คอมเพรสเซอร์เขาไม่ค่อยชอบของเหลวกับแก๊สความหนาแน่นต่ำครับ MO Memoir : Sunday 30 August 2563

"ถ้าเราต้องการเปลี่ยนสารตัวหนึ่งจากของเหลวที่ความดันต่ำ ให้เป็นแก๊สความความดันสูง เราควร

(ก) ให้ความร้อนแก่ของเหลวจนกลายเป็นไอที่ความดันต่ำก่อน จากนั้นจึงค่อยเพิ่มความดันให้กับไอน้ำ หรือ

(ข) เพิ่มความดันให้กับของเหลวจนเป็นของเหลวที่ความดันสูงก่อน จากนั้นจึงค่อยให้ความร้อนจนของเหลวกลายเป็นไอที่ความดันสูง"

สัปดาห์ที่แล้วมีผู้ถามคำถามข้างต้นมาถึงผม ซึ่งผมก็ได้ตอบเขาไปแล้ว (อันที่จริงมันก็มีอยู่ในบทความเก่า ๆ ใน blog นี้ด้วย) มาวันนี้ก็เลยอยากจะขอเขียนอะไรเพิ่มเติมขึ้นอีกนิดหน่อย

รูปแบบการทำงานของอุปกรณ์เพิ่มความดันให้กับของเหลวหรือแก๊สอาจแบ่งได้เป็น ๒ ประเภทด้วยกันคือ positive displacement ที่เพิ่มความดันให้กับของเหลวหรือแก๊สโดยตรง และ dynamic compression ที่ใช้การเพิ่มพลังงานจลน์ให้กับโมเลกุลของเหลวหรือแก๊ส (คือเพิ่มความเร็วในการเคลื่อนที่) แล้วค่อยให้พลังงานจลน์นั้นเปลี่ยนเป็นความดัน (จะเรียกว่าเปลี่ยนจาก velocity head เป็น pressure head ก็ได้) วิธีการเพิ่มพลังงานจลน์ที่กระทำกันก็คือการใช้การหมุนเหวี่ยงด้วยใบพัด ซึ่งก็ได้แก่พวก centrifugal pump (ปั๊มหอยโข่ง) และ centrifugal compressor และอุปกรณ์ประเภทหลังนี้ก็เป็นพวกที่มีการใช้งานกันอย่างแพร่หลายมากที่สุด

การอัดแก๊สให้มีความดันสูงขึ้นนั้น สิ่งที่เกิดขึ้นก็คืออุณหภูมิแก๊สที่ผ่านการอัดนั้นจะเพิ่มขึ้น แต่เมื่อความดันสูงขึ้นแก๊สก็จะควบแน่นเป็นของเหลวได้ที่อุณหภูมิสูงขึ้น ดังนั้นการอัดแก๊สจะทำได้ดีก็ต่อเมื่อแก๊สนั้นจะต้องไม่เกิดการควบแน่นเมื่อความดันสูงขึ้น กล่าวคืออุณหภูมิของแก๊สก่อนอัดนั้นต้องสูงกว่าอุณหภูมิจุดควบแน่นของแก๊สนั้น และแก๊สที่ผ่านการอัดแล้วต้องไม่ควบแน่น ณ อุณหภูมิด้านขาออกของคอมเพรสเซอร์ (แต่ไปควบแน่นในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ลดอุณหภูมิของแก๊สที่ผ่านการอัดแล้วไม่เป็นไร)

รูปที่ ๑ กราฟต่าง ๆ ที่นำมาประกอบ Memoir ฉบับนี้ นำมาจากบทความนี้ (ลิงก์ข้างล่าง) https://www.airbestpractices.com/technology/air-compressors/how-inlet-conditions-impact-centrifugal-air-compressor-performance

ปั๊มหอยโข่งที่ใช้กับของเหลวนั้นไม่ชอบให้มีฟองแก๊สในของเหลว ในกรณีที่ฟองแก๊สนั้นเป็นแก๊สที่ไม่ควบแน่น (เช่นมีฟองอากาศปนเข้ามาในน้ำ) เพราะพลังงานที่จ่ายให้ของเหลวจะถูกใช้ในการอัดฟองแก๊ส และถ้าเป็นฟองแก๊สที่เกิดจากการเดือดของของเหลวในตัวปั๊ม (บริเวณทางเข้าปั๊มที่ดูดของเหลวเข้ามาจะมีความดันที่ลดต่ำลง) เมื่อความดันเพิ่มสูงขึ้น ฟองแก๊สนั้นก็จะเกิดการยุบตัวลงอย่างรวดเร็ว (ผลจากการควบแน่น) ทำให้เกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่า cavitation ที่สามารถทำความเสียหายต่อชิ้นส่วนโลหะภายในปั๊มได้

ในกรณีชอง centrifugal compressor นั้น หยดของเหลวที่ติดมากับแก๊สที่ไหลเข้า หรือที่เกิดขึ้นระหว่างที่แก๊สมีความดันสูงขึ้น ก็สามารถทำให้ตัวอุปกรณ์ประสบกับปัญหา erosion ได้เช่นกัน ดังนั้นในกรณีที่เกรงว่าจะมีของเหลวติดมากับแก๊สที่ไหลเข้าคอมเพรสเซอร์ ก็จะมีการติดตั้ง knock out drum เอาไว้ที่ทางด้านขาเข้าของคอมเพรสเซอร์ knock out drum นี้เป็นถังเปล่า ๆ ใบหนึ่งที่ดักหยดของเหลวด้วยการทำให้แก๊สมีความเร็วลดต่ำลง (เพราะพื้นที่หน้าตัดของถังมันใหญ่กว่าท่อ) และมีการเปลี่ยนทิศทางการไหลของแก๊ส (แก๊สจะเลี้ยวออกไปอีกทาง ในขณะที่หยดของเหลวที่มีมวลมากกว่าจะเลี้ยวตามยากกว่า และวิ่งไปปะทะแผ่นกั้นหรือผนังของถัง กลายเป็นหยดของเหลวที่ใหญ่ขึ้นและไหลสงสูงก้นถัง knoco out drum บางตัวอาจมีการติดตั้ง mist eliminator เอาไว้ที่ทางออกของแก๊ส เพื่อช่วยดักหยดของเหลวเอาไว้อีกชั้นหนึ่ง

พวก centrifugal compressor ที่ใช้การเพิ่มพลังงานจลน์ให้กับโมเลกุลแก๊สด้วยการเหวี่ยงออกไปนั้น ที่ความเร็วรอบการหมุนคงที่ ความเร็วที่โมเลกุลแก๊สถูกเหวี่ยงออกไปก็จะคงที่ ส่วนพลังงานจลน์จะได้เท่าใดนั้นก็ขึ้นอยู่กับมวลของแก๊สที่ไหลเข้ามาและถูกเหวี่ยงออกไป ถ้าแก๊สที่ไหลเข้ามานั้นมีความดันสูง อุณหภูมิต่ำ และน้ำหนักโมเลกุลสูง น้ำหนักของแก๊สต่อหน่วยปริมาตรก็จะสูง (กล่าวคือมีความหนาแน่นสูง) พลังงานจลน์ของการเหวี่ยงออกไปก็จะสูง โดยใบพัดต้องใช้พลังงานมากขึ้นเพื่อที่จะหมุนด้วยความเร็วรอบคงที่ แต่ถ้าแก๊สที่ไหลเข้ามานั้นมีความดันต่ำ อุณหภูมิสูง และน้ำหนักโมเลกุลต่ำ น้ำหนักของแก๊สต่อหน่วยปริมาตรก็จะต่ำ (กล่าวคือมีความหนาแน่นต่ำ) พลังงานจลน์ของการเหวี่ยงออกไปก็จะต่ำ ใบพัดก็ต้องการพลังงานในการเหวี่ยงลดลง

แต่ทั้งนี้พลังงานจลน์ของการเหวี่ยงออกไปนั้น เมื่อเปลี่ยนรูปไปเป็นความดันแล้ว ต้องสามารถเอาชนะความดันต้านทางของแก๊สด้านขาออกได้ แก๊สจึงจะไหลไปข้างหน้าได้ และเมื่อใดที่พลังงานจลน์ในการเหวี่ยงออกไปนั้นไม่สามารถสร้างความดันที่เอาชนะความดันต้านทางด้านขาออกได้ แก๊สด้านขาออกก็จะไหลย้อนกลับได้ มันก็เลยเป็นการสู้กันระหว่างแก๊สด้านขาออกที่มีความดันสูงที่ไหลสวนทางกับแก๊สที่ใบพัดคอมเพรสเซอร์พยายามเหวี่ยงออกมา ก็ทำให้เกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่า surging ได้

รูปที่ ๒-๔ แสดงผลของอุณหภูมิและความดันของแก๊สที่ไหลเข้าคอมเพรสเซอร์ และความชื้นสัมพันธ์ในอากาศที่มีต่อความดันด้านขาออกที่ได้ แต่ทุกกราฟมีทุกสิ่งที่เหมือนกันคือ เมื่อใดก็ตามที่ความหนาแน่นแก๊สที่ไหลเข้าคอมเพรสเซอร์นั้นลดต่ำลง ความดันด้านขาออกก็จะลดลง

รูปที่ ๒ ที่อัตราการไหลโดยปริมาตรคงเดิม (ใบพัดหมุนด้วยความเร็วรอบคงที่) เมื่ออุณหภูมิแก๊สไหลเข้านั้นเพิ่มสูงขึ้น ความหนาแน่นแก๊สก็จะลดลง พลังงานจลน์ของแก๊สที่ถูกเหวี่ยงออกไปก็จะลดลง ความดันด้านขาออกที่ได้ก็จะลดลงไปด้วย

 

รูปที่ ๓ เมื่อความดันแก๊สขาเข้าลดต่ำลง (ที่อุณหภูมิคงที่) ความหนาแน่นแก๊สก็จะลดลง พลังงานจลน์ของแก๊สที่ถูกเหวี่ยงออกไปก็จะลดลง ความดันด้านขาออกที่ได้ก็จะลดลงไปด้วย

รูปที่ ๔ ในกรณีของการอัดอากาศนั้น เนื่องจากในอากาศจะมีความชื้นอยู่ และน้ำหนักโมเลกุลของน้ำนั้นต่ำกว่าของอากาศ ดังนั้นถ้าอากาศมีความชื้นมากขึ้น (คือมีสัดส่วนไอน้ำที่ผสมอยู่นั้นสูงขึ้น) ความหนาแน่นอากาศก็จะลดต่ำลง พลังงานจลน์ของอากาศที่ถูกเหวี่ยงออกไปก็จะลดลง ความดันด้านขาออกที่ได้ก็จะลดลงไปด้วย

มีเรื่องหนึ่งที่มีคนเคยถามมาเป็นเรื่องเกี่ยวกับการเพิ่มประสิทธิภาพของคอมเพรสเซอร์อัดอากาศ กล่าวคือในวันที่อากาศร้อนจัดนั้น ความหนาแน่นอากาศลดต่ำลง ประสิทธิภาพของคอมเพรสเซอร์ก็เลยตก การลดอุณหภูมิอากาศขาเข้าด้วยการติดตั้งเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนนั้น (ที่อาจใช้เพียงแค่เฉพาะวันที่มีอากาศร้อน) เป็นการลงทุนสูงแน่ ๆ แต่ถ้าจะใช้วิธีการฉีดพ่นละอองน้ำให้กับอากาศก่อนเข้าคอมเพรสเซอร์ (ซึ่งเป็นการลงทุนที่ต่ำกว่า) เพื่อให้การระเหยของหยดน้ำทำให้อุณหภูมิอากาศลดต่ำลง จะเป็นการช่วยไหม ซึ่งก็ได้ตอบเขาไปว่าก็ต้องระวังการเกิด erosion อันเป็นผลจากหยดน้ำที่ฉีดเข้าไปมากเกินไปและระเหยไม่หมด ส่วนความหนาแน่นของอากาศนั้นจะลดลงหรือเพิ่มขึ้นก็ขึ้นอยู่กับว่าปริมาณน้ำที่ฉีดเข้าไปที่ไปทำให้ความชื้นสัมพัทธ์สูงขึ้นและน้ำหนักโมเลกุลของอากาศลดต่ำลง อันส่งผลให้ความหนาแน่นอกาศลดลง และอุณหภูมิของอากาศที่ลดต่ำลงที่ทำให้ความหนาแน่นอากาศเพิ่มสูงขึ้น ปัจจัยไหนจะเด่นกว่ากัน ซึ่งได้ยินมาว่ามีการทดลองเอากระบอกฉีดน้ำไปฉีดละอองน้ำให้กับอากาศก่อนเข้าคอมเพรสเซอร์ แล้วก็ได้ผลดี

ด้วยเหตุนี้ ถ้าต้องการเปลี่ยนของเหลวความดันต่ำให้กลายเป็นแก๊สที่ความดันสูง ก็จะทำการเพิ่มความดันให้กับของเหลวนั้นก่อน แล้วจึงค่อยให้ความร้อนเพื่อเปลี่ยนให้ของเหลวนั้นกลายเป็นไอที่ความดันสูง ซึ่งเป็นวิธีการที่ใช้ในการผลิตไอน้ำความดันสูงที่ทำกันอยู่ทั่วไป ซึ่งเรื่องนี้เคยเล่าไว้ใน Memoir ฉบับวันพฤหัสบดีที่ ๑ ตุลาคม ๒๕๕๘ เรื่อง "ต้องควบแน่นก่อนแล้วค่อยต้มใหม่"

แต่ถ้ามีความจำเป็นที่ต้องอัดแก๊สที่อาจมีความหนาแน่นเปลี่ยนไปมาได้ โดยความหนาแน่นนั้นอาจลดต่ำลงได้มาก อันเป็นผลจากมีแก๊สโมเลกุลต่ำผสมเข้ามาในปริมาณมากขึ้น เราก็พอมีวิธีการที่จะทำให้คอมเพรสเซอร์ทำงานได้โดยไม่เกิด surging ได้ เช่นในการเพิ่มความดันให้กับแก๊สไฮโดรคาร์บอน C1-C2 ที่อาจมีไฮโดรเจนผสมเข้ามามากในบางช่วงเวลานั้น แทนที่เราจะทำการอัดแก๊สไฮโดรคาร์บอน C1-C2 ให้มีความดันสูงโดยตรง เราก็อาจทำการผสมไฮโดรคาร์บอน C3-C4 (ก็คือพวกแก๊สหุงต้ม) เข้ากับแก๊สก่อนเข้าคอมเพรสเซอร์ แล้วค่อยไปควบแน่นเอาไฮโดรคาร์บอน C3-C4 ออกจากแก๊สความดันสูง แล้วก็ป้อนไฮโดรคาร์บอน C3-C4 ที่ควบแน่นเป็นของเหลวนี้กลับไปทางด้านขาเข้าคอมเพรสเซอร์ใหม่ ซึ่งเมื่อไฮโดรคาร์บอน C3-C4 ที่ควบแน่นนั้นมีความดันลดลง มันก็จะระเหยกลายเป็นไอผสมเข้ากับแก๊สมวลโมเลกุลต่ำที่ไหลเข้าคอมเพรสเซอร์ได้เอง (รูปที่ ๕) จุดหนึ่งที่อาจประสบกับปัญหานี้ได้ก็คือระบบ flare gas recovery ที่องค์ประกอบของแก๊สนั้นขึ้นอยู่กับว่าในขณะนั้นมีหน่วยผลิตไหนระบายแก๊สทิ้งออกมา

รูปที่ ๕ เทคนิคหนึ่งที่ทำให้คอมเพรสเซอร์ทำการเพิ่มความดันให้กับแก๊สที่มีมวลโมเลกุลต่ำได้โดยไม่เกิด surging

เพลิงไหม้และการระเบิดที่ BP Oil (Grangemouth) Refinery 2530(1987) Case 2 การระเบิดที่หน่วย Hydrocracker ตอนที่ ๑ MO Memoir : Sunday 4 November 2561

เพิ่งจะกู้ร่างผู้เสียชีวิตรายที่ ๒ จากเหตุการณ์ไฟไหม้ที่ระบบ Flare ได้เพียงแค่สัปดาห์เดียว ศพที่ ๓ ก็ตามมา แถมสถานที่เกิดเหตุก็อยู่ติด ๆ กันซะด้วย
 

การนำน้ำมันหนักมาแปรสภาพเป็นน้ำมันเบา (ระดับเบนซินไปจนถึงดีเซล) เป็นวิธีการหนึ่งในการเพิ่มมูลค่าให้กับผลิตภัณฑ์ และยังช่วยตอบสนองความต้องการน้ำมันเชื้อเพลิงสำหรับยานพาหนะที่มีจำนวนเพิ่มขึ้น การทำให้น้ำมันหนักที่มีโมเลกุลใหญ่นั้นกลายเป็นน้ำมันเบาต้องหาทางทำให้โมเลกุลของน้ำมันหนักนั้นแตกออกเป็นชิ้นเล็กลง และปัจจัยหนึ่งที่สำคัญสำหรับกระบวนการดังกล่าวก็คือความร้อน
 

ความอิ่มตัวของน้ำมันนั้นดูได้จากสัดส่วนระหว่างอะตอม H ต่ออะตอม C ถ้าสัดส่วนอะตอม H ต่ออะตอม C มีค่าสูงก็แสดงว่าเป็นน้ำมันที่มีความอิ่มตัวสูง แต่ถ้าสัดส่วนอะตอม H ต่ออะตอม C มีค่าต่ำก็แสดงว่าเป็นน้ำมันที่มีความไม่อิ่มตัวสูง เช่นอาจประกอบด้วยโครงสร้างที่เป็นวงแหวนอะโรมาติก (aromatic) อยู่เป็นจำนวนมาก

รูปที่ ๑ สถานที่เกิดเหตุหลังเหตุการณ์สงบ ในกรอบสีเหลี่ยมสีเหลืองคือตำแหน่งที่ตั้งของ Low pressure separator V306 ที่เกิดการระเบิดที่เหลือแต่ขาคอนกรีตที่ใช้วาง vessel
 

คำว่า "น้ำมันเบา" และ "น้ำมันหนัก" นั้นมาจากกระบวนการกลั่นน้ำมันในหอกลั่น โดยน้ำมันที่มีจุดเดือดต่ำจะกลายเป็นไอลอยขึ้นบนออกไปทางยอดหอกลั่น ในขณะที่น้ำมันที่มีจุดเดือดสูงจะเป็นของเหลวไหลออกทางด้านล่างของหอกลั่น เขาจึงเรียกน้ำมันที่มีจุดเดือดต่ำว่าน้ำมันเบา (เพราะมันลอยขึ้น) และที่มีจุดเดือดสูงว่าน้ำมันหนัก (เพราะมันไหลลงล่าง)
 

สำหรับน้ำมันหนักที่มีความอิ่มตัวสูง ที่องค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นพวกพาราฟิน (paraffin C_nH_2n+2) หรือแนฟทีน (naphthene C_nH_2n) การทำให้โมเลกุลเหล่านี้แตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลงทำได้ทั้งการใช้ความร้อนเพียงอย่างเดียวด้วยกระบวนการที่เรียกว่า thermal cracking หรือใช้ความร้อนร่วมกับการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เรียกว่ากระบวนการ catalytic cracking (ที่เป็นที่รู้จักและใช้กันมากที่สุดในปัจจุบันคือรูปแบบ fluidised-bed catalytic cracking หรือที่เรียกย่อ ๆ ว่า FCC) ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขื้นจากกระบวนการเหล่านี้จะมีส่วนที่เป็นองค์ประกอบที่ไม่อิ่มตัว (พวกที่มีพันธะ C=C) เกิดขึ้นรวมอยู่ด้วยเสมอ และถ้าโมเลกุลที่เกิดจากการแตกตัวครั้งแรกมีการแตกตัวย่อยลงไปอีก สัดส่วนผลิตภัณฑ์ที่มีความไม่อิ่มตัวนี้ก็จะเพิ่มสูงขึ้นเรื่อย ๆ
 

สำหรับน้ำมันหนักที่มีความไม่อิ่มตัวสูงเช่นพวกที่มีองค์ประกอบเป็น polyaromatic ring (วงแหวนเบนซีนหลายวงต่อเข้าด้วยกัน) การใช้ความร้อนเพียงอย่างเดียวจะยากที่จะทำให้โมเลกุลเหล่านี้แตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลง (ก็มันไม่มีทางที่จะแตกออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลงที่มีไม่อิ่มตัวสูงขึ้นไปอีก) การที่จะทำให้โมเลกุลพวก polyaromatic ring นี้แตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลงจำเป็นต้องมีการเติมไฮโดรเจนให้กับโมเลกุลเหล่านี้ก่อน (เรียกว่าปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจนหรือ hydrogenation) เพื่อให้มันกลายเป็นไฮโดรคาร์บอนที่มีความอิ่มตัวสูงขึ้นก่อน จากนั้นจึงค่อยทำให้โมเลกุลไฮโดรคาร์บอนที่มีความอิ่มตัวสูงขึ้นนี้แตกออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลง โดยใช้ความร้อนร่วมกับการเติมไฮโดรเจน (ที่ป้อนเข้าไปในรูปของแก๊สไฮโดรเจน) และใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วย ปฏิกิริยานี้เรียกว่า hydrocracking
 

แต่น้ำมันหนักมักจะมีสารประกอบอินทรีย์ของกำมะถัน (S) และไนโตรเจน (N) ปะปนมาเสมอ (โดยกำมะถันมักจะเป็นตัวที่มีมากที่สุดและพบเป็นประจำ) และบางทีก็อาจมีสารประกอบอินทรีย์ของออกซิเจน (O) และของโลหะบางชนิดเช่นวาเนเดียม (V) ปะปนมาด้วย ปริมาณของสารอินทรีย์เหล่านี้ขึ้นอยู่กับแหล่งที่มาของน้ำมัน ยิ่งเป็นน้ำมันที่หนักมาก (คือพวกที่มีจุดเดือดสูงมาก) ก็มักจะมีความเข้มข้นของสารอินทรีย์เหล่านี้มากขึ้นตามไปด้วย สารเหล่านี้อาจอยู่ในรูปโมเลกุลที่เป็นเส้น เช่น mercaptan (R-S-R') หรือ dimercaptan (R-S-S-R') หรือในโครงสร้างที่เป็นวงก็ได้ ดังตัวอย่างในรูปที่ ๒ ข้างล่าง

รูปที่ ๒ ตัวอย่างของสารประกอบกำมะถัน ไนโตรเจน และออกซิเจน ที่พบได้ในน้ำมันหนัก
 

น้ำมันที่มีสารประกอบอินทรีย์ของกำมะถันและไนโตรเจน ถ้านำไปเผาไหม้จะก่อให้เกิดแก๊สซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO₂) และไนโตรเจนออกไซด์ (NO_x) แต่อีกเรื่องหนึ่งที่สำคัญคือสารเหล่านี้มีฤทธิ์เป็นเบสที่เป็นพิษต่อตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในกระบวนการปรับสภาพและ/หรือเปลี่ยนแปลงโครงสร้างโมเลกุลของน้ำมันในกระบวนการผลิตขั้นตอนถัดไป ทำให้มีความจำเป็นที่ต้องกำจัดสารเหล่านี้ออก วิธีการกำจัดสารเหล่านี้กระทำได้โดยการให้สารเหล่านี้ทำปฏิกิริยากับแก๊สไฮโดรเจนภายใต้ความดันสูงและอุณหภูมิสูงโดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาช่วย กระบวนการนี้เรียกว่า hydrotreating โดยกำมะถันจะถูกดึงออกไปในรูปของแก๊ส H₂S (ด้วยปฏิกิริยา hydrodesulphurisation หรือย่อว่า HDS) และไนโตรเจนจะถูกดึงออกไปในรูปของแก๊ส NH₃ (ด้วยปฏิกิริยา hydrodenitrogenation หรือ HDN)

ความเป็นเบสของสารประกอบอินทรีย์เหล่านี้คือความเป็นเบสแบบลิวอิส (Lewis base) คืออะตอม S N และ O มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว (lone pair electron) ที่สามารถสะเทินความเป็นกรดของตัวเร่งปฏิกิริยา (ที่อาจอยู่ในรูปของ H⁺ หรือไอออนบวกของโลหะเช่น Al³⁺) ตัวอย่างของหน่วยที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นกรดได้แก่ catalytic cracking

รูปที่ ๓ เป็นแผนผังของหน่วย hydrocracker ของโรงกลั่นน้ำมัน BP Oil Refinery ที่เมือง Grangemouth ที่เกิดการระเบิด หน่วยนี้ประกอบด้วยเครื่องปฏิกรณ์ชนิดเบดนิ่ง (fixed-bed reactor) จำนวน ๔ ตัว ที่แต่ละตัววางตั้งในแนวดิ่ง ทำงานภายใต้บรรยากาศของแก๊สไฮโดรเจนที่ความดัน 155 bar อุณหภูมิ 350ºC น้ำมันจะถูกป้อนมาเก็บไว้ยัง feed surge drum V308 ด้วยอัตราการไหลประมาณ 3500 l/min ก่อนจะป้อนเข้าสู่เครื่องปฏิกรณ์

"surge drum" เป็นถังพักที่ช่วยดูดซับความแปรปรวนของหน่วยหนึ่งไม่ให้ส่งผลกระทบต่อการทำงานของหน่วยที่อยู่ในขั้นตอนติดกัน เช่นหน่วย A อาจมีการทำงานที่ไม่คงที่ แต่หน่วย B ที่อยู่ถัดไปต้องการการทำงานคงที่ หรือในทางกลับกันคือหน่วย A มีการทำงานที่คงที่ แต่หน่วย ฺB ที่อยู่ถัดไปมีการทำงานที่ไม่คงที่ ตัวอย่างเช่นสมมุติว่ากระบวนการ B นั้นต้องการให้เดินเครื่องที่สภาวะคงตัวที่อัตรา 3500 l/min แต่กระบวนการ A ที่อยู่ต้นทางนั้นที่ป้อนวัตถุดิบให้นั้นมีการเดินเครื่องที่เปลี่ยนแปลงในช่วง 2000-5000 l/min ในกรณีเช่นนี้การติดตั้ง surge drum ที่มีความจุที่เหมาะสมที่ทำหน้าที่รองรับวัตถุดิบที่มาจากกระบวนการ A จะช่วยป้องกันไม่ให้อัตราการไหลที่ไม่คงที่ของหน่วย A ส่งผล กระทบต่อการทำงานของหน่วย B ได้ (อย่างน้อยก็เป็นช่วงระยะเวลาหนึ่ง) กล่าวคือถ้าหน่วย A ป้อนสารมาด้วยอัตราที่ต่ำกว่าที่หน่วย B ต้องการ หน่วย B ก็จะดึงสารที่อยู่ใน surge drum มาใช้ และในทางกลับกันถ้าสารที่มาจากหน่วย A สูงเกินกว่าความสามารถของหน่วย B ดึงไปใช้ได้ สารนั้นก็จะถูกสะสมไว้ใน surge drum
 

"fixed-bed reactor" ในที่นี้หมายถึงเครื่องปฏิกรณ์ที่บรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาของแข็งเอาไว้ข้างใน โดยตัวเร่งปฏิกิริยานั้นอยู่กับที่ ไม่มีการเคลื่อนไหวใด ๆ แบบเดียวกับเครื่องกรองน้ำที่มีการบรรจุเรซินหรือสารดูดซับเอาไว้ข้างใน แต่การทำงานของระบบ hydrocracker นี้เป็นการทำงานในระบบ ๓ เฟสด้วยกัน คือตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็ง น้ำมันที่เป็นของเหลว และไฮโดรเจนที่เป็นแก๊ส รูปแบบการทำงานแบบ ๓ เฟสนี้มีชื่อเรียกเฉพาะว่า "trickle bed reactor" ที่จะมีการป้อนของเหลวจากบนลงล่างให้ไหลผ่านชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา ส่วนแก๊สนั้นอาจจะไหลจากบนลงล่างหรือล่างขึ้นบนก็ขึ้นอยู่กับการออกแบบ ระบบนี้แตกต่างจาก fixed-bed reactor ทั่วไปที่ใน fixed-bed reactor นั้นเฟสที่ไหลผ่านชั้นของแข็งนั้นจะเป็นเฟสแก๊สหรือของเหลวเพียงเฟสเดียว

อุณหภูมิของเครื่องปฏิกรณ์จะถูกควบคุมเอาไว้ไม่ให้สูงเกินกว่า 425ºC (ในรายงานเรียกว่าอุณหภูมิ tempetature cut out หรือ TOC) และเมื่ออุณหภูมิสูงถึงระดับนี้ระบบจะหยุดการทำงานด้วยการหยุดการป้อนสารตั้งต้นและระบายความดันออกสูงระบบ flare แต่ยังคงทำการหมุนเวียนแก๊สไฮโดรเจนเพื่อช่วยระบายความร้อนออกจากาเบดตัวเร่งปฏิกิริยา

รูปที่ ๓ ผังการทำงานของหน่วยHydrocracker ที่เกิดการระเบิด ในรายงานไม่ได้กล่าวเอาไว้ว่า hydrotreating ทั้งสองหน่วย (V301 และ V302) ทำหน้าที่อะไร แต่เดาว่าตัวหนึ่งน่าจะเป็นหน่วยกำจัดสารประกอบกำมะถัน และอีกตัวหนึ่งเป็นหน่วยกำจัดสารประกอบไนโตรเจน

น้ำมันที่ออกจากกระบวนการ hydrocracking จะไหลผ่านระบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อนำกลับพลังงานความร้อนไปใช้ประโยชน์ ก่อนที่จะไหลเข้าสู่ถังแยกน้ำมัน-ไฮโดรเจนความดันสูงที่เป็นถังวางตั้งในแนวดิ่ง (V305) ที่อุณหภูมิประมาณ 50ºC ณ ถังแยกนี้แก๊สไฮโดรเจนจะลอยตัวขึ้นบนก่อนถูกคอมเพรสเซอร์ (C301) ดูดเพื่อนำกลับไปใช้ทำปฏิกิริยาใหม่พร้อมกับไฮโดรเจนที่ป้อนเข้ามาเพิ่มเติม ตัวคอมเพรสเซอร์ C301 นี้จะเกิดการสั่นอย่างรุนแรงถ้าหากผลต่างความดันระหว่างด้านขาเข้าและด้านขาออกนั้นมากเกินไป ดังนั้นถ้าพบว่าคอมเพรสเซอร์มีการสั่นมากเกินไปก็จะต้องหยุดการทำงานของคอมเพรสเซอร์เพื่อป้องกันความเสียทาย

centrifugal compressor ใช้การเพิ่มพลังงานจลน์ให้กับแก๊สที่ถูกเหวี่ยงออกไปจากใบพัด แล้วให้พลังงานจลน์ที่แก๊สได้รับไปนั้นเปลี่ยนเป็นความดันอีกทีหนึ่ง (แบบเดียวกันกับปั๊มหอยโข่ง) เนื่องจากความเร็วรอบการหมุนของใบพัดที่หมุนเหวี่ยงแก๊สออกไปนั้นคงที่ (ถ้าใช้ induction motor เป็นตัวขับเคลื่อนคอมเพรสเซอร์ ซึ่งส่วนใหญ่ก็ใช้กัน) ดังนั้นพลังงานจลน์ของแก๊สที่ถูกเหวี่ยงออกไปนั้นจึงขึ้นกับความหนาแน่นของแก๊ส ที่อุณหภูมิและความดันค่าหนึ่งความหนาแน่นของแก๊สจะเพิ่มตามน้ำหนักโมเลกุล แก๊สที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงจะมีพลังงานจลน์ที่สูงกว่าแก๊สที่มีน้ำหนักโมเลกุลที่ต่ำกว่า ดังนั้นถ้าหากออกแบบ centrifugal compressor ให้ทำงานกับแก๊สที่มีน้ำหนักโมเลกุลค่าหนึ่ง ถ้าหากแก๊สที่ไหลเข้ามานั้นมีน้ำหนักโมเลกุลที่ลดต่ำกว่าค่าที่ออกแบบไว้มากเกินไป ก็จะเกิดปัญหาในการทำงานของคอมเพรสเซอร์ตัวนั้นได้เพราะความดันของแก๊สที่ถูกเหวี่ยงออกไปที่ขอบใบพัดนั้นต่ำกว่าความดันด้านขาออก ปรากฏการณ์นี้จะทำให้แก๊สด้านขาออกมีการไหลย้อนเข้ามาในตัวใบพัด ในขณะที่ใบพัดพยายามที่จะเหวี่ยงแก๊สที่ดูดเข้ามานั้นออกไป ผลก็คือจะเกิดการสั่นอย่างรุนแรงขึ้นได้ที่เรียกว่าเกิด surging (ดูรูปที่ ๔ ข้างล่างประกอบ)

รูปที่ ๔ แก๊สไหลเข้า impeller ที่ตำแหน่ง 1 ซึ่งเป็นตำแหน่งที่แก๊สมีพลังงานจลน์ต่ำสุด และในขณะที่แก๊สไหลมาตามตัว impeller (ตำแหน่ง 2) แก๊สจะมีพลังงานจลน์เพิ่มมากขึ้นอันเป็นผลเนื่องจากการหมุนของ impeller และเมื่อไหลมาถึงตำแหน่ง 3 ที่เป็นทางออก แก๊สจะมีพลังงานจลน์มากที่สุด ถ้าหากพลังงานจลน์ของแก๊สที่ตำแหน่ง 3 นี้เมื่อเปลี่ยนเป็นความดันแล้วมีค่าสูงกว่าความดันต้านทานด้านขาออก แก๊สก็จะไหลออกจาก impeller ไปได้ แต่ถ้าพลังงานจลน์ของแก๊สที่ตำแหน่ง 3 นี้เมื่อเปลี่ยนเป็นความดันแล้วมีค่าต่ำกว่าความดันต้านทานด้านขาออก แก๊สด้านขาออกก็จะไหลย้อนเข้ามาในตัว impeller ได้ และเมื่อแก๊สด้านขาออกขยายตัวด้วยการไหลย้อนเข้ามาในตัว impeller ความดันต้านทานด้านขาออกก็จะลดต่ำลง แก๊สใน impeller ก็จะไหลออกไปยังด้านขาออกได้ใหม่ แก๊สด้านขาออกก็จะถูกอัดตัวอีกครั้งทำให้มีความดันสูงขึ้น และถ้าพลังงานจลน์ของแก๊สที่ตำแหน่ง 3 ไม่สามารถเอาชนะความดันด้านขาออกได้ ก็จะเกิดการไหลย้อนเข้ามาในตัว impeller ใหม่อีกครั้ง ถ้าปรากฏการณ์ไหลออก-ไหลย้อนนี้เกิดสลับไปมาเรื่อย ๆ ก็จะทำให้ตัว impeller เกิดการสั่นขึ้น (วาดขึ้นใหม่โดยอิงจาก https://www.enggcyclopedia.com/2012/01/centrifugal-compressor-surge/)

 

ในระหว่างขั้นตอน hydrotreating และ hydrocracking จะมีผลิตภัณฑ์ที่เป็นแก๊สเกิดขึ้นด้วย (ได้แก่ H₂S และไฮโดรคาร์บอนเบา) โดยแก๊สส่วนหนึ่งจะยังคงละลายอยู่ในส่วนที่เป็นของเหลว น้ำมันที่ผ่านการแยกเอาแก๊สออกที่ V305 จะไหลลงสู่ถังแยกน้ำมัน-ไฮโดรเจนความดันต่ำที่เป็นถังวางในแนวนอน (V306) ทำงานที่ความดันประมาณ 9 bar ที่ถังนี้จะมีแก๊สไฮโดรเจนและไฮโดรคาร์บอนเบาระเหยออกมาจากน้ำมันเพิ่มอีกอันเป็นผลจากความดันที่ลดต่ำลง ของเหลวที่ออกจากถังแยก V306 นี้จะถูกส่งเข้าระบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนก่อนป้อนเข้าสู่หน่วยกลั่นแยกเพื่อแยกเอาผลิตภัณฑ์ที่ได้ออก และนำกลับน้ำมันส่วนที่ยังไม่ทำปฏิกิริยามาทำปฏิกิริยาใหม่ ส่วนแก๊สที่ออกจากถังแยก V306 จะถูกส่งต่อไปยังหน่วยกำจัดกำมะถันต่อไป (กำมะถันควรอยู่ในรูปแก๊ส H₂S และใช้สารละลาย amine ที่เป็นเบสดักจับ)

รูปที่ ๕ รายละเอียดของถังแยกแก๊ส-ของเหลว V305 (ถังความดันสูง) และ V306 (ถังความดันต่ำ)

มาถึงจุดนี้ก็หวังว่าคงจะพอมองเห็นภาพการทำงานของหน่วย hydrocracker ของโรงงานนี้กันบ้างแล้ว ตอนต่อไปจะมาดูกันว่าก่อนเกิดการระเบิดนั้นมีเหตุการณ์อะไรเกิดขึ้นบ้าง

ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับปั๊ม ตอนที่ ๑ MO Memoir 2556 Mar 15 Fri

เอกสารฉบับนี้เตรียมขึ้นเพื่อปูพื้นฐานให้กับผู้ที่มีพื้นความรู้ทางวิทยาศาสตร์ทั่วไป ที่ไม่ได้เรียนและทำงานสายวิศวกรรม เนื้อหาใน Memoir นี้แก้ไขเพิ่มเติมจากเอกสารที่ใช้ในโครงการอบรม Cosmetic Engineering and Production Planning (CEPP) สำหรับสมาคมผู้ผลิตเครื่องสำอางไทย ในวันเสาร์ที่ ๑๖ มีนาคม ๒๕๕๖ แต่เนื่องจากเห็นว่าน่าจะพอให้ประโยชน์แก่บุคคลทั่วไปได้บ้าง จึงนำมาเผยแพร่ใน blog นี้

๑. ของไหล (fluid) ของเหลว (liquid) และแก๊ส (gas)

ของไหล (fluid) เป็นคำกลาง ๆ ที่ใช้เรียกสสารในสถานะของเหลวหรือแก๊ส หรือในสถานะที่บอกไม่ได้ว่าเป็นของเหลวหรือแก๊ส (พวกที่อยู่ที่อุณหภูมิและความดันเหนือจุดวิกฤต (critical temperature))
  

ในการใช้งานตามปรกตินั้น เราถือว่าของเหลวเป็นสสารที่ไม่สามารถอัดตัวได้ (incompressible fluid) ในขณะที่แก๊สเป็นสสารที่สามารถอัดตัวได้ (compressible fluid)
  

การอัดตัวได้ในที่นี้หมายถึงการที่เราสามารถลด "ปริมาตร" สารนั้นที่มี "น้ำหนัก" ค่า ๆ หนึ่ง ได้โดยใช้ความดัน
  

ความความแตกต่างตรงที่ของเหลวไม่สามารถอัดตัวได้ ในขณะที่แก๊สสามารถอัดตัวได้ ทำให้พฤติกรรมการทำงานของระบบเพิ่มความดันให้กับของเหลวและแก๊สนั้นมีความแตกต่างกัน ทั้ง ๆ ที่ตัวอุปกรณ์นั้นต่างก็ใช้หลักการแบบเดียวกัน (ในเรื่องคอมเพรสเซอร์มีปัญหาเรื่อง surging ในขณะที่ปั๊มไม่มีปัญหาเรื่องนี้ ดู Memoir ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๗๘ วันเสาร์ที่ ๑๖ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๖ เรื่อง "Centrifugal compressor กับการเกิด Surge และการป้องกัน")

อุปกรณ์เพิ่มความดันให้กับของเหลวเราเรียกว่า "ปั๊ม (pump)" หรือ "เครื่องสูบ" ส่วนอุปกรณ์เพิ่มความดันให้กับแก๊สนั้นเราเรียกว่า "คอมเพรสเซอร์ (compressor)" หรือ "เครื่องอัด" และบ่อยครั้งที่เราเรียกอุปกรณ์เพิ่มความดันให้กับแก๊สที่มีขนาดเล็กว่า "ปั๊ม" เหมือนกัน เช่นปั๊มลม ปั๊มอากาศ

เนื้อหาในที่นี้จะกล่าวถึง "ปั๊ม" ที่ใช้ในการเพิ่มความดันให้กับของเหลวเป็นหลัก

๒. วัตถุประสงค์ของการเพิ่มความดันให้กับของเหลว

วัตถุประสงค์ของการเพิ่มความดันให้กับของเหลวเราอาจทำเพื่อ
  

๒.๑ เพิ่มอัตราการถ่ายเทของเหลวจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง (หรือเพิ่มพลังงานจลน์ให้กับของเหลว) เช่นในงานส่งถ่ายของเหลวตามระบบท่อ จากแทงค์ลูกหนึ่งไปยังแทงค์อีกลูกหนึ่ง หรือในงานที่ต้องการการฉีดพ่นของเหลว
  

๒.๒ ส่งผ่านของเหลวจากระบบความดันต่ำให้เข้าสู่ระบบความดันสูง เช่นงานในกระบวนการผลิตของอุตสาหกรรมเคมี ปิโตรเคมี และกลั่นน้ำมัน ทั่วไป
  

๒.๓ ส่งผ่านของเหลวจากระดับต่ำ ไปยังระดับที่สูงกว่า เช่นงานสูบน้ำจากแหล่งน้ำ งานประปา
  

ซึ่งอาจเป็นการทำไปเพื่อความต้องการเพียงข้อใดข้อหนึ่งข้างต้นหรือทั้งสามข้อเลยก็ได้

รูปที่ ๑  ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตร (V) และความดัน (P) ของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่อุณหภูมิต่าง ๆ

๓. วิธีการเพิ่มความดันให้กับของเหลว

การเพิ่มความดันให้กับของเหลวอาจกระทำโดย
  

๓.๑ การใช้แรงดันแก๊สกระทำต่อของเหลว โดยอาจเป็นแก๊สที่ได้จากเครื่องอัดแก๊ส (เช่นอากาศอัดความดัน) หรือแก๊สจากถังแก๊ส 
   

วิธีการนี้มีข้อดีตรงที่สามารถป้องกันการรั่วไหลในระหว่างการส่งของเหลวจากถังเก็บไปยังถังรับเพราะไม่มีการใช้ปั๊ม เพราะปั๊มมักเป็นจุดที่มีการเกิดการรั่วไหลของของเหลว ตรงตำแหน่งที่เป็นรอยต่อระหว่างโครงสร้างที่หยุดนิ่ง (เช่นตัวเรือนปั๊มและกระบอกสูบ) และโครงสร้างที่เคลื่อนที่ (เช่นเพลาและลูกสูบ) และปั๊มบางแบบก็ต้องยอมให้มีการรั่วไหลด้วยเพราะใช้ของเหลวนั้นในการหล่อลื่นและ/หรือระบายความร้อน 
   

๓.๒ การเพิ่มความดันให้กับของเหลวโดยตรง โดยการให้แรงอัดผ่านทางอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น ใช้ระบบกระบอกสูบและลูกสูบ (ปั๊มลูกสูบ หรือ reciprocating pump) แผ่นไดอะแฟรม (diaphragm pump) เฟือง (gear pump และ rotary pump) และสกรู (screw pump) การรีดผ่านสายยาง (peristatic pump) วิธีการนี้คือหลักการทำงานของปั๊มพวก positive displacement pump
  

๓.๓ การเพิ่มพลังงานจลน์ให้กับของเหลว จากนั้นจึงให้ของเหลวเปลี่ยนพลังงานจลน์นั้นเป็นความดัน พลังงานจลน์ที่ให้จะอยู่ในรูปของแรงเหวี่ยง วิธีการนี้เป็นหลักการทำงานของปั๊มหอยโข่งหรือ centrifugal pump

รูปที่ ๒ (บน) การทำให้ของเหลวไหลจากภาชนะใบหนึ่งไปยังภาชนะอีกใบหนึ่งด้วยการใช้แรงดันแก๊ส ในระบบนี้ของเหลวด้านส่งต้องอยู่ในภาชนะปิด (ล่างซ้าย) การส่งของเหลวจากระดับต่ำไปยังระดับสูง (หรือเข้าสู่ระบบที่มีพลังานศักย์ที่สูงกว่า) โดยปั๊มที่ใช้สูบของเหลว ติดตั้งอยู่ที่ระดับที่ต่ำกว่าระดับผิวของเหลว ในกรณีนี้การเริ่มเดิมเครื่องปั๊มมักจะไม่มีปัญหาเพราะของเหลวสามารถเติมเต็มท่อด้านขาเข้าปั๊มได้เอง (ล่างขวา) การส่งของเหลวจากระดับต่ำไปยังระดับสูง โดยปั๊มที่ใช้สูบของเหลวอยู่ที่ระดับที่สูงว่าระดับผิวของเหลว ในกรณีนี้สำหรบปั๊มบางประเภทจะเดินเครื่องไม่ได้ถ้าไม่มีการเติมของเหลวให้เต็มท่อด้านเข้าก่อน (พวกปั๊มหอยโข่งมีปัญหาเช่นนี้)
  

๔. ความดัน (pressure) กับเฮด (head)

ความดันเป็นการวัดแรงที่กระทำต่อหน่วยพื้นที่ หน่วยที่นิยมใช้กันเพราะมองเห็นภาพชัดเจนได้แก่ บรรยากาศ (atm หรือ bar) กิโลกรัมต่อตารางเซนติเมตร (kg/cm²) หรือปอนด์ต่อตารางนิ้ว (psi - pound per square inch ในบ้านเราหน่วยนี้ใช้กับการเติมลมยางรถยนต์อยู่) 
   

ความกดอากาศที่ระดับน้ำทะเลนั้นมีค่าประมาณ 1 bar หรือ 1 atm หรือ 1 kg/cm² หรือ 15 psi หรือประมาณเทียบเท่าความสูงของน้ำ 10 เมตร หน่วยปาสคาล (Pa - Pascal) เป็นหน่วยที่ใช้กันในทางวิทยาศาสตร์ เพราะสะดวกต่อการคำนวณ แต่เป็นหน่วยที่มองไม่เห็นภาพและมีขนาดเล็กเกินไป (เหมือนกับที่เราไม่บอกราคาสินค้าด้วยหน่วยสตางค์)
  

อันที่จริงความดัน 1 bar หรือ 1 atm หรือ 1 kg/cm² หรือ 15 psi หรือความสูงของน้ำ 10 เมตรมันไม่ได้เท่ากันพอดี แต่เพื่อความสะดวกในการมองภาพหรือการประมาณค่าหรือการคิดเลขในใจ เรามักจะประมาณว่ามันเท่ากัน (ตัวเลขที่ละเอียดคือ 1 atm = 1.01325 bar = 760 mmHg = 14.69595 psi = 101325 Pa = 1.03 kg/cm² หรือเทียบเท่าแรงกดของน้ำ (ความหนาแน่น 1000 kg/m³) สูงประมาณ 9.81 เมตร)
  

ในกรณีที่เป็นการวัดความดันต่ำ ๆ (อาจจะสูงหรือต่ำกว่าความดันบรรยากาศเล็กน้อย) จะใช้หน่วยเป็นเทียบเท่าความสูงของน้ำ เช่น นิ้วน้ำ (in H₂O) หรือเซนติเมตรน้ำ (cm H₂O) ตัวอย่างของงานที่ใช้หน่วยประเภทนี้ได้แก่ห้องทำงานที่ต้องรักษาความดันบรรยากาศในห้องให้สูงกว่าหรือต่ำกว่าความดันบรรยากาศข้างนอกห้อง ทั้งนี้เพื่อป้องกันไม่ให้อากาศสกปรกนอกห้องเข้ามาปนเปื้อนของอากาศในห้อง (รักษาความดันข้างในให้สูงกว่าข้างนอก) หรือป้องกันไม่ให้สารอันตรายในห้องรั่วไหลออกไปนอกห้อง (รักษาความดันข้างในห้องให้ต่ำกว่าความดันข้างนอกห้อง)

การบอกความดันนั้นมีการบอกเป็นความดันเกจ (gauge pressure) และความดันสัมบูรณ์ (absolute pressure)
  

ความดันเกจจะใช้ความดันบรรยากาศเป็นฐานในการเปรียบเทียบ โดยทั่วไปถ้าไม่มีการระบุใด ๆ ความดันที่กล่าวถึงมักจะหมายถึงความดันเกจ แต่ในบางกรณีเพื่อป้องกันไม่ให้สับสน จะมีการเติมตัว g (ย่อมาจาก gauge) ข้างหลังหน่วยบอกความดัน ที่ความดันบรรยากาศปรกติจะมีค่าเท่ากับ 0 bar.g (ศูนย์บาร์เกจ) ความดัน 0.5 barg คือความดันที่สูงกว่าความดันบรรยากาศปรกติอีก 0.5 bar
  

ความดันสัมบูรณ์จะใช้สุญญากาศเป็นฐานในการเปรียบเทียบ การระบุว่าค่าความดันนั้นเป็นความดันสัมบูรณ์นั้นจะเติมตัวอักษร a (ย่อมาจาก absolute) เข้าที่ท้ายหน่วยบอกความดัน ที่ความดันบรรยากาศปรกติจะมีค่าเท่ากับ 1 bar.a (หนึ่งบาร์สัมบูรณ์) ความดัน 1.5 bar.a คือความดันที่สูงกว่าความดันบรรยากาศ 0.5 bar 
   

กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ 0 bar.g = 1 bar.a และ 0.5 bar.g = 1.5 bar.a 
   

การทำงานเกี่ยวกับของเหลวนั้นเรามักจะใช้ความดันเกจเป็นหลัก เว้นแต่ในกรณีที่มีการทำงานในภาวะความดันต่ำกว่าความดันบรรยากาศปรกติ จึงมีการใช้หน่วยเป็นความดันสัมบูรณ์
  

มีพิเศษหน่อยก็ตรงงานอุตุนิยมวิทยาที่ใช้หน่วย hPa (เฮกโตปาสคาลหรือเท่ากับ 100 Pa) ในการรายงานความกดอากาศ ดังนั้นที่ความดัน 1000 kPa (หรือเทียบเท่า 100000 Pa หรือ 0.1 MPa) คือกดอากาศปรกติ ถ้าความกดอากาศต่ำกว่า 1000 kPa ก็จะเป็นความกดอากาศต่ำ ถ้าสูงกว่า 1000 kPa ก็จะเป็นความกดอากาศสูง และค่าความดันที่บอกคือค่าความดันสัมบูรณ์

สำหรับปั๊มสูบของเหลวนั้นหน่วยวัดความดันที่ใช้กันมากนั้นคือ "เฮด (head)" ซึ่งหมายถึงความสามารถของปั๊มนั้นในการดันน้ำให้ขึ้นที่สูงได้กี่เมตร เช่นถ้าปั๊มตัวหนึ่งบอกว่ามีเฮด 15 เมตร นั่นหมายความว่าปั๊มตัวนั้นสามารถส่งน้ำขึ้นได้สูงสุด 15 เมตร (หรือให้ความดันด้านขาออกประมาณ 1 barg)

รูปที่ ๓ แผนที่อากาศจากกรมอุตุนิยมวิทยาวันที่ ๑๓ มีนาคม ๒๕๕๖ เวลา ๑๘.๐๐ น (เวลา UTC ซึ่งจะตรงกับเวลาประเทศไทยวันที่ ๑๔ มีนาคม ๒๕๕๖ เวลา ๐๑.๐๐ น) ตัวเลขสีน้ำเงินที่แสดงคือความกดอากาศ หน่วยเป็น hPa  อักษร "H" คือหย่อมความกดอากาศสูง  อักษร "L" คือหย่อมความกดอากาศต่ำ

สำหรับของเหลวชนิดเดียวกันความดันใต้ผิวของเหลวจะขึ้นอยู่กับความดันของแก๊สที่อยู่เหนือผิวของเหลวบวกกับความดันที่เกิดจากความสูงของของเหลวจากจุดที่วัดไปจนถึงพื้นผิวบนของของเหลวเท่านั้น โดยไม่ขึ้นกับรูปร่างหรือขนาดภาชนะที่บรรจุของเหลวนั้น

รูปที่ ๔ ความดัน P ที่ด้านล่างของ (ซ้าย) ท่อน้ำ (กลาง) ถังเก็บน้ำขนาดใหญ่ หรือ (ขวา) ถังเก็บน้ำขนาดเล็ก จะเท่ากันหมดถ้าระดับความสูงของน้ำเท่ากัน โดยไม่ขึ้นกับขนาดพื้นที่หน้าตัดว่าจะเล็กหรือใหญ่ หรือคงที่หรือไม่

Centrifugal compressor กับการเกิด Surge และการป้องกัน MO Memoir : Saturday 16 February 2556

ว่าจะเขียนเรื่องนี้หลังจากกลับจากเที่ยวโรงเบียร์แล้ว แต่กว่าจะได้ลงมือจริงก็ล่วงไปเกือบ ๒ เดือน

ในการทำงานตามปรกตินั้น เราถือว่าของเหลวนั้นไม่สามารถอัดตัวได้ ดังนั้นเมื่อเราเพิ่มความดันให้กับของเหลว (เช่นโดยการใช้ปั๊ม) ปริมาณของเหลวก่อนและหลังเพิ่มความดันจะถือว่าเท่ากัน ส่วนอุณหภูมิอาจมีการเพิ่มขึ้นบ้าง ปรกติในการปั๊มของเหลวเราก็ไม่ค่อยสนอุณหภูมิของเหลวด้านขาออกจากปั๊ม เราสนแต่อุณหภูมิของเหลวด้านขาเข้าของปั๊มมากว่า เพราะมันเกี่ยวข้องกับการป้องกันไม่ให้ของเหลวเกิดการเดือดกลายเป็นไอภายในปั๊ม
    

นอกจากนี้สำหรับของเหลวประเภทเดียวกัน (เช่นน้ำมันปิโตรเลียม) ความหนาแน่นของของเหลวไม่ค่อยจะเปลี่ยนแปลงมากนั้นเมื่อน้ำหนักโมเลกุลเฉลี่ยของของเหลวที่ทำการปั๊มนั้นเปลี่ยนไป (เช่นไฮโดรคาร์บอนอัลเคน C12 มีน้ำหนักโมเลกุลเป็น 2 เท่าของอัลเคน C6 แต่ความหนาแน่นของอัลเคน C12 ก็ไม่ได้เป็นสองเท่าของอัลเคน C6) ดังนั้นแม้ว่าในกระบวนการผลิต ของเหลวที่ทำการปั๊มจะมีองค์ประกอบที่ไม่แน่นอน (ส่งผลให้ความหนาแน่นเปลี่ยนแปลงไป) การทำงานของปั๊มก็ไม่ค่อยจะได้รับผล กระทบจากความหนาแน่นที่เปลี่ยนไปเท่าใดนัก
      

ในกรณีของแก๊สนั้นแตกต่างกันไป แก๊สเป็นของไหลที่สามารถอัดตัวได้ การเพิ่มความดันให้กับแก๊สจะทำให้ปริมาตรแก๊สลดลง แถมอุณหภูมิยังเพิ่มขึ้นมากอีกด้วย นอกจากนี้ความหนาแน่นของแก๊สยังแปรผันตามน้ำหนักโมเลกุลเฉลี่ยและอุณหภูมิของแก๊สอีก ทำให้การเพิ่มความดันให้กับแก๊สมีปัญหามากกว่า

 รูปที่ ๑ รูปร่างหน้าตา performance curve ของ centrifugal compressor แกนนอนคืออัตราการไหลที่แก๊สไหลเข้าคอมเพรสเซอร์ เส้นสีน้ำเงินคือความเร็วรอบการหมุนของใบพัด (S1 < S2 < S3) เส้นสีเขียวคือประสิทธิภาพ (n1 < n2 < n3) เส้นสีแดงคือ Surge line หรือขอบเขตที่ compressor สามารถทำงานได้ (แก๊สไหลเข้าได้แต่ไหลออกไม่ได้) ส่วนเส้นประสีส้มคือ Surge control line คือจุดที่ระบบป้องกันการเกิด surging เริ่มทำงาน ระยะห่างระหว่างเส้นสีส้มและเส้นสีแดง (เส้นสีม่วง) คือ safety margin 

    

เวลาที่เราทำงานเกี่ยวกับปั๊มเราจำเป็นต้องรู้จักพฤติกรรมของปั๊ม ซึ่งพฤติกรรมของปั๊มมันรวมอยู่ในสิ่งที่เรียกว่า "Pump curve" ซึ่งเรื่องนี้ได้เล่าไว้แล้วใน Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๒๑ วันจันทร์ที่ ๑๕ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๓ เรื่อง "ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที่ ๕ Pump curve" ซึ่งเป็นเรื่องเกี่ยวกับปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump)
   

ในทำนองเดียวกันเวลาที่เราทำงานเกี่ยวกับคอมเพรสเซอร์ (compressor) เราก็จำเป็นต้องรู้จักพฤติกรรมของคอมเพรสเซอร์ ซึ่งพฤติกรรมดังกล่าวก็รวมอยู่ในสิ่งที่เรียกว่า "Compressor performance curve" สำหรับใน Memoir ฉบับนี้จะขอจำกัดอยู่เพียงแค่ centrifugal compressor ส่วนหน้าตาของ Compressor performance curve นั้นแสดงไว้แล้วในรูปที่ ๑
   

centrifugal compressor ทำงานโดยการเพิ่มพลังงานจลน์ (kinetic head) ด้วยการเหวี่ยงให้กับแก๊ส และเมื่อโมเลกุลแก๊สที่ถูกเหวี่ยงออกจากใบพัดด้วยความเร็วสูงพบกับแรงต้าน พลังงานจลน์ก็จะเปลี่ยนเป็นความดัน (pressure head) อัตราการไหลและความดันด้านขาออกของคอมเพรสเซอร์นั้นจะขึ้นอยู่กับความเร็วรอบการหมุน ถ้าคอมเพรสเซอร์หมุนเร็วขึ้นก็จะส่งผ่านแก๊สได้ที่อัตราการไหลและความดันที่สูงขึ้น ที่ความเร็วรอบค่า ๆ หนึ่ง ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการไหลกับความดันด้านขาออกจะเป็นดังเส้นสีน้ำเงิน
   

สมมุติว่าเริ่มแรกนั้นคอมเพรสเซอร์ทำงานที่ค่าอัตราการไหลและความดันด้านขาออกที่ค่า ๆ หนึ่ง (จุด A ในรูปที่ ๑) ถ้าหากความต้านทานการไหลเพิ่มสูงขึ้นและคอมเพรสเซอร์ยังคงหมุนด้วยความเร็วรอบเท่าเดิม อัตราการไหลของแก๊สจะลดลง (วิ่งจากจุด A ไปยังจุด B) ในขณะนี้แก๊สยังคงสามารถไหลออกไปได้
   

แต่ถ้าความต้านทานด้านขาออกของแก๊สเพิ่มสูงขึ้นอีกจนอัตราการไหลลดลงถึงจุด C อัตราการไหลของแก๊สที่คอมเพรสเซอร์ดึงเข้าจะลดลง แก๊สที่ถูกเพิ่มความดันจะถูกอัดตัวอยู่ทางด้านขาออกของคอมเพรสเซอร์ แต่ไม่สามารถไหลออกไปได้ จุดนี้เป็นจุดสุดท้ายที่คอมเพรสเซอร์ยังสามารถทำงานได้อยู่ และถ้าความต้านทานด้านขาออกของคอมเพรสเซอร์สูงเกินกว่าจุด C แก๊สด้านขาออกที่อัดตัวด้วยความดันสูงนั้นจะไหลย้อนกลับเข้าตัวคอมเพรสเซอร์ ปรากฏการณ์นี้เรียกกว่าเกิดการ "surge (หรือ surging)" ซึ่งสามารถทำความเสียหายให้กับชิ้นส่วนของคอมเพรสเซอร์ได้

ของเหลวนั้นไม่สามารถอัดตัวได้ ปริมาตรของเหลวที่ไหลเข้าปั๊มจะเท่ากับปริมาตรของเหลวที่ไหลออกจากปั๊ม แต่แก๊สนั้นสามารถอัดตัวได้ ปริมาตรแก๊สที่ไหลเข้าคอมเพรสเซอร์จะสูงกว่าปริมาตรแก๊สที่ไหลออกจากคอมเพรสเซอร์ ดังนั้นในกรณีของของเหลวนั้นถ้าหากปั๊มไม่สามารถดันให้ของเหลวไหลออกไปได้ ปั๊มก็จะไม่สามารถดูดของเหลวเข้าได้ อัตราการไหลก็จะเป็นศูนย์ (ปริมาตรเข้าเท่ากับปริมาตรออก) 
    

แต่ในกรณีของคอมเพรสเซอร์นั้นแม้ว่าแก๊สด้านขาออกไม่สามารถเคลื่อนตัวออกไปได้ แต่คอมเพรสเซอร์กัยังสามารถดึงแก๊สด้านขาเข้าได้อยู่ เมื่อแก๊สด้านขาออกเกิดการสะสมกันมากขึ้นก็จะเกิดการไหลย้อนสวนทิศทางกับแก๊สที่คอมเพรสเซอร์ดึงเข้ามา ในระหว่างการเกิด surge นั้นการไหลย้อนของแก๊สด้านขาออกจะเอาชนะแก๊สที่ถูกคอมเพรสเซอร์ดูดเข้ามาได้ ถ้าสังเกต compressor performance curve เทียบกับ pump curve จะเห็นว่าอัตราการไหลต่ำสุดที่ปั๊มยังสามารถทำงานได้คือศูนย์ แต่ในกรณีของคอมเพรสเซอร์นั้นอัตราการไหลต่ำสุดนั้นจะมากกว่าศูนย์

ในกรณีของปั๊มหอยโข่งนั้น ถ้าปั๊มไม่สามารถส่งผ่านของเหลวได้ ของเร็วที่ค้างอยู่ในตัวปั๊มจะมีอุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นเรื่อย ๆ จนเกิดการเดือดและทำความเสียหายให้กับปั๊มเนื่องจากเกิด cavitation ได้ วิธีการหนึ่งในการป้องกันปัญหาดังกล่าวก็คือการติดตั้ง minimum flow line หรือท่อ bypass ทางด้านขาออกเพื่อให้มีของเหลวไหลย้อนกลับไปทางด้านขาเข้าของปั๊มตลอดเวลาที่ปั๊มทำงาน เมื่อเกิดเหตุการณ์ที่ปั๊มไม่สามารถส่งของเหลวเข้าระบบได้ ก็จะยังคงมีของเหลวในปริมาณน้อย ๆ ไหลผ่านตัวปั๊มและกลับไปยังด้านขาเข้าผ่านทาง minimum flow line นี้ ทำให้ของเหลวไม่มีการค้างในตัวปั๊มและปั๊มจะปลอดภัยจากการเกิด cavitation
   

แต่การอัดแก๊สนั้นสิ้นเปลืองพลังงานมากกว่าการอัดของเหลว และแก๊สที่ถูกอัดตัวแล้วก็ยังมีอุณหภูมิสูงขึ้นอีกด้วย ดังนั้นวิธีการที่ให้มีของไหลในปริมาณน้อย ๆ ไหลวนกลับไปทางด้านขาเข้าตลอดเวลาแบบที่ใช้กับปั๊มนั้นจึงไม่เหมาะสมกับคอมเพรสเซอร์ ในกรณีของคอมเพรสเซอร์นั้นจึงต้องมีการติดตั้งระบบป้องกันการเกิด surge ที่เรียกว่า Anit surge system หรือ Surge control system

รูปที่ ๒ ตัวอย่างแผนผังระบบท่อของ centrifugal compressor

รูปที่ ๒ เป็นตัวอย่างหนึ่งของการเดินท่อรอบคอมเพรสเซอร์ แก๊สที่จะทำการอัดนั้นจะไหลเข้าสู่ Suction knock out drum หรือ compressor suction drum ก่อน หน้าที่ของถังนี้คือแยกเอาของเหลว (ที่อาจมีติดมากับแก๊ส) ออกจากส่วนที่เป็นแก๊ส โครงสร้างในถังก็ไม่มีอะไร เป็นแค่ถังเปล่า ๆ ติดตั้งวัสดุที่มีรูพรุนที่เรียกวา mist eliminator เอาไว้ทางด้านบนเหนือทางแก๊สไหลเข้า ถ้ามีของเหลวติดมากับแก๊สที่ไหลเข้าถัง เมื่อแก๊สไหลเข้าถังพื้นที่หน้าตัดการไหลจะเพิ่มมากขึ้น อัตราการไหลจะลดต่ำลง ของเหลวส่วนหนึ่งที่ถูกพัดพามากับแก๊สก็จะตกลงสู่เบื้องล่าง ของเหลวส่วนที่ยังติดไปกับแก๊สที่ไหลออกทางด้านบนนั้นเมื่อไปกระทบกับวัสดุที่ใช้ทำ mist eliminator ก็จะเกาะติดวัสดุนั้นและรวมตัวกันเป็นหยดของเหลวใหญ่ขึ้นและตกลงสู่เบื้องล่าง
   

ทางด้านขาออกนั้นจะมีท่อสำหรับการไหลย้อนกลับที่ติดตั้งวาล์วควบคุมที่เรียกว่า Anti surge valve เอาไว้ วาล์วตัวนี้จะเปิดเมื่ออุปกรณ์ตรวจวัดการเกิด surge (ไม่ได้แสดงไว้ในรูป) ตรวจพบว่ากำลังจะมีการเกิด surge ขึ้น กล่าวคือเมื่อภาวะการทำงานของคอมเพรสเซอร์มาถึงตำแหน่ง D (รูปที่ ๑) โดยไม่รอให้ถึงตำแหน่ง C ระยะห่างระหว่างเส้นสีส้มที่ระบบ Anti surge system เริ่มทำงานกับเส้นสีแดงที่คอมเพรสเซอร์เริ่มเกิดการ surge นั้นคือ safety margin ของการทำงาน

ถ้าเป็นการอัดอากาศ ระบบที่ใช้จะไม่ซับซ้อนเหมือนที่แสดงในรูปที่ ๒ เพราะอากาศนั้นมีอยู่ทั่วไป ถ้ามีการเกิด surge ขึ้น ระบบ Anti surge system สามารถที่จะระบายอากาศด้านขาออกทิ้งไปได้เลย ไม่จำเป็นต้องมีการวนกลับไปยังด้านขาเข้า และก็ไม่จำเป็นต้องมี compressor suction drum ทางด้านขาเข้าด้วย อาจมีแค่กรองอากาศเท่านั้น (เพราะปรกติในอากาศก็ไม่มีของเหลวอยู่แล้ว เว้นแต่จะดูดเอาอากาศที่มีฝนตกเข้ามา แต่โดยทั่วไปการติดตั้งท่อดูดอากาศเข้าก็ต้องคำนึงถึงปัญหานี้อยู่แล้ว)
   

ท่อแก๊สวนกลับหรือท่อระบายอากาศทิ้งยังใช้เป็นประโยชน์ได้ในตอนเริ่มเดินเครื่องคอมเพรสเซอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ เพราะเมื่อเราเริ่มเดินเครื่องมอเตอร์ขณะที่มอเตอร์หยุดนิ่งนั้น กระแสไฟฟ้าปริมาณมากจะไหลเข้ามอเตอร์ แต่จะลดลงเมื่อมอเตอร์เริ่มหมุน ดังนั้นเพื่อลดปริมาณกระแสที่ไหลเข้ามอเตอร์ในขณะที่เริ่มเดินเครื่อง เราจำเป็นต้องทำให้ภาระ (load) ของมอเตอร์ในขณะที่เริ่มเดินเครื่องนั้นต่ำที่สุด 
     

ในกรณีของปั๊มนั้นเราทำโดยการปิดวาล์วด้านขาออกให้อัตราการไหลเป็นศูนย์ (พลังงานที่มอเตอร์ใช้จะลดลงตามอัตราการไหล และต่ำสุดเมื่ออัตราการไหลเป็นศูนย์) โดยอาจมีการเปิดวาล์ว minimum flow line (ถ้ามี) ร่วมด้วยเพื่อไม่ให้ของเหลวเดือด (ดู Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๒๒ วันพฤหัสบดีที่ ๑๘ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๓ เรื่อง "ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที่ ๖ ระบบ piping ของปั๊มหอยโข่งฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที่ ๖ ระบบ piping ของปั๊มหอยโข่ง") ซึ่งในภาวะเช่นนี้ความดันด้านขาออกของปั๊มจะมีค่ามากที่สุด
   

แต่ในกรณีของคอมเพรสเซอร์นั้นตรงข้ามกัน ภาระของคอมเพรสเซอร์จะต่ำสุดเมื่อความดันด้านขาออกเท่ากับความดันด้านขาเข้า ดังนั้นเพื่อลดปริมาณกระแสเข้ามอเตอร์จึงต้องปิดวาล์วด้านขาออกและเปิดวาล์วเส้นแก๊สไหลย้อนกลับให้เต็มที่เพื่อให้แก๊สไหลกลับไปยังด้านขาเข้าได้สะดวก ในขณะนี้ความดันด้านขาออกของคอมเพรสเซอร์จะต่ำสุด ถ้าเป็นการอัดอากาศก็จะเป็นการดูดอากาศเข้าและปล่อยออกสู่บรรยากาศใหม่ และเมื่อความเร็วรอบมอเตอร์ได้ที่แล้วก็จะปิดวาล์วไหลย้อนกลับหรือระบายอากาศทิ้งนี้ และเปิดวาล์วให้แก๊สไหลเข้าระบบต่อไป
   

ปิดท้าย Memoir ฉบับนี้ด้วยรูประบบ piping รอบคอมเพรสเซอร์ตัวเล็ก ๆ ตัวหนึ่งที่ใช้อัตแก๊สชีวภาพ รายละเอียดต่าง ๆ ดูในรูปที่ ๓ เอาเองก็แล้วกัน

รูปที่ ๓ คอมเพรสเซอร์ที่ใช้อัดแก๊สชีวภาพจากบ่อบำบัดน้ำเสียของโรงงานผลิตเบียร์เพื่อส่งไปเป็นเชื้อเพลิงให้กับหม้อไอน้ำของโรงงาน (ต้องขอขอบคุณทางโรงงานที่อนุญาตให้ถ่ายรูป) ท่อที่อยู่ด้านบนคือท่อสำหรับให้แก๊สไหลวนกลับ ในกรณีนี้เป็นแก๊สเชื้อเพลิงจึงไม่สามารถปล่อยทิ้งออกสู่บรรยากาศได้ ระบบในรูปนี้เป็นระบบขนาดเล็กที่ไม่มีการติดตั้ง compressor suction drum ทางด้านขาเข้าของคอมเพรสเซอร์ ที่เห็นอยู่ในกรอบสีเหลืองเดาว่าคือวาล์วปีกผีเสื้อ (butterfly valve) ที่บอกว่าต้องเดาก็เพราะไม่ได้เข้าไปดูใกล้ ๆ รูปที่เห็นเป็นการใช้กล้องโทรศัพท์มือถือถ่ายเอาไว้แล้วขยายดู