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