ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๖ Pyrolysis and waste heat recovery ภาค ๔ MO Memoir 2559 Mar 14 Mon

เรามาดูเรื่องการหาสภาวะที่เหมาะสมสำหรับการทำงานของ pyrolysis heater กันต่อ

ที่อัตราการให้ความร้อนคงที่ ปริมาณความร้อนที่แก๊สในขดท่อจะรับได้นั้นขึ้นอยู่กับอัตราการไหล ถ้าแก๊สไหลช้าก็จะรับความร้อนได้มากเพราะมีเวลารับความร้อนมาก ถ้าแก๊สไหลเร็วก็จะรับความร้อนได้น้อยเพราะมีเวลารับความร้อนน้อย อัตราการไหลโดยปริมาตรของแก๊สขึ้นอยู่กับ "อัตราส่วนระหว่างไอน้ำที่ใช้ในการเจือจางสายป้อนต่อปริมาณไฮโดรคาร์บอนที่ป้อนเข้าไป" อย่างที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ว่าการลดความดันย่อย (partial pressure) ของไฮโดรคาร์บอนจะทำให้ปฏิกิริยา cracking เกิดไปข้างหน้าได้ดีขึ้น ดังนั้นถ้าผสมไอน้ำเข้าไปมาก ก็จะทำให้ปฏิกิริยาดำเนินไปข้างหน้าได้ดีขึ้น แต่ก็เป็นการสิ้นเปลืองค่าใช้จ่าย (ส่วนของไอน้ำและการแยกออก) เพิ่มมากขึ้น
 

ปฏิกิริยา cracking อีเทนไปเป็นเอทิลีนนั้นต้องการเวลาทำปฏิกิริยาที่สั้นที่อุณหภูมิสูง ไม่เช่นนั้นผลิตภัณฑ์ที่ได้จะเกิดการสลายตัว ดังนั้นการรับความร้อนอย่างรวดเร็วในเวลาอันสั้นและเย็นตัวลงอย่างรวดเร็วจะเป็นสิ่งดี การรับความร้อนอย่างรวดเร็วในเวลาอันสั้นทำได้ด้วยการใช้อัตราการไหลที่สูงผ่านท่อ และให้ความร้อนในอัตราที่สูง (แต่ทั้งนี้จะต้องไม่เกินขีดความสามารถของโลหะที่ใช้ทำท่อที่สามารถทนได้) ส่วนการทำให้เย็นตัวลงอย่างรวดเร็วทำได้ด้วยการใช้ transfer line exchanger (TLE) ในการหยุดปฏิกิริยา
 

อัตราการไหลที่สูงนั้นช่วยเฉือน coke ที่อาจเกาะสะสมอยู่บนผิวด้านในของท่อรับความร้อน ทำให้ความต้านทานในการรับความร้อนมีค่าต่ำ (คือถ่ายเทความร้อนได้ดี) แต่อาจทำให้เกิดปัญหาการสึกหรอเนื่องจาก erosion โดยเฉพาะตรงบริเวณข้องออันเป็นผลจากอัตราการไหลที่สูง
 

ที่กล่าวมาข้างต้นจะเห็นได้ว่าในการออกแบบนั้นมันมีข้อจำกัดอยู่รอบด้าน หน้าที่ของวิศวกรในการออกแบบก็คือการหาจุดที่เหมาะสมที่ยอมรับได้ในการทำงาน (คือทุกปัญหามันเลี่ยงไม่ได้ เพียงแค่หาเงื่อนไขการทำงานที่ขนาดของแต่ละปัญหาที่เกิดขึ้นนั้นอยู่ในระดับที่ยอมรับได้)
 

ถ้าขีดจำกัดบนของกำลังการผลิตสูงสุดนั้นอยู่ที่ความเร็วสูงสุดของการไหลในท่อเป็นหลัก ขีดจำกัดล่างของกำลังการผลิตก็ไปอยู่ที่เวลาที่ไฮโดรคาร์บอนไหลอยู่ในท่อนานเกินไป ซึ่งจะทำให้เกิด coke สะสมมากขึ้น ในความเป็นจริงนั้นอุปกรณ์มักจะไม่ถูกใช้งานเกินขีดความสามารถสูงสุดของมัน แต่เป็นเรื่องปรกติที่จะมีการเดินเครื่องที่อัตราการผลิตต่ำกว่าค่าที่ออกแบบไว้ และถ้าจำเป็นต้องมีการเดินเครื่องที่อัตราการผลิตต่ำกว่าค่าที่ออกแบบไว้ ทาง Lummus ได้ให้คำแนะนำว่าไม่ควรจะเดินเครื่องที่กำลังการผลิตต่ำกว่า 70% ของค่าที่ออกแบบ และถ้าจำเป็นต้องมีการเดินเครื่องที่อัตราการผลิตที่ลดต่ำลงก็ให้เพิ่มปริมาณไอน้ำที่ใช้เจือจาง (dilution steam) ให้มากขึ้น (เช่นสูงจนถึงระดับ 110% ของค่าออกแบบ)
 

การเพิ่มอัตราการไหลจะไปลดเวลารับความร้อน (ลด residence time) ทำให้ต้องเพิ่มอุณหภูมิด้านขาออกจากขดท่อ (coil outlet temperature หรือ COT) ให้สูงขึ้นเพื่อคงค่า conversion ให้คงที่ การลดเวลาการรับความร้อนทำให้ค่าการเลือกเกิด (selectivity) ของเอทิลีนเพิ่มสูงขึ้น แต่การเพิ่มอัตราการไหลจะไปเพิ่มค่าความดันลด (pressure drop) ซึ่งส่งผลต่อค่าการเลือกเกิดของเอทิลีนในทิศทางตรงกันข้าม (๒ ปัจจัยที่ให้ผลขัดแย้งกัน) แต่เนื่องจากการเพิ่มความดันให้ผลกระทบที่มากกว่าการลดเวลารับความร้อน ดังนั้นปริมาณเอทิลีนที่ได้จริง (ค่า yield) จะลดลงถ้าเพิ่มอัตราการไหลมากเกินไป
 

แก๊สร้อนที่ออกมาจาก pyrolysis heater จะถูกทำให้เย็นตัวลง ส่วนที่ควบแน่นเป็นของเหลวได้ (ได้แก่ไอน้ำและไฮโดรคาร์บอนหนัก) จะถูกแยกออกไป เฉพาะส่วนที่ยังคงเป็นแก๊สนั้นจะถูกอัดเพิ่มความดันโดยคอมเพรสเซอร์ (จะกล่าวถึงในภายหลัง) ในกรณีของสารตั้งต้นที่เป็นอีเทนนั้น อัตราการไหลโดยปริมาตรของส่วนที่ยังคงเป็นแก๊สที่ไม่ควบแน่นที่คอมเพรสเซอร์จะได้รับผลกระทบจาก
 

(ก) ผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่เป็นแก๊สโมเลกุลเล็กที่เกิดขึ้น เช่นมีเทนและไฮโดรเจน ที่เกิดจากการสลายตัว พวกนี้ทำให้อัตราการไหลโดยปริมาตรของแก๊สเพิ่มขึ้น 

(ข) การเกิดสารประกอบไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลใหญ่ที่ควบแน่นเป็นของเหลวในระหว่างการเย็นตัวลง พวกนี้ทำให้อัตราการไหลโดยปริมาตรลดลง และ

(ค) การเกิด cokeที่เป็นของแข็งสะสมในระบบท่อ พวกนี้ทำให้อัตราการไหลโดยปริมาตรลดลง
 

ดังนั้นถ้าพิจารณาอัตราการไหลโดยปริมาตรของไฮโดรคาร์บอน ณ ตำแหน่งก่อนป้อนเข้า pyrolysis heater กับตำแหน่งก่อนป้อนเข้าคอมเพรสเซอร์แล้ว จะเห็นว่าขึ้นอยู่กับอุณหภูมิการทำงานของ pyrolysis heater ว่าจะทำให้เกิดโมเลกุลเล็ก (ที่ทำให้ปริมาตรแก๊สเพิ่มมากขึ้น) และโมเลกุลใหญ่ (ที่ทำให้ปริมาตรแก๊สลดลง) นั้นในสัดส่วนเท่าใด (ดูรูปที่ ๑๐ ข้างล่างประกอบ)

รูปที่ ๑๐ แผนผังอย่างง่ายแสดงการเกิดขึ้นและการหายไปขององค์ประกอบที่เป็นแก๊สที่ไปถึงคอมเพรสเซอร์

ในความเป็นจริงการพิจารณาหาความดันที่เหมาะสมสำหรับการทำงานของ pyrolysis heater นั้นจะดูที่ปริมาณเอทิลีนที่ได้เพียงอย่างเดียวไม่ได้ มันมีเรื่องความสามารถในการทำงานของคอมเพรสเซอร์เข้ามาเกี่ยวข้องด้วย คอมเพรสเซอร์จะทำงานได้ดีถ้า "ความดันด้านขาเข้าของคอมเพรสเซอร์" มีค่าสูงมากพอ และที่อัตราการไหลที่สูงก็ย่อมต้องการความดันด้านขาเข้าที่สูงตามไปด้วย แต่ความดันด้านขาเข้าของคอมเพรสเซอร์นี้ขึ้นอยู่กับ "ความดันที่ใช้ในการเกิดปฏิกิริยาของ pyrolysis heater" ถ้าความดันที่ใช้ในการเกิดปฏิกิริยาของ pyrolysis heater มีค่าสูง ก็จะทำให้ความดันด้านขาเข้าของคอมเพรสเซอร์มีค่าสูงตามไปด้วย คอมเพรสเซอร์ก็จะทำงานได้ดี (ไม่เกิดปัญหา surging) แต่ความดันที่ใช้ในการเกิดปฏิกิริยาของ pyrolysis heater ที่มีค่าสูงเกินไปจะทำให้การเกิดโอเลฟินส์ลดลง จะเห็นว่ามันก็เป็นปัจจัยที่ขัดแย้งกันระหว่างการทำให้เกิดผลิตภัณฑ์มาก กับการที่เครื่องจักรจะสามารถทำงานได้ราบเรียบ รายละเอียดเพิ่มเติมของเนื้อหาในส่วนนี้จะเอาไว้ตอนกล่าวถึงการทำงานของคอมเพรสเซอร์

ในส่วนการควบคุมคุณภาพน้ำที่ใช้ผลิตไอน้ำความดันสูงใน transfer line exchanger นั้น สามารถควบคุมได้ด้วย

(ก) การใช้สารเคมีปรับสภาพ

(ข) การระบายน้ำทิ้งอย่างต่อเนื่องเพื่อรักษาระดับเกลือแร่ที่ละลายอยู่นั้นไม่ให้เพิ่มสูงเกินไป

(ค) การระบายน้ำทิ้งเป็นระยะเพื่อระบายของแข็งที่ตกตะกอน

จะว่าไปแล้วหน่วยควบคุมคุณภาพน้ำมักจะอยู่ในส่วนของระบบสาธารณูปโภคที่ไม่ได้อยู่ในส่วนของกระบวนการผลิต กล่าวคือเจ้าของกระบวนการนั้นจะให้ข้อมูลแต่เฉพาะส่วนที่เกี่ยวข้องในการเปลี่ยนสารตั้งต้นให้เป็นผลิตภัณฑ์ เช่นต้องทำอุณหภูมิให้ได้เท่าใด ส่วนที่จะเพิ่มอุณหภูมิด้วยวิธีการใด (เช่นใช้ไอน้ำความดันเท่าใด) และลดอุณหภูมิด้วยวิธีการใด (เช่นใช้น้ำหรืออากาศระบายความร้อน) มันไปอยู่ในส่วนของระบบสาธารณูปโภค (Utility) ที่แต่ละโรงงานสามารถแตกต่างกันได้

มาต่อกันในส่วนของการให้ความร้อน ในทางทฤษฎีนั้นอุณหภูมิสูงสุดของแก๊สร้อนที่ได้จากการเผาไหม้จะเกิดขึ้นที่อัตราส่วนระหว่างเชื้อเพลิงกับอากาศอยู่ที่ stoichiometric ratio คือมีอากาศในปริมาณที่พอที่ที่ทำให้ C กลายเป็น CO₂ ได้สมบูรณ์ และ H กลายเป็น H₂O ได้สมบูรณ์ โดยไม่มีออกซิเจนหลงเหลือ การใช้ปริมาณอากาศน้อยเกินไปจะดึงความร้อนออกมาจากเชื้อเพลิงไม่หมด การใช้ปริมาณอากาศมากเกินไปจะทำให้ต้องเฉลี่ยความร้อนที่เกิดขึ้นให้กับอากาศส่วนเกิน สองปัจจัยนี้ทำให้แก๊สร้อนที่ได้มีอุณหภูมิลดต่ำลง แต่ในทางปฏิบัติจะใช้อากาศมากเกินพอเล็กน้อยเพื่อทำให้เกิดการเผาไหม้ที่สมบูรณ์
  

Lummus นั้นแนะนำให้ทำการวัดปริมาณออกซิเจนส่วนเกินที่ ๓ ตำแหน่งด้วยกันคือ บริเวณที่เกิดการเผาไหม้ (เขาใช้คำว่า at the hearth) ที่ระยะความสูง 1/3 ของส่วน radiation zone และจุดที่แก๊สร้อนออกจาก radiation zone เข้าสู่ convection zone โดยค่าปริมาณออกซิเจนส่วนเกิน (excess oxygen) ควรอยู่ในช่วงระหว่าง 2-3% ที่ค่าต่ำกว่า 2% มีโอกาสสูงที่จะเกิดการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ (เกิดเขม่าเกาะติดผิวต่อในส่วน radiation zone ได้) และที่ค่าสูงกว่า 3% จะทำให้อุณหภูมิแก๊สร้อนที่ได้ลดต่ำลง

อุณหภูมิอีกตำแหน่งหนึ่งที่ส่งผลต่อการเกิดปฏิกิริยาในส่วน radiation zone คืออุณหภูมิในช่วงที่แก๊สร้อนไหลออกจาก convection zone เข้าสู่ radiation zone อุณหภูมิ ณ ตำแหน่งนี้เรียกว่า cross-over temperature ค่าของ cross-over temperature นี้ควรมีค่าสูงสุดเท่าที่จะเป็นไปได้ (เพื่อลดปัญหา thermal shock อันเป็นผลจากการที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้นกระทันหัน) แต่ทั้งนี้จะต้องไม่สูงจนทำให้เกิดปฏิกิริยา cracking ในท่อที่อยู่ในส่วน convection zone เพราะการเกิด coke ขึ้นในท่อส่วน convection zone จะทำให้เกิดปัญหาในการกำจัด coke นั้นด้วยการเผา เพราะในทางปฏิบัตินั้นไม่สามารถทำให้ท่อในส่วน convection zone นั้นร้อนจนถึงอุณหภูมิที่ coke เริ่มเผาไหม้ได้
 

ดังนั้นค่าสูงสุดของ cross-over temperature จึงขึ้นอยู่กับวัตถุดิบที่นำมาผลิต อีเทนเริ่มเกิดการแตกตัวที่อุณหภูมิประมาณ 650ºC แนฟทาเริ่มเกิดการแตกตัวที่อุณหภูมิประมาณ 600ºC และ gas oil เริ่มเกิดการแตกตัวที่อุณหภูมิประมาณ 550-600ºC อุณหภูมิเหล่านี้เป็นค่าโดยประมาณ แต่สิ่งสำคัญที่ต้องพึงระลึกเอาไว้เสมอก็คือค่า cross-over temperature นี้จะเพิ่มสูงขึ้นได้ตามวัตถุดิบที่เบาขึ้น แต่ทั้งนี้จะต้องไม่เกิน 650ºC ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่อีเทนเริ่มแตกตัว

รูปแบบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิตลอดความยาวท่อก็มีความสำคัญ pyrolysis heater ของ Lummus นั้นวางท่อในแนวดิ่ง และอุณหภูมิด้านขาเข้าและขาออกของแต่ละขดท่อก็ควรจะใกล้เคียงกันด้วย (ดูรูปที่ ๗ ใน Memoir ตอนที่ ๕ ที่แสดงผนังด้านหนึ่งที่ประกอบไปด้วยขดท่อ ๓ ชุด พอรวมผนังทั้งสองด้านก็จะมีขดท่อ ๖ ชุด) การที่ผิวท่อมีอุณหภูมิสม่ำเสมอทำให้ช่วยลดอุณหภูมิสูงสุดที่ต้องทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ในปริมาณที่ต้องการ และยังช่วยลดอัตราการเกิด coke การทำเช่นนี้ได้ต้องอาศัยการปรับแต่งการทำงานของหัวเตาที่ติดตั้งอยู่ที่ตำแหน่งต่าง ถ้าผิวท่อบริเวณไหนเย็นเกินไป ปฏิกิริยาก็จะเกิดขึ้นน้อยตรงบริเวณนั้น แต่ถ้าผิวท่อบริเวณไหนร้อนจัดเกินไป จะทำให้เกิดการสะสมของ coke ตรงตำแหน่งนั้นมากเป็นพิเศษ ท่อตรงบริเวณที่มี coke สะสมจะถ่ายเทความร้อนให้กับแก๊สที่ไหลอยู่ภายในได้ไม่ดี ทำให้โลหะของท่อบริเวณนั้นร้อนจัดกว่าบริเวณอื่น ซึ่งถ้าปล่อยไว้อาจเกิดความเสียหายขึ้นที่ตัวท่อได้ ดังนั้นถ้าเกิดเหตุการณ์ดังกล่าวเกิดขึ้นก็จำเป็นต้องหยุดเดินเครื่องเพื่อกำจัด coke ณ ตำแหน่งนั้นออก (ทั้ง ๆ ที่บริเวณอื่นยังไม่มีปัญหา) ซึ่งถือว่าเป็นการสูญเสียกำลังการผลิต
 

เพื่อที่จะทำให้ pyrolysis furnance ทำงานได้ยาวนานก่อนถึงเวลากำจัด coke ในแต่ละครั้ง จึงควรต้องเดินเครื่องในรูปแบบที่ทำให้การเกิด coke นั้นเกิดขึ้นอย่างสม่ำเสมอ ณ ตำแหน่งต่าง ๆ ของท่อ เพื่อบรรลุวัตถุประสงค์ดังกล่าวทาง Lummus จึงได้ให้คำแนะนำว่าควรเดินเครื่องโดยควบคุมให้
 

- อุณหภูมิระหว่างด้านบนและด้านล่างนั้นไม่ควรแตกต่างกันมากเกินกว่า 30ºC

- ควบคุม cross over temperature ให้อยู่ใกล้เคียงกับค่าที่ออกแบบให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้

- ถ้าต้องการอัตราการไหลแก๊สเชื้อเพลิงที่ต่ำ (เช่นในช่วงเริ่มเดินเครื่องหรือหยุดเดินเครื่อง) ไม่ควรจะจุดหัวเตาจำนวนมากเกินไป เพราะจะทำให้ความดันแก๊ส ณ หัวเตาที่ทำงานนั้นต่ำเกินไป นอกจากนี้ความดันแก๊สเชื้อเพลิงที่ต่ำยังทำให้ระบบควบคุมอัตโนมัติทำงานได้ลำบาก

- พยายามให้รูปแบบการให้ความร้อนทางแต่ละด้านของขดท่อมีความสมมาตร (คือไม่ให้ด้านใดด้านหนึ่งของท่อนั้นร้อนเกินไป) จะได้ไม่เกิดปัญหาท่อโก่ง (เกิดจากผนังท่อด้านหนึ่งร้อนมากกว่าอีกด้านหนึ่ง เนื้อโลหะแต่ละด้านจึงเกิดการขยายตัวที่ไม่เท่ากัน)

- ทำการตรวจความสม่ำเสมอของอุณหภูมิภายในเป็นประจำด้วยการใช้ pyrometer วัดอุณหภูมิ (pyrometer คืออุปกรณ์วัดอุณหภูมิด้วยการวัดการแผ่รังสีความร้อนจากวัตถุ)

ฉบับนี้คงต้องขอพอแค่นี้ก่อน