ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๑๗ Ethylene fractionation section MO Memoir : Thursday 6 October 2559

หน้าที่หลักของหน่วยนี้คือทำการแยกสายป้อน C2 ที่มาจาก acetylene removal unit ออกเป็น
 

ก) ผลิตภัณฑ์เอทิลีนเพื่อนำไปเก็บหรือส่งต่อให้กับลูกค้าต่อไป

ข) ผลิตภัณฑ์ก้นหอ ได้แก่อีเทน (ที่มีเอทิลีนปนอยู่ไม่เกิน 1%) เพื่อส่งกลับไปไปยัง pyrolysis section เพื่อเปลี่ยนให้เป็นเอทิลีนใหม่

ค) แก๊สที่ไม่ควบแน่น (vent gas) ที่ประกอบด้วย มีเทน คาร์บอนมอนออกไซด์ และอะเซทิลีนที่หลงเหลือจากการทำปฏิกิริยาเป็นส่วนใหญ่ ที่จะถูกส่งกลับไปยัง charge gas compressor เพื่อนำกลับเอทิลีน และ

ง) ของเหลวที่ดึงออกจาก tray ที่ 89 mที่ส่งย้อนกลับไปยัง acetylene removal unit เพื่อใช้ในการดูดซับ green oil (ตรงนี้ฝากไปคิดเล่น ๆ ก็แล้วกันว่าถ้าเป็นตอนเริ่มเดินเครื่องโรงงานครั้งแรก จะเอาอีเทนจากไหนไปใช้ในการดูดซับ green oil)

การกลั่นแยกผลิตภัณฑ์ C2 เกิดขึ้นในหอกลั่นที่มีจำนวน tray ประมาณ 122 tray ทำงานที่ความดันที่ทำให้ส่วนที่เป็นไอยอดหอสามารถควบแน่นได้ที่อุณหภูมิ -40ºC (อุณหภูมิต่ำสุดที่ระบบ propylene refrigerant สามารถทำได้ในทางปฏิบัติ) แผนผังอย่างง่ายของหน่วยนี้แสดงไว้ในรูปที่ ๑ ส่วนรูปที่ ๒ และ ๓ เป็นแผนผังที่มีรายละเอียดเพิ่มเติม
 

ระบบนี้ดึงเอาผลิตภัณฑ์เอทิลีนออก ณ ตำแหน่งประมาณ tray ที่ 11 ไม่ได้ดึงออกเป็นผลิตภัณฑ์ยอดหอโดยตรง ทั้งนี้เพื่อลดการปนเปื้อนจาก มีเทน คาร์บอนมอนออกไซด์ และอะเซทิลีน (พวกมีจุดเดือดต่ำกว่า) แก๊สที่ออกทางยอดหอจะถูกควบแน่นด้วยระบบ propylene refrigerant (ที่อุณหภูมิ -40ºC) ของเหลวที่ควบแน่นจะถูกส่งเป็นสาร reflux ป้อนกลับไปยังหอกลั่นใหม่ ส่วนที่เป็นแก๊สที่เหลืออยู่จะถูกลดอุณหภูมิอีกครั้งด้วยระบบ ethylene refrigerant (ที่อุณหภูมิ -53ºC) เพื่อการนำกลับเอทิลีน แก๊สที่เหลืออยู่ที่ประกอบด้วย มีเทน คาร์บอนมอนออกไซด์ และอะเซทิลีน เป็นส่วนใหญ่จะถูกระบายออกเป็น vent gas ไป 
  

มีการให้ความร้อนที่จำเป็นสำหรับการกลั่นอยู่สองตำแหน่งด้วยกันคือ หม้อต้มซ้ำด้านข้าง (side reboiler ที่ดึงเอาของเหลวที่ tray 101 บางส่วนมาให้ความร้อน) และหม้อต้มซ้ำก้นหอ (bottom reboiler) ความร้อนที่ให้เหล่านี้ก็เพื่อการระเหยเอทิลีนออกจากอีเทน

เอทิลีนที่กลั่นได้ควรมี มีเทน ไม่เกิน 111 ppm (โดยปริมาตร) อะเซทิลีนไม่เกิน 1 ppm (โดยปริมาตร) และอีเทนไม่เกิน 388 ppm (โดยปริมาตร) ส่วนอีเทนที่เป็นผลิตภัณฑ์ก้นหอนั้นควรมี เอทิลีนไม่เกิน 1 vol% และมีน้ำและผลิตภัณฑ์ C4 รวมกันไม่เกิน 5000 ppm (vol%) 
  

อัตราการป้อนสาย reflux กลับไปยังหอกลั่นใหม่ยังใช้เป็นตัวควบคุมความเข้มข้นของอีเทนที่ปะปนอยู่ในผลิตภัณฑ์เอทิลีน กล่าวคือถ้าพบว่าผลิตภัณฑ์เอทิลีนที่ได้นั้นมีอีเทนปนเปื้อนมากเกินไป ก็ให้เพิ่มอัตราการไหลของสาย reflux นี้ก่อน แต่ถ้าเพิ่มอัตราการไหลจนเต็มที่แล้วก็ยังมีปัญหาอยู่ ก็ให้ลดปริมาณความร้อนที่ให้ที่ reboiler ส่วนการควบคุมเอทิลีนที่ยังหลงเหลืออยู่ในผลิตภัณฑ์อีเทนก้นหอจะใช้การเพิ่มความร้อนที่ให้กับ bottom reboiler ก่อน ถ้าพบว่ายังไม่พอก็จะใช้การเพิ่มความร้อนที่ side reboiler เข้าช่วย
 

สาร C2 ที่เข้ามายังหน่วยกลั่นแยกนี้ยังมีน้ำละลายปะปนอยู่ในปริมาณเล็กน้อย เพียงส่วนน้อยของน้ำปนเปื้อนนี้ที่ออกไปพร้อมกับผลิตภัณฑ์อีเทนก้นหอ ทำให้มีโอกาสที่จะมีน้ำสะสมอยู่ในหอกลั่นและทำให้หอกลั่นอุดตันเนื่องจากการแข็งตัวเป็นน้ำแข็งของน้ำที่สะสมนี้ได้ การแก้ปัญหาทำได้ด้วยการฉีดเมทานอล (methanol - CH₃OH) เข้าไปเพื่อละลายน้ำแข็งที่เกิดขึ้นดังกล่าว (ตรงเหนือ tray ที่ 89 ในรูปที่ ๑) การตรวจสอบว่ามีการอุดตันเนื่องจากการเกิดน้ำแข็งหรือไม่ทำได้ด้วยการวัดผลต่างความดันระหว่างยอดหอกับก้นหอ (คือถ้ามีการอุดตัน ผลต่างความดันจะเพิ่มสูงขึ้น โดยปรกติความดันที่ก้นหอกลั่นจะสูงกว่าที่ยอดหอกลั่น)
 

ผลิตภัณฑ์อีเทนที่มีเมทานอลปนอยู่ที่ออกทางก้นหอ จะถูกทำให้ระเหยกลายเป็นไอด้วย vaporizer เพื่อส่งกลับไปยัง pyrolysis heater ใหม่ ในระหว่างการระเหยอีเทนนี้ เมทานอล (มีจุดเดือดสูงกว่า) ที่ปะปนอยู่จะยังคงเป็นของเหลวตกค้างอยู่ใน vaporizer ได้ และถ้ามีเมทานอลที่เป็นของเหลวนี้ค้างอยู่ใน vaporizer ก็ต้องทำการระบายออก

การกลั่นเป็นกระบวนการแยกสารโดยอาศัยจุดเดือดที่แตกต่างกัน สำหรับสารประกอบไฮโดรคาร์บอนนั้นเนื่องจากเป็นโมเลกุลที่ไม่มีขั้ว ดังนั้นจุดเดือดของสารจะขึ้นอยู่กับน้ำหนักโมเลกุลของแต่ละสารเป็นหลัก ในกรณีของสารประกอบที่มีจำนวนอะตอม C เท่ากัน แต่จำนวนอะตอม H ต่างกัน (เช่นกรณีของอีเทนกับเอทลีนในที่นี้) น้ำหนักโมเลกุลจะแตกต่างกันไม่มาก ทำให้สารทั้งสองมีจุดเดือดใกล้เคียงกัน การกลั่นแยกออกจากกันอย่างสมบูรณ์ (หรือเกือบสมบูรณ์ จะทำได้ยากขึ้น ต้องใช้หอกลั่นที่มีจำนวน tray ที่มาก แต่การเปลี่ยนความดันก็สามารถทำให้ความแตกต่างของจุดเดือดเปลี่ยนแปลงได้
 

เช่นที่ความดันบรรยากาศ อีเทนมีจุดเดือด -88.5ºC ส่วนเอทิลีนมีจุดเดือด -103.7ºC หรือต่างกันอยู่ 15.2ºC แต่ถ้าเพิ่มความดันเป็น 7600 mmHg (ความดันสัมบูรณ์) จุดเดือดของอีเทนจะเป็น -32.0ºC ส่วนจุดเดือดของเอทิลีนจะเป็น -52.8ºC หรือต่างกัน 20.8ºC และถ้าเพิ่มความดันเป็น 30400 mmHg (ความดันสัมบูรณ์) จุดเดือดของอีเทนจะเป็น 23.6ºC ส่วนจุดเดือดของเอทิลีนจะเป็น -1.5ºC หรือต่างกัน 25.1ºC

แต่จะว่าไปแล้วเมื่อเทียบกับการกลั่นแยกโพรพิลีน-โพรเพน การกลั่นแยกเอทิลีน-อีเทนนี่ง่ายกว่าเยอะ

หมายเหตุ ข้อมูลจุดเดือดของอีเทนและเอทิลีนที่ความดันต่าง ๆ นำมาจาก

สำหรับอีเทน https://en.wikipedia.org/wiki/Ethane_(data_page)

สำหรับเอทิลีน https://en.wikipedia.org/wiki/Ethylene_(data_page)

รูปที่ ๑ แผนผังอย่างง่ายของหน่วย ethylene fractionation section

รูปที่ ๒ แผนผังแสดงรายละเอียดเพิ่มเติมของหน่วย ethylene fractionation section

รูปที่ ๓ แผนผังแสดงรายละเอียดเพิ่มเติมของหน่วย ethylene fractionation section (ต่อจากรูปที่ ๒)