รู้ทันนักวิจัย (๗) บน simulation ทุกอย่างเป็นไปได้หมด (ภาค ๓) MO Memoir : Sunday 9 July 2560

บทความชุดนี้ไม่ได้เขียนให้นักวิจัยอ่านนะครับ แต่เขียนให้คนที่ต้องทำงานเกี่ยวข้องกับนักวิจัยอ่าน

"Garbage in, garbage out" เป็นคำกล่าวเปรียบเปรยที่มีในวงการคอมพิวเตอร์มานานแล้วครับ มันเป็นการเปรียบเทียบผลที่คอมพิวเตอร์คำนวณได้กับข้อมูลที่ป้อนเข้าไป ถ้าคุณป้อนข้อมูลที่เป็นขยะ (คือไม่ได้เรื่อง) เข้าไป มันก็ไม่แปลกหรอกครับที่จะได้ผลลัพธ์ (output) ที่เป็นขยะออกมาเช่นกัน 
  

พักหลังนี้มีงานวิจัยทางด้าน simulation ออกมาเยอะมาก ส่วนหนึ่งคงเป็นเพราะมันลงทุนแค่ซอร์ฟแวร์กับฮาร์ดแวร์นิดหน่อย จากนั้นก็ใช้จินตนาการที่มีอยู่สร้างแบบจำลองออกมา แล้วก็ทำการปรับเปลี่ยนพารามิเตอร์ต่าง ๆ เพื่อดูว่าผลลัพธ์จะเป็นอย่างไร สิ่งที่มักพบเห็นทั่วไปคือผู้นำเสนอไม่ค่อยให้รายละเอียดของโครงสร้างแบบจำลอง แต่มักเน้นไปที่การให้เหตุผลอธิบายผลลัพธ์ที่ได้เมื่อทำการปรับพารามิเตอร์ต่าง ๆ
 

ทั้ง ๆ ที่ในความเป็นจริงนั้น ถ้าพบว่าแบบจำลองมันไม่อิงอยู่บนพื้นฐานความเป็นจริง ผมว่างานวิจัยนั้นมันก็จบตั้งแต่ตรงนั้นแล้ว

๑. การละลายของแก๊สในของเหลว

การออกซิไดซ์ในเฟสของเหลว (liquid phase oxidation) เป็นการทำปฏิกิริยารูปแบบหนึ่งที่มีปรากฏในกระบวนการผลิตทางวิศวกรรมเคมีหลายกระบวนการ ในอุตสาหกรรมนั้นนิยมใช้อากาศ (O₂ 21%) เป็นตัวออกซิไดซ์ เพราะมันไม่ต้องลงทุนจัดหา ทำเพียงแค่กรองมันให้สะอาดก่อนนำไปใช้ก็พอ แต่การใช้อากาศก็มีข้อเสียคือ มันไม่ค่อยว่องไวในการทำปฏิกิริยา ทำให้มักต้องใช้อุณหภูมิในการทำปฏิกิริยาที่สูงกว่าอุณหภูมิห้อง (ซึ่งอาจส่งผลให้ต้องเพิ่มความดันระบบเพื่อคงสารตั้งต้นให้คงอยู่ในสถานะของเหลว) และมันละลายเข้าไปในของเหลว (ที่มีสารตั้งต้นละลายอยู่) ได้น้อย

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยา liquid phase oxidation (สารตั้งต้นเป็นของของเหลว) ด้วยแก๊สที่มีออกซิเจนผสม เกิดขึ้นใน REACTOR จากนั้นจึงทำการลดความดันแล้วแยกแก๊สออกจากของเหลวที่ flash drum (FLASH 2)
 

รูปที่ ๑ เป็นแบบจำลองกระบวนการการออกซิไดซ์สารตั้งต้นตัวหนึ่งที่ละลายอยู่ในเฟสของเหลว (ในที่นี้คือน้ำ) ด้วยการใช้แก๊สผสมที่มีสัดส่วน N₂ ต่อ O₂ แตกต่างกัน สารตั้งต้นได้รับการปรับค่าพีเอชก่อนด้วยสารละลาย NaOH ก่อนป้อนเข้าสู่ถังปฏิกรณ์ (ชนิดถังปั่นกวน) แก๊สผสมระหว่าง N₂ และ O₂ ถูกป้อนเข้าถังปฏิกรณ์โดยใช้คอมเพรสเซอร์ ปฏิกิริยาเกิดขึ้นภายใต้ความดันสูงกว่าความดันบรรยากาศและที่อุณหภูมิที่สูงกว่าอุณหภูมิห้อง สายผลิตภัณฑ์ที่ออกจากถังปฏิกรณ์จะไหลผ่านวาล์วลดความดันก่อนเข้าสู่ถังแยก (gas-liquid separator) ที่แยกส่วนที่เป็นของเหลวและแก๊สออกจากกันด้วยกระบวนการ flash (ถังที่ใช้ในกระบวนการแยกแบบนี้มีชื่อว่า flash drum การแยกแบบนี้อาศัยหลักที่ว่าที่อุณหภูมิหนึ่งและความดันค่าหนึ่ง ถ้าเราลดความดันเหนือผิวของเหลวให้ต่ำลง องค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่ำที่อยู่ในของเหลวนั้นจะระเหยกลายเป็นไอออกมามากกว่าองค์ประกอบที่มีจุดเดือดสูง ทำให้สัดส่วนองค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่ำในเฟสของเหลวนั้นลดต่ำลง)

สังเกตเห็นอะไรแปลก ๆ ในกระบวนการนี้ไหมครับ ถ้านึกไม่ออกก็ขอบอกคำใบ้ให้นิดนึง เคยเห็นเขาปั๊มอากาศให้กับตู้เลี้ยงปลาไหมครับ นั่นแหละครับ ประเด็นที่อยากชี้ให้ดูมันอยู่ตรงนี้

การละลายของออกซิเจนเข้าไปในของเหลว (ไม่ว่าจะมีขั้วหรือไม่มีขั้วก็ตาม) มันไม่ดีอยู่แล้วครับ ยิ่งอุณหภูมิสูงก็ยิ่งละลายได้น้อยลง ในถังปฏิกรณ์การออกซิไดซ์ในเฟสของเหลวนี้ อากาศจะถูกป้อนเข้าทางด้านล่างของถัง และลอยขึ้นสู่ผิวหน้าของเหลว ในช่วงที่ฟองอากาศลอยขึ้นนี้ ออกซิเจนบางส่วน (เรียกได้ว่าส่วนน้อย) จะลายลายเข้าไปในเฟสของเหลวและทำปฏิกิริยากับสารตั้งต้นที่ละลายอยู่ในเฟสของเหลว (หรืออาจเกิดที่ผิวสัมผัสระหว่างฟองอากาศกับเฟสของเหลวด้วยก็ได้) ดังนั้นอากาศส่วนใหญ่ที่ป้อนเข้าไปจะลอยขึ้นสู่ด้านบนของถังปฏิกรณ์ ก่อนเข้าสู่เครื่องควบแน่น (หรืออุปกรณ์ใด ๆ) ที่ทำหน้าที่ดักไอระเหยของของเหลวที่ลอยติดไปกับอากาศที่ระบายออกทางด้านบนของถังปฏิกรณ์
 

นั่นคือสิ่งหนึ่งที่แบบจำลองดังกล่าวขาดหายไป คือเส้นทางการระบายอากาศที่ใช้ในการออกซิไดซ์นั้นออกทางด้านบนของถังปฏิกรณ์ และการที่ควรมีเครื่องควบแน่น (หรืออุปกรณ์ใด ๆ) ที่ทำหน้าที่ดักไอระเหยของของเหลวที่ลอยติดไปกับอากาศที่ระบายออกทางด้านบนของถังปฏิกรณ์อยู่บนเส้นทางนี้ด้วย การหายไปของอุปกรณ์ดักแยกไอระเหยของของเหลวนี้มันส่งผลต่อการคำนวณค่าพลังงานที่ต้องใช้ในกระบวนการผลิต เพราะมันทำให้ได้ตัวเลขต่ำกว่าความเป็นจริง และด้วยการที่ปรกติอากาศก็ละลายเข้าไปในเฟสน้ำได้น้อยอยู่แล้ว ดังนั้นจึงเกิดอีกคำถามตามมาว่า การมี flash drum (ซึ่งต้องมี pressure reducing valve ด้วย) จำเป็นหรือไม่
 

การผสมกันในถังปฏิกรณ์ที่มีทั้งการใช้ใบพัดกวนและฟองอากาศที่ผุดขึ้นจากทางเบื้องล่างนั้นจะรุนแรง คือจะว่าไปแล้วฟองอากาศมันไม่ได้ลอยขึ้นสู่ผิวบนโดยตรงซะทีเดียว มันมีสิทธิที่จะถูกเหวี่ยงให้ลอยลงล่างได้เช่นกัน และด้วยการที่ปั๊มส่วนใหญ่ที่ใช้ในโรงงานนั้นจะเป็นปั๊มหอยโข่ง (ที่ไม่ถูกชะตากับของเหลวที่มีแก๊สปะปน) ดังนั้นจึงจำเป็นต้องทำให้ของเหลวที่ออกจากถังปฏิกรณ์ไม่มีฟองอากาศปะปน
 

วิธีการหนึ่งที่ใช้แยกฟองอากาศ (หรือฟองแก๊สใด ๆ) ออกจากของเหลวคือการให้ของเหลวนั้นอยู่อย่าง (ค่อนข้าง) สงบนิ่งในถังพักเพื่อให้ฟองอากาศที่ปะปนอยู่ในเฟสของเหลวนั้นมีเวลาลอยขึ้นสู่ด้านบน กล่าวคือแทนที่จะสูบของเหลวจากถังปฏิกรณ์โดยตรง ก็ให้ของเหลวในถังปฏิกรณ์ไหลเข้าสู่ถังพัก (ที่มีขนาดเล็กและไม่มีการปั่นกวนใด ๆ) ก่อน ในการนี้ไม่มีความจำเป็นใด ๆ ที่ต้องลดความดันภายในถังพักให้ต่ำกว่าความดันในถังปฏิกรณ์
 

อีกจุดหนึ่งที่ผมติดใจแต่หาคำอธิบายไม่ได้ก็คือ การแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างสายสารตั้งต้นที่เป็นของเหลวกับสายอากาศ (ที่มาจากคอมเพรสเซอร์) ที่ทั้งสองสายต่างก็ป้อนเข้าถังปฏิกรณ์เดียวกัน ว่าทำไปทำไม เพราะท้ายที่สุดแล้วมันก็เข้าไปผสมกันโดยตรงในถังปฏิกรณ์อยู่แล้ว ตรงนี้มันต่างไปจากกรณีการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างสายด้าน "ขาออก" กับสายด้าน "ขาเข้า"

๒. แก๊สไหลจากด้านความดันต่ำไปด้านความดันสูง

เริ่มต้นด้วยสารตั้งต้นตัวเดียวกัน ต้องการผลิตภัณฑ์ตัวเดียวกัน กระบวนการใดจะเหมาะสมกว่าก็มักต้องตัดสินกันที่ "พลังงาน" ที่ต้องใช้ในการผลิต แม้ว่าอาจมีบางครั้งที่ชนิดวัสดุที่ต้องใช้ในการผลิตอุปกรณ์จะเป็นตัวตัดสินก็ตาม และหน่วยการผลิตหลักที่มีการใช้พลังงานมากที่ควรต้องนำมาพิจารณาเห็นจะได้แก่ หน่วยให้ความร้อน หน่วยทำความเย็น (ที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิที่น้ำหล่อเย็นทำได้) และหน่วยเพิ่มความดันให้กับแก๊ส
 

รูปที่ ๒ ข้างล่างเป็นแบบจำลองกระบวนการแยกสารที่เริ่มจากการใช้การสกัดด้วยตัวทำละลายที่มีจุดเดือดต่ำ จากนั้นจึงแยกตัวทำละลายออกจากสารที่สกัดได้โดยใช้กระบวนการ flash เพื่อลดปริมาณตัวทำละลายในของเหลวก่อนนำเอาของเหลวที่เหลือไปทำให้บริสุทธิ์ต่อด้วยการตกผลึก ส่วนไอระเหยของตัวทำละลายที่ได้ถูกนำกลับไปใช้ในกระบวนการสกัดใหม่ ปัญหาของแบบจำลองนี้มันอยู่ตรงนี้แหละครับ คือการที่เอาไอระเหยของตัวทำละลายที่มีความดันต่ำ ป้อนกลับไปผสมกับตัวทำละลาย (ที่เป็นของเหลวที่ป้อนเข้ามาชดเชย) ที่อยู่ในระบบที่มีความดันสูงกว่า (สาย R-EA1 และ R-EA2) จะเห็นนะครับว่าเขาป้อนมันกลับไปดื้อ ๆ เลยโดยไม่จำเป็นต้องมีระบบเพิ่มความดันให้กับสายดังกล่าว

ตู้เย็น นำกลับไอสารทำความเย็นที่ความดันต่ำด้วยการให้คอมเพรสเซอร์ดูดไอสารทำความเย็นความดันต่ำโดยตรง อัดให้มีความดันสูงขึ้น จากนั้นจึงค่อยส่งเข้าคอยล์ร้อน (condenser) เพื่อควบแน่นให้กลายเป็นของเหลวความดันสูง
 

กังหันไอน้ำใช้วิธีควบแน่นไอน้ำความดันต่ำให้กลายเป็นของเหลวก่อน จากนั้นจึงค่อยปั๊มของเหลวความดันต่ำนั้นให้กลายเป็นของเหลวความดันสูง
 

ใครเป็นวิศวกรเคมีหรือวิศวกรเครื่องกลตอบคำถามนี้ได้ไหมครับ ทำไมสองกรณีนี้จึงใช้วิธีการไม่เหมือนกัน ทั้ง ๆ ที่สุดท้ายที่ได้ต่างก็เป็นของเหลวที่ความดันสูงเหมือนกัน

รูปที่ ๒ การส่งกลับไอ solvent ที่แยกออกจากของเหลวที่ flash drum (FLASH 4 และ FLASH 5) ไปผสมกับ fresh solvent (ของเหลว) เพื่อนำกลับไปใช้ในกระบวนการสกัดใหม่ 
  

คิดเทียบที่มวลเท่ากันและความดันที่เพิ่มเท่ากัน การเพิ่มความดันให้กับของเหลวใช้พลังงานน้อยกว่าแก๊ส ในกรณีของไอสารทำความเย็นนั้น เราไม่สามารถควบแน่นมันให้กลายเป็นของเหลวได้ที่อุณหภูมิห้องถ้าหากมันมีความดันไม่สูงมากพอ ในกรณีนี้จึงต้องใช้คอมเพรสเซอร์ดูดไอสารทำความเย็นและอัดให้มีความดันสูงโดยตรง ในระหว่างกระบวนการอัดไอสารทำความเย็นจะมีอุณหภูมิสูงขึ้น แต่เมื่อคายความร้อนให้กับอากาศภายนอกก็จะควบแน่นเป็นของเหลว 
  

ส่วนในกรณีของไอน้ำความดันต่ำที่ออกมาจากกังหันไอน้ำนั้น แม้ว่ามันจะมีอุณหภูมิสูงกว่าจุดเดือดที่ความดันนั้นก็ตาม แต่ถ้าเราอัดเพิ่มความดันให้กับไอน้ำความดันต่ำนั้น ไอน้ำความดันต่ำนั้นก็มีสิทธิควบแน่นเป็นของเหลวในคอมเพรสเซอร์ในระหว่างกระบวนการอัดได้ ซึ่งไม่ใช่เรื่องดี แต่เราสามารถใช้น้ำหล่อเย็นที่อุณหภูมิห้องทำให้ไอน้ำนั้นควบแน่นเป็นของเหลวได้ นอกจากนี้การที่ไอน้ำควบแน่นเป็นของเหลวที่เครื่องควบแน่น ทำให้เกิดสุญญากาศที่เครื่องควบแน่น ความดันด้านขาออกของกังหันไอน้ำจึงต่ำ ไอน้ำความดันสูงจึงสามารถไหลเข้ากังหันไอน้ำได้สะดวก
 

พลังงานที่ต้องใช้ในการส่งของเหลวและ/หรือไอจากหน่วยผลิตหนึ่งไปยังอีกหน่วยผลิตหนึ่งนั้นมักจะไม่ค่อยนำมารวมไว้ในการสร้างสมการดุลพลังงาน เว้นแต่ว่าเป็นกระบวนการที่เกิดปฏิกิริยาในเฟสแก๊สที่ความดันสูง หรือเกี่ยวข้องกับการทำให้ผลิตภัณฑ์ที่เป็นแก๊สนั้นมีความดันสูงขึ้น เพื่อที่จะทำให้ควบแน่นได้ง่ายขึ้นโดยไม่ต้องใช้อุณหภูมิที่ต่ำมาก (เช่นในกระบวนการผลิตเอทิลีน ที่ต้องหาจุดสมดุลระหว่างพลังงานที่ใช้ในการอัดแก๊ส และพลังงานที่ต้องใช้ในการทำความเย็น) ยิ่งถ้าเป็นกรณีที่ผลต่างพลังงานที่ใช้นั้นไม่ได้แตกต่างกันมาก การมี/ไม่มีการพิจารณาพลังงานที่ต้องใช้ในการส่งของเหลว/แก๊สจากหน่วยหนึ่งไปยังอีกหน่วยหนึ่งนั้น สามารถทำให้ข้อสรุปนั้นเปลี่ยนไปเป็นอย่างอื่นได้

ปิดท้ายที่ว่างหน้ากระดาษด้วยรูปกองเชียร์ผู้ที่สอบไปเมื่อบ่ายวันพฤหัสบดีที่ผ่านมาก็แล้วกันครับ เพราะปีหน้าก็จะเป็นเวลาของพวกเขาสองคนนี้แล้ว