ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๕ Pyrolysis and waste heat recovery ภาค ๓ MO Memoir 2559 Mar 3 Thu

ในตอนที่ ๔ (ฉบับวันที่๑ มีนาคม) นั้นกล่าวไว้ว่า pyrolysis heater ของ Lummus ที่ใช้ขดท่อรูปแบบ SRT-III นั้น ตัว pyrolysis heater แต่ละตัวจะมีขดท่อดังกล่าวอยู่ด้วยกัน ๖ ขดท่อ รูปที่ ๗ แสดงการติดตั้งขดท่อดังกล่าวในแนวดิ่งบนผนังสองด้านที่หันเข้าหากันด้านละ ๓ ขดท่อ โดยมีตัวเตาให้ความร้อนติดตั้งอยู่ข้างผนังเรียงจากบนลงล่าง พึงสังเกตตำแหน่งการติดตั้งหัวเตาจะเห็นว่าจะเน้นการให้การให้ความร้อนตรงท่อด้านขาเข้าที่ประกอบด้วยท่อขนาดเล็ก ๔ ท่อ และท่อด้านขาออกที่เป็นท่อใหญ่เพียงท่อเดียว
   

ถ้าวัตถุประสงค์ของ pyrolysis heater คือการให้ความร้อนแก่สายป้อน (feed) อย่างรวดเร็ว วัตถุประสงค์ของ transfer line exchanger (TLE) ก็จะตรงข้ามกันคือลดอุณหภูมิของสายผลิตภัณฑ์ (product) ที่ออกมาจาก pyrolysis furnace ให้ลดต่ำลงอย่างรวดเร็วเพื่อป้องกันและ/หรือลดการเกิด ปฏิกิริยาการสลายตัวของผลิตภัณฑ์ ปฏิกิริยาการควบแน่น (condensation) ที่ทำให้เกิดเป็นโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้น และปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรซ์เซชัน (polymerisation) ที่ทำให้เกิด coke ส่วนความร้อนที่ดึงออกมานั้นก็จะนำไปใช้ในการต้มน้ำ (ที่อยู่ทางด้าน shell ของ TLE) เพื่อผลิตไอน้ำความดันสูง (ไอน้ำที่เกิดขึ้นที่นี้เป็นไอน้ำอิ่มตัวหรือ saturated steam)
   

คำถามที่ตามมาก็คืออุณหภูมิแก๊สด้านขาออกของ TLE ควรลดต่ำลงเหลือเท่าใด มีอะไรเป็นข้อกำหนดหรือไม่ คำตอบก็คืออุณหภูมิแก๊สที่ออกมาจาก TLE ถูกกำหนดโดยอุณหภูมิที่เริ่มทำให้เกิดการควบแน่นของผลิตภัณฑ์ที่อยู่ในแก๊สที่ออกมาจาก pyrolysis heater โดยอุณหภูมิแก๊สที่ออกมาจาก TLE นั้นจะต้องไม่ต่ำจนทำให้เกิดการควบแน่นขึ้นที่ TLE ส่วนจะลดต่ำลงได้เท่าใดนั้นขึ้นอยู่กับวัตถุดิบที่ใช้ในการผลิตโอเลฟินส์ อุณหภูมิของแก๊สที่ออกจาก TLE จะเป็นตัวกำหนดความดันของไอน้ำความดันสูงที่จะผลิตได้ เพราะอุณหภูมิทางด้าน shell นั้นเป็นอุณหภูมิจุดเดือดของน้ำ ณ ความดันที่กำหนด
   

ในกรณีที่ใช้อีเทนเป็นวัตถุดิบนั้น จะเกิดไฮโดรคาร์บอนหนัก (พวกที่มีจำนวนอะตอมคาร์บอนตั้งแต่ 5 อะตอมขึ้นไปหรือที่เรียกว่า C5) ในปริมาณไม่มาก ดังนั้นจะสามารถลดอุณหภูมิของแก๊สที่ออกจาก TLE ได้ต่ำถึงประมาณ 315ºC ซึ่งจะผลิตไอน้ำที่ความดันสูงประมาณ 51 bars ได้ แต่ถ้าใช้แนฟทาเป็นวัตถุดิบ จะมีไฮโดรคาร์บอนตั้งแต่ C5 ขึ้นไปเพิ่มมากขึ้น ดังนั้นจะสามารถลดอุณหภูมิแก๊สออกจาก TLE ได้ต่ำลงเพียงประมาณ 370ºC (ถ้าต่ำกว่านี้จะเกิดการควบแน่นเกิดขึ้น) ซึ่งจะผลิตไอน้ำที่ความดันสูงประมาณ 123 bars ได้ (แต่ในความเป็นจริงอาจผลิตไอน้ำที่ความดันต่ำกว่านี้ได้ด้วยการควบคุมความดันด้าน shell ของ TLE) และถ้าใช้ gas oil เป็นวัตถุดิบก็จะมีอุณหภูมิแก๊สด้านขาออกจาก TLE สูงเพิ่มขึ้นไปอีก เนื่องจากมีไฮโดรคาร์บอนหนักในปริมาณที่มากขึ้นไปอีก
    

ไอน้ำอิ่มตัวที่เกิดขึ้นที่ TLE จะถูกส่งกลับไปยัง steam drum (อาจถือว่าน้ำที่ steam drum มีอุณหภูมิเดียวกันกับไอน้ำที่เดือดออกมาจาก TLE) และไอน้ำที่ออกมาจาก steam drum สามารถนำไปเพิ่มอุณหภูมิให้กลายเป็นไอน้ำร้อนยิ่งยวดด้วยการส่งไปรับความร้อนที่ convection zone ของ pyrolysis heater (ดูรูปที่ ๘ และ ๙)
    

โดยปรกติน้ำที่ป้อนเข้าสู่หม้อไอน้ำ (ที่เรียกว่า boiler feed water หรือ BFW) นั้นจะมีเกลือแร่ต่าง ๆ ละลายอยู่ ส่วนจะยอมให้มีมากน้อยเท่าใดนั้นขึ้นอยู่กับความดันของไอน้ำที่ต้องการผลิต ยิ่งผลิตไอน้ำความดันสูงมากขึ้นก็ยิ่งต้องควบคุมปริมาณเกลือแร่ต่าง ๆ ให้น้อยลงไปอีก แต่เมื่อน้ำเดือดเป็นไอน้ำ เกลือแร่ที่ละลายอยู่ไม่ได้ระเหยตามไปด้วย ยังคงค้างอยู่ในหม้อต้ม ทำให้เมื่อต้มน้ำไปเรื่อย ๆ ความเข้มข้นของเกลือแร่ในน้ำที่อยู่ในหม้อต้มจะเพิ่มสูงขึ้น เพื่อรักษาระดับปริมาณเกลือแร่ที่ละลายอยู่นี้ไม่ให้สูงมากเกินไปจึงจำเป็นต้องมีการระบายน้ำในหม้อต้มทิ้งเสียบ้าง ที่เรียกว่าการ "Blowdown"

รูปที่ ๗ รูปแบบการจัดเรียงขดท่อแบบ SRT-III บนผนังด้านหนึ่งของ pyrolysis heater ที่ประกอบด้วยขดท่อแบบ SRT-III จำนวน ๓ ชุด (ดังนั้นรวมผนังทั้งสองด้านจะมีขดท่อจำนวน ๖ ชุด) กรอบที่เหลี่ยมที่เห็นในรูปคือตำแหน่งติดตั้ง burner (ให้ความร้อนจากทางด้านข้างผนัง) พึงสังเกตว่าการติดตั้ง burner จะเน้นไปตรงท่อต้นทาง (ที่ประกอบด้วยท่อเล็ก ๔ ท่อ) เพื่อทำให้สารตั้งต้นแตกตัวเป็นผลิตภัณฑ์โดยเร็ว และท่อด้านขาออก (ที่ประกอบด้วยท่อใหญ่เพียงท่อเดียว) ที่เป็นส่วนที่มีอัตราการไหลโดยปริมาตรที่สูง (ดังนั้นเวลารับความร้อนจึงสั้นกว่าด้านขาเข้า)

รูปที่ ๘ แสดงการออกแบบในส่วนของการนำความร้อนกลับ (ส่วน convection zone) ที่มีทั้งการอุ่นในสารตั้งต้นมีอุณหภูมิสูงขึ้น ใช้ในการอุ่นน้ำก่อนป้อนเข้าหม้อไอน้ำให้ร้อน (สาย BFW - Boiler feed water) และสายผลิตไอน้ำร้อนยิ่งยวด

การ blowdown นี้มีทั้งการทำอย่างต่อเนื่อง (ที่เรียกว่า continuous blowdown) เพื่อใช้ควบคุมปริมาณของแข็งที่ละลายอยู่ (ที่เรียกว่า Total dissolved solid หรือ TDS) และการ blowdown เป็นครั้งคราว (ที่เรียกว่า intermittent blowdown) ที่ทำเพื่อระบายผลิตภัณฑ์ที่สามารถทำให้เกิดการกัดกร่อนและของแข็งที่ตกตะกอนอยู่ภายใน
   

ในเอกสารการอบรมของบริษัท Lummus กล่าวไว้ว่าเพื่อให้การทำงานนั้นเป็นไปอย่างราบรื่น (เช่น ได้โอเลฟินส์ในปริมาณมาก ผลิตข้างเคียงในปริมาณต่ำ เกิด coke ต่ำ เดินเครื่องต่อเนื่องได้นานโดยไม่ต้องทำความสะอาดบ่อยครั้ง ฯลฯ) จำเป็นต้องมีการควบคุมพารามิเตอร์ต่อไปนี้ได้แก่

- อุณหภูมิแก๊สร้อนที่ออกมาจากขดท่อของ pyrolysis heater (เรียกว่า coil outlet temperature หรือ COT)

- อัตราส่วนระหว่างไอน้ำที่ใช้ในการเจือจางสายป้อนต่อปริมาณไฮโดรคาร์บอนที่ป้อนเข้าไป

- อัตราการให้ความร้อน

- ความดันด้านขาออกจากขดท่อของ pyrolysis heater (เรียกว่า coil outlet pressure)

- อัตราการ blowdown และ

- ประสิทธิภาพการเผาไหม้

ก่อนที่จะไปต่อ ขอปูพื้นฐานศัพท์ที่เกี่ยวข้องกับการเกิดปฏิกิริยาที่ใช้ในทางวิศวกรรมเคมีกันสักหน่อย (เพื่อให้ผู้ที่ไม่ได้เรียนมาทางด้านวิศวกรรมเคมีสามารถเข้าใจสิ่งที่จะเขียนต่อไป)

ค่า "Conversion" หรือค่าปริมาณการเกิดปฏิกิริยา คิดจากปริมาณสารตั้งต้นที่เกิดปฏิกิริยาต่อปริมาณสารตั้งต้นทั้งหมดที่ป้อนเข้าสู่ระบบ เช่นค่า conversion 70% หมายความว่าสารตั้งต้นที่ป้อนเข้าไปนั้นเกิดปฏิกิริยาไปเป็นผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ เพียง 70% อีก 30% ไม่เกิดปฏิกิริยา ค่า conversion 100% หมายว่าสารตั้งต้นที่ป้อนเข้าสู่ระบบนั้นเกิดปฏิกิริยาสมบูรณ์
   

ค่า "Selectivity" หรือค่าการเลือกเกิด คือสัดส่วนของผลิตภัณฑ์แต่ละชนิดที่เกิดขึ้นต่อปริมาณสารตั้งต้น "ที่ทำปฏิกิริยาไป" (ไม่ได้คิดจากสารตั้งต้นทั้งหมดป้อนเข้าระบบ เช่นป้อนสารตั้งต้นเข้าระบบ 100 หน่วย ทำปฏิกิริยาไป 80 หน่วย ได้ผลิตภัณฑ์ A 60 หน่วย ดังนั้น

ค่า conversion คือ 80/100 =0.8 หรือคิดเป็นเปอร์เซนต์ได้ = 80%

ค่า selectivity ของผลิตภัณฑ์ A คือ 60/80 = 0.75 หรือคิดเป็นเปอร์เซนต์ได้ = 75%
   

ค่า "Yield" หรือปริมาณผลิตภัณฑ์ที่ได้จริงต่อสารตั้งต้น "ทั้งหมด" ที่ป้อนเข้าสู่ระบบ ค่านี้เป็นผลคูณระหว่างค่า conversion และค่า selectivity ดังเช่นจากตัวอย่างที่ยกมาข้างบนจะได้ว่า

ค่า yield ของผลิตภัณฑ์ A = 0.8 x 0.75 = 0.6 หรือคิดเป็นเปอร์เซนต์ได้ 60%

ทีนี้เราลองมาพิจารณาประเด็นต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิที่เหมาะสมสำหรับการทำปฏิกิริยา

(ก) การเพิ่มอุณหภูมิแก๊สร้อนที่ออกมาจากขดท่อของ pyrolysis heater (COT) ทำให้ค่า conversion เพิ่มสูงขึ้น แต่ก็ตามมาด้วยการเกิด coke มากขึ้น (ผลิตภัณฑ์ที่ไม่เป็นที่ต้องการ ที่เป็นผลจากการสลายตัวของผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ) ซึ่งทำให้ต้องมีการหยุดการเดินเครื่องเพื่อกำจัด coke บ่อยครั้งขึ้น) และยังทำให้ปริมาณโพรพิลีนและบิวทาไดอีนที่ได้นั้นลดลงไปด้วย การเพิ่ม COT นั้นอาจทำโดยเพิ่มการให้ความร้อน หรือเพิ่มเวลารับความร้อน (ลดอัตราการไหลของสายป้อน)
   

ตรงนี้ต้องขออธิบายเพิ่มเติมนิดนึง อุณหภูมิของการเกิดปฏิกิริยาคืออุณหภูมิในขณะที่แก๊สไหลอยู่ในขดท่อ แต่เนื่องจากเราไม่สามารถวัดอุณหภูมิแก๊สใน radiation zone ได้ (อุณหภูมิภายนอกท่อสูงกว่าภายในต่อ อุปกรณ์วัดต้องเจอกับความร้อนสูงมาก) จึงต้องมาวัดอุณหภูมิแก๊สร้อนด้านขาออกแทน (บริเวณที่อุณหภูมิสิ่งแวดล้อมนอกท่อเย็นกว่าอุณหภูมิแก๊สภายในท่อ) กล่าวคือถ้าแก๊สที่ไหลออกมานั้นมีอุณหภูมิสูงก็แปลว่าอุณหภูมิแก๊สร้อนภายในขดท่อนั้นสูงตามไปด้วย
    

(ข) ค่า conversion ที่สูง จะลดภาระของหน่วยแยกสารตั้งต้นที่ยังไม่ทำปฏิกิริยาและผลิตภัณฑ์ออกจากกัน เพื่อนำสารตั้งต้นนั้นกลับมาใช้ใหม่ (ลดค่าใช้จ่าย) แต่ค่า selectivity ของผลิตภัณฑ์ที่ต้องการนั้นลดต่ำลง (ลดรายได้) แต่ที่ค่า conversion ต่ำ ภาระของหน่วยแยกสารตั้งต้นที่ยังไม่ทำปฏิกิริยาและผลิตภัณฑ์ออกจากกัน เพื่อนำสารตั้งต้นนั้นกลับมาใช้ใหม่จะมีมากขึ้น (เพิ่มค่าใช้จ่าย) แต่ค่า selectivity ของผลิตภัณฑ์ที่ต้องการนั้นสูง (มีการสูญเสียน้อย)

(ค) เอทิลีน โพรพิลีน และบิวทาไดอีน ต่างเป็นเป็นผลิตภัณฑ์ที่เป็นที่ต้องการของตลาด แต่ความต้องการและราคาขายนั้นแตกต่างกัน คำถามที่ตามมาก็คือควรจะได้ผลิตภัณฑ์เหล่านี้แต่ละตัวในสัดส่วนเท่าใดเพื่อให้ได้ปริมาณตรงกับความต้องการและได้รายรับมากที่สุด

(ง) ที่อุณหภูมิสูง สารตั้งต้นจะสลายตัวไปเป็นผลิตภัณฑ์ (ทั้งแบบที่ต้องการและไม่ต้องการ) ได้มาก (เรียกว่าได้กำลังการผลิตสูง) แต่จะเกิดผลิตภัณฑ์ที่ไม่ต้องการ (พวกไฮโดรคาร์บอนหนักและ coke) ใน "ปริมาณ" มาก คำว่า "ปริมาณ" ตรงนี้บางครั้งก็ต้องพิจารณาให้ดีว่าเป็นปริมาณที่เกิดขึ้น "ต่อหน่วยเวลา" หรือ "ต่อหน่วยสารตั้งต้นที่ทำปฏิกิริยาไป - คือค่า yield" สิ่งที่ทางวิศวกรรมเคมีต้องการคือถ้าเป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ เราต้องการได้ค่า yield ของผลิตภัณฑ์ที่ต้องการสูง โดยมีค่า yield ของผลิตภัณฑ์ที่ไม่ต้องการต่ำ

(จ) โดยปรกติแล้วปฏิกิริยา pyrolysis ของอีเทนนั้น ผลิตภัณฑ์แรกที่เกิดคือเอทิลีน จากนั้นเอทิลีนจะสลายตัวต่อไป ค่าการเลือกเกิดเอทิลีนจะมีค่ามากที่ค่า conversion ของอีเทนต่ำ (ค่า conversion คือค่าสัดส่วนของสารตั้งต้นที่ทำปฏิกิริยาไป ต่อปริมาณสารตั้งต้นที่ป้อนเข้าระบบ) และค่าการเลือกเกิดเอทิลีนจะไม่เพิ่มขึ้นที่ค่า conversion ของอีเทนสูง (ดูรูปที่ ๑ ใน Memoir ฉบับวันอังคารที่๙ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๙)
   

ปฏิกิริยา pyrolysis ของแนฟทาและโดยเฉพาะไฮโดรคาร์บอนหนักนั้นแตกต่างออกไป เพราะเอทิลีนไม่ได้เป็นผลิตภัณฑ์ตัวแรกที่เกิด ปฏิกิริยาเริ่มจากการตัดสายโซ่โมเลกุลไฮโดรคาร์บอนที่เป็นสายโซ่ยาวให้สั้นลงก่อน จากนั้นจึงค่อยตัดสายโซ่สั้นเหล่านั้นแตกออกเป็นเอทิลีนอีกทีหนึ่ง ดังนั้นถ้าอุณหภูมิต่ำเกินไป จะไม่สามารถทำให้สายโซ่สั้นที่เกิดขึ้นนั้นสลายตัวเป็นเอทิลีนได้ แต่ถ้าอุณหภูมิสูงเกินไปก็จะทำให้เอทิลีนสลายตัวต่อไปได้อีก

(ฉ) ในกรณีของการใช้อีเทนเป็นสารตั้งต้น การใช้อุณหภูมิต่ำจะได้เอทิลีนในปริมาณต่ำ และสามารถเดินเครื่องได้ต่อเนื่องยาวนานกว่า ดังนั้นถ้าคิดระยะเวลาจากเริ่มเดินเครื่องไปจนถึงการหยุดเดินเครื่องเพื่อกำจัด coke มันก็เกิดคำถามว่าอุณหภูมิใดจะให้ความคุ้มค่ามากที่สุด ช่วงระยะเวลาที่เดินเครื่องถือได้ว่าคือช่วงเวลาที่ก่อให้เกิดรายได้ ในขณะที่ช่วงระยะเวลาที่ต้องหยุดเดินเครื่องเพื่อกำจัด coke คือช่วงระยะเวลาที่เป็นรายจ่าย
    

ปริมาณผลิตภัณฑ์ที่ได้เป็นผลคูณระหว่างอัตราการเกิดผลิตภัณฑ์และระยะเวลาการเดินเครื่อง ที่อุณหภูมิสูง อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะมีค่าสูงแต่ระยะเวลาการเดินเครื่องจะมีค่าต่ำ ที่อุณหภูมิต่ำ อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะมีค่าต่ำแต่ระยะเวลาการเดินเครื่องจะมากกว่า คำถามที่ตามมากก็คือสมมุติว่าในรอบระยะเวลาการผลิตที่เท่ากันเช่น 1 ปี ถ้าใช้อุณหภูมิสูงต้องมีการหยุดเดินเครื่องเพื่อกำจัด coke 5 ครั้ง แต่ถ้าใช้อุณหภูมิต่ำจะมีการหยุดเดินเครื่องเพื่อกำจัด coke 4 ครั้ง แล้วการทำงานรูปแบบไหนจะให้ผลตอบแทนที่สูงกว่ากัน

แต่ทั้งนี้อุณหภูมิที่ใช้จะต้องไม่เกินความสามารถของโลหะที่ใช้ทำท่อที่สามารถทนได้

แค่พารามิเตอร์แรกก็คงจะพอมองเห็นแล้วนะครับว่าการหาจุดที่ "เหมาะสม" ของการทำงานนั้น มันจำเป็นหาความสมดุลของเงื่อนไขต่าง ๆ มากมายแค่ไหน เรื่องนี้ยังมีต่ออีก ยังไม่จบง่าย ๆ

รูปที่ ๙ ตัวอย่าง Process flow diageram (PFD) ของกระบวนการนำความร้อนกลับ รูปนี้เป็นของกระบวนการที่ใช้แนฟทาเป็นวัตถุดิบ กระบวนการที่ใช้อีเทนเป็นวัตถุดิบก็มีองค์ประกอบในทำนองเดียวกัน