ทำความรู้จัก Fired process heater (ตอนที่ ๓) MO Memoir : Wednesday 3 February 2559

ตอนที่ ๓ (และยังไม่ใช่ตอนสุดท้าย) ของเรื่องการทำความรู้จักหน้าตาต่าง ๆ บางรูปแบบของ Fired process heater ต่อจาก Memoir ฉบับวันจันทร์ที่ ๑ กุมภาพันธ์ที่ผ่านมา
  

ก่อนหน้านี้ได้แนะนำให้รู้จัก Fired process heater ที่ท่อใน radiation zone นั้นวางตัวในแนวราบ การวางท่อในแนวราบนั้นตัวท่อเองไม่ต้องรับน้ำหนักของตัวมันเอง แต่เวลาที่ท่อร้อนและขยายตัวท่อจะเกิดการตกท้องช้าง (sacking) ขึ้นระหว่างจุดรองรับท่อสองจุดได้ มาคราวนี้จะแนะนำให้รู้จัก Fired process heater ที่ท่อใน radiation zone นั้นวางตัวในดิ่ง การวางท่อในแนวดิ่งนั้นตัวท่อจะต้องรับน้ำหนักของตัวมันเองได้ (แม้ว่าตัวมันเองจะมีอุณหภูมิสูง) การวางท่อในแนวดิ่งนี้จะปล่อยให้ท่อยืดตัวขึ้นบนหรือลงล่างอย่างอิสระ หรือใช้ท่อที่เรียกว่า "Pig tail" ซึ่งเป็นส่วนที่เป็นข้องอ ทำหน้าที่ดูดซับความเค้นที่เกิดจากการขยายตัวของท่อเอาไว้

รูปที่ ๑๓ เป็น Fired process heater รูปแบบที่มีชื่อว่า Vertical box ที่วางท่อในแนวดิ่งโดยมีส่วนให้ความร้อนทั้งสิ้น ๔ ส่วน เริ่มจากที่เป็นท่อตรงอยู่ทางด้านขวาสุดตามด้วยส่วนที่เป็นท่อรูปตัว U อีก ๓ ส่วน การให้ความร้อนใช้เปลวไฟที่พ่นออกมาทางผนังด้านข้าง (horizontal firing) ของไหลนั้นจะไหลเข้ามายังท่อที่อยู่ด้านบน/ด้านล่างที่เรียกว่า "Header (หรือ Manifold)" ที่ทำหน้าที่จ่ายของไหลเข้าไปยังท่อรูปตัว U และท่อตรง และรวบรวมของไหลที่ผ่านการรับความร้อนแล้วที่ออกมาจากท่อรูปตัว U และท่อตรงเหล่านั้น ในกรณีของท่อรูปตัว U นั้นด้วยการยึดปลายสองข้างของท่อไว้กับท่อ Header ด้านบน ตัวท่อเมื่อร้อนก็จะขยายตัวลงด้านล่างได้ แต่ในส่วนที่เป็นท่อตรงนั้นอาจใช้วิธีปล่อยให้ท่อยืดตัวลงด้านล่าง (ตามรูปที่นำมาแสดงเข้าใจว่าใช้วิธีนี้) หรือใช้ Pig tail ช่วย

รูปที่ ๑๓ Process fired heater ชนิด Vertical box

รูปที่ ๑๔ ก็ยังคงเป็น Fired process heater รูปแบบ Vertical box ที่วางท่อในแนวดิ่งเช่นเดียวกับรูปที่ ๑๓ แต่รูปแบบนี้ใช้ท่อตรงแทนท่อรูปตัว U โดยที่ของไหลเมื่อไหลเข้า radiation zone จากบนลงล่างก็จะไหลเข้าสู่ท่อ header ที่อยู่ข้างนอก radiation zone ก่อนจะไหลย้อนขึ้นเข้า radiation zone ใหม่แล้วเข้าสู่ท่อ header ที่อยู่ทางด้านบน

รูปที่ ๑๔ Process fired heater ชนิด Vertical box อีกรูปแบบหนึ่งที่ใช้ท่อตรงต่อเข้า Header ด้านบนและด้านล่าง และมีการติดตั้ง soot blower ที่ convection zone ด้วย

ตรงนี้อยากจะกล่าวไว้นิดนึงว่า radiation zone แต่ละส่วนนั้นจะมี convection zone แยกจากกันหรือร่วมกันนั้นขึ้นอยู่กับการออกแบบ เพราะ Fired process heater นั้นมันไม่ได้มีมาตรฐานรูปร่างสำเร็จรูปตายตัวว่าไม่ว่าบริษัทใดก็ต้องทำมาตามรูปร่างที่กำหนดไว้เท่านั้น ดังนั้นอย่างเพิ่งไปยึดติดว่าถ้าเป็นรูปแบบนี้แล้วต้องมี convection zone ร่วมกัน และถ้าเป็นรูปแบบนั้นแล้วต้องมี convection zone แยกกัน
   

รูปที่ ๑๕ และ ๑๖ เป็น Fired process heater ชนิด Radiant wall กล่าวคือมีท่อตั้งอยู่ในแนวดิ่งตรงกลางระหว่างสองผนัง และมี burner ให้ความร้อนอยู่ข้างผนังที่ระดับความสูงต่าง ๆ กัน วิธีการนี้ทำให้ตัวท่อได้รับความร้อนจากการแผ่รังสีที่สม่ำเสมอทั้งสองด้าน รูปที่ ๑๖ เป็นรูปแบบที่มี heater สองตัวใช้ปล่องระบายแก๊สร้อนร่วมกัน ในรูปที่นำมาแสดงนั้นพึงสังเกตว่ามีท่อรูปตัว U ที่เรียกว่า "Pig tail" อยู่ทางด้านล่าง Pig tail นี้มีไว้สำหรับรองรับการขยายตัวของท่อเมื่อท่อส่วนที่อยู่ใน heater นั้นมีอุณหภูมิสูงขึ้น การไหลในรูปนี้ของไหลที่ออกมาจาก convection zone จะแยกเข้าท่อต่าง ๆ จากทางด้านบนและไหลลงล่างในทิศทางเดียวเข้าสู่ท่อ header ที่รอรับอยู่ข้างล่าง

รูปที่ ๑๕ Process fired heater ชนิด Radiant wall พึงสังเกตว่ามี Pit tail (ท่อรูปตัว U) เผื่อการขยายตัวอยู่ทางด้านล่าง

คำว่า "Reformer" ในที่นี้ผมเข้าใจว่าหมายถึง heater ให้ความร้อนแก่สารตั้งต้นสำหรับปฏิกิริยา steam reforming ที่ใช้ในการผลิตแก๊สสังเคราะห์ (H₂ และ CO โดยอาจมี CO₂ ร่วมด้วย) จากแก๊สมีเทนและไอน้ำ ปฏิกิริยานี้เกิดที่อุณหภูมิสูง (ประมาณ 1000ºC) โดยเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อนและต้องมีตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยคือให้ความร้อนแก่สารตั้งต้น และเมื่อสารตั้งต้นมีอุณหภูมิสูงพอก็จะส่งเข้าสู่ reactor เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาต่อไป

รูปที่ ๑๖ Process fired heater ชนิด Radiant wall เช่นเดียวกับรูปที่ ๑๕ แต่ในกรณีนี้มี heater สองส่วนที่ใช้ปล่องระบายแก๊สร้อน (convection zone) ร่วมกัน

รูปที่ ๑๗ เป็น Process fired heater ชนิด Radiant wall เช่นเดียวกับรูปที่ ๑๕ และ ๑๖ แตกต่างกันตรงที่รูปแบบการไหลภายใน radiation zone ของ heater ภาพที่นำมาแสดงนี้มีรูปแบบการไหลที่เรียกว่า SRT III (SRT ย่อมาจาก Short residence time หมายถึงระยะเวลาที่ไหลผ่าน radiation zone นั้นสั้นมาก ส่วน III นั้นหมายถึงรูปแบบรุ่นที่ 3 ซึ่งเป็นการพัฒนาขึ้นมาของบริษัท Lummus ผู้ออกแบบ) ที่มีรูปแบบการไหลแสดงไว้ทางมุมด้านล่างขวาของภาพ กล่าวคือมีท่อเข้า ๔ ท่อด้วยกัน ก่อนที่จะรวมกันเหลือ ๒ ท่อและเหลือเพียงท่อเดียวก่อนออกจาก radiation zone (ในขณะเดียวกันเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อก็จะเพิ่มตามไปด้วย) Heater ชนิดนี้เป็นชนิดที่ใช้ในการทำให้โมเลกุลสารตั้งต้นแตกออกเกิดเป็นสารประกอบพันธะคู่ (เช่น อีเทน (H₃C-CH₃) เป็นเอทิลีน (H₂C=CH₂) หรือไดคลอโรอีเทน (ClH₂C-CH₂Cl) เป็นไวนิลคลอไรด์ (H₂C=CHCl))

รูปที่ ๑๗ Process fired heater ชนิด Radiant wall เช่นเดียวกับรูปที่ ๑๖ แต่การวางท่อภายในเป็นรูปแบบที่เรียกว่า SRT (Short Residence Time)

ในปฏิกิริยา pyrolysis หรือการทำให้โมเลกุลสารตั้งต้นแตกตัวนั้นใช้อุณหภูมิที่สูง แต่เมื่อได้ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการแล้วก็ต้องหาทางหยุดปฏิกิริยาเพื่อไม่ให้ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการที่เกิดขึ้นนั้น สลายตัวต่อไปเป็นผลิตภัณฑ์ที่ไม่ต้องการ การหยุดปฏิกิริยาทำได้ด้วยการลดอุณหภูมิของแก๊สร้อนที่ออกมาจาก radiation zone ให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว วิธีการที่ทำกันก็คือติดตั้งอุปกรณ์ที่เรียกว่า Transfer Line Exchanger (TLE) ไว้ทางด้านขาออกจาก radiation zone กล่าวคือเมื่อแก๊สร้อนไหลออกจาก radiation zone ก็จะเข้าสู่ TLE ที่ระบายความร้อนด้วยน้ำภายใต้ความดันสูง (คือใช้ TLE เป็นเสมือนหม้อน้ำสำหรับผลิตไอน้ำความดันสูง)

ฉบับหน้า (ตอนที่ ๔) จะเป็นตอนสุดท้ายของเรื่อง "ทำความรู้จัก Fired process heater" จะกล่าวถึงเฉพาะ pyrolysis heater ที่ใช้ในการผลิตโอเลฟินส์