ขนาดที่ใหญ่ของหอกลั่นทำให้มีเชื้อเพลิงสะสมภายในมาก จึงต้องรอจนกว่าเชื้อเพลิงภายในนั้นเผาไหม้หมด)

ตอนหน้าเราจะมาดูกันว่าความผิดพลาดเกิดจากอะไร

รูปที่ ๑๓ ภาพถ่ายรังสีอินฟราเรดของ pyrolysis heater ที่เกิดเพลิงไหม้

รูปที่ ๑๔ ลำดับเวลาของเหตุการณ์

ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๓ Pyrolysis and waste heat recovery ภาค ๑ MO Memoir 2559 Feb 27 Sat

หน้าที่ของ pyrolysis heater คือการให้ความร้อนแก่ไฮโดรคาร์บอนที่เป็นสารตั้งต้น จนโมเลกุลแตกออกเป็นผลิตภัณฑ์หลักคือเอทิลีน รองลงไปคือโพรพิลีน และไฮโดรเจน นอกจากนี้ก็ยังมีผลิตภัณฑ์อื่นเกิดขึ้นร่วมด้วยเช่น ไฮโดรคาร์บอน C₄ ส่วนที่เป็นน้ำมันแก๊สโซลีน และน้ำมันเตา
 

ไฮโดรคาร์บอนที่ใช้เป็นวัตถุดิบนั้นอาจเป็นแก๊สเช่น อีเทน โพรเพน บิวเทน หรืออาจเป็นของเหลว เช่นแนฟทาหรือไฮโดรคาร์บอนที่หนักกว่า ถ้าสารตั้งต้นเป็นของเหลว ก็ต้องมีการทำให้สารตั้งต้นนั้นร้อนจนกลายเป็นไอก่อน แต่ถ้าสารตั้งต้นเป็นแก๊ส ก็ทำเพียงแค่การระเหยให้กลายเป็นไอ (เพราะสารตั้งต้นเช่นอีเทนอาจถูกเก็บเอาไว้ในรูปของเหลวอุณหภูมิต่ำ ส่วนโพรเพนและบิวเทนก็อาจเก็บเอาไว้ในรูปของเหลวภายใต้ความดัน)
 

จะว่าไปแล้วในระหว่างการเกิดปฏิกิริยานั้น ไม่ได้เกิดเพียงแค่ปฏิกิริยาที่ทำให้สารตั้งต้นแตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลง แต่ยังเกิดปฏิกิริยาที่ทำให้ผลิตภัณฑ์โมเลกุลเล็กที่เกิดขึ้นนั้นมีการต่อเชื่อมกันเป็นโมเลกุลใหญ่ขึ้นด้วย ดังนั้นอย่าแปลกใจว่าทำไมแม้ว่าจะใช้อีเทน (มีอะตอม C เพียง 2 อะตอม) เป็นสารตั้งต้น กลับได้ผลิตภัณฑ์ที่เป็นไฮโดรคาร์บอนเหลวที่อุณหภูมิห้องเป็นผลิตภัณฑ์ข้างเคียงเกิดขึ้นด้วย ส่วนที่ว่าผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่เป็นโมเลกุลใหญ่นั้นจะเกิดมากหรือน้อยก็ขึ้นอยู่กับสารตั้งต้นที่ใช้ และอุณหภูมิของการทำปฏิกิริยา
 

ผลิตภัณฑ์ข้างเคียงอีกตัวหนึ่งที่เกิดขึ้น (และยากที่จะหลีกเลี่ยง) คือ "Coke" ซึ่งเป็นสารประกอบคาร์บอนที่เป็นของแข็ง (โครงสร้างโมเลกุลเป็นพวก polyaromatic compounds) coke นี้เกิดได้ดีที่อุณหภูมิสูงและความดันต่ำ เพราะเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น อะตอม H จะหลุดออกจากอะตอม C มากขึ้น ทำให้เกิดการเชื่อมต่อระหว่างอะตอม C ต่างโมเลกุลเข้าด้วยกัน นอกจากนี้โลหะบางชนิด (เช่น Ni) ที่ผสมอยู่ในเนื้อโลหะของ tube ใน pyrolysis heater ก็มีส่วนช่วยในการทำให้ coke เกิดได้ง่ายขึ้น (คือมันไปทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับปฏิกิริยาการกำจัดไฮโดรเจน - dehydrogenation)
 

process flow diagram (PFD) ที่ยกมาเป็นตัวอย่างในที่นี้เป็นกระบวนการที่ใช้เปลี่ยนอีเทนให้กลายเป็นเอทิลีน แต่ก็สามารถใช้โพรเพนเป็นสารตั้งต้นร่วมด้วยได้ถ้าหากต้องการผลิตโพรพิลีน สารตั้งต้น (อีเทนหรือโพรเพน) อาจเป็นวัตถุดิบใหม่ที่นำมาจากถังเก็บ หรือเป็นสารตั้งต้นที่เหลือจากการทำปฏิกิริยาที่นำป้อนเวียนกลับ (recycle) มาจากกระบวนการแยกผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ และสารตั้งต้นที่ไม่ทำปฏิกิริยาออกจากกัน
 

การทำให้โมเลกุลของอีเทนแตกออกกลายเป็นเอทิลีนนั้นต้องใช้ความร้อนสูง ไม่เช่นนั้นปฏิกิริยาจะไม่เกิด แต่ถ้าให้ความร้อนสูงมากเกินไป เอทิลีนที่เกิดขึ้นก็จะสลายตัวกลายเป็น อะเซทิลีน มีเทน หรือ coke ได้ ในขณะเดียวกันถ้าอุณหภูมิต่ำเกินไปปฏิกิริยาจะเกิดช้า หรือสารตั้งต้นเปลี่ยนไปเป็นผลิตภัณฑ์ได้น้อย จะก่อให้เกิดภาระมากในการแยกสารตั้งต้นออกจากผลิตภัณฑ์เพื่อนำกลับมาทำปฏิกิริยาใหม่ อุณหภูมิที่สูงขึ้นทำให้ปฏิกิริยาเกิดเร็วขึ้น ดำเนินไปข้างหน้าได้มากขึ้น แต่ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นก็จะสลายตัวต่อไปเป็นผลิตภัณฑ์อื่นที่ไม่ต้องการมากขึ้น (โดยเฉพาะ coke)
 

ตรงนี้ขอให้ลองกลับไปดูรูปที่ ๑ ใน Memoir ปีที่ ๘ ฉบับที่ ๑๑๒๔ วันอังคารที่ ๙ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๙ เรื่อง "ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีนตอนที่ ๑ ภาพรวมทั่วไปของกระบวนการ" ดูนะครับ ที่เป็นการเปลี่ยนอีเทนไปเป็นเอทิลีนด้วยปฏิกิริยา thermal cracking จะเห็นว่าในช่วงแรกที่เพิ่มอุณหภูมิสูงขึ้นอีเทนจะทำปฏิกิริยามากขึ้น และได้เอทิลีนเพิ่มขึ้นตามไปด้วย แต่พอไปถึงระดับหนึ่งจะไม่ได้เอทิลีนเพิ่มขึ้นแม้ว่าปริมาณอีเทนที่ทำปฏิกิริยานั้นยังคงเพิ่มขึ้นอยู่ ทั้งนี้เป็นเพราะเกิดการสลายตัวของเอทิลีนไปเป็นผลิตภัณฑ์อื่น

รูปที่ ๑ ตัวอย่าง Process flow diagram ของ pyrolysis heater ที่ใช้ในการเปลี่ยนอีเทนและโพรเพนให้กลายเป็นเอทิลีนและโพรพิลีน แสดงส่วนของ ethane saturator (หน่วย C-1121 ที่เพิ่มไอน้ำให้กับแก๊สอีเทนก่อนป้อนเข้าสู่ pyrolysis heater ด้วยการให้แก๊สอีเทนที่ร้อนสัมผัสกับน้ำโดยตรง) ส่วนการผสมอีเทน (ทั้งที่ป้อนเข้ามาใหม่และส่วนที่นำกลับมาทำปฏิกิริยาใหม่) และโพรเพน

รูปที่ ๒ Process flow diagram ของ pyrolysis heater ต่อจากรูปที่ ๑ แสดงส่วนของ pyrolysis heater และ transfer line exchanger ที่ใช้ลดอุณหภูมิแก๊สร้อนที่ออกมาจาก pyrolysis heater ตรงนี้ขอให้สังเกตตรง E-1121 Ethane quench water heater ที่อยู่ทางด้านซ้ายของรูปนิดนึง จะเห็นว่าข้างใต้มีเขียนไว้ว่า "Sulfur injection" หรือเป็นจุดที่ฉีดเติมสารประกอบกำมะถันเข้าไป (ในรูปสารประกอบนะ ไม่ใช่ธาตุ) ทั้งนี้เพื่อให้กำมะถันไปทำหน้าที่เป็น catalyst poison ต่ออะตอมโลหะ Ni บนผิวท่อของ pyrolysis heater
 

อีกปัจจัยหนึ่งที่มีผลต่อการดำเนินไปข้างหน้าของปฏิกิริยาคือ "ความดัน" ปฏิกิริยาการแตกตัวของอีเทน (C₂H₆) ไปเป็นเอทิลีน (C₂H₄) จะมีแก๊สไฮโดรเจน (H₂) เกิดขึ้นร่วมด้วย กล่าวคือจำนวนโมลของผลิตภัณฑ์มี "มากกว่า" จำนวนโมลของสารตั้งต้น ดังนั้นถ้าจะให้ปฏิกิริยาดำเนินไปข้างหน้าได้ดีก็ต้องทำปฏิกิริยาที่ความดันต่ำ 
  

แต่ในขณะเดียวกันปฏิกิริยาการสลายตัวของไฮโดรคาร์บอน C_xH_y ใด ๆ (C_xH_y คือผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ ที่เกิดจากการแตกตัวของอีเทน เช่น เอทิลีน อะเซทิลีน) ไปเป็น coke (สารประกอบ polyaromatic ring ที่มีสัดส่วนอะตอม H ต่ำมาก หรือบางครั้งอาจมีโครงสร้างใกล้เคียงกับกราไฟต์) และแก๊สไฮโดรเจน ก็เกิดได้ดีที่อุณหภูมิสูงและความดันต่ำเช่นกัน ปฏิกิริยาหลังนี้เป็นปฏิกิริยาที่ไม่ต้องการให้เกิด เพราะทำให้เกิดการสูญเสียผลิตภัณฑ์ที่ได้ไป นอกจากนี้ coke ที่เกิดขึ้นจะสะสมอยู่ในระบบท่อทำให้เกิดปัญหาเรื่องการถ่ายเทความร้อน ต้องมีการหยุดเดินเครื่องเพื่อทำความสะอาดเป็นระยะ (ถือว่าทำให้เกิดการสูญเสียในกระบวนการผลิต) แต่ในความเป็นจริงนั้นไม่สามารถหลีกเลี่ยงปฏิกิริยาเหล่านี้ได้
 

ด้วยเหตุนี้สภาวะที่เหมาะสมสำหรับการทำปฏิกิริยาคือใช้อุณหภูมิสูง (เพื่อให้ปฏิกิริยาดำเนินไปข้างหน้าได้เร็วขึ้น) ความดันต่ำ (เพื่อให้ปฏิกิริยาดำเนินไปข้างหน้าได้ง่ายขึ้น) ใช้เวลาทำปฏิกิริยาสั้น (เพื่อลดการสลายตัวของผลิตภัณฑ์) การทำปฏิกิริยาที่ความดันต่ำนั้นทำโดยการลด "ความดันย่อย - partial pressure" ของไฮโดรคาร์บอนที่ป้อนเข้า pyrolysis heater ด้วยการผสม "ไอน้ำ" เข้าไปกับสายป้อน ส่วนเวลาทำปฏิกิริยาที่สั้นทำได้ด้วยการให้ความร้อนสูงในระดับที่เกิดปฏิกิริยาได้ให้แก่สารตั้งต้นในช่วงเวลาสั้น ๆ จากนั้นก็รีบลดอุณหภูมิของแก๊สผลิตภัณฑ์ที่ร้อนนั้นอย่างรวดเร็ว (ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน ดังนั้นพอลดอุณหภูมิของแก๊ส ปฏิกิริยาก็จะหยุดลงอย่างรวดเร็วด้วยการใช้ Transfer Line Exchanger (TLE) ที่เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube heat exchanger
 

เอกสารที่ผมมีนั้นเป็นเอกสารเก่าเมื่อกว่า ๓๐ ปีที่แล้ว ดังนั้น operating condition หรือความซับซ้อนของกระบวนการที่นำมาเล่าให้ฟังก็คงแตกต่างไปจากโรงงานในปัจจุบันอยู่บ้าง (โดยเฉพาะในส่วนของกำลังการผลิต การออกแบบรูปแบบการไหลใน pyrolysis heater อุณหภูมิการทำปฏิกิริยา และความซับซ้อนของระบบแลกเปลี่ยนความร้อน) แต่โดยหลักการพื้นฐานทางเคมีและทางวิศวกรรมนั้นเชื่อว่ายังคงเหมือนเดิมอยู่ ในเอกสารที่ถืออยู่นี้กล่าวไว้ว่า อีเทนเป็นสารตั้งต้นที่ให้ผลิตภัณฑ์เป็นเอทิลีน (ทางวิศวกรรมเคมีเรียกสัดส่วนของผลิตภัณฑ์ที่ได้ต่อสารตั้งต้นที่ทำปฏิกิริยาไปนี้ว่า "Yield") สูงที่สุด (ได้ค่า yield ประมาณ 85 wt%) และมีผลิตภัณฑ์ข้างเคียง (เกิดการการสลายตัวของเอทิลีนที่เกิดขึ้น) ต่ำสุดด้วย แต่ก็ต้องใช้อุณหภูมิในการทำปฏิกิริยาสูงสุด คือแก๊สร้อนที่ออกมาจาก pyrolysis heater จะมีอุณหภูมิที่ระดับประมาณ 850ºC (อุณหภูมิแก๊สร้อนที่ออกมานี้เรียกว่า coil outlet temperature หรือ COT) ถ้าสารตั้งต้นเป็นแนฟทา อุณหภูมิแก๊สร้อนที่ออกมาจาก pyrolysis heater จะมีอยู่ที่ระดับประมาณ 800-820ºC แต่ปริมาณเอทิลีนที่ได้ก็ลดลง (ได้ค่า yield ประมาณ 32 wt%) โดยมีปริมาณผลิตภัณฑ์ข้างเคียง (เช่นโพรพิลีน บิวทาไดอีน) สูงขึ้น และถ้าใช้สารตั้งต้นเป็น gas oil อุณหภูมิแก๊สร้อนที่ออกมาจะลดไปอยู่ที่ระดับ 780-790ºC แต่ค่า yield ของเอทิลีนจะลดลงเหลือประมาณ 23 wt%
 

นอกจากนี้การใช้สารตั้งต้นเป็นไฮโดรคาร์บอนที่หนักขึ้นยังก่อให้เกิดปัญหา fouling เร็วขึ้น (คือการสะสมของ coke บนผิวท่อทั้งในตัว pyrolysis heater และ transfer line exchanger เอง) และอาจทำให้ต้องหยุดเดินเครื่องเพื่อทำความสะอาดบ่อยครั้งขึ้น แต่ทั้งนี้การจะเลือกใช้ไฮโดรคาร์บอนตัวไหนเป็นสารตั้งต้นนั้นมีหลายปัจจัยที่ต้องพิจารณา ไม่ว่าจะเป็นในเรื่องราคาและแหล่งที่มา (อีเทนราคาแพงสุด หาได้ยากสุด ในขณะที่ gas oil ราคาถูกสุด หาได้ง่ายสุด) ความต้องการผลิตภัณฑ์อื่นนอกเหนือจากเอทิลีน (เช่นโพรพิลีน บิวทีน) ราคาของวัสดุทนอุณหภูมิสูง เป็นต้น

ขอเพิ่มเติมตรงเรื่องวัสดุนิดนึง "อุณหภูมิ" เป็นตัวกำหนด "ชนิด" วัสดุที่ใช้ทำท่อ ส่วน "ความดัน" เป็นตัวกำหนด "ความหนา" ของท่อ ในการออกแบบอุปกรณ์นั้น ในกรณีของการรับความดันเราอาจทำการ "เผื่อ" ขนาดของอุปกรณ์เอาไว้ได้ (ซึ่งอาจเผื่อเอาไว้สำหรับการสึกหรอหรือการเพิ่มกำลังการผลิตในอนาคต) ด้วยการให้มันมีความหนาเผื่อเอาไว้ก่อน  แต่ในกรณีของอุณหภูมินั้น การเผื่อหมายถึงการต้องเปลี่ยนไปใช้วัสดุเกรดสูงขึ้นไปอีก หมายถึงราคาที่แพงเพิ่มขึ้นไปอีก

 

การผสมไอน้ำช่วยให้ค่าการเลือกเกิด (ในทางวิศวกรรมเคมีเรียกว่า selectivity) ดีขึ้นด้วยการไปลดความดันย่อย (partial pressure) ของไฮโดรคาร์บอนที่เป็นสารตั้งต้นนั้นให้ลดต่ำลง และยังช่วยลดการเกิด coke และไฮโดรคาร์บอนหนัก โดยปรกติการเติมไอน้ำจะกระทำก่อนป้อนไฮโดรคาร์บอนเข้าสู่ส่วนนำความร้อน (convection zone ที่อยู่ทางด้านบนของ radiation zone ของ pyrolysis heater - ดูรูปที่ ๑ ตรงเหนือ C-1121 Ethane saturator จะมีการเติมไอน้ำความดันปานกลาง (MP Steam) เข้าไป)

ปริมาณไอน้ำที่ผสมเข้าไปจะขึ้นอยู่กับชนิดไฮโดรคาร์บอนที่เป็นสารตั้งต้น เช่นในกรณีที่ใช้อีเทนเป็นสารตั้งต้นจะผสมไอน้ำประมาณ 30 wt% (อีเทน 100 ส่วน ไอน้ำ 30 ส่วน) ถ้าใช้แนฟทาก็จะผสมไอน้ำประมาณ 50 wt% และในกรณีที่ใช้ gas oil เป็นสารตั้งต้นก็จะผสมไอน้ำสูงถึง 80-100 wt% 
  

แม้ว่าการผสมไอน้ำจะทำให้มีค่าใช้จ่ายในการผลิตเพิ่มขึ้น แต่ก็ทำให้ได้โอเลฟินส์มากขึ้นด้วย นอกจากนี้ยังช่วยให้การทำงานของ pyrolysis heater ดีขึ้นด้วยการเพิ่มอัตราการไหลของแก๊สในท่อ ทำให้เกิดแรงเฉือนเอาคราบ coke ที่เกาะบนผิวท่อออก แต่ทั้งนี้อัตราการไหลจะต้องไม่สูงเกินไป เพราะจะทำให้การสึกหรอของท่อ (ที่เรียกว่า erosion) โดยเฉพาะตรงข้องอเพิ่มสูงขึ้น คราบ coke ที่เกาะสะสมบนผิวท่อจะทำให้การถ่ายเทความร้อนให้กับแก๊สที่ไหลอยู่ภายในท่อแย่ลง และถ้าเกิดการสะสม ณ ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งบนผิวท่อมากเกินไปก็จะทำให้ผิวโลหะตรงบริเวณนั้นร้อนจัดจนอาจฉีกขาดได้ ด้วยเหตุนี้เมื่อเริ่มมี coke สะสมมาก ก็ต้องมีการกำจัด coke (เรียกว่า decoking) ด้วยการเผาท่อให้ร้อนและป้อนไอน้ำเข้าไป (ลองดูในรูปที่ ๒ ตรงใต้ E-1111-1117 Secondary transfer line exchanger จะมีจุดเติมไอน้ำความดันปานกลางสำหรับการ decoking อยู่)
 

รูปที่ ๓ แผนผังระบบ transfer line exchanger

transfer line exchanger E-1101-1107A,B ในรูปที่ ๒ ที่วาดเป็นเพียงวงกลมเล็ก ๆ นั้นมันเป็นเพียงแค่สัญลักษณ์ในรูป ไม่ได้บ่งบอกถึงขนาด ตามการออกแบบของ Lummus (บริษัทผู้จัดทำเอกสารที่ผมนำมาเล่าให้ฟัง) นั้นอุปกรณ์นี้เป็น shell and tube heat exchanger วางตั้งในแนวดิ่ง ทำหน้าที่ผลิตไอน้ำความดันสูง โดยให้แก๊สร้อนที่ออกมาจาก pyrolysis heater นั้นไหลผ่านเข้าทางด้าน tube ส่วนด้าน shell นั้นมีการป้อน boiler feed water มาจาก Steam drum V-1101-1107 (ที่อยู่เหนือขึ้นไปในรูปที่ ๒) มารับความร้อนจากแก๊สร้อน การป้อนน้ำจาก steam drum มายัง transfer line exchanger ใช้กลไก thermosyphon-induced circulation โดยในการติดตั้งจริงก็จะวาง steam drum เอาไว้เหนือ transfer line exchanger (ดูรูปที่ ๓ ข้างล่าวประกอบ) น้ำจาก steam drum จะไหลเข้าสู่ transfer line exchanger ด้วยแรงโน้มถ่วง และเมื่อรับความร้อนก็จะเดือดกลายเป็นไอไหลกลับไปยัง steam drum ใหม่
 

ผมเคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๘ ฉบับที่ ๑๐๑๙ วันพุธที่ ๑๕ กรกฎาคม ๒๕๕๘ เรื่อง "ทำความรู้จักShelland Tube Heat Exchanger" เอาไว้ว่าการจะเลือกให้สายใดไหลทางด้าน shell และสายใดไหลทางด้าน tube มีหลายปัจจัยที่ต้องพิจารณาได้แก่ อุณหภูมิ ความดัน การกัดกร่อน และความสะอาด การให้สายที่ร้อนและมีความดันสูงไหลทางด้าน tube มีข้อดีคือทำให้โลหะทางด้าน shell ไม่ต้องทนความร้อนและความดันที่สูง แต่การทำความสะอาดผนังด้านในของ tube และการซ่อม tube (เปลี่ยนหรืออุด) ทำได้ง่ายกว่าทางด้าน shell ดังนั้นของเหลวที่ไหลผ่านด้าน shell ควรจะต้องสะอาด 
  

ในกรณีของ transfer line exchanger นี้เขาเลือกให้แก๊สร้อนที่มาจาก pyrolysis heater ไหลผ่าน tube ก็เพราะมันก่อให้เกิด coke เกาะผนังได้ (อาจเป็น coke ที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมีที่ตัว transfer line exchanger เอง หรือถูกพัดพาออกจาก pyrolysis heater มากับแก๊ส) การให้มันไหลผ่านด้าน tube จะทำความสะอาดได้ง่ายกว่า

ฉบับนี้คงพอแค่นี้ก่อน ค่อยต่อภาค ๒ ในฉบับถัดไป (ซึ่งไม่รู้เมื่อไร)

ทำความรู้จัก Fired process heater (ตอนที่ ๔) MO Memoir 2559 Feb 4 Thu

ก่อนที่จะอ่านบทความชุดนี้ซึ่งก็เป็นตอนสุดท้ายแล้วก็อยากจะฝากข้อคิดเอาไว้หน่อยว่า "การจะเลือกใช้กระบวนการผลิตรูปแบบใดนั้นมันขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่าง ไม่ได้มีสูตรสำเร็จตายตัว ในฐานะผู้ตัดสินใจเลือกใช้จึงจำเป็นต้องนำเอาปัจจัยหลาย ๆ ด้านมาพิจารณาถึงข้อดีข้อเสียและน้ำหนักความสำคัญ ไม่ว่าจะเป็นในเรื่องของ เงินลงทุนในส่วนของอุปกรณ์ ค่าใช้จ่ายในการเดินเครื่อง (ซึ่งครอบคลุมไปถึง ความปลอดภัยในการทำงาน การจัดการของเสียและสิ่งแวดล้อม) ความมั่นคงของวัตถุดิบ ตลาด ข้อจำกัดทางด้านกฎหมาย ฯลฯ"

แม้ว่าเอกสารที่ใช้เป็นต้นฉบับในการเขียนบทความนี้จะมีอายุนับได้ก็ร่วม ๓๐ ปีแล้ว แต่ความต้องการพื้นฐานที่ทำให้ยังต้องมีการพัฒนาเทคโนโลยีด้านนี้อยู่ก็ยังคงเหมือนเดิม ไม่ว่าจะเป็นเรื่องการใช้พลังงานอย่างคุ้มค่า (เช่นรูปแบบการให้ความร้อนที่เหมาะสมที่สุด และการนำเอาความร้อนกลับ) การหาจุดที่เหมาะสมสำหรับการเดินเครื่อง (เช่นในกรณีของ pyrolysis heater ที่ใช้ในการผลิตโอเลฟินส์) การหารูปแบบโครงสร้างที่จะช่วยยืดอายุการทำงานให้นานขึ้น เป็นต้น ดังนั้นจึงคิดว่าบทความชุดนี้น่าจะมีประโยชน์ไม่มากก็น้อยสำหรับผู้ที่เริ่มทำความรู้จัก Fired process heater

รูปที่ ๑๘ แสดงตัวอย่างหนึ่งของการดึงกลับพลังงานความร้อนจากแก๊สร้อนก่อนปล่อยทิ้งออกสู่บรรยากาศของ pyrolysis heater (ใช้สำหรับการทำให้โมเลกุลใหญ่แตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลง) ท่อส่วนที่ร้อนที่สุดอยู่ใน radiation zone ที่รับความร้อนจากการแผ่รังสีเป็นหลัก ส่วนแก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงนั้นจะถ่ายเทความร้อนในกับของไหลใน convection zone ที่อยู่ทางด้านบน รูปแบบที่นำมาแสดงนี้เริ่มจาก (จากบนลงล่าง) การนำเอาสารตั้งต้นที่อุณหภูมิมาอุ่นให้ร้อนด้วยแก๊สร้อนทางด้านปากปล่อง (stack) สลับกับการนำเอาน้ำสำหรับป้อนหม้อไอน้ำเพื่อผลิตไอน้ำ (boiler feed water - BFW) มาอุ่นให้ร้อนก่อนนำไปต้มให้เดือด จากนั้นนำสารตั้งต้นที่ผ่านการอุ่นให้ร้อนแล้วระดับหนึ่งมาผสมกับไอน้ำ (DIL. STEAM) เพื่อเพิ่มอุณหภูมิและลดความดันย่อยของสารตั้งต้นเพื่อให้ปฏิกิริยาดำเนินไปข้างหน้าได้ดีขึ้น (เดี๋ยวจะกล่าวถึงเรื่องนี้โดยละเอียดอีกที) ก่อนที่จะส่งกลับไปรับความร้อนใหม่

รูปที่ ๑๘ ตัวอย่างรูปแบบการนำกลับพลังงานความร้อนของ pyrolysis heater

บางส่วนของไอน้ำอิ่มตัว (saturated steam) ที่ผลิตที่ steam drum ถึงดึงมารับความร้อนเพิ่มเพื่อให้กลายเป็นไอน้ำร้อนยิ่งยวด (superheated steam - SHP) เพื่อนำไปใช้งานต่าง ๆ เช่นขับเคลื่อนกังหันไอน้ำหรือส่งไปยังหน่วยอื่นที่อยู่ห่างออกไปเพื่อนำไปผลิตเป็น saturated steam ส่วนสารตั้งต้นที่ผสมกับไอน้ำเรียบร้อยแล้วก็จะมารับความร้อนต่อที่ส่วนล่างสุดของ convection zone ก่อนที่จะไหลลงสู่ radiation zone เพื่อเกิดปฏิกิริยาต่อไป

ในการผลิตโอเลฟินส์เช่นเอทิลีน (Ethylene C₂H₄) หรือโพรพิลีน (Propylene C₃H₆) นั้นจะนำเอาไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลใหญ่มาให้ความร้อนจนโมเลกุลสารตั้งต้นแตกออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลงโดยมีการเกิดแก๊สไฮโดรเจน (H₂) ร่วมด้วย กล่าวอีกนัยหนึ่งคือจำนวนโมลของผลิตภัณฑ์จะมากกว่าจำนวนโมลของสารตั้งต้น ดังนั้นเพื่อที่จะให้การแตกตัวดำเนินไปข้างหน้าได้ดีขึ้น จึงควรทำให้ความดันย่อยของสารตั้งต้นมีค่าต่ำ นั่นคือเหตุผลหนึ่งที่มีการผสมไอน้ำเข้าไปในสายป้อนก่อนเกิดปฏิกิริยา (ปฏิกิริยาเกิดในท่อที่อยู่ใน radiation zone)

นอกจากนี้ยิ่งใช้อุณหภูมิสูงมากเท่าใดและให้ความร้อนนานเท่าใด โมเลกุลก็จะเกิดการแตกตัวมากขึ้น แต่ก็ต้องระวังไม่ให้เกิดการแตกตัวมากจนเกินไป เพราะจะทำให้สูญเสียผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ (เอทิลีนและ/หรือโพรพิลีน) ไปเป็นโมเลกุลที่เล็กลงไปอีกเช่นมีเทน (CH₄) หรือกลายเป็นสารประกอบคาร์บอนของแข็งที่เรียกว่า coke สะสมในระบบท่อ ดังนั้นในการออกแบบ pyrolysis heater จึงจำเป็นที่ต้องหาจุดสมดุลระหว่างปริมาณสารตั้งต้นที่ทำปฏิกิริยาไป (ที่ทางวิศวกรรมเคมีเรียกว่าค่า conversion) และปริมาณผลิตภัณฑ์ที่ต้องการที่ได้ (ที่ทางวิศวกรรมเคมีเรียกว่าค่า yield)

รูปที่ ๑๙ เป็นตัวอย่างแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและผลิตภัณฑ์ที่เกิดเมื่อใช้อีเทน (Ethane C₂H₆) เป็นสารตั้งต้นในการผลิตเอทิลีน (โรงงานผลิตเอทิลีนโรงงานแรกของประเทศไทยใช้อีเทนเป็นสารตั้งต้น) จะเห็นว่าถ้าใช้อุณหภูมิต่ำเกินไป (ในรูปที่แสดงคือต่ำกว่าประมาณ 650ºC) ปฏิกิริยาจะไม่เกิด แต่เมื่อเพิ่มอุณหภูมิสูงมากขึ้น อีเทนจะเกิดปฏิกิริยามากขึ้นและเกิดเอทิลีนเพิ่มมากขึ้นตามไปด้วย แต่ถ้าเพิ่มอุณหภูมิสูงมากเกินไป อีเทนก็ยังคงเกิดปฏิกิริยามากขึ้น แต่ปริมาณเอทิลีนที่ได้ไม่ได้เพิ่มมากตามไปด้วย ทั้งนี้เป็นเพราะเอทิลีนที่เกิดขึ้นนั้นเกิดการสลายตัวไปเป็นโมเลกุลอื่น (หรือมีการรวมตัวเป็นโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้น) อนึ่งเส้นกราฟความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและผลิตภัณฑ์นี้เปลี่ยนแปลงไปได้ ขึ้นอยู่กับว่าใช้เวลานานเท่าใดในการทำปฏิกิริยา

รูปที่ ๑๙ อุณหภูมิและผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการ Thermal cracking ของอีเทน

ในการกำหนดอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาที่เหมาะสมนั้นต้องพิจารณาปัจจัยที่เหมาะสมหลายอย่าง เช่น

(ก) ปริมาณสารตั้งต้นที่ทำปฏิกิริยาไปและผลิตภัณฑ์ที่ได้ ถ้าเลือกให้สารตั้งต้นเกิดปฏิกิริยาไม่มาก ก็จะเกิดผลิตภัณฑ์ขึ้นน้อย แต่ก็จะมีการสูญเสียสารตั้งต้นและ/หรือผลิตภัณฑ์น้อยเช่นกัน แต่ถ้าใช้อุณหภูมิในการทำปฏิกิริยาสูง ก็จะได้ผลิตภัณฑ์เพิ่มมากขึ้น (ไปได้จนถึงระดับหนึ่ง) แต่ปริมาณสารตั้งต้นที่จะนำเวียนกลับมาใช้ใหม่ได้ก็จะลดลง

(ข) ค่าใช้จ่ายในการแยกสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ออกจากกัน ซึ่งปรกติก็ทำกันด้วยการกลั่นแยก

(ค) ค่าใช้จ่ายในการนำสารตั้งต้นกลับมาทำปฏิกิริยาใหม่มากขึ้น (ขนาดคอมเพรสเซอร์ที่ใช้ในการนำกลับ)

(ง) การนำเอาพลังงานความร้อนไปใช้งาน (เช่นเพื่อการผลิตไอน้ำ) ว่าสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้มากเพียงใด (ในบางกรณีนั้นอาจนำเอาไอน้ำร้อนยิ่งยวดที่ผลิตได้ไปขับเคลื่อนกังหันไอน้ำที่ใช้ขับเคลื่อนคอมเพรสเซอร์อัดแก๊สของโรงงาน ทำให้สามารถประหยัดการใช้พลังงานไฟฟ้าได้)

รูปที่ ๒๐-๒๒ เป็นตัวอย่างการออกแบบ pyrolysis coil ในส่วน radiation zone ของบริษัท Lummus เริ่มจากรูปที่ ๒๐ ที่เป็นการออกแบบในยุคแรกสำหรับปฏิกิริยา naphtha cracking (แนฟทา - naphtha คือไฮโดรคาร์บอนในช่วงน้ำมันแก๊สโซลีนและน้ำมันก๊าด) สารตั้งต้นนั้นจะแยกถูกป้อนเข้า pyrolysis coil แต่ละท่อและไปรวมกันที่ทางออกใหม่อีกครั้ง ตัว pyrolysis coil แต่ละท่อนั้นจากทางเข้าไปจนถึงทางออกจะมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ เพราะการเกิดปฏิกิริยาทำให้จำนวนโมลของผลิตภัณฑ์เพิ่มมากขึ้น อัตราการไหลโดยปริมาตรจึงเพิ่มตามไปด้วย เลยต้องมีการเพิ่มพื้นที่หน้าตัดการไหลเพื่อไม่ให้เกิดความดันลดมากเกินไป และท่อที่ใหญ่ขึ้นยังมีค่า "พื้นที่ผิวต่อหน่วยปริมาตร" ลดต่ำลง ซึ่งช่วยลดการถ่ายเทความร้อนให้กับผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้น เป็นการลดการสลายตัวของผลิตภัณฑ์ (over cracking) ด้วย

รูปที่ ๒๐ Pyrolysis coil ในยุคแรก จากทางเข้าถึงทางออกเป็นท่อเดี่ยวที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้นตามระยะทาง ทั้งนี้เป็นเพราะเมื่อเกิดปฏิกิริยาจะทำให้อัตราการไหลโดยปริมาตรเพิ่มสูงขึ้น

รูปที่ ๒๑ และ ๒๒ เป็นตัวอย่างการพัฒนาในช่วงถัดมา ในรูปที่ ๒๑ นั้นสารตั้งต้นจะไหลเข้าสู่ pyrolysis coil ที่เริ่มต้นจากท่อขนาดเล็กจำนวน ๔ ท่อไหลจากบนลงล่าง (pass ที่ 1) จากนั้นจะรวมกันเหลือเพียง ๒ ท่อและไหลจากล่างขึ้นบน (pass ที่ 2) จากนั้นจะรวมกันเหลือเพียงท่อเดียวและไหลลงมา (pass ที่ 3) ก่อนที่จะไหลวกกลับขึ้นไปใหม่ (pass ที่ 4) ก่อนที่จะไปรวมกับผลิตภัณฑ์ที่มาจาก pyrolysis coil ชุดอื่นและไหลไปถ่ายเทความร้อนให้กับ Transfer line exchanger (TLE) เพื่อลดอุณหภูมิแก๊สเพื่อหยุดปฏิกิริยาการสลายตัว รูปที่ ๒๒ ก็เป็นรูปแบบที่คล้ายกับรูปที่ ๒๑ เพียงแต่ว่ามีเพียง 2 pass เท่านั้น

บทความในชุด "ทำความรู้จัก Fired process heater" ก็คงต้องจบลงเพียงแค่นี้ (หมดเอกสารประกอบการเขียนแล้ว สรุปรวมทั้งสิ้น ๔ ตอน ๒๖ หน้ากระดาษ A4) แต่ก็หวังว่าคงจะให้ประโยชน์แก่ผู้ที่เข้ามาอ่านที่ยังไม่เคยรู้จัก Fired process heater มาก่อน ไม่มากก็น้อย

รูปที่ ๒๑ Pyrolysis coil รูปแบบที่มีชื่อว่า SRT-III ของบริษัท Lummus

รูปที่ ๒๒ Pyrolysis coil รูปแบบที่มีชื่อว่า SRT-IV ของบริษัท Lummus

ทำความรู้จัก Fired process heater (ตอนที่ ๓) MO Memoir : Wednesday 3 February 2559

ตอนที่ ๓ (และยังไม่ใช่ตอนสุดท้าย) ของเรื่องการทำความรู้จักหน้าตาต่าง ๆ บางรูปแบบของ Fired process heater ต่อจาก Memoir ฉบับวันจันทร์ที่ ๑ กุมภาพันธ์ที่ผ่านมา
  

ก่อนหน้านี้ได้แนะนำให้รู้จัก Fired process heater ที่ท่อใน radiation zone นั้นวางตัวในแนวราบ การวางท่อในแนวราบนั้นตัวท่อเองไม่ต้องรับน้ำหนักของตัวมันเอง แต่เวลาที่ท่อร้อนและขยายตัวท่อจะเกิดการตกท้องช้าง (sacking) ขึ้นระหว่างจุดรองรับท่อสองจุดได้ มาคราวนี้จะแนะนำให้รู้จัก Fired process heater ที่ท่อใน radiation zone นั้นวางตัวในดิ่ง การวางท่อในแนวดิ่งนั้นตัวท่อจะต้องรับน้ำหนักของตัวมันเองได้ (แม้ว่าตัวมันเองจะมีอุณหภูมิสูง) การวางท่อในแนวดิ่งนี้จะปล่อยให้ท่อยืดตัวขึ้นบนหรือลงล่างอย่างอิสระ หรือใช้ท่อที่เรียกว่า "Pig tail" ซึ่งเป็นส่วนที่เป็นข้องอ ทำหน้าที่ดูดซับความเค้นที่เกิดจากการขยายตัวของท่อเอาไว้

รูปที่ ๑๓ เป็น Fired process heater รูปแบบที่มีชื่อว่า Vertical box ที่วางท่อในแนวดิ่งโดยมีส่วนให้ความร้อนทั้งสิ้น ๔ ส่วน เริ่มจากที่เป็นท่อตรงอยู่ทางด้านขวาสุดตามด้วยส่วนที่เป็นท่อรูปตัว U อีก ๓ ส่วน การให้ความร้อนใช้เปลวไฟที่พ่นออกมาทางผนังด้านข้าง (horizontal firing) ของไหลนั้นจะไหลเข้ามายังท่อที่อยู่ด้านบน/ด้านล่างที่เรียกว่า "Header (หรือ Manifold)" ที่ทำหน้าที่จ่ายของไหลเข้าไปยังท่อรูปตัว U และท่อตรง และรวบรวมของไหลที่ผ่านการรับความร้อนแล้วที่ออกมาจากท่อรูปตัว U และท่อตรงเหล่านั้น ในกรณีของท่อรูปตัว U นั้นด้วยการยึดปลายสองข้างของท่อไว้กับท่อ Header ด้านบน ตัวท่อเมื่อร้อนก็จะขยายตัวลงด้านล่างได้ แต่ในส่วนที่เป็นท่อตรงนั้นอาจใช้วิธีปล่อยให้ท่อยืดตัวลงด้านล่าง (ตามรูปที่นำมาแสดงเข้าใจว่าใช้วิธีนี้) หรือใช้ Pig tail ช่วย

รูปที่ ๑๓ Process fired heater ชนิด Vertical box

รูปที่ ๑๔ ก็ยังคงเป็น Fired process heater รูปแบบ Vertical box ที่วางท่อในแนวดิ่งเช่นเดียวกับรูปที่ ๑๓ แต่รูปแบบนี้ใช้ท่อตรงแทนท่อรูปตัว U โดยที่ของไหลเมื่อไหลเข้า radiation zone จากบนลงล่างก็จะไหลเข้าสู่ท่อ header ที่อยู่ข้างนอก radiation zone ก่อนจะไหลย้อนขึ้นเข้า radiation zone ใหม่แล้วเข้าสู่ท่อ header ที่อยู่ทางด้านบน

รูปที่ ๑๔ Process fired heater ชนิด Vertical box อีกรูปแบบหนึ่งที่ใช้ท่อตรงต่อเข้า Header ด้านบนและด้านล่าง และมีการติดตั้ง soot blower ที่ convection zone ด้วย

ตรงนี้อยากจะกล่าวไว้นิดนึงว่า radiation zone แต่ละส่วนนั้นจะมี convection zone แยกจากกันหรือร่วมกันนั้นขึ้นอยู่กับการออกแบบ เพราะ Fired process heater นั้นมันไม่ได้มีมาตรฐานรูปร่างสำเร็จรูปตายตัวว่าไม่ว่าบริษัทใดก็ต้องทำมาตามรูปร่างที่กำหนดไว้เท่านั้น ดังนั้นอย่างเพิ่งไปยึดติดว่าถ้าเป็นรูปแบบนี้แล้วต้องมี convection zone ร่วมกัน และถ้าเป็นรูปแบบนั้นแล้วต้องมี convection zone แยกกัน
   

รูปที่ ๑๕ และ ๑๖ เป็น Fired process heater ชนิด Radiant wall กล่าวคือมีท่อตั้งอยู่ในแนวดิ่งตรงกลางระหว่างสองผนัง และมี burner ให้ความร้อนอยู่ข้างผนังที่ระดับความสูงต่าง ๆ กัน วิธีการนี้ทำให้ตัวท่อได้รับความร้อนจากการแผ่รังสีที่สม่ำเสมอทั้งสองด้าน รูปที่ ๑๖ เป็นรูปแบบที่มี heater สองตัวใช้ปล่องระบายแก๊สร้อนร่วมกัน ในรูปที่นำมาแสดงนั้นพึงสังเกตว่ามีท่อรูปตัว U ที่เรียกว่า "Pig tail" อยู่ทางด้านล่าง Pig tail นี้มีไว้สำหรับรองรับการขยายตัวของท่อเมื่อท่อส่วนที่อยู่ใน heater นั้นมีอุณหภูมิสูงขึ้น การไหลในรูปนี้ของไหลที่ออกมาจาก convection zone จะแยกเข้าท่อต่าง ๆ จากทางด้านบนและไหลลงล่างในทิศทางเดียวเข้าสู่ท่อ header ที่รอรับอยู่ข้างล่าง

รูปที่ ๑๕ Process fired heater ชนิด Radiant wall พึงสังเกตว่ามี Pit tail (ท่อรูปตัว U) เผื่อการขยายตัวอยู่ทางด้านล่าง

คำว่า "Reformer" ในที่นี้ผมเข้าใจว่าหมายถึง heater ให้ความร้อนแก่สารตั้งต้นสำหรับปฏิกิริยา steam reforming ที่ใช้ในการผลิตแก๊สสังเคราะห์ (H₂ และ CO โดยอาจมี CO₂ ร่วมด้วย) จากแก๊สมีเทนและไอน้ำ ปฏิกิริยานี้เกิดที่อุณหภูมิสูง (ประมาณ 1000ºC) โดยเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อนและต้องมีตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยคือให้ความร้อนแก่สารตั้งต้น และเมื่อสารตั้งต้นมีอุณหภูมิสูงพอก็จะส่งเข้าสู่ reactor เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาต่อไป

รูปที่ ๑๖ Process fired heater ชนิด Radiant wall เช่นเดียวกับรูปที่ ๑๕ แต่ในกรณีนี้มี heater สองส่วนที่ใช้ปล่องระบายแก๊สร้อน (convection zone) ร่วมกัน

รูปที่ ๑๗ เป็น Process fired heater ชนิด Radiant wall เช่นเดียวกับรูปที่ ๑๕ และ ๑๖ แตกต่างกันตรงที่รูปแบบการไหลภายใน radiation zone ของ heater ภาพที่นำมาแสดงนี้มีรูปแบบการไหลที่เรียกว่า SRT III (SRT ย่อมาจาก Short residence time หมายถึงระยะเวลาที่ไหลผ่าน radiation zone นั้นสั้นมาก ส่วน III นั้นหมายถึงรูปแบบรุ่นที่ 3 ซึ่งเป็นการพัฒนาขึ้นมาของบริษัท Lummus ผู้ออกแบบ) ที่มีรูปแบบการไหลแสดงไว้ทางมุมด้านล่างขวาของภาพ กล่าวคือมีท่อเข้า ๔ ท่อด้วยกัน ก่อนที่จะรวมกันเหลือ ๒ ท่อและเหลือเพียงท่อเดียวก่อนออกจาก radiation zone (ในขณะเดียวกันเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อก็จะเพิ่มตามไปด้วย) Heater ชนิดนี้เป็นชนิดที่ใช้ในการทำให้โมเลกุลสารตั้งต้นแตกออกเกิดเป็นสารประกอบพันธะคู่ (เช่น อีเทน (H₃C-CH₃) เป็นเอทิลีน (H₂C=CH₂) หรือไดคลอโรอีเทน (ClH₂C-CH₂Cl) เป็นไวนิลคลอไรด์ (H₂C=CHCl))

รูปที่ ๑๗ Process fired heater ชนิด Radiant wall เช่นเดียวกับรูปที่ ๑๖ แต่การวางท่อภายในเป็นรูปแบบที่เรียกว่า SRT (Short Residence Time)

ในปฏิกิริยา pyrolysis หรือการทำให้โมเลกุลสารตั้งต้นแตกตัวนั้นใช้อุณหภูมิที่สูง แต่เมื่อได้ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการแล้วก็ต้องหาทางหยุดปฏิกิริยาเพื่อไม่ให้ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการที่เกิดขึ้นนั้น สลายตัวต่อไปเป็นผลิตภัณฑ์ที่ไม่ต้องการ การหยุดปฏิกิริยาทำได้ด้วยการลดอุณหภูมิของแก๊สร้อนที่ออกมาจาก radiation zone ให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว วิธีการที่ทำกันก็คือติดตั้งอุปกรณ์ที่เรียกว่า Transfer Line Exchanger (TLE) ไว้ทางด้านขาออกจาก radiation zone กล่าวคือเมื่อแก๊สร้อนไหลออกจาก radiation zone ก็จะเข้าสู่ TLE ที่ระบายความร้อนด้วยน้ำภายใต้ความดันสูง (คือใช้ TLE เป็นเสมือนหม้อน้ำสำหรับผลิตไอน้ำความดันสูง)

ฉบับหน้า (ตอนที่ ๔) จะเป็นตอนสุดท้ายของเรื่อง "ทำความรู้จัก Fired process heater" จะกล่าวถึงเฉพาะ pyrolysis heater ที่ใช้ในการผลิตโอเลฟินส์