การแยกแก๊สธรรมชาติด้วยกระบวนการดูดซึม (Natural gas separation by absorption process) MO Memoir : Saturday 14 April 2561

การแยกแก๊สด้วยการดูดซึม (Absorption) อาศัยค่าการละลายที่แตกต่างกันของแก๊สในของเหลว เมื่อให้แก๊สผสมสัมผัสกับของเหลว แก๊สตัวที่ละลายได้ดีกว่าจะย้ายจากเฟสแก๊สเข้าไปอยู่ในเฟสของเหลว ดังนั้นแก๊สที่หลงเหลือจากการสัมผัสจะมีความเข้มข้นของตัวที่ละลายในของเหลวได้น้อยกว่าเพิ่มขึ้น ส่วนของเหลวตัวที่ดูดซึมแก๊สเอาไว้จนอิ่มตัวนั้นจะถูกนำไปให้ความร้อน เพื่อให้แก๊สที่ละลายอยู่นั้นหลุดออกมาจากของเหลว และสามารถนำของเหลวนั้นกลับไปใช้ในการดูดซึมแก๊สได้ใหม่ แผนผังอย่างง่ายของกระบวนการดังกล่าวแสดงไว้ในรูปที่ ๑ ข้างล่าง

รูปที่ ๑ แผนผังอย่างง่ายของกระบวนการแยกแก๊สด้วยการดูดซึม (Absorption process) ในกรณีของการใช้ความดันสูงเพื่อให้เกิดการดูดซึมได้ดีนั้น อาจมีการใช้ flash drum เพื่อช่วยในการระบายแก๊สออกจากของเหลวบางส่วนก่อนก็ได้

การดูดซึมนั้นอาจใช้เพียงแค่ความสามารถในการละลายของแก๊สในของเหลว (เช่นในกรณีของไฮโดรคาร์บอน C₁ - C₄ กับไฮโดรคาร์บอนที่เป็นของเหลว) หรืออาศัยการทำปฏิกิริยาระหว่างแก๊สกับของเหลว (เช่นในกรณีของการแยก CO₂ และ H₂S ออกจากแก๊สธรรมชาติ ที่ใช้สารละลายเบสเป็นตัวจับแก๊สกรด) เรื่องการแยก CO₂ และ H₂S ด้วยกระบวนการดูดซึมนั้นเคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๘ ฉบับที่ ๑๐๙๒ วันจันทร์ที่ ๗ ธันวาคม ๒๕๕๘ เรื่อง "การกำจัด CO2 และ H2S ด้วยกระบวนการ Hot Potassium Carbonate Absorption" และฉบับที่ ๑๐๙๔ วันศุกร์ที่ ๑๑ ธันวาคม ๒๕๕๘ เรื่อง "การกำจัด CO2 และ H2S ด้วยกระบวนการเอมีน (Amine gas treating process)"
 

การจำแนกแก๊สธรรมชาติมีเกณฑ์ที่ใช้กันทั่วไปอยู่ ๒ เกณฑ์ด้วยกัน เกณฑ์แรกคือดูจากไฮโดรคาร์บอนที่เป็นองค์ประกอบของแก๊ส ถ้าหากมีแต่มีเทน (methane CH₄) เป็นหลักก็จะเรียกว่าเป็น dry gas หรือแก๊สแห้ง แต่ถ้ามีไฮโดรคาร์บอนตัวอื่นที่หนักกว่ามีเทนปนอยู่ด้วยในปริมาณที่มีนัยสำคัญ ก็จะเรียกว่าเป็น wet gas หรือแก๊สเปียก เกณฑ์ที่สองจะดูว่ามีแก๊สกรดพวก CO₂ และ/หรือ H₂S ปนอยู่ด้วยหรือไม่ ถ้ามีแก๊สกรดเหล่านี้ปนอยู่ก็จะเรียกว่าเป็น sour gas แต่ถ้าไม่มีแก๊สกรดเหล่านี้ปนอยู่ก็จะเรียกว่าเป็น sweet gas ตัวอย่างเช่นแก๊สธรรมชาติในอ่าวไทยที่เรานำมาใช้นั้นประกอบด้วยไฮโดรคาร์บอนที่เป็นแก๊สตั้งแต่ C1 ไปจนถึง C4 และยังมีพวกที่เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องติดมาด้วย จึงถือว่าเป็น wet gas นอกจากนี้ยังมี CO₂ และ H₂S ปนมาด้วย จึงจัดว่าเป็น sour gas ด้วย องค์ประกอบเหล่านี้ส่งผลต่อการนำแก๊สไปใช้งาน เช่นถ้าเป็น wet gas ก็มักจะมีการแยกเอาไฮโดรคาร์บอนหนักออกจากมีเทนก่อน เพื่อเอาไปใช้ทำประโยชน์อย่างอื่น (เช่นใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตโอเลฟินส์หรือแก๊สหุงต้ม) และถ้า wet gas นั้นมีแก๊สกรดปนอยู่ด้วยก็ต้องทำการกำจัดแก๊สกรดออกก่อนที่จะทำการแยกแก๊ส

(ของเหลวที่มากับแก๊สธรรมชาติมีชื่อเต็มว่า natural gas condensate แต่มักเรียกกันสั้น ๆ ว่า condensate แต่บางทีก็เรียกว่า natural gasoline (NGL) เพราะมีจุดเดือดอยู่ในช่วงน้ำมันแก๊สโซลีน ในกรณีของบ้านเรานั้น condensate จะถูกแยกออกจากแก๊สที่แท่นกลางทะเล ไม่ได้ถูกส่งขึ้นบก)

วิธีการหลักที่ใช้แยกแก๊สธรรมชาติที่เป็น wet gas ในปัจจุบันเห็นจะได้แก่การกลั่น (distillation) ที่อาศัยจุดเดือดที่แตกต่างกัน แต่ในอดีตนั้นก็มีการใช้การดูดซึม (absorption) ด้วยไฮโดรคาร์บอนเหลว เพื่อดึงเอาแก๊ส C₂ - C₄ ออกจากมีเทน ตัวอย่างหนึ่งของโรงงานที่ใช้กระบวนการนี้ได้แก่โรงงานของบริษัท Esso ที่เมือง Longford ประเทศออสเตรเลีย ที่เกิดการระเบิดเมื่อหลังเที่ยงของวันศุกร์ที่ ๒๕ กันยายน พ.ศ. ๒๕๔๑ นั้น โดยเหตุการณ์ดังกล่าวเกี่ยวข้องกับการทำงานของหอดูดซับ (Absorption column) ที่ใช้ในการแยกไฮโดรคาร์บอนตั้งแต่ C₂ ขึ้นไปออกจากมีเทน จึงขอยกเอามาเป็นตัวอย่างเล่าสู่กันฟังในวันนี้เพื่อเป็นการปูพื้นฐานในการทำความเข้าใจอุบัติเหตุดังกล่าว รายละเอียดต่าง ๆ นำมาจากรายงานการสอบสวนสาธารณะที่เล่าไว้ใน Memoir ฉบับเมื่อวันพุธที่ ๑๑ เมษายนที่ผ่านมา
 

แก๊สธรรมชาติในที่โรงงานดังกล่าวรับมานั้นประกอบด้วยส่วนที่เป็นแก๊สที่ประกอบด้วยไฮโดรคาร์บอน C₁ - C₄ และส่วนที่เป็นของเหลว (ที่เรียกว่า condensate) ที่ถูกส่งรวมมาจากแท่นขุดเจาะก่อนมาแยกส่วนที่เป็นแก๊สและของเหลวออกจากกันก่อนส่วนแก๊สเข้าโรงแยก แก๊สที่ส่งเข้าโรงแยกนั้นจะมี condensate ติดมาด้วย และด้วยความดันที่ส่งมาที่สูงจึงทำให้ใน condensate นี้มีไฮโดรคาร์บอน C₁ - C₄ ละลายอยู่ในปริมาณที่มีนัยสำคัญ
 

แก๊สที่อุณหภูมิ -25ºC จะถูกป้อนเข้าหอดูดซึมทางด้านก้นหอ (ดูรูปที่ ๒ ประกอบ) condensate (สีเขียวในรูป) ที่เป็นของเหลวจะหนักกว่าและตกลงสู่ tray ที่รองรับอยู่ทางด้านล่าง ส่วนแก๊สนั้นจะลอยขึ้นบนไหลผ่าน valve tray ต่าง ๆ ที่มีน้ำมันที่ใช้ในการดูดซับนั้นไหลสวนทางลงมา น้ำมันที่ใช้ในการดูดซับนี้เป็นน้ำมันในช่วง aviation kerosene ที่ถูกป้อนเข้าทางยอดหอดูดซึม โดยก่อนที่จะป้อนเข้านั้นจะถูกทำให้อิ่มตัวด้วยมีเทนก่อนที่จะลดอุณหภูมิให้ต่ำเหลือ -20ºC น้ำมันที่เข้าทางยอดหอนี้เรียกว่า "lean oil" และเมื่อดูดซึมแก๊สจนอิ่มตัวแล้วจะเรียกว่า "rich oil" ที่ไหลออกทางก้นหอ (สีแดงในรูป) 
  

การทำให้ lean oil อิ่มตัวด้วยมีเทนก่อนก็เพื่อลดการละลายของมีเทน เพราะว่าการละลายของแก๊สเข้ามาในของเหลวนั้นเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ดังนั้นถ้าให้มีเฉพาะไฮโดรคาร์บอน C₂ - C₄ เท่านั้น (ซึ่งมีไม่มากเมื่อเทียบกับมีเทน) ที่ละลายเข้ามาใน lean oil ก็จะไม่ส่งผลกระทบต่ออุณหภูมิของ lean oil เท่าใดนัก 
  

condensate ที่แยกออกจากแก๊สที่ก้นหอ จะถูกนำมาให้ความร้อนด้วยหม้อต้มซ้ำ (หรือ reboiler) ที่อยู่ที่ก้นหอ เพื่อทำการไล่ไฮโดรคาร์บอนเบาที่ละลายอยู่ใน condensate ออกไป ก่อนจะถูกสูบออกจากก้นหอเพื่อนำไปผ่านกระบวนการอื่นต่อไป

รูปที่ ๒ ซ้ายคือรูปภาพหอดูดซึมที่โรงงานที่เกิดอุบัติเหตุใช้ ข้างในเป็นโครงสร้างที่เป็น tray ชนิด valve tray (ขวาบน) ส่วนรูปขวาล่างคือโครงสร้างส่วนล่างของหอที่มีการแยกเอาแก๊สธรรมชาติ condensate และ rich oil ออกจากกัน โดยในทางปฏิบัตินั้นจะมี condensate ส่วนหนึ่งหลุดติดไปกับแก๊สที่ไหลขึ้น และเข้าไปผสมกับ rich oil ที่ไหลสวนลงมา รูปเหล่านี้นำมาจากรูปที่ปรากฏในรายงานการสอบสวนสาธารณะ

(ตรงนี้ขอขยายความเพิ่มเติมหน่อย เทอร์โมไดนามิกส์กล่าวไว้ว่า ∆G = ∆H - T∆S เมื่อ G คือ Gibb's free energy H คือ Enthalpy T คืออุณหภูมิ และ S คือ Entropy (หรือความไม่เป็นระเบียบ) เนื่องจากการดูดซึมนี้เป็นปฏิกิริยาที่เกิดได้เอง ดังนั้น ∆G จะมีค่าเป็นลบ และเนื่องจากโมเลกุลที่เดิมเมื่ออยู่ในเฟสแก๊สนั้นสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ แต่เมื่อมาอยู่ในเฟสของเหลวจะมีการเคลื่อนที่ได้น้อยลง (ความไม่เป็นระเบียบลดลง) ค่า ∆S จึงมีค่าเป็นลบด้วย และด้วยการที่ T มีค่าเป็นบวกเสมอ ดังนั้นผลคูณ T∆S จึงมีค่าเป็นลบตามไปด้วย ดังนั้นเพื่อให้ผลรวมทางด้านขวาของสมการมีค่าเป็นลบ ค่า ∆H จึงต้องมีค่าเป็นลบ หรือการดูดซึมนั้นเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ซึ่งถ้าว่ากันตามนี้ถ้าจะให้ของเหลวดูดซึมแก๊สได้ดี ของเหลวนั้นจึงควรที่จะมีอุณหภูมิต่ำ (แบบเดียวกับที่ออกซิเจนละลายน้ำได้มากที่อุณหภูมิต่ำ แต่ละลายน้ำได้น้อยที่อุณหภูมิสูง) และอุณหภูมิที่ต่ำนี้ยังช่วยลดการระเหยของของเหลวดูดซึมไม่ให้หลุดรอดไปกับแก๊สที่ไหลออกจากหอดูดซึมด้วย แต่ถ้าไปดูกรณีของการแยก CO₂ และ H₂S ด้วยสารละลาย K₂CO₃ จะพบว่าใช้อุณหภูมิที่สูง นั่นเป็นเพราะมันมีเรื่องความสามารถในการละลายน้ำของ K₂CO₃ เข้ามาเกี่ยวข้อง เพราะ K₂CO₃ ละลายน้ำได้มากขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น และการจับแก๊สกรดนั้นก็เป็นปฏิกิริยาเคมีที่มีการจับยึดกันแน่น แม้ว่าอุณหภูมิที่สูงขึ้นจะทำให้การจับยึดนั้นอ่อนแรงลงก็ตาม แต่ผลที่ได้จากปริมาณ K₂CO₃ ละลายน้ำได้มากขึ้นนั้นโดดเด่นกว่า จึงทำให้ทำการดูดซับที่อุณหภูมิสูง
 

และอีกปัจจัยที่ส่งผลต่อค่าการละลายของแก๊สก็คือความดัน กล่าวคือที่ความดันสูงขึ้นแก๊สก็จะละลายเข้าไปในของเหลวได้มากขึ้น)

ในการออกแบบนั้น สิ่งที่ผู้ออกแบบมักคาดหวังก็คือแก๊สที่ไหลขึ้นทางด้านบนนั้นจะมีแต่เฉพาะแก๊สเท่านั้น ไม่มีหยดของเหลวติดไปด้วย แต่ในทางปฏิบัตินั้นจะมีโอกาสที่หยดของเหลวลอยติดไปกับแก๊สที่ไหลขึ้นด้านบนด้วยที่เรียกว่าเป็นปรากฏการณ์ carry over (แบบเดียวกับที่เรานั่งริมทะเลแล้วรู้สึกเหนียวตัว เพราะลมที่พัดจากทะเลเข้าฝั่งนั้นจะพาเอาละอองน้ำทะเลติดมาด้วย) ในกรณีของโรงงานนี้เช่นกัน ที่การสอบสวนพบว่าแม้ว่าในสภาพการทำงานปรกตินั้นก็เกิดการ carry over ของ condensate ไปยัง rich oil และตัว lean oil ที่ออกไปกับแก๊สที่ไหลออกทางยอดหอ
 

อันที่จริงการลดการ carry over สามารถทำได้หลายแบบ โดยหลักการก็คือให้การไหลของแก๊สมีการเปลี่ยนทิศทางการไหล โดยในขณะที่แก๊สไหลเลี้ยวไปตามช่องทางการไหลนั้น หยดของเหลวที่มีความหนาแน่นมากกว่าจะปะทะเข้ากับผนังของเส้นทางการไหล เกิดการจับกลุ่มเป็นฟิลม์ของเหลวบนผนังและไหลลงเบื้องล่าง การทำให้ของเหลวเปลี่ยนเส้นทางการไหลนี้อาจทำได้ด้วยการออกแบบระบบท่อทางออก (ดังตัวอย่างในรูปที่ ๓) หรือด้วยการติดตั้งอุปกรณ์ที่เรียกว่า mist eliminator ที่มีลักษณะเป็นโครงสร้างที่พรุนและมีเส้นทางการไหลที่หักเลี้ยววางขวางเส้นทางการไหลของแก๊สเอาไว้ โดยในขณะที่แก๊สไหลเลี้ยวไปตามช่องทางการไหลนั้น หยดของเหลวที่มีความหนาแน่นมากกว่าจะปะทะเข้ากับผนังของ mist eliminator กลายเป็นหยดของเหลวที่ไหลลงล่างและสะสมรวมกันเป็นหยดที่ใหญ่ขึ้นจนสามารถหล่นลงล่างสวนทางกับแก๊สที่ไหลขึ้นโดยไม่ถูกแก๊สพัดพากลับขึ้นไป

รูปที่ ๓ ท่อทางออกยอดหอของแก๊สรูปแบบด้านซ้ายนั้นมีโอกาสที่จะมีของเหลวหลุดติดไปกับแก๊สได้มากกว่ารูปแบบด้านขวาที่หยดของเหลวมีโอกาสมากกว่าที่จะลอยขึ้นไปปะทะผนังด้านบนแล้วรวมเป็นหยดที่ใหญ่ขึ้นก่อนตกลงมา

rich oil ที่ออกทางก้นหอจะถูกส่งต่อไปยัง Flash drum ที่ลดความดันด้วยการไหลผ่านวาล์วให้ความลดตกลงจาก 6900 kPa เป็น 4500 kPa การลดความดันนี้ช่วยในการไล่แก๊สบางส่วนออกจาก rich oil ก่อนที่จะทำเอา rich oil นี้ไปเข้ากระบวนการกลั่นเพื่อแยกเอาไฮโดรคาร์บอน C₁ - C₄ ออกไป

กระบวนการ flash นี้ไม่เพียงแต่จะไล่เอาแก๊สบางส่วนออกจากของเหลว แต่ยังสามารถทำให้อุณหภูมิของระบบนั้นลดต่ำลงด้วย และการลดต่ำลงของอุณหภูมิที่มากเกินไปนี้เอง ที่ส่งผลให้เกิดอุบัติเหตุตามมา สำหรับวันนี้คงพอแค่นี้ก่อน