เรื่องนี้เริ่มจากคำถามที่ได้รับมาจากนิสิตฝึกงาน
(ช่วงนี้ปิดเทอมใหญ่ในฤดูฝน
ดังนั้นการฝึกงานก็ต้องเป็นภาคฤดูฝน)
โดยนิสิตที่ไม่เคยมีประสบการณ์ได้เห็นของจริง
ต้องมาฝึกงานแบบ work
from home แบบไม่มีโอกาสได้เห็นของจริง
แต่ได้รับมอบหมายงานออกแบบกระบวนการ
โดยที่แทบไม่มีข้อมูลอะไรเลย
เว้นแต่ว่าเมื่อออกแบบไปแล้ว
แล้วได้รับคำตอบกลับมาว่าให้ใช้วิธีอื่น
ปัญหาของเขาคือทางโรงงานมีไฮโดรคาร์บอนเบา
(Light hydrocarbon)
ที่เป็นของเหลวภายใต้ความดัน
(แปลว่ามันมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิจุดเดือดที่ความดันบรรยากาศ
แต่ใช้ความดันช่วยเอาไว้จึงทำให้มันเป็นของเหลว)
ที่ออกมากระบวนการผลิต
ไฮโดรคาร์บอนเบานี้มีสารปนเปื้อนอยู่ที่ระดับความเข้มข้นต่ำ
แต่จำเป็นต้องกำจัดออกก่อนนำกลับไปใช้ใหม่
การกำจัดนั้นจะใช้การทำปฏิกิริยากับสารอีกตัวหนึ่ง
(Reactant)
แต่ด้วยการที่สารปนเปื้อนนั้นมีความเข้มข้นต่ำ
จึงใช้การละลาย Reactant
เข้าไปใน Heavy
oil (ในที่นี้คือไฮโดรคาร์บอนที่มีจุดเดือดแตกต่างจาก
Light hydrocarbon
มาก)
แล้วจึงให้ Light
hydrocarbon นั้นสัมผัสกับ
Heavy oil ที่มี
Reactant ผสมอยู่
รูปที่ ๑
แผนผังคร่าว ๆ ของระบบ scrubber
ที่ใช้ในการออกแบบเบื้องต้น
เนื่องจากสารทั้งคู่เป็นไฮโดรคาร์บอน
ดังนั้นถ้าให้สัมผัสกันในเฟสของเหลว-ของเหลว
มันก็จะละลายเข้าด้วยกัน
ก่อให้เกิดปัญหาการแยก
Light hydrocarbon
ออกจาก Heavy
oil อีก
ดังนั้นทางเลือกหนึ่งที่ทำได้ก็คือการเปลี่ยน
Light hydrocarbon
นั้นให้กลายเป็นแก๊สก่อน
แล้วจึงค่อยสัมผัสกับ Heavy
oil ที่เป็นของเหลวในรูปแบบ
scrubber
ดังแสดงในรูปที่ ๑
ที่แก๊สไหลจากล่างขึ้นบนในขณะที่ของเหลวไหลจากบนลงล่าง
ถ้าอุณหภูมิการสัมผัสนั้นต่ำกว่าอุณหภูมิจุดเดือดของ
Light hydrocarbon ณ
ความดันที่ทำการสัมผัสอยู่มาก
ก็อาจถือได้ว่าปริมาณ Light
hydrocarbon ที่ละลายเข้าไปใน
Heavy oil
นั้นต่ำมากหรือเป็นศูนย์ได้
ตัว Heavy oil
ที่ออกจาก scrubber
จะถูกนำกลับไปใช้งานใหม่
เมื่อพิจารณาปฏิกิริยาระหว่างสารปนเปื้อนกัน
Reactant
แล้วคาดว่าน่าจะเกิดผลิตภัณฑ์สองตัว
ตัวแรกนั้นเป็นไฮโดรคาร์บอนเบาที่มีอยู่แล้วใน
Light hydrocarbon
ที่ป้อนเข้ามา
แต่ตัวที่สองนั้นเนื่องจากเป็นสารประกอบโลหะ
(ที่ไม่ได้อยู่ในรูป
organometallic
compound) จึงคาดว่าน่าจะเป็นของแข็ง
แต่ด้วยการที่มันมีความเข้มข้นที่ต่ำ
และด้วยอัตราการไหลของ
Heavy oil ที่สูง
(เมื่อเทียบกับปริมาณของแข็งที่มีโอกาสเกิด)
จึงคาดว่าของแข็งที่เกิดขึ้นน่าจะถูก
Heavy oil
ชะล้างออกมาจาก packing
ในตัว scrubber
แต่จำเป็นต้องมีการดักเอาไว้ก่อนที่จะเอา
Heavy oil
นี้กลับไปใช้งานใหม่
การแยกของแข็งที่แขวนลอยอยู่ในของเหลวทำได้หลายวิธี
การกรองก็เป็นวิธีการหนึ่งที่เหมาะกับกรณีที่ของแข็งและของเหลวนั้นความหนาแน่นต่างกันไม่มาก
(เช่นผงพอลิเมอร์ในไฮโดรคาร์บอน)
แต่ต้องคอยทำความสะอาดไส้กรองเวลาที่มันอุดตัน
ในกรณีที่ของแข็งนั้นมีความหนาแน่นสูงกว่าของเหลวมาก
การใช้การตกตะกอนก็เป็นวิธีการหนึ่งในการแยกเอาของแข็งออก
การตกตะกอนนี้ทำได้ในถังพักที่มีพื้นที่หน้าตัดการไหลที่ใหญ่เมื่อเทียบกับอัตราการไหลของของเหลวที่ป้อนเข้ามา
(เพื่อลดความเร็วของเหลวให้ต่ำลง
จะได้ลดการพัดพาตะกอนไปกับของเหลว)
การตกตะกอนนี้ยังใช้ได้สำหรับการแยกของเหลวสองเฟสที่ไม่ละลายเข้าด้วยกัน
(เช่นน้ำกับน้ำมัน)
การใช้
cyclone หรือเครื่อง
centrifuge
ก็เป็นวิธีการที่สามารถนำมาใช้ในการแยกของแข็งออกจากของเหลวได้
แต่การใช้ cyclone
นั้นของเหลวที่ไหลเข้า
cyclone
ต้องมีความเร็วที่สูง
ในขณะที่การใช้เครื่อง
centrifuge
นั้นจะเป็นการเพิ่มเครื่องจักรกลที่มี
moving part
ที่ต้องการการดูแล
และไม่เหมาะกับกรณีของของเหลวที่มีของแข็งความเข้มข้นต่ำปะปนอยู่
ดังนั้นในกรณีนี้ทางเลือกที่น่าจะเหมาะสมที่สุดน่าจะเป็นการใช้การตกตะกอนในถังตกตะกอน
(Settling drum)
ส่วนที่ทำหน้าที่เป็นถังตกตะกอนนั้นอาจเป็น
ส่วนล่างของตัว scubber,
ถังแยกออกมาต่างหากเพื่อทำหน้าที่นี้
หรือตัวถังเก็บ Heavy
oil ก่อนนำกลับไปใช้งานใหม่
ตรงนี้ก็แล้วแต่การออกแบบและข้อกำหนดเฉพาะของแต่ละกระบวนการ
ประเด็นถัดมาที่ต้องพิจารณาคือการทำให้ของเหลวภายใต้ความดันนั้นกลายเป็นแก๊สก่อนเข้าสู่
scrubber
และกลับเป็นของเหลวใหม่อีกครั้งหลังออกจาก
scrubber
ซึ่งสองประเด็นนี้มันผูกพันกันอยู่
แนวทางแรกในการทำให้ของเหลวภายใต้ความดันกลายเป็นแก๊สก็คือการลดความดันของมันให้ต่ำลง
ซึ่งอาจทำได้ด้วยการใช้วาล์วลดความดัน
(Pressure reducing
valve) หรือการใช้วาล์วควบคุม
(control valve)
ร่วมกับอุปกรณ์วัดคุม
(รูปที่
๑)
การใช้วิธีการนี้ควรต้องพึงคำนึงเรื่อง
Joule-Thompson
effect เอาไว้ด้วย
เพราะการขยายตัวผ่านวาล์วนั้นอาจทำให้อุณหภูมิลดต่ำลงจนอาจเกิดน้ำแข็งเกาะนอกตัววาล์ว
หรือถ้าของเหลวนั้นมีน้ำปะปนอยู่ก็อาจเกิดน้ำแข็งในท่อได้
รูปที่ ๒
การเปลี่ยนของเหลวภายใต้ความดันให้กลายเป็นแก๊สอาจทำได้โดย
(1)
การใช้วาล์วลดความดัน
(2)
การใช้วาล์วควบคุมร่วมกับอุปกรณ์วัดและควบคุมความดัน
หรือ (3)
การใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนต้มของเหลวนั้นให้เดือดโดยไม่จำเป็นต้องลดความดัน
การลดความดันมันก็มีข้อดีหลายประการ
เช่น ตัว scrubber
และอุปกรณ์อื่นที่ประกอบอยู่
(เช่น
settling drum หรือ
heavy oil tank)
ไม่จำเป็นต้องทนความดันสูงตามไปด้วย
การทำงานที่อุณหภูมิต่ำยังลดโอกาสที่
Heavy oil
จะระเหยกลายเป็นไอติดไปกับไฮโดรคาร์บอนเบาที่ออกไปจาก
scrubber
และการทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่าจุดเดือดของไฮโดรคาร์บอนเบาก็ลดโอกาสที่ไฮโดรคาร์บอนเบาจะละลายเข้าไปใน
Heavy oil
แต่ก็มีข้อเสียก็คือต้องไปใช้พลังงานมากขึ้นในส่วนของการทำให้ไอไฮโดรคาร์บอนเบานั้นกลับกลายเป็นของเหลวความดันสูงอีกครั้ง
อีกวิธีการหนึ่งสำหรับทำให้ไฮโดรคาร์บอนเบากลายเป็นแก๊สก็คือการต้มให้ไฮโดรคาร์บอนเบาที่เป็นของเหลวนั้นให้เดือดกลายเป็นไอ
ณ ความดันนั้นเลยโดยไม่จำเป็นต้องลดความดัน
วิธีการนี้จะมีข้อเสียตรงที่อาจมีไอระเหยของ
Heavy oil
ติดไปกับไฮโดรคาร์บอนเบามากขึ้นเพราะอุณหภูมิการทำงานสูงขึ้น
และอุณหภูมิของ Heavy
oil นั้นไม่ควรต่ำกว่าอุณหภูมิจุดเดือดของไฮโดรคาร์บอนเบา
ไม่เช่นนั้นไอของไฮโดรคาร์บอนเบาจะควบแน่นเมื่อสัมผัสกับ
Heavy oil
ที่เย็นกว่าและละลายผสมไปกับ
Heavy oil ตัว
scrubber
และอุปกรณ์อื่นที่ประกอบอยู่จำเป็นต้องรับความดันการทำงานที่สูงขึ้นได้
ต้องมีแหล่งให้พลังงานความร้อนเพื่อต้มไฮโดรคาร์บอนเบาที่เป็นของเหลวให้เดือด
แต่ก็มีข้อดีคือไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานมากในการทำให้ไอไฮโดรคาร์บอนเบาให้กลายเป็นของเหลวความดันสูงอีกครั้ง
เพราะเป็นการปั๊มของเหลวความดันต่ำให้เป็นความดันสูงซึ่งใช้พลังงานน้อยกว่า
รูปที่ ๓
ตัวอย่างแนวทางการเปลี่ยนไอไฮโดรคาร์บอนเบาให้กลายเป็นของเหลวความดันสูง
(A)
จะเป็นกรณีของการใช้การลดความดันเพื่อเปลี่ยนไฮโดรคาร์บอนเบาให้กลายเป็นแก๊สก่อนเข้า
scrubber ส่วน
(B)
เป็นกรณีของการใช้การต้ม
การเปลี่ยนไฮโดรคาร์บอนเบาที่ออกจาก
scrubber
ให้กลายเป็นของเหลวความดันสูงอีกขึ้นอยู่กับวิธีการเปลี่ยนไฮโดรคาร์บอนเบาที่เป็นของเหลวภายใต้ความดันให้กลายเป็นแก๊สก่อนเข้า
scrubber
ในกรณีที่เลือกใช้การลดความดันก็จำเป็นต้องใช้
compressor
ในการเพิ่มความดัน
ถ้าเลือกใช้วิธีการนี้ก็คงต้องมีการพิจารณาว่าจำเป็นต้องติดตั้ง
Knock out drum
เอาไว้ดักละอองของเหลวก่อนเข้า compressor หรือไม่
หรืออาจพิจารณาการติดตั้ง
mist eliminator
ไว้ที่ด้านบนของ scrubber
ด้วยก็ได้
(mist
eliminator
มีลักษณะเป็นวัสดุพรุนมีช่องทางการไหลที่คดเคี้ยวที่แก๊สไหลผ่านได้
แต่หยดของเหลวที่ติดมากับแก๊สจะพุ่งเข้าชนตัว
mist eliminator
รวมตัวกันเป็นหยดของเหลวที่ใหญ่ขึ้นและไหลตกกลับลงมา
ส่วน knock
out drum ทำงานด้วยการเพิ่มพื้นที่หน้าตัดการไหล
ความเร็วแก๊สจะลดลง
ของเหลวก็จะตกลงล่างไม่ไหลตามแก๊ส
ไฮโดรคาร์บอนเบาความดันต่ำที่ออกจาก
scrubber
จะถูกอัดให้มีความดันสูงขึ้น
(โดยมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นตามไปด้วย)
จากนั้นจึงค่อยผ่านเข้าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อควบแน่นให้กลายเป็นของเหลวก่อนใช้ปั๊มส่งกลับคืนเข้าระบบ
ดังแสดงในรูปที่ ๓ (A)
แต่ถ้าเป็นการใช้การต้มให้เดือดก็ใช้เพียงแค่เครื่องควบแน่นติดดักเอาไว้ที่ท่อทางออกจาก
scrubber
ก่อนใช้ปั๊มสูบของเหลวส่งกลับคืนระบบ
ดังแสดงในรูปที่ ๓ (B)
การควบแน่นที่เครื่องควบแน่นจะทำให้เกิดสุญญากาศที่เครื่องควบแน่น
ทำให้แก๊สไหลผ่าน scrubber
ได้อย่างต่อเนื่อง
นอกจากนี้การออกแบบปั๊มหอยโข่ง
(centrifugal pump)
ที่สูบของเหลวที่อุณหภูมิจุดเดือดหรือใกล้จุดเดือดนี้ต้องคำนึงเรื่อง
Net Positive Suction
Head (NPSH) เอาไว้ด้วย
ไม่เช่นนั้นมันอาจเกิด
cavitation
ที่ตัวปั๊มได้
ตรงจุดนี้อาจมีคนสงสัยว่าในกรณีที่ใช้การลดความดันเพื่อเปลี่ยนไฮโดรคาร์บอนเบาให้เป็นแก๊สนั้น
จะสามารถใช้การลดอุณหภูมิแก๊สไฮโดรคาร์บอนเบาที่ออกจาก
scrubber
ให้กลายเป็นของเหลวได้หรือไม่
จากนั้นจึงใช้ปั๊มเพิ่มความดันของของเหลวที่ควบแน่น
จะได้ไม่ต้องใช้ compressor
คำตอบของคำถามนี้ก็คือ
"ได้"
แต่นั่นอาจหมายถึงการต้องมีระบบทำความเย็นที่ทำอุณหภูมิได้ต่ำกว่าอุณหภูมิของน้ำหล่อเย็นหรืออากาศ
จะเรียกว่าประหยัดที่หนึ่งแต่ไปเพิ่มภาระอีกที่หนึ่งแทนก็ได้
(เหมือนรถไฟฟ้า
ที่บอกว่าไม่ผลิตมลภาวะเพราะไม่ปล่อยมลพิษในขณะที่รถวิ่ง
แต่มันผลักภาระไปที่โรงไฟฟ้าแทนที่ต้องผลิตไฟฟ้ามากขึ้นเพื่อป้อนให้กับรถไฟฟ้า)
อันที่จริงสารที่เป็นสารปนเปื้อนนี้สามารถทำลายได้ด้วยการทำปฏิกิริยากับน้ำ
ซึ่งถ้าใช้วิธีการนี้ก็สามารถในการสัมผัสกันระหว่างเฟสของเหลว-ของเหลวได้
แต่ที่เขาไม่เลือกใช้น่าจะเป็นเพราะน้ำเป็น
catalyst poison
เพราะถ้าไฮโดรคาร์บอนเบาที่เวียนกลับไปใช้งานใหม่นี้มีน้ำปนอยู่แม้ว่าจะในระดับ
ppm ก็ตาม
มันก็สามารถไปทำลายตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในการสังเคราะห์สารได้
ในการสนทนากับนิสิตนั้นยังมีอีกประเด็นหนึ่งที่น่าสนใจก็คือ
นิยามของคำว่า "รั่ว"
ที่ตัววาล์ว ประเด็นของคำว่า
"รั่ว"
ตรงนี้ก็คือ
เป็นการรั่วระหว่างด้านขาเข้ากับขาออกของวาล์ว
อันเป็นผลจากการที่วาล์วปิดไม่สนิท
หรือเป็นรั่วออกจากระบบท่อที่ตัววาล์ว
อันเป็นผลจากการที่ตัววาล์วจำเป็นต้องมีรอยต่อเพื่อการประกอบชิ้นส่วนต่าง
ๆ ซึ่งแค่ละคนอาจคิดไม่เหมือนกันอยู่ก็ได้
ส่วนคำตอบสุดท้ายจะเป็นอะไรนั้นผมเองไม่ทราบ
เพราะทำเพียงแค่แนะนำให้นิสิตผู้ถามคำถามมานั้นได้เห็นภาพทางเลือกบางทางเลือกที่เป็นไปได้
และข้อดีข้อเสียของทางเลือกเหล่านั้น
และยังต้องมีปัจจัยอื่นเข้ามาพิจารณาประกอบอีก
เช่น พื้นที่สำหรับติดตั้งอุปกรณ์
ระบบสาธารณูปโภคที่มีอยู่ที่สามารถนำมาใช้ได้
ฯลฯ
