"ไม่รู้จะทำยังไง
คำนวณทีใดมันเกิด cavitation
ทุกที"
ประโยคข้างบนมีนิสิตปี
๔ คนหนึ่งเปรยให้ผมฟังเมื่อเดือนที่แล้ว
เพราะเขามีปัญหากับโปรแกรม
simulation
ตอนที่หาขนาดปั๊มสำหรับผลิตภัณฑ์จากหอกลั่น
รูปแบบปั๊มที่ใช้กันมากที่สุดเห็นจะไม่พ้นปั๊มหอยโข่ง
(centrifugal
pump) ปั๊มนี้ทำงานได้ดีกับของเหลวที่ไม่หนืดมาก
กลไกไม่ซับซ้อน ให้รูปแบบการไหลที่เรียบ
(คือไม่เต้นเป็นจังหวะเหมือนปั๊มลูกสูบ)
ข้อเสียข้อหนึ่งของปั๊มหอยโข่งคือไม่ถูกโฉลกกับ
"cavitation"
รูปที่
๑ (ซ้าย)
รูประบบหอกลั่นที่เรามักเห็นตามหนังสือหรือ
flow
diagram ทั่วไป
(ขวา)
รูปที่ใกล้เคียงกับความเป็นจริงมากกว่า
H1
และ
H2
คือระยะความสูงจากผิวของเหลวถึงทางเข้าปั๊ม
Cavitation
คือปรากฏการณ์ที่ของเหลวเกิดการเดือดเป็นฟองแก๊ส
(เนื่องจากการลดความดัน)
และยุบตัวลงอย่างรวดเร็วกลายเป็นของเหลวใหม่
(เนื่องจากการเพิ่มความดัน)
เรื่อง
cavitation
นี้อ่านย้อนหลังได้ในบันทึกต่อไปนี้
ปีที่
๒ ฉบับที่ ๑๐๘ วันศุกร์ที่
๒๙ มกราคม ๒๕๕๓ เรื่อง
"ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที่ ๑ อธิบายศัพท์"
ปีที่
๒ ฉบับที่ ๑๒๒ วันพฤหัสบดีที่
๑๘ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๓ เรื่อง
"ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที่ ๖ ระบบ piping ของปั๊มหอยโข่ง"
ปีที่
๒ ฉบับที่ ๑๒๘ วันพฤหัสบดีที่
๔ มีนาคม ๒๕๕๓ เรื่อง
"ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที่ ๘ Net Positive Suction Head (NPSH)"
การเกิด
cavitation
นั้นเกิดได้ง่ายถ้าของเหลวที่ปั๊มนั้นมีอุณหภูมิที่จุดเดือดหรือใกล้เคียงกับจุดเดือด
(พึงระลึกว่าจุดเดือดนี้ขึ้นอยู่กับความดันด้วยนะ)
และเมื่อของเหลวไหลเข้าตัวปั๊มหอยโข่ง
ความดันก็ไม่ได้เปลี่ยนแปลงในทิศทางเพิ่มขึ้นเพียงทิศทางเดียว
มันมีทั้งช่วงที่ความดันลดลงซึ่งคือการเปลี่ยนจาก
pressure
head ด้านขาเข้าเป็น
velocity
head การเพิ่ม
velocity
head ด้วยแรงเหวี่ยงของใบพัด
และการเปลี่ยนจาก velocity
head เป็น
pressure
head ด้านขาออก
(ดูรูปที่
๓ ในบันทึกฉบับที่ ๑๒๘ ข้างต้น)
ของเหลวที่เป็นผลิตภัณฑ์ยอดหอกลั่น
(เกิดจากการควบแน่นไอที่ระเหยออกมาทางยอดหอ)
และที่เป็นผลิตภัณฑ์ก้นหอกลั่น
(ที่มีทั้งส่วนที่ดึงออกไปเป็นผลิตภัณฑ์และส่วนที่ส่งกลับไปหม้อต้มซ้ำ
(reboiler)
เพื่อต้มให้กลายเป็นไอใหม่)
ต่างเป็นของเหลวที่มีอุณหภูมิประมาณจุดเดือดของสารนั้น
ในกรณีของปั๊มผลิตภัณฑ์ของหอกลั่นนี้
(ไม่ว่าจะเป็นผลิตภัณฑ์ยอดหอหรือผลิตภัณฑ์ก้นหอ)
การแก้ปัญหาด้วยการลดอุณหภูมิของเหลวก่อนเข้าปั๊มมันก็แก้ปัญหาได้
แต่จะทำให้สูญเสียพลังงานที่ต้องป้อนกลับคืนในการต้มของเหลวนั้นให้กลายเป็นไอใหม่
อีกวิธีการหนึ่งที่ทำได้ก็คือการเพิ่ม
"ความดัน"
ให้กับของเหลวด้านขาเข้าของปั๊ม
รูปที่
๑ (ซ้าย)
เป็นแผนผังหอกลั่นที่เรามักพบเห็นในตำราทั่วไป
สำหรับการเรียนหนังสือเพื่อให้เห็นภาพการกลั่นมันก็ไม่ก่อให้เกิดปัญหาอะไร
แต่พอเห็นแต่รูปในหนังสือบ่อยครั้งเข้า
มันก็เลยทำให้คิดว่าของจริงมันเป็นดังในรูป
ดังนั้นเมื่อต้องทำการออกแบบระบบจริงมันก็เลยเกิดปัญหา
เพราะสภาพความเป็นจริงนั้นมันแตกต่างออกไป
ยกตัวอย่างแรกก็คือตำแหน่งที่ตั้งของ
overhead
condenser หรือเครื่องควบแน่นยอดหอ
ตามรูปในหนังสือเรียนทั่วไปนั้นมันจะลอยอยู่สูงเหนือหอกลั่น
ควบแน่นไอยอดหอให้กลายเป็นของเหลวและไหลลงถังเก็บ
(accumulation
drum) จากนั้นจึงแยกออกไปเป็นส่วนป้อนกลับเข้าหอกลั่น
(reflux)
หรือดึงออกเป็นผลิตภัณฑ์ยอดหอออกไป
การที่วาดรูปแบบนี้นั้นทำให้ผู้เรียนจำนวนไม่น้อยหลงคิดไปว่าของเหลวส่วน
reflux
นั้น
ปรกติจะไหลกลับเข้าหอกลั่นด้วยแรงโน้มถ่วง
มีหลายปัจจัยที่เป็นตัวกำหนดตำแหน่งที่ตั้งของเครื่องควบแน่นยอดหอได้แก่
ความสูงของหอกลั่น
ขนาดของเครื่องควบแน่น
และความดันที่ต้องใช้ในการส่งของเหลวระบายความร้อนไปยังเครื่องควบแน่น
ถ้าหอกลั่นมีความสูงมาก
การวางตำแหน่งเครื่องควบแน่นให้อยู่สูงกว่ายอดหอกลั่นมันก็ไม่มีความเหมาะสมในทางปฏิบัติ
เพราะนั่นหมายถึงการต้องสร้างอาคารที่สูงกว่าหอกลั่นเพื่อติดตั้งเครื่องควบแน่นให้สูงกว่าหอกลั่น
สิ่งที่ตามมาก็คือการที่ต้องใช้ปั๊มที่ให้ความดันสูงในการส่งของเหลวระบายความร้อน
(มักจะมีปริมาณมากด้วย)
ให้ขึ้นไปถึงเครื่องควบแน่นที่อยู่บนที่สูง
และการสร้างอาคารสูงเพื่อติดตั้งอุปกรณ์ที่มีน้ำหนักมากไว้ข้างบนก็จะทำให้ค่าใช้จ่ายด้านโครงสร้างสูงตามไปด้วย
ด้วยเหตุนี้สิ่งที่มักปฏิบัติกันทั่วไปสำหรับหอกลั่นที่มีความสูงก็คือการติดตั้งเครื่องควบแน่นไว้ที่ระดับต่ำกว่ายอดหอ
(แต่ไม่จำเป็นต้องลงมาอยู่ที่ระดับพื้น)
และใช้ปั๊มส่งของเหลวที่ต้องการ
reflux
ย้อนกลับไปยังยอดหอ
(รูปที่
๑ (ขวา))
หม้อต้มซ้ำหรือ
reboiler
นั้นมันต้องอยู่ที่ก้นหออยู่แล้ว
เพราะมันต้องป้อนไอที่เกิดจากของเหลวก้นหอที่ต้มซ้ำกลับเข้าไปยังก้นหอใหม่
สิ่งที่เป็นปัญหามากกว่าตรงจุดนี้น่าจะเป็นการที่ของเหลวส่วนนี้เป็นของเหลวที่มีอุณหภูมิสูงที่จุดเดือด
และไม่มีระดับความสูงให้เล่นมากนัก
ด้านล่างของหอกลั่นในรูปที่
๑ (ซ้าย)
เป็นรูปแผนผังหม้อต้มซ้ำที่เห็นในตำราทั่วไป
ซึ่งเป็นการวาดโดยมีวัตถุประสงค์เพื่อให้มองเห็นภาพกระบวนการกลั่น
และประหยัดหน้ากระดาษ
แต่ถ้าใครจะทำการออกแบบควรที่จะมองเห็นดังรูปที่
๑ (ขวา)
จะดีกว่า
คือปั๊มที่เป็นตัวสูบผลิตภัณฑ์ก้นหอ
(เพื่อส่งออกไปหรือป้อนกลับไปยังหม้อต้มซ้ำ)
นั้นจะอยู่ที่ระดับที่ต่ำกว่าระดับของเหลวที่ก้นหอเป็นระยะ
H2
ที่มากพอที่จะป้องกันไม่ให้เกิด
cavitation
ที่ตัวปั๊ม
แม้ว่าอุณหภูมิของเหลวที่อยู่ที่ก้นหอกลั่นหรือที่ทางเข้าปั๊มจะเท่ากันก็ตาม
สมมุติว่าหอกลั่นทำงานที่ความดัน
P
และที่ความดัน
P
นี้ของเหลวที่ก้นหอมีอุณหภูมิที่จุดเดือด
T
แต่ที่ทางเข้าปั๊มของเหลวจะมีความดัน
(P
+ H2) ดังนั้นแม้ว่าของเหลวที่ไหลเข้าปั๊มจะมีอุณหภูมิ
T
เท่าเดิม
แต่ของเหลวจะไม่เดือดที่อุณหภูมิ
T
นี้เพราะความดันที่ตำแหน่งนี้สูงกว่า
ดังนั้นจงอย่าแปลกใจถ้าพบว่าทำไมปั๊มของผลิตภัณฑ์ยอดหอหรือผลิตภัณฑ์ก้นหอนั้นจึงติดตั้งอยู่ที่ระดับต่ำมากเมื่อเทียบกับระดับผิวหน้าของเหลวที่มันทำการสูบ
โปรแกรม
simulation
นั้นอนุญาตให้เราเพิ่มความดันให้กับของเหลวได้ด้วยการใช้ปั๊ม
แต่การทำงานในทางปฏิบัตินั้นเราสามารถเพิ่มความดันให้กับของเหลวได้ด้วยการใช้แรงโน้มถ่วง
(gravitation
force) โปรแกรม
simulation
นั้นจะดีได้แค่ไหนก็ขึ้นอยู่กับว่าคนออกแบบโปรแกรมนั้นเข้าใจโลกแห่งความเป็นจริงมากแค่ไหน
และการแปลผล simulation
นั้นจะดูแต่ตัวเลขอย่างเดียวไม่ได้
(เพราะโปรแกรมมันก็ไม่ได้ถูกต้องหรือตรงกับความจริงเสมอไป)
ต้องนำความจริงเข้ามาประกอบด้วยในการพิจารณาตัดสินใจ
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น