เมื่อสิ่งที่ Instrument วัดจริง กับสิ่งที่เครื่องบอกว่า Instrument วัดอะไรอยู่ เป็นคนละสิ่งกัน MO Memoir : Sunday 29 November 2563

ช่วงที่ผ่านมาพอจะมีเวลาอ่านรายงานการสอบสวนการระเบิดที่โรงกลั่นน้ำมันแห่งหนึ่งในประเทศอังกฤษเมื่อ ๒๖ ปีที่แล้ว ความน่าสนใจของเหตุการณ์นั้นอยู่ตรงที่ สิ่งที่ Instrument วัดจริงกับสิ่งที่จอแสดงผลให้ห้องควบคุมบอกกับโอเปอร์เรเตอร์นั้น ในความเป็นจริงมันเป็นคนละสิ่งกัน แต่ในสภาพที่อุปกรณ์ไม่มีความบกพร่องนั้น มันจะสามารถอ้างอิงถึงกันได้

แต่ก่อนจะเข้าสู่เรื่องดังกล่าว (ซึ่งคงจะออกมาเร็ว ๆ นี้) ก็ขอนำเอาเรื่องราวทำนองเดียวกันที่เคยอ่านเจอ และสิ่งที่เคยประสบกับตัวเอง (ที่บางเรื่องก็เคยเล่าไปแล้ว) มาเล่าสู่กันฟังก่อน

๑. ในความเป็นจริงคือบอกว่าส่งสัญญาณเปิด "วาล์วระบายอากาศ" ออกไปแล้ว ไม่ได้บอกว่าวาล์วปิดแล้ว

เรื่องแรกนำมาจากบทที่ ๒๔ ของหนังสือ "What Went Wrong? Case Histories of Process Plant Disasters" ที่เขียนโดย T.A. Kletz เป็นเรื่องเกี่ยวกับอุบัติเหตุที่เกิดขึ้นในโรงงานผลิตเอทิลีนออกไซด์ (Ethylene oxide)

เอทิลีนออกไซด์ผลิตจากปฏิกิริยาระหว่างเอทิลีน (Ethylene) กับออกซิเจน ปฏิกิริยาเป็นปฏิกิริยาคายความร้อนที่เกิดในเฟสแก๊สโดยอาศัยตัวเร่งปฏิกิริยาช่วย ความร้อนของปฏิกิริยาจะถูกระบายออกไปด้วยของเหลวที่ไหลอยู่รอบ ๆ tube ที่บรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาและ "แก๊สที่ไหลผ่าน catalyst bed" ที่บรรจุอยู่ใน tube

เหตุการณ์เขึ้นเมื่อโรงงานเกิด "trip" (ทำนองว่าเครื่องดับกระทันหัน เช่นเกิดไฟฟ้าดับชั่วขณะแล้วกลับคืนมาใหม่) แล้วจำเป็นต้องกลับมาเริ่มเดินเครื่องใหม่ทันที แต่เมื่อเกิด "trip" นั้น ระบบการทำงานต่าง ๆ จะต้องปรับตัวไปอยู่ยังตำแหน่งที่ปลอดภัย (หลัก ๆ ก็คือ maximum cooling และ minimum heating) และในกรณีนี้สิ่งหนึ่งที่ระบบป้องกันออกแบบไว้ก็คือให้ปิดวาล์วที่ป้อนออกซิเจนเข้าระบบ

วาล์วคุมการปิด-เปิดออกซิเจนเข้าระบบนั้นใช้ความดันอากาศเป็นตัวคุมให้วาล์วอยู่ในตำแหน่งเปิด ถ้าเมื่อใดที่ความดันอากาศหายไปวาล์วก็จะเข้าสู่ตำแหน่งปิด ระบบป้องกันที่ออกแบบไว้คือจะมี Solenoid valve ตัวหนึ่งเป็นตัวควบคุมความดันอากาศ ถ้าเมื่อใดที่ Solenoid valve นี้หมุนไปยังตำแหน่งที่ระบายอากาศทิ้ง ความดันอากาศที่เข้าไปเปิดวาล์วคุมการไหลของออกซิเจนก็จะหายไป วาล์วคุมการไหลของออกซิเจนก็จะปิดตัว (รูปที่ ๑)

รูปที่ ๑ แผนผังการควบคุมวาล์วเปิด-ปิดการไหลของออกซิเจนเข้า reactor (วาดขึ้นมาใหม่จากรูปในหนังสือ)

ในเหตุการณ์นี้เมื่อโรงงานเกิด "trip" ไฟสัญญาณเตือนที่ห้องควบคุมก็บอกว่าวาล์วคุมการไหลของออกซิเจนนั้นอยู่ที่ตำแหน่ง "ปิด" แต่ก่อนที่จะได้เริ่มเดินเครื่องโรงงานใหม่ ก็เกิดการระเบิดขึ้นเสียก่อน การตรวจสอบพบว่าในความเป็นจริงนั้นวาล์วคุมการไหลของออกซิเจนนั้นอยู่ที่ตำแหน่ง "เปิด"

การที่วาล์วคุมการไหลของออกซิเจนไม่ปิดนั้นอาจมีสาเหตุมาจาก

(ก) Solenoid valve ไม่ทำงาน (คือได้รับคำสั่งให้ระบายอากาศทิ้ง แต่ไม่ทำงานตามคำสั่ง)

(ข) ไม่มีการระบายอากาศทิ้งออกไป (เช่น เส้นทางระบายอากาศอุดตัน) และ/หรือ

(ค) วาล์วคุมการไหลของออกซิเจนไม่ทำงาน (คือ มีการระบายอากาศกดให้วาล์วเปิดทิ้งแล้ว แต่วาล์วไม่ขยับตัว)

จากการตรวจสอบพบว่าในเหตุการณ์นี้สาเหตุก็คือไม่มีการระบายอากาศทิ้งออกไป (ข้อ (ข)) เนื่องจากมีตัวต่อไปทำรังอุดรูระบายอากาศ ส่วนไฟที่แสดงที่ห้องควบคุมนั้น บอกแต่เพียงว่ามีสัญญาณส่งไปยัง Solenoid valve เพื่อให้ระบายอากาศทิ้ง ไม่ได้ทำการวัดตำแหน่งของวาล์วควบคุมการไหลของออกซิเจนโดยตรง

๒. ในความเป็นจริงคือวัด "ความดัน" ไม่ใช่ "ระดับความสูง"

วิธีการหนึ่งที่ใช้บอกระดับความสูงของของเหลวในถังเก็บคือการวัดความดันที่ก้นถังบรรจุของเหลว กล่าวคือความดันที่ก้นถังจะเปลี่ยนแปลงตามความสูงของของเหลว แต่วิธีการนี้จะให้ผลที่ถูกต้องก็ต่อเมื่อ

(ก) ความหนาแน่นของของเหลวนั้นคงที่ (หรือเปลี่ยนน้อยมากเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยน) และ

(ข) ต้องนำความดันที่อยู่เหนือผิวของเหลวนั้นมาหักล้างด้วย (ความดันที่ก้นถังเป็นผลรวมของความดันที่เกิดจากระดับความสูงของของเหลว กับความดันที่อยู่เหนือผิวของเหลว)

เรื่องแรกเป็นคำถามที่มาจากวิศวกรของโรงงานแห่งหนึ่งตอนที่ผมไปบรรยายเรื่องพื้นฐานตัวเร่งปฏิกิริยาให้หน่วยงานนั้น เขาถามว่าทำไมพอเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาแล้วจึงทำให้ระดับของเหลวในถังเปลี่ยน ซึ่งผมก็ได้แนะนำเขาไปว่า เนื่องจากถังปฏิกรณ์ของเขาคุมระดับของเหลวด้วยการให้ของเหลวไหลล้นออก ดังนั้นในความเป็นจริงระดับของเหลวใน reactor ควรจะคงที่ (ถ้าท่อไหลล้นไม่อุดตันนะ) แต่สิ่งที่เขาวัดจริงคือผลต่างความดัน (ความดันดันที่ก้นถังลบด้วยความดันเหนือผิวของเหลว) ดังนั้นสิ่งที่น่าจะเป็นไปได้คือความหนาแน่นของของเหลวในถึงเปลี่ยนไป ทั้งนี้เพราะการเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยา จะทำให้ได้พอลิเมอร์ที่มีความหนาแน่นที่เปลี่ยนแปลงไป เรื่องนี้เคยเล่าไว้เมื่อวันพุธที่ ๒ พฤษภาคม พ.ศ. ๒๕๕๕ เรื่อง "เมื่อระดับตัวทำละลายใน polymerisation reactor เพิ่มสูงขึ้น"

รูปที่ ๒ ถังเก็บของเหลวบริสุทธิ์จุดเดือดต่ำ (ตั้งอยู่กลางแจ้ง) ที่ใช้การวัดความดันที่ก้นถังเพียงจุดเดียวบอกระดับความสูงของของเหลวในถัง

เรื่องที่สองมาจากโรงงานแหน่งหนึ่งไปมีโอกาสไปช่วยเขาตรวจสอบการก่อสร้าง วันหนึ่งได้ยินผู้ดูแลหน่วยงาน (ที่ไม่ใช่วิศวกร) บ่นว่ามีปัญหาเรื่องของเหลวในถังที่อ่านค่าจากอุปกรณ์วัดกับพอเปิดดูระดับที่มีอยู่จริงในถังนั้นมันไม่ตรงกัน เขาก็คิดว่าอุปกรณ์ที่ผู้ก่อสร้างโรงงานติดตั้งให้นั้นมันมีปัญหา และควรต้องมีการร้องขอให้เปลี่ยนของใหม่ให้

ถังเก็บที่มีปัญหานี้เป็นถังเก็บของเหลวบริสุทธิ์จุดเดือดต่ำ (ไม่ถึง 80ºC) ที่ตั้งอยู่กลางแจ้ง ถังใบนี้ใช้การวัดความดันที่ก้นถังเพียงจุดเดียวบอกระดับความสูงของของเหลวในถัง (คือติดไว้ที่ระดับประมาณล่างสุดของส่วนโค้ง) และมี Breather valve ลดการสูญเสียเนื่องจากการระเหยติดตั้งไว้ด้านบน (รูปที่ ๒)

คำแนะนำที่ผมให้เขาไปตรวจสอบก็มีอยู่สองข้อด้วยกัน ข้อแรกคือเห็นการเปลี่ยนแปลงระดับเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นหรือไม่ (เช่นทำไมตอนบ่ายอุปกรณ์วัดแสดงระดับของเหลวในถังเพิ่มสูงขึ้นทั้ง ๆ ที่ไม่ได้มีการป้อนสารเข้าถัง) เพราะถังนี้มีการติดตั้ง "Breather valve" ตัว Breather valve นี้มันช่วยลดการสูญเสียเนื่องจากการระเหยด้วยการยอมให้ระดับความดันในถังเพิ่มได้ระดับหนึ่ง (ขึ้นอยู่กับความสามารถของถังในการรับความดัน) เมื่อระดับของเหลวในถังเพิ่มสูงขึ้นหรือของเหลวมีการระเหยเพิ่มมากขึ้นเนื่องจากอุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นตามอุณหภูมิสภาพแวดล้อม และเนื่องจากถังเก็บใบนี้ไม่ได้มีการนำเอาความดันเหนือผิวของเหลวมาหักล้างออกจากความดันที่วัดได้ที่ก้นถัง (มีการวัดเฉพาะความดันที่ตำแหน่งล่างสุดเท่านั้น) การเปลี่ยนแปลงความดันเหนือผิวของเหลวก็จะส่งผลต่อความดันที่อ่านได้ที่ก้นถังด้วย และเมื่อนำค่าความดันดังกล่าวไปแปลงเป็นระดับความสูงของเหลว ก็จะได้ค่าที่ผิดพลาด

สำหรับผู้ที่ไม่รู้จักว่า Breather valve คืออะไร สามารถอ่านเพิ่มเติมได้ในเรื่อง "การควบคุมความดันในถังบรรยากาศ (Atmospheric tank)" (วันศุกร์ที่ ๑๓ พฤษภาคม ๒๕๕๔) และ "Breather valve กับ Flame arrester" (วันพุธที่ ๓๑ ธันวาคม ๒๕๕๗)

คำแนะนำข้อที่สองที่ผมให้เขาไปก็คือ การติดตั้งอุปกรณ์วัดนั้น set zero ระดับความสูงไว้ที่ตำแหน่งใด ที่ตำแหน่งต่ำสุดของถัง หรือที่ตำแหน่ง "Tangent line" (คือส่วนล่างสุดของตัวถังที่มีรูปร่างเป็นทรงกระบอก)

ในช่วงลำตัวถังที่เป็นทรงกระบอกนั้น ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรของเหลวในถังกับความสูงของถังจะเป็นเส้นตรง ส่วนบริเวณก้นถังที่เป็นส่วนโค้งนั้นระดับความสูงจะเปลี่ยนแปลงเร็วขึ้นเรื่อย ๆ แม้ว่าของเหลวจะไหลออกด้วยอัตราเร็วคงที่ การไปตั้งค่า zero ระดับความสูงไว้ที่ Tangent line ก็ยังมีข้อดีตรงที่ช่วยป้องกันไม่ให้มีแก๊สไหลปนกับของเหลวเข้าไปในปั๊มหรือปั๊มทำงานโดยไม่มีของเหลวไหลเข้าปั๊ม ซึ่งอาจเป็นสาเหตุทำให้ปั๊มพังได้ สำหรับผู้ที่ไม่เข้าใจว่า Tangent line คืออะไรนั้นสามารถอ่านเพิ่มเติมได้ในเรื่อง "Tangent line to Tangent line" (วันจันทร์ที่ ๔ มิถุนายน ๒๕๖๑)

๓. ในความเป็นจริงคือวัดอุณหภูมิของ "อากาศ" รอบ ๆ ไม่ใช่อุณหภูมิ "คอลัมน์"

เรื่องสุดท้ายเกี่ยวกับเครื่องแก๊สโครมาโทกราฟ เพื่อให้การแยกสารทำได้ดี จึงมีการเพิ่มอุณหภูมิ "คอลัมน์" ให้สูงขึ้นระหว่างการวิเคราะห์ (รูปที่ ๓) เมื่อวิเคราะห์เสร็จแล้วก็จะลดอุณหภูมิ "คอลัมน์" กลับลงมาที่จุดเริ่มต้นใหม่ ก่อนที่จะเริ่มการวิเคราะห์ครั้งต่อไปได้

รูปที่ ๓ กราฟอุณหภูมิการวิเคราะห์ ณ เวลาต่าง ๆ

ในช่วงแรกเมื่อเริ่มเปิดเครื่อง นิสิตพบว่าการวิเคราะห์ก็ไม่มีปัญหาอะไร คือพีคสารแต่ละตัวออกมาตามเวลาที่ควรเป็น แต่เมื่อทำการทดลองไปสักพักพบว่าพีคสารต่าง ๆ นั้นมีแนวโน้มที่จะออกมา "เร็วขึ้น" แม้ว่าขนาดพื้นที่พีคจะคงเดิมก็ตาม แต่ถ้าปล่อยให้เครื่องได้พักนานพอ พอเริ่มวิเคราะห์ใหม่ก็จะได้ผลที่ปรกติ คือพีคจะออกมาตามเวลาที่ควรเป็น ก่อนที่จะเกิดปรากฎการณ์ที่พีคออกมาเร็วผิดปรกติตามมาอีก

เมื่อตรวจสอบการตั้งอุณหภูมิ "คอลัมน์" ก็พบว่า หลังจากที่วิเคราะห์ตัวอย่างหนึ่งเสร็จสิ้นแล้ว ก็จะสั่งให้เครื่องลดอุณหภูมิลงมายังอุณหภูมิเริ่มต้นใหม่ และเมื่ออุณหภูมิลดลงมาถึงอุณหภูมิเริ่มต้นแล้วก็จะต้องให้รอเป็นระยะเวลาหนึ่งที่ตัวเครื่องเรียกว่า Equilibrium time ก่อนที่จะทำการวิเคราะห์ตัวอย่างต่อไปได้

ปัญหาที่พบนี้เด่นชัดเมื่อใช้คอลัมน์ "แก้ว" เป็นคอลัมน์วิเคราะห์ ในความเป็นจริงนั้นตัวเครื่องเองไม่ได้วัดอุณหภูมิของ "คอลัมน์" แต่วัดอุณหภูมิของ "อากาศ" ที่อยู่รอบ ๆ คอลัมน์ใน oven ในช่วงที่เพิ่มอุณหภูมิ "อากาศ" ให้สูงขึ้นนั้น อากาศจะถ่ายเทความร้อนให้กับ packing และแก๊สที่ไหลอยู่ในคอลัมน์ และพอลดอุณหภูมิอากาศที่อยู่รอบนอกนั้นให้เย็นลง (ด้วยการระบายอากาศร้อนทิ้งและให้อากาศเย็นภายนอกไหลเข้ามาแทน) ความร้อนที่สะสมอยู่ใน packing ก็จะระบายออกสู่อากาศ แต่ด้วยการที่แก้วนั้นมีค่าการนำความร้อนที่ไม่ดี จึงทำให้แม้ว่าอุณหภูมิอากาศใน oven นั้นอยู่ที่ค่าที่ต้องการแล้ว แต่อุณหภูมิของ packing นั้นยังคงสูงกว่า ทำให้ถ้าตั้งเวลา Equilibrium time ไม่นานพอ การวิเคราะห์ครั้งถัดมาจึงเป็นการวิเคราะห์ที่อุณหภูมิ packing ในคอลัมน์นั้น "สูงกว่า" การวิเคราะห์ครั้งก่อนหน้า จึงทำให้เห็นพีคออกมาเร็วขึ้น เหตุการณ์นี้เคยเล่าไว้ครั้งหนึ่งในเรื่อง "การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๓๐ เมื่อพีค GC ออกมาผิดเวลา (อีกแล้ว)" (วันเสาร์ที่ ๑๖ กรกฎาคม ๒๕๕๔)

ท้ายสุดขอปิดท้ายที่ว่างของหน้าด้วยบรรยากาศแบบเดิมของห้องแลปที่เริ่มเวียนกลับมาอีกครั้ง

#นิทราในแลปแมว

 

ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๑๙ ผลของความดันต่อจุดเดือดของไฮโดรคาร์บอน C2-C3 MO Memoir : Wednesday 12 October 2559

จากที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้เรื่องผลของความดันต่อการออกแบบหอกลั่นว่า ความดันที่สูงขึ้นทำให้จุดเดือดของของเหลว (หรือจุดควบแน่นของไอ) เพิ่มสูงขึ้น ถ้ามองจากเครื่องควบแน่นยอดหอ (overhead condenser) จุดควบแน่นที่สูงขึ้นนี้ทำให้ไม่ต้องใช้ระบบทำความเย็นอุณหภูมิต่ำในการทำให้ไอระเหยจากยอดหอควบแน่น แต่ถ้ามองจากหม้อต้มซ้ำ (reboiler) จุดเดือดที่สูงขึ้นจะทำให้ต้องใช้สายให้ความร้อนที่มีอุณหภูมิสูงขึ้นในการทำให้ของเหลวเดือดเป็นไอ
  

ในกรณีของการกลั่นแยกสารผสม เช่นการกลั่นแยกสารผสม ๒ องค์ประกอบออกจากกัน คำถามหนึ่งที่เกิดขึ้นก็คือความดันที่เปลี่ยนไปนั้นทำให้จุดเดือด (รวมทั้งจุดควบแน่น) ของสารแต่ละชนิดเปลี่ยนแปลงในสัดส่วนเดียวกันหรือไม่ ถ้าการเปลี่ยนความดันนั้นทำให้ผลต่างระหว่างจุดเดือดของสารแต่ละตัวนั้นแตกต่างกันมากขึ้น การกลั่นแยกสารออกจากกันก็จะทำได้ง่ายขึ้น (หอกลั่นไม่จำเป็นต้องมี tray จำนวนมาก ทำให้ความสูงของหอลดต่ำลงไปด้วย) เพื่อให้เห็นภาพจะลองยกตัวอย่างความดันกับจุดเดือดระหว่างคู่สาร อีเทน-เอทิลีน และ โพรเพน-โพรพิลีน ที่เป็นคู่สารที่มีการกลั่นแยกกันในโรงงานผลิตโอเลฟินส์มาให้พิจารณากัน
 

ข้อมูลในตารางที่ ๑ และ ๒ นำมาจากหนังสือ "Perry's Chemical Engineering Handbook", 6th ed., McGraw Hill (1984) กราฟในรูปที่ ๑-๔ ก็ใช้ข้อมูลในตารางที่ ๑ และ ๒ นี้

จะเห็นนะครับว่าเมื่อเพิ่มความดันสูงขึ้น ผลต่างระหว่างอุณหภูมิจุดเดือดของคู่สาร อีเทน-เอทิลีน นั้นจะเพิ่มมากขึ้น จาก 15.1ºC ที่ 1 atm เป็น 25.1ºC ที่ 40 atm (เพิ่มขึ้น 10ºC) แต่ในกรณีของคู่สาร โพรเพน-โพรพิลีน นั้น ผลต่างระหว่างอุณหภูมิจุดเดือดมีการเปลี่ยนแปลงไม่มากนัก คือเพิ่มจาก 5.6ºC ที่ 1 atm เป็น 9.8ºC ที่ 40 atm หรือเพียงแค่ 4.2ºC เท่านั้นเอง (ขอทบทวนนิดนึงว่าอุณหภูมิจุดเดือดคืออุณหภูมิที่ของเหลวมีความดันไอเท่ากับความดันเหนือผิวของเหลว)
 

ที่ยกเอาเรื่องนี้ขึ้นมาคั่นตรงนี้ก็เพราะ ในตอนต่อไปของบทความชุดนี้ที่เป็นเรื่องการกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนออกจากกัน จะได้ไม่แปลกใจว่าทำไมหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนจึงต้องสูงมาก (มี tray จำนวนมาก) มากจนกระทั่งต้องแยกออกเป็นสองหอ

ปิดท้ายด้วยรูปถ่ายที่ถ่ายเอาไว้เมื่อปีที่แล้ว สัปดาห์หน้าก็คงจะได้มาถ่ายรูปร่วมกันใหม่พร้อมหน้าพร้อมตากันอีกครั้งนะ :) :) :)

"Lead pipe" เรื่องของท่อที่ไม่ใช่ท่อตะกั่ว MO Memoir : Friday 2 January 2558

"Lead" คำ ๆ นี้ในภาษาอังกฤษจะแปลว่าอะไรนั้นขึ้นอยู่กับว่าอ่านออกเสียงอย่างไร
  

ถ้าออกเสียงไปทาง "ลีด" ก็จะแปลว่า นำ นำทาง หรืออะไรทำนองนี้ เช่น cheer leader ที่เราอ่านว่าเชียร์ลีดเดอร์ที่หมายถึงผู้นำการเชียร์
  

ถ้าออกเสียงไปทาง "เลด" ก็จะแปลว่า ตะกั่ว ที่เป็นโลหะชนิดหนึ่ง เช่น unleaded gasoline ที่หมายถึงน้ำมันเบนซินไรสารตะกั่ว
  

แล้วคำว่า "Lead pipe" นี้จะหมายถึงอะไรได้บ้างล่ะ ความหมายเท่าที่ผมรู้จักนั้นก็มีอยู่ ๓ ความหมาย
  

ความหมายแรกคือท่อตะกั่ว (ต้องอ่านเป็น "เลดไปป์") คือท่อที่ทำจากโลหะตะกั่ว ในอดีตตามบ้านเรือนของฝรั่งนั้นจะมีการใช้ท่อตะกั่วทำท่อน้ำในบ้านแต่ในปัจจุบันถูกห้ามใช้แล้วเนื่องจากมีตะกั่วปนเปื้อนในน้ำประปาได้
  

ความหมายที่สองคือส่วนของท่อลมที่ใช้สำหรับการสวมต่อ mouth piece หรือที่เรียกว่า "กำพวด" ในภาษาไทย ในกลุ่มเครื่องดนตรีพวก brass instrument ต่าง ๆ (เช่น ทรัมเปต ทรอมโบน ฯลฯ) (ต้องอ่านเป็น "ลีดไปป์")
  

แต่ที่จะเล่าในที่นี้คือตัว "ลีดไปป์" ที่เป็นท่อสำหรับการเชื่อมต่ออุปกรณ์วัดเข้ากับ process equipment ของโรงงาน

รูปที่ ๑ ตัวอย่างการต่อท่อ lead pipe จากหน้าแปลน orifice ที่ใช้วัดอัตราการไหลในท่อแนวราบ (อันที่จริงมันวัดความดันลดคร่อมแผ่น orifice แล้วค่อยแปลงความแตกต่างดังกล่าวเป็นอัตราการไหลอีกที) ในกรณีนี้ระดับของท่อ lead pipe จุดต่อเข้า pressure transmitter และแนวแกนของท่อที่ต้องการวัดอัตราการไหลควรต้องอยู่ที่ระดับเดียวกัน

  

การควบคุมการผลิตในโรงงานนั้นจะมีการวัดค่าพารามิเตอร์ที่สำคัญต่าง ๆ ที่เห็นวัดกันทั่วไปก็ได้แก่ อุณหภูมิ ระดับ อัตราการไหล และองค์ประกอบ อุปกรณ์ตัวหนึ่งที่มีการใช้กันมากคืออุปกรณ์วัด "ความดัน" เพราะถูกนำไปใช้เมื่อต้องการทราบค่า "ความดัน" ในกระบวนการ ใช้เมื่อต้องการทราบค่า "อัตราการไหล" ของ process fluid ในกระบวนการ โดยคำนวณจากค่าความดันลดระหว่างสองตำแหน่งเมื่อของไหลไหลผ่านสิ่งกีดขวาง (เช่นแผ่น orifice) หรือใช้ในการวัด "ระดับ" ของเหลวในถัง โดยคำนวณจากผลต่างระหว่างค่าความดันที่ก้นถังและเหนือผิวของเหลว

รูปที่ ๒ ตัวอย่างการติดตั้ง differential pressure transmitter (DPT) เพื่อวัดความดันลดคร่อมแผ่น orifice โดยในรูปแบบนี้เป็นกรณีที่ process pipe อยู่สูงแล้วต้องการติดตั้ง DPT ในตำแหน่งที่ต่ำลงมาเพื่อความสะดวกในการตรวจสอบและซ่อมบำรุง ท่อที่ระบุว่า "purge line" นั้นอาจมีการติดตั้งในกรณีที่เกรงว่าท่อ lead pipe อาจะเกิดการอุดตันได้ เช่นกรณีที่มีของแข็งแขวนลอยอยู่ใน process fluid ที่ไหลอยู่ใน process pipe ในกรณีนี้ก็จะมีการติดตั้ง purge line โดยใช้ fluid ชนิดเดียวกับที่ไหลอยู่ใน process pipe อัดสวนกลับเข้าไป เพื่อไม่ให้ของแข็งนั้นเข้ามาใน lead pipe ได้
  

อุปกรณ์วัดความดันหลักที่ใช้ทำหน้าที่นี้เห็นจะได้แก่ differential pressure cell (หรือเรียกย่อว่า DP cell) ที่วัดผลต่างความดันระหว่างสองตำแหน่ง ถ้าหากอุปกรณ์วัดความดันนี้สามารถส่งต่อค่าที่วัดได้ไปยังอุปกรณ์อ่าน/บันทึกค่าที่อยู่ในห้องควบคุม ก็จะเรียกอุปกรณ์วัดความดันนี้ว่า differential pressure transmitter (DPT) การทำงานของ DP cell นี้ใช้การเปลี่ยนแปลงรูปร่างของแผ่นไดอะแฟรมที่ทำจากวัสดุที่มีความยืดหยุ่น ด้านหนึ่งของแผ่นไดอะแฟรมจะต่อเข้ากับด้านความดันสูงของระบบ อีกด้านหนึ่งจะต่อเข้ากับด้านความดันต่ำของระบบ ถ้าความดันระหว่างสองด้านของแผ่นไดอะแฟรมแตกต่างกันมาก แผ่นไดอะแฟรมก็จะเปลี่ยนแปลงรูปร่างไปมาก และขนาดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของแผ่นไดอะแฟรมนี้จะถูกเปลี่ยนเป็นผลต่างความดัน
  

รูปที่ ๓ ตัวอย่างการติดตั้ง lead pipe สำหรับ DPT ที่ใช้วัดระดับผงอนุภาคใน drum โดยด้านหนึ่งของ DPT ต่อเข้ากับตัว drum โดยตรง อีกด้านต่อผ่าน lead pipe เข้ากับทางด้านบนของ drum ท่อ purge line จะมีแก๊ส (ชนิดเดียวกับใน drum) ไหลผ่านเข้าไปใน drum เพื่อป้องกันไม่ให้ผงของแข็งลอยเข้ามาอุดตันท่อ lead pipe ได้
  

การนำ DPT ไปใช้ในการวัดอัตราการไหลนั้นเราไม่สามารถติดตั้ง DPT เข้ากับตัวท่อได้โดยตรง ต้องมีท่อต่อเชื่อมระหว่าง DPT กับตัวท่อที่จุดที่ต้องการวัดความดัน ท่อเชื่อมต่อระหว่าง DPT (หรืออุปกรณ์วัดคุมตัวอื่น) เข้ากับจุดที่ต้องการวัดความดันนี้เรียกว่า "Lead pipe" ส่วนจะทำจากวัสดุชนิดใดนั้นก็ขึ้นอยู่กับกระบวนการ และบ่อครั้งที่เห็นใช้ tube แทน pipe แต่ก็ยังเรียก lead pipe อยู่ดี ไม่ยักเรียก lead tube รูปที่นำมาให้ดูนั้นเป็นตัวอย่างที่นำมาจากเอกสาร Technical requirements สำหรับการติดตั้ง DPT ของกระบวนการผลิตหนึ่ง ซึ่งรูปแบบการติดตั้งอาจเปลี่ยนแปลงไปตามกระบวนการผลิตได้ แต่หลักการพื้นฐานนั้นยังคงเดิมอยู่
  

รูปที่ ๔ ตัวอย่างการติดตั้ง DPT โดยใช้ lead pipe เพื่อใช้วัดระดับของเหลวในถัง การจะมี purge line หรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับของเหลวที่ทำการวัดว่ามีโอกาสทำให้ lead pipe อุดตันหรือไม่ ถ้าต้องมีการใช้ purge line lead pipe ด้านความดันต่ำควรที่จะ purge ด้วยแก๊ส (แบบเดียวกับที่อยู่ใน drum หรือผสมเข้าด้วยกันได้) และด้านความดันสูงก็ควรที่จะ purge ด้วยของเหลว (แบบเดียวกับที่อยู่ใน drum หรือผสมเข้าด้วยกันได้)
  

ท่อ lead pipe ไม่เพียงแต่ช่วยในการเชื่อมต่อ DPT เข้ากับระบบ แต่ยังช่วยป้องกัน DPT จากอุณหภูมิที่สูงของ process fluid ที่ไหลอยู่ภายในท่อหรือบรรจุอยู่ใน drum ด้วย เช่นในกรณีของท่อไอน้ำที่มีการติดตั้ง lead pipe ตามแบบในรูปที่ ๒ ในส่วนของท่อ lead pipe จะมีน้ำที่เป็นของเหลวที่เกิดจากไอน้ำที่ควบแน่นสะสมอยู่ และน้ำส่วนนี้จะเป็นตัวป้องกันไม่ให้ความร้อนของไอน้ำทำอันตรายแก่โครงสร้างของ DPT (แต่ระดับน้ำในท่อด้านความดันสูงและต่ำต้องเท่ากันนะ)
  

และที่สำคัญก็คือท่อ lead pipe นี้ต้องไม่อุดตัน ซึ่งอาจเกิดจากการที่ของเหลวในท่อเกิดการแข็งตัวหรือมีของแข็งสะสมจนอุดตัน ซึ่งอาจทำได้ด้วยการให้ความร้อนแก่ lead pipe (เพื่อการป้องกันการแข็งตัวของของเหลว) หรือด้วยการใช้ purge line ที่ทำการป้อน fluid ที่สะอาด (ที่เป็นของเหลวหรือแก๊สที่เข้ากับระบบได้) เข้าไปในท่อ lead pipe
  

รูปที่ ๕ การเดินท่อ lead pipe สำหรับวัดความดันภายในถังที่มีไอระเหยที่ควบแน่นได้ ด้านหนึ่งของ DPT ต่อเข้ากับ lead pipe ที่ต่อกับ drum ส่วนอีกด้านวัดเทียบกับความดันบรรยากาศภายนอก drum ในกรณีนี้ท่อ lead pipe ต้องมีความลาดเอียงที่เพียงพอที่จะทำให้ของเหลวที่เกิดการควบแน่นในท่อ lead pipe ไหลกลับคืนสู่ drum ได้สะดวก
  

ในรูปที่ ๑ ๒ และ ๔ นั้นจะเห็นว่าก่อนการเชื่อมต่อ lead pipe เข้ากับ DPT จะมีวาล์วอยู่ ๓ ตัว ระบบวาล์ว ๓ ตัวนี้เรียกว่า 3-way maifold โดยวาล์วสองตัวที่อยู่ในท่อ lead pipe ด้านความดันสูงและความดันต่ำนั้นคือ block valve และวาล์วที่อยู่ในท่อเชื่อมต่อระหว่างท่อ lead pipe ด้านความดันสูงและด้านความดันต่ำคือ equalizer valve (ดูรูปที่ ๒) ในระหว่างการใช้งานตามปรกตินั้น block valve ทั้งสองตัวจะเปิดอยู่ ในขณะที่ equalizer valve จะปิด 3-way manifold นี้ใช้ในการ set zero ตัว DPT ถอด DPT ออกจากระบบ และใช้ในการนำ DPT เข้าสู่การทำงาน
  

การ set zero DPT นั้นทำได้ด้วยการปิด block valve ทั้งสองตัวของ 3-way manifold ซึ่งจะเป็นการแยก DPT ออกจากระบบ จากนั้นก็เปิด equalizer valve ซึ่งจะทำให้ความดันทางท่อด้านความดันสูงและท่อความดันต่ำนั้นเท่ากัน ซึ่งควรทำให้ DPT อ่านค่าเป็นศูนย์ ส่วนการถอด DPT ออกจากระบบ (เช่นเมื่อต้องการถอดมาเพื่อการบำรุงรักษาหรือเปลี่ยนตัวใหม่) ก็ทำได้ด้วยการปิด block valve และระบายความดันออกทางด้าน drain valve
  

ในการนำ DPT เข้าสู่การทำงานนั้นขอเริ่มจากการที่ block valve ทั้งสองตัวและ equalizer valve อยู่ในตำแหน่งปิด จากนั้นทำการเปิด equalizer valve จากนั้นให้เปิด block valve "ด้านความดันสูง" อย่างช้า ๆ ซึ่งจะทำให้ความดันทั้งสองด้านของ DPT นั้นเพิ่มสูงขึ้นโดยมีระดับที่เท่ากัน ซึ่ง DPT ควรที่จะอ่านค่าเป็นศูนย์ การทำเช่นนี้ไม่เพียงแค่ช่วยทำให้ตัวแผ่นไดอะแฟรมไม่ต้องเผชิญหน้ากับความดันที่เพิ่มขึ้นสูงอย่างกระทันหัน และยังใช้เป็นการทดสอบด้วยว่าระบบมีการรั่วซึมหรือไม่ หลังจากนั้นจึงปิด equalizer valve (โดยที่ block valve ด้านความดันสูงยังคงเปิดค้างอยู่) และเปิด block valve ด้านความดันต่ำ ก็จะทำให้ DPT เข้าสู่สภาวะการทำงาน
  
เมื่อต้นสัปดาห์ที่ผ่านมามีโอกาสไปลงสังเกตการณ์ภาคสนาม ๒ วัน มีโอกาสได้ร่วมงานกับวิศวกรต่างสาขาและผู้ที่ไม่ได้จบมาทางด้านวิศวกรรมศาสตร์ ได้อะไรต่อมิอะไรกลับมาเล่าให้ฟังหลายอย่าง แต่คิดว่าถ้าเล่าไปเลยก็คงมีจำนวนไม่น้อยที่ไม่เข้าใจ เพราะจำเป็นต้องมีพื้นฐานความรู้ในบางเรื่องก่อนจึงจะฟังรู้เรื่อง เรื่องที่เขียนในบันทึกฉบับนี้ก็เป็นเรื่องหนึ่งของพื้นฐานความรู้ที่จะช่วยในการทำความเข้าใจในเรื่องเล่าถัดไปที่จะตามมา

Breather valve กับ Flame arrester MO Memoir : Wednesday 31 December 2557

เรื่องการควบคุมความดันภายในถังเก็บของเหลวที่ความดันบรรยากาศด้วยการใช้ Vent, Breather valve และ Flame arrester นั้นเคยเล่าเอาไว้ใน Memoir ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๓๐๑ วันเสาร์ที่ ๑๔ พฤษภาคม ๒๕๕๔ เรื่อง "การควบคุมความดันในถังบรรยากาศ(Atmospherictank)" ครั้งนึงแล้ว ครั้งนี้เป็นการเอาตัวอย่างของจริงมาให้ชมกัน
  

 

รูปที่ ๑ ถังเก็บของเหลวไวไฟ (จุดเดือด 78-80ºC) ที่ความดันบรรยากาศใบนี้มีการติดตั้ง Breather valve และ Flame arrester (บางทีก็จะกด Flame arrestor) เพื่อควบคุมความดันในถัง และมี pressure gauge วัดความดันภายในถัง
  

Breather valve หรือวาล์วหายใจ จะเปิดให้แก๊สที่อยู่ในถังเก็บระบายออกสู่ภายนอก เมื่อความดันในถังเก็บสูงกว่าความดันบรรยากาศถึงระดับหนึ่ง (ปรกติก็ไม่มากเท่าใด บางทีก็แค่ระดับที่ต้องใช้หน่วยวัดความดันเป็น "นิ้วน้ำ" คือเทียบเท่ากับความดันของน้ำที่สูง xx นิ้ว) และจะเปิดให้อากาศภายนอกไหลเข้าไปภายในถังได้ถ้าหากความดันในถังลดต่ำกว่าความดันบรรยากาศถึงระดับหนึ่ง ตรงนี้เป็นจุดที่แตกต่างจากท่อ vent เพราะท่อ vent นั้นไม่มีวาล์วปิดกั้น ดังนั้นเมื่อความดันในถังเกิดการเปลี่ยนแปลง (ไม่ว่าจะเป็นผลของการเปลี่ยนแปลงสภาพอากาศหรือการเปลี่ยนแปลงระดับของเหลวในถัง) อากาศเหนือผิวของเหลวในถังก็จะสามารถไหลเข้าออกได้ทันที
  

ด้วยเหตุนี้ในการเก็บของเหลวที่มีความดันไอค่อนข้างสูง (เช่นเอทานอล) การติดตั้ง Breather valve จึงช่วยลดการสูญเสียเอทานอลจากการระเหย แต่สำหรับของเหลวที่มีความดันไอต่ำหรือเป็นของเหลวที่ติดไฟได้แต่มีอุณหภูมิจุดวาบไฟ (flash point) สูงกว่าอุณหภูมิห้องค่อนข้างมาก (เช่นน้ำมันดีเซลที่มีจุดวาบไฟสูงกว่า 60ºC) จึงสามารถใช้ท่อ vent ในการควบคุมความดันในถังเก็บได้
  

การใช้ Breather valve ควบคุมความดันในถังเก็บของเหลวที่เป็นเฃื้อเพลิงที่มีความดันไอค่อนข้างสูง ทำให้บรรยากาศเหนือผิวของเหลวในถังเก็บนั้นมีโอกาสที่จะมีอากาศผสมอยู่ ถ้าหากว่าความดันไอของของเหลวในถังที่อุณหภูมิห้องนั้นสูงมากพอ โอกาสที่ความดันในถังจะลดลงจนอากาศจากภายนอกไหลเข้าไปในถังได้นั้นคงยากที่จะเกิด (แต่อาจเกิดได้ในช่วงที่อุณหภูมิเปลี่ยนกระทันหัน เช่นจากตากแดดร้อนมาเจอฝนตกหนัก) แต่ถึงกระนั้นก็ตามก็ยังต้องมีการป้องกันไม่ให้ไอระเหยเหนือผิวของเหลวในถังเกิดการระเบิด ซึ่งอาจเกิดได้ถ้า (ก) ความเข้มข้นของอากาศและไอสารเคมีในถังนั้นอยู่ในสัดส่วนที่พอเหมาะ และ (ข) มีการจุดระเบิดจากภายนอกที่ทำให้เกิดเปลวไฟวิ่งย้อนเข้าทางช่องทางระบายไอระเหยออกของ Breather valve ด้วยเหตุนี้ในกรณีนี้จึงจำเป็นต้องมีการติดตั้ง Flame arrester ควบคู่ไปด้วย โดยจะติดไว้ระหว่างตัวถังเก็บของเหลวกับ Breather valve ดังแสดงในรูปที่ ๒ ข้างล่าง

  

รูปที่ ๒ รูปนี้ซูมถ่ายตัว Breather valve และ Flame arrester สองตัวนี้วางติดตั้งซ้อนกันอยู่ โดยมี Flame arrester อยู่ทางด้านล่าง (ต่อเข้ากับตัวถังเก็บของเหลว) และมี Breather valve วางซ้อนไปบน Flame arrester อีกที
  

Breather valve นั้นมีชิ้นส่วนที่มีการเคลื่อนที่โดยอาศัยความแตกต่างของความดันในทำนองเดียวกันกับวาล์วกันการไหลย้อนกลับ (check valve หรือ non return valve ที่บางทีเขาย่อว่า NRV) ดังนั้นจึงควรต้องมีการตรวจสอบการทำงานของ Breather valve เป็นระยะ ส่วนโครงสร้างภายในของ Flame arrester นั้นเป็นเพียงแค่ช่องทางการเล็ก ๆ สำหรับให้แก๊สไหลผ่าน ดังนั้นจึงมีโอกาสที่จะเกิดการอุดตันได้ จึงจำเป็นต้องมีการตรวจสอบเป็นระยะเช่นเดียวกัน ในกรณีของหน่วยงานที่ไปเยี่ยมชมมานั้น มีการติดตั้ง pressure gauge วัดความดันในถังให้ด้วย ซึ่งควรมีการบันทึกช่วงความดันที่มีการเปลี่ยนแปลงในขณะที่ทั้ง Breather valve และ Flame arrester อยู่ในสภาพสมบูรณ์ เพราะสามารถใช้เป็นจุดสังเกตว่าตัว Breather valve และ Flame arrester นั้นมีปัญหาหรือไม่ถ้าหากความดันภายในถังอยู่นอกช่วงดังกล่าว

รูปที่ ๓ รูปนี้ซูมถ่าย Breather valve จากทางด้านล่างขึ้นไป ช่องทางให้อากาศไหลเข้าจะอยู่ทางด้านล่างขวา ส่วนช่องทางให้แก๊สในถังระบายออกจะอยู่ทางด้านบน

Memoir ฉบับนี้เป็นฉบับส่งท้ายปีเก่า ก็ขออวยพรให้ผู้อ่านทุกท่านมีสุขภาพที่แข็งแรงและมีแต่ความสุขตลอดไป

การป้องกันอุปกรณ์วัดจากความร้อนของของไหล MO Memoir : Thursday 24 July 2557

เคยมีอาจารย์ผู้หนึ่งมาปรึกษาเรื่องการประหยัดพลังงานในโรงงานว่า นอกจากจะแนะทำให้ทางโรงงานทำการปรับปรุงระบบฉนวนหุ้มท่อไอน้ำและวาล์วแล้ว และเนื่องจากโรงงานที่เขาไปดูแลนั้นมีบางหน่วยผลิตที่มีการทำงานเฉพาะช่วงเวลาเช้าถึงค่ำ ตอนกลางคือไม่มีการทำงาน ดังนั้นเขาจะเสนอให้ทางโรงงานประหยัดพลังงานด้วยการปิดระบบท่อไอน้ำของหน่วยผลิตนั้นดีไหม
  

ผมก็ให้ความเห็นของผมไปว่าการปิดไอน้ำช่วงเวลากลางคืนมันก็ลดการใช้พลังงานในช่วงเวลากลางคืน แต่การเปิดใช้ระบบท่อไอน้ำนั้นมันใช้เวลา เพราะต้องค่อย ๆ อุ่นระบบท่อให้ร้อนขึ้น ไม่ใช่อยากเปิดก็เปิดวาล์วใช้ได้เลยอย่างระบบไฟฟ้าหรือน้ำประปา และช่วงเวลาที่ต้องอุ่นระบบขึ้นมานี้เป็นช่วงเวลาที่มีการสูญเสีย ไม่ว่าจะเป็นไอน้ำที่ควบแน่นกลายเป็นของเหลว หรือเวลาที่ต้องรอกว่าจะเดินเครื่องได้ ดังนั้นเขาควรนำประเด็นนี้ไปพิจารณาด้วยว่า ระหว่างการยอมสูญเสียไอน้ำในปริมาณน้อยตลอดทั้งคืน แต่เมื่อเริ่มงานตอนเช้าระบบก็พร้อมใช้งานได้ทันที กับการประหยัดการสูญเสียในเวลากลางคืน แต่ต้องมาจ่ายมากขึ้นแทนตอนเช้า แบบไหนที่ประหยัดพลังงานมากกว่ากัน
  

รูปที่ ๑ ระบบท่อไอน้ำที่มีเกจวัดความดันทั้งด้านขาเข้าและขาออก

แต่ก็มีบางตำแหน่งเหมือนกันที่เราจงใจให้มีการรั่วไหลของความร้อน หนึ่งในตำแหน่งนั้นก็คือท่อที่ทำการเชื่อมต่อระหว่างท่อของ process กับอุปกรณ์วัด
  

ปรกติในโรงงานมีอุปกรณ์วัดอยู่หลายแบบอยู่แล้ว แต่ที่เห็นได้ทั่วไปเห็นจะได้แก่อุปกรณ์วัดอุณหภูมิ อุปกรณ์วัดความดัน อุปกรณ์วัดระดับ กับวัดอัตราการไหล แต่การวัดระดับและวัดอัตราการไหลนั้นบ่อยครั้งที่ใช้การวัดความแตกต่างของ "ความดัน" ที่สองตำแหน่ง แล้วค่อยแปลงค่าความแตกต่างนั้นเป็น "ระดับ" หรือ "อัตราการไหล" เช่นการวัดระดับนั้นก็จะวัดความดันในถังส่วนที่อยู่เหนือของเหลว และความดันที่ก้นถัง จากนั้นก็ใช้ค่าความดันที่วัดได้กับความหนาแน่นของของเหลวที่ทำการวัดนั้นมาแปลงเป็นค่าระดับความสูง ส่วนการวัดอัตราการไหลก็ใช้การวัดค่าความดันลดเมื่อของไหลไหลผ่านอุปกรณ์วัด (เช่นแผ่นออริฟิสหรือท่อเวนจูรี) และจึงแปลงค่าความดันที่ลดลงนั้นเป็นอัตราการไหลอีกที

และเจ้าตัวอุปกรณ์วัดความดันนี้แหละ ที่มักจะไม่ค่อยทนต่ออุณหภูมิสูง

รูปที่ ๒ ภาพขยายให้เห็นท่อ syphon สำหรับติดตั้งเกจวัดความดันของระบบท่อในรูปที่ ๑

รูปที่ ๑ เป็นระบบท่อไอน้ำที่มีการใช้วาล์วควบคุมอัตราการไหลควบคุมการจ่ายไอน้ำ ระบบท่อดังกล่าวมีการติดตั้งเกจวัดความดันไว้ทั้งทางด้านขาเข้าและขาออกของวาล์ว เกจวัดความดันในรูปนั้นทำงานด้วยระบบกลไก (จะยกเว้นมีอยู่ตัวหนึ่งที่อยู่ทางด้านซ้ายของรูปที่ ๒ (บน) ที่มีการแปลงสัญญาณความดันเป็นสัญญาณไฟฟ้าส่งต่อไปยังห้องควบคุม) อุปกรณ์พวกนี้มันรับความดันได้ แต่มันทนอุณหภูมิสูงไม่ได้ ดังนั้นเวลาที่จะวัดความดันในท่อเขาจึงต้องใช้ท่อเชื่อมต่อที่ไม่มีการหุ้มฉนวน เพื่อให้ของไหลในระบบท่อที่ต้องการวัดความดันนั้นมีอุณหภูมิลดต่ำลง (ด้วยการสูญเสียความร้อนสู่บรรยากาศรอบ ๆ) ท่อยิ่งยาวก็ยิ่งมีพื้นที่ผิวในการถ่ายเทความร้อนมากขึ้น แต่มันจะเกะกะ เขาก็เลยขดให้มันงอซะ ซึ่งอาจะขดเป็นวงแบบในรูปหรือขดเป็นรูปตัว U หรือรูปร่างอื่นก็ได้ ท่อนี้เขาเรียกว่า "Syphon tube" หรือในกรณีแบบที่ขดเป็นวง (แบบในรูปที่ ๒) บางทีเขาก็เรียกว่าเป็น "Pigtail type syphon tube"
  

สิ่งหนึ่งที่ต้องระวังคือต้องไม่ให้ของไหลที่อยู่ในส่วน syphon tube นั้นกลายเป็นของแข็งอุดตัน syphon tube การเกิดของแข็งอุดตันอาจเกิดได้ถ้าหากของไหลในท่อมีอุณหภูมิต่ำเกินไป เช่นในกรณีของท่อไอน้ำ ไอน้ำร้อนในท่อมีสิทธิที่จะควบแน่นเป็นของเหลวค้างอยู่ใน syphon tube นี้ และถ้าอุณหภูมิข้างนอกไม่เย็นจัดจนทำให้น้ำกลายเป็นน้ำแข็งได้ การวัดความดันก็จะไม่มีปัญหาใด ซึ่งเหตุการณ์นี้ไม่น่าจะเกิดในบ้านเรา แต่ในประเทศที่เป็นเมืองหนาวอาจเกิดขึ้นได้ หรือในกรณีของของเหลวที่เมื่อเย็นตัวลงอาจมีการแยกเฟสเป็นของแข็ง (เช่นน้ำมันที่มี wax ละลายอยู่ หรือสารละลายที่มีพอลิเมอร์ละลายปนอยู่) ของแข็งที่แยกออกมาก็อาจอุดตัน syphon tube นี้ได้ และเมื่อเกิดการอุดตันเมื่อใด ตัวเกจวัดความดันจะไม่สามารถแสดงความดันที่แท้จริงในระบบท่อได้
 

พึงสังเกตด้วยนะว่าจะมีการติดตั้งวาล์วเอาไว้ตัวหนึ่งก่อนต่ออุปกรณ์วัด ทั้งนี้เผื่อต้องมีการถอดเปลี่ยนหรือถอดเอาอุปกรณ์วัดไปซ่อม จะได้ทำการถอดได้โดยไม่ต้องปิดระบบ แต่ตัวที่อยู่ในรูปที่ ๓ ข้างล่างไม่ยักมีการติดตั้งวาล์ว อาจเป็นเพราะว่าเป็นการทำงานแบบ batch ไม่ใช่ระบบต่อเนื่องเหมือนในรูปที่ ๒
 

ที่เอาเรื่องนี้มาเล่าก็เพื่อต้องการให้อย่าเผลอไปคิดว่าจะช่วยโรงงานประหยัดพลังงานด้วยการหุ้มฉนวน syphon tube นี้ หรือแม้แต่เดินอยู่ในโรงงานก็อย่าเผลอไปโดนท่อเข้าโดยนึกว่ามันไม่ร้อน ทางด้านเกจวัดความดันมันไม่ค่อยร้อนหรอก แต่ด้านที่ต่อออกมาจากท่อหลักมันก็มีอุณหภูมิตามของไหลที่ไหลอยู่ในท่อนั้น

รูปที่ ๓ รูปนี้เป็นเกจวัดความดันของหม้ออบไม้ พึงสังเกตว่าเกจวัดความดันมีการบรรจุของเหลว (ตรงลูกศรชี้) เพื่อหน่วงการสั่นของเข็ม และ syphon tube ที่เชื่อมต่อเข้ากับอุปกรณ์ส่งสัญญาณจะมีขดมากกว่าเพื่อลดอุณหภูมิให้ต่ำลงไปอีก

เมื่อความดันในถังต่ำกว่าความดันบรรยากาศ MO Memoir : Saturday 14 December 2556

ถังในที่นี้อาจเป็นถังเก็บของเหลวที่ความดันบรรยากาศ (Atmospheric tank) ที่มีฝาหรือหลังคาปิด ซึ่งปรกติจะออกแบบให้ทำงานที่ใกล้เคียงความดันบรรยากาศโดยอาจจะสูงกว่าหรือต่ำกว่าความดันบรรยากาศได้เล็กน้อย หรืออาจเป็นภาชนะความดัน (Pressure vessel) ที่ปรกติจะทำงานที่ความดันสูงกว่าบรรยากาศ แต่ก็อาจมีบางกรณีที่ทำให้ความดันในภาชนะความดันนั้นต่ำกว่าบรรยากาศได้ ในส่วนของถังบรรยากาศนั้นผมเคยเล่าวิธีการควบคุมความดันเพื่อป้องกันไม่ให้ถังเกิดความเสียหายจากความดันที่สูงหรือต่ำเกินไปไว้ใน Memoir ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๓๐๑ วันเสาร์ที่ ๑๔ พฤษภาคม พ.ศ. ๒๕๕๔ เรื่อง "การควบคุมความดันในถังบรรยากาศ (Atmospheric tank)" เอาไว้แล้ว มาในวันนี้เป็นการนำเอารูปตัวอย่างความเสียหายที่เกิดมาให้ดูกันและจะกล่าวถึงกรณีของภาชนะความดันที่ในภาวะการทำงานปรกติปรกติจะทำงานที่ความดันสูงกว่าบรรยากาศ
  

รูปที่ ๑ ถังเก็บน้ำสแตนเลสสำหรับใช้ในอาคารติดตั้งอยู่บนดาษฟ้าอาคารแห่งหนึ่ง ผนังฝาด้านบนของถังบุบเนื่องจากความกดอากาศ รูปนี้ถ่ายเมื่อบ่ายวันวาน
  

รูปที่ ๑ เป็นถังเก็บน้ำสแตนเลสสำหรับใช้ในอาคารติดตั้งอยู่บนดาษฟ้าอาคารแห่งหนึ่ง ถังเหล่านี้มีท่อต่อเชื่อมกันเพื่อให้สำรองน้ำได้ในปริมาณมาก ตอนติดตั้งถังนั้นก็จะปิดฝาด้านบนเอาไว้เพื่อป้องกันไม่ให้สิ่งสกปรกตกลงไปปนเปื้อนน้ำในถัง น้ำในบ่อพักด้านล่างจะถูกสูบเข้ามาเก็บไว้ในถังพักบนดาษฟ้า ก่อนจะจ่ายลงไปยังชั้นต่าง ๆ ของอาคาร
 

ถังที่ติดตั้งนั้นมีฝาเปิดปิดอยู่ทางด้านบน ในจังหวะที่เติมน้ำเข้าไปในถังนั้นน้ำที่ไหลเข้าถังจะเข้าไปแทนที่อากาศในถัง เนื่องจากฝาถังนั้นปิดเอาไว้เฉย ๆ และไม่ได้ปิดสนิทและอัตราการเติมน้ำไม่ได้สูงมาก ความดันอากาศในถังที่เพิ่มขึ้นก็จะสามารถดันฝาถังให้เผยอขึ้น อากาศข้างในก็จะระบายออกมาได้ ทำให้ความดันในถังไม่เพิ่มสูงขึ้น ถังจึงไม่เกิดความเสียหายจากความดันในถังที่เพิ่มสูงขึ้น
 

แต่เมื่อมีการใช้น้ำ น้ำที่ระบายออกไปจากถังทำให้ปริมาตรอากาศในถังเพิ่มขึ้น ความดันในถังจะลดลง ถ้าหากฝาถังหรือตัวถังเองนั้นมีช่องทางที่กว้างพอที่ให้อากาศภายนอกไหลเข้าไปได้ทันเวลา ความดันในถังก็จะไม่ลดลงต่ำเกินไป ถังก็จะไม่เกิดความเสียหาย แต่สำหรับถังในรูปที่ไม่มีช่องทางให้อากาศไหลเข้า อากาศไหลเข้าได้เฉพาะตรงฝาปิดที่ปิดไม่สนิทเท่านั้น แต่ช่องว่างที่ฝานั้นก็ไม่มากเพียงพอ ดังนั้นพอความดันในถังลดลง ความกดอากาศภายนอกก็จะดันให้ฝาถังแนบเข้าไปกับตัวถัง ช่องว่างก็ลดลง อากาศก็ไหลเข้าไปข้างในถังได้ยากขึ้น และเมื่อความดันในถังลดต่ำลงมากพอ ความกดอากาศข้างนอกก็จะสามารถดันฝาถังด้านบนให้ยุบตัวลงดังที่เห็นในรูป
  

เหตุผลที่บริเวณด้านข้างและด้านล่างไม่บุบก็เพราะมันมีน้ำดันเอาไว้

 

รูปที่ ๒ แผนผังอย่างง่าย (Simplified diagram) ของระบบหอกลั่น

หน่วยผลิตต่าง ๆ ในอุตสาหกรรมจำนวนไม่น้อยที่ทำความที่ความดันสูงกว่าความดันบรรยากาศ ในบรรดาหน่วยผลิตเหล่านี้ก็มีบางหน่วยที่การที่ความดันในระบบสูงกว่าบรรยากาศได้เป็นเพราะการให้ความร้อนแก่ระบบเพื่อให้ของเหลวในระบบเดือดกลายเป็นไอ แต่เมื่อใดก็ตามที่ไม่มีการป้อนความร้อนเข้าสู่ระบบเพื่อให้ของเหลวในระบบเดือด ความดันในระบบก็จะลดต่ำลงจนต่ำกว่าความดันบรรยากาศได้ และอาจก่อให้เกิดปัญหาตัวภาชนะความดัน (pressure vessel) ของหน่วยผลิตนั้นถูกความกดอากาศภายนอกบีบอัดจนเกิดความเสียหายได้ ตัวอย่างหนึ่งของระบบนี้ได้แก่ "หอกลั่น - distillation column"
  

หอกลั่นที่ทำการกลั่นแยกสารที่สถานะปรกติเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศ และในกระบวนการกลั่นจะมีการให้ความร้อนเพื่อให้สารดังกล่าวนั้นเดือดกลายเป็นไอ ซึ่งทำให้ความดันภายในหอกลั่นนั้นสูงกว่าความดันบรรยากาศ โดยปรกติในระหว่างการทำงานภายในตัวหอกลั่นเองจะไม่มีอากาศอยู่ จะมีแต่เพียงไอระเหยของสารที่ทำการกลั่นแยกเท่านั้น เช่นถ้าทำการกลั่นแยกน้ำกับเอทานอล ไอระเหยที่เป็นตัวสร้างความดันภายในหอกลั่นก็คือไอระเหยของน้ำกับเอทานอล ความร้อนที่ทำให้สารที่ทำการกลั่นระเหยกลายเป็นไอนั้นได้มาจากความร้อนที่มากับสายป้อน (ผ่านทาง feed preheater) และความร้อนที่ป้อนเข้าผ่านทางหม้อต้มซ้ำ (reboiler) และถ้าเกิดเหตุการณ์ใด ๆ ก็ตามที่ทำให้ไม่มีความร้อนป้อนเข้าระบบ (เช่นขาดไอน้ำที่จะให้ความร้อนที่หม้อต้มซ้ำ) อุณหภูมิภายในหอกลั่นก็จะลดลง และเมื่อไอสารในหอกลั่นเกิดการควบแน่น ก็จะทำให้ความดันภายในหอกลั่นลดต่ำลงกว่าความดันบรรยากาศภายนอก และถ้าหอกลั่นไม่ได้ออกแบบมาเพื่อรับกับเหตุการณ์ดังกล่าว ก็อาจทำให้หอกลั่นได้รับความเสียหายจากการถูกความกดอากาศภายนอกบีบอัดได้

ในกรณีเช่นนี้การป้องกันอาจทำได้โดย 
  

(ก) การออกแบบหอกลั่นให้มีความแข็งแรงที่จะรับแรงกดอากาศภายนอกได้เมื่อความดันภายในหอกลั่นลดต่ำลงกว่าความดันบรรยากาศ วิธีการนี้อาจจะยากสำหรับหอกลั่นที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางมาก เพราะที่ความหนาผนังเท่ากัน ความสามารถในการรับแรงดันของหอกลั่นที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่าจะสูงกว่า ดังนั้นถ้าใช้วิธีการนี้กับหอกลั่นขนาดใหญ่อาจทำให้ผนังต้องหนามากและมีน้ำหนักมากได้
 

(ข) การยอมให้อากาศภายนอกรั่วไหลเข้าไปในหอกลั่น วิธีการนี้อาจทำได้ถ้าหากสารที่อยู่ในกระบวนการนั้นไม่ทำปฏิกิริยากับอากาศ หรือสารที่อยู่ในกระบวนการนั้นไม่เป็นสารที่ลุกติดไฟได้
 

(ค) การป้อนแก๊สเฉื่อย เช่น ไนโตรเจน (ในบางกรณีก็อาจใช้ CO₂ ได้) เข้าไปในระบบ วิธีการนี้จะเหมาะกว่าวิธีการตามข้อ (ข) ในกรณีที่สารที่อยู่ในกระบวนการนั้นเป็นสารที่ลุกติดไฟได้

ขั้นตอนการปฏิบัติงานบางขั้นตอนก็อาจทำให้เกิดสุญญากาศในระบบได้ถ้าไม่ระมัดระวัง ตัวอย่างหนึ่งของขั้นตอนนี้ได้แก่การไล่อากาศออกจากระบบ (ท่อและ vessel ต่าง ๆ) ก่อนป้อนสารเข้าไปในระบบ การไล่อากาศออกนี้สามารถกระทำได้ด้วยการใช้แก๊สเฉื่อย (ที่ใช้กันทั่วไปคือไนโตรเจน) หรือไอน้ำ ข้อดีของการใช้ไนโตรเจนคือไม่ทำให้ความดันภายในระบบลดต่ำลงเพราะมีความดันจากแก๊สไนโตรเจนที่ป้อนเข้าไปนั้นแทนที่ความดันของอากาศที่ถูกไล่ออกไป การใช้ไนโตรเจนมักกระทำกับระบบขนาดเล็ก (เช่นระบบท่อ หรือถังขนาดเล็ก) หรือกับระบบที่ไม่ต้องการให้มีน้ำปนเปื้อนในระบบ แต่เนื่องจากไนโตรเจนมีราคาสูงกว่าไอน้ำ ดังนั้นในระบบที่ยอมให้มีน้ำในระบบได้ เช่นหอกลั่นที่มีการให้ความร้อนด้วยการฉีดไอน้ำเข้าไปในหอกลั่นโดยตรง เช่นหอกลั่นน้ำมัน จึงอาจทำการไล่อากาศในระบบออกด้วยการใช้ไอน้ำก่อน แต่เมื่อไล่อากาศออกไปจนหมดแล้วต้องป้อนไนโตรเจนเข้าไปในหอกลั่นเพื่อรักษาความดัน เพราะเมื่อไอน้ำเย็นตัวลงควบแน่นเป็นของเหลวจะทำให้ความดันภายในหอกลั่นลดต่ำลงกว่าความดันบรรยากาศ

ถังเก็บของเหลวที่เป็นแทงค์ชนิด cone roof tankหรือ fixed roof tank นั้นมักจะออกแบบมาเพื่อรับความดันภายในถังที่สูงกว่าความดันบรรยากาศไม่เกิน 8 นิ้วน้ำ (ประมาณ 0.3 psi หรือ 2 kPa) และรับความดันสุญญากาศที่เกิดขึ้นภายในถังได้ไม่เกิน 2.5 นิ้วน้ำ (ประมาณ 0.1 psi หรือ 0.6 kPa หรือประมาณความดันที่ก้นแก้วน้ำเมื่อใส่น้ำเต็มแก้ว) ถังเหล่านี้จึงเกิดความเสียหายจากการเปลี่ยนแปลงความดันที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงปริมาณและ/หรืออุณหภูมิของของเหลวในถังได้ง่ายถ้าไม่ระมัดระวังการทำงาน เช่นป้อนของเหลวหรือสูบของเหลวออกจากถังด้วยอัตราที่สูงเกินกว่าอุปกรณ์ควบคุมความดันจะทำหน้าที่ได้ทัน ป้อนของเหลวที่ร้อนเข้าไปในถังที่เย็น หรือเกิดการอุดตันที่ระบบควบคุมความดันจนทำให้ปรับความดันภายในถังไม่ได้ 
 

รูปที่ ๓ ส่วนหนึ่งของหนังสือที่เขียนโดย Trevor A. Kletz ที่สะสมไว้

หนังสือเรื่อง "What Went Wrong? : Case histories of process plant disasters" เขียนโดย Trevor A. Kletz ของสำนักพิมพ์ Gulf Publishing Company ฉบับพิมพ์ครั้งที่ 2 ปีค.ศ. 1988 ที่ผมมีอยู่เล่มหนึ่งนั้น (รูปที่ ๓) ในบทที่ 5 หน้า 80-81 ได้เล่าถึงวิธีการที่วิศวกรผู้หนึ่งทำการแก้ปัญหาหลังคาของ cone roof tank ที่ถูกแรงกดอากาศบีบอัดฝาถังด้านบนจนยุบตัวลงเมื่อความดันในแทงค์นั้นลดต่ำลงกว่าความดันบรรยากาศ ให้กลับคืนสู่สภาพเดิม วิธีการที่ทำก็คือทำการใส่น้ำให้เต็มแทงค์ จากนั้นนำท่อความยาวประมาณ 1 เมตรมาต่อเข้ากับจุด vent ให้ท่อตั้งในนแนวดิ่ง และค่อย ๆ เติมน้ำเข้าไปทางท่อดังกล่าว แรงดันที่เกิดจากความสูงของน้ำที่เติมเข้าไปทางท่อในแนวดิ่งนั้นจะไปดันให้ฝาถังที่ยุบตัวลงไปนั้น คืนรูปพองกลับมาทางด้านเดิม (รูปที่ ๔)

รูปที่ ๔ วิธีการในการทำให้ฝาบนของ cone roof tank ที่ยุบตัวลงพองกลับคืนสภาพเดิม

ที่เขียนเรื่องนี้ก็เพื่อต้องการให้เห็นความสำคัญของการพิจารณาขั้นตอนการทำงาน ว่าไม่ควรคิดเฉพาะการเดินเครื่องที่ steady state เท่านั้น แต่ควรต้องคำนึงถึงการทำงานที่เกี่ยวข้องทั้งหมด ไม่ว่าจะเป็นช่วงการเริ่มต้นเดินเครื่อง (start up) หยุดเดินเครื่อง (shut down) หรือมีเหตุการณ์ผิดปรกติเกิดขึ้นด้วย