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