ระบบเผาแก๊สทิ้ง (Flare system) ตอนที่ ๓ Seal drum และ Quench drum MO Memoir : Friday 8 March 2556

เนื้อหาในบันทึกฉบับนี้ยังคงอิงจาก "Guide for Pressure-Relieving and Depressuring Systems" API RP 521 4th edition, March 1997 พึงระลึกว่า API RP นี้เป็น "Recommended Practice" ถ้าจะแปลออกมาก็คือ "แนวปฏิบัติที่แนะนำ" นั่นแสดงว่าไม่ได้หมายความว่า "ต้อง" ทำตามที่เขียนไว้ใน API RP เสมอไป มันไม่เหมือน "Standard - มาตรฐาน" หรือ "Regulation - กฎข้อบังคับ" ที่ต้องปฏิบัติตามทุกตัวอักษร

Memoir ๒ ฉบับที่เกี่ยวข้องกับเรื่องนี้คือ

ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๖๑ วันพฤหัสบดีที่ ๑๐ มกราคม ๒๕๕๖ เรื่อง "Liquid seal และ Water seal ตอนที่ ๑ การป้องกันแก๊สไหลสวนทาง" และ

ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๖๒ วันเสาร์ที่ ๑๒ มกราคม ๒๕๕๖ เรื่อง "Liquid seal และ Water seal ตอนที่ ๒ การรักษาระดับของเหลวและความดันLiquid seal และ Water seal ตอนที่ ๒ การรักษาระดับของเหลวและรักษาความดัน"

"Seal drum" ในที่นี้ไม่ได้แปลว่ากลองแมวน้ำ แต่หมายถึงถังที่ใช้ป้องกันการไหลย้อนกลับของแก๊ส ในกรณีที่ใช้กับระบบ flare ก็จะทำหน้าที่ป้องกันไม่ให้อากาศและเปลวไฟไม่ให้เข้าไปในระบบท่อ flare

ที่ปากปล่อง flare หรือ flare tip นั้นจะมีการจุดไฟที่เรียกว่า pilot (โดยใช้ LPG เป็นเชื้อเพลิง) รอเอาไว้ตลอดเวลา pilot นี้จะวางอยู่รอบ ๆ flare tip (จะเล่าในเรื่องถัดไป) และได้รับการออกแบบมาให้ลุกติดตลอดเวลาไม่ว่าจะมีฝนตกหนักหรือลมแรงเท่าใด ดังนั้นเมื่อใดก็ตามที่มีแก๊สที่เผาไหม้ได้ไหลผ่านมาถึง flare tip แก๊สนั้นก็จะลุกติดไฟโดยอาศัยเปลวไฟจาก pilot นี้ทันที

รูปที่ ๑ Seal drum จะติดตั้งก่อนที่แก๊สจะไหลเข้า flare stack

โดยปรกติแล้วระบบ flare ควรมีแก๊สไหลออกตลอดเวลา (จะเป็นแก๊สเชื้อเพลิงหรือแก๊สเฉื่อยก็ได้) แต่ก็อาจมีบางขณะที่ไม่มีแก๊สไหลออก ในช่วงเวลาที่ไม่มีแก๊สไหลออกนี้จะเป็นโอกาสที่จะทำให้อากาศแพร่ไหลย้อนเข้าไปใน flare stack ได้ (ดูรูปที่ ๑) และเมื่อมีแก๊สที่ลุกติดไฟได้ไหลออกมา แก๊สนั้นมีโอกาสที่จะผสมกับอากาศเป็นส่วนผสมที่ลุกติดไฟได้ และเมื่อไหลไปถึง flare tip ก็จะถูกจุดให้เผาไหม้ และจะเกิดเปลวไฟวิ่งย้อนลงมาตามปล่อง flare ได้
  

เพื่อป้องกันไม่ให้อากาศมีโอกาสไหลย้อนเข้าไปในระบบลึกเกินไปเวลาที่ไม่มีแก๊สไหลออกระบบ flare และป้องกันไม่ให้เปลวไฟที่เกิดจากการเผาไหม้วิ่งย้อนกลับเข้าไปในระบบ จึงต้องมีการติดตั้ง seal drum เอาไว้ระหว่างปล่อง flare กับ knockout drum ใน seal drum นั้นจะบรรจุน้ำเอาไว้ แก๊สที่ไหลเข้ามาจะออกทางท่อที่จุ่มอยู่ใต้ผิวน้ำ (รูปที่ ๒) ในกรณีที่ไม่มีแก๊สไหลออก น้ำก็จะเป็นตัวปิดกั้นการไหลของอากาศและเปลวไฟ ถ้ามีอากาศแพร่ย้อนเข้ามาก็จะไม่สามารถแพร่เข้าไปในท่อแก๊สไหลเข้าได้ และถ้ามีเปลวไฟวิ่งสวนทางย้อนลงมา ก็จะมาสิ้นสุดที่ seal drum ดังนั้น seal drum จึงควรได้รับการออกแบบให้รับแรงระเบิดจากเปลวไฟที่วิ่งย้อนเข้ามาด้วย
  

เนื่องจากท่อแก๊สที่ไหลเข้า seal drum นั้นจุ่มอยู่ใต้ผิวน้ำประมาณ 4 นิ้วหรือ 10 เซนติเมตร ดังนั้นแก๊สที่จะไหลผ่าน seal drum ไปได้นั้นต้องมีความดันอย่างน้อย 4 นิ้วน้ำ ค่าความดันค่านี้เป็นการ back pressure ที่น้อยที่สุดในการออกแบบวาล์วระบายความดัน (relieving valve) ที่ระบายแก๊สเข้าระบบท่อ flare (ความดันต้านการไหลด้านขาออกของ relieving valve) ที่บอกว่าเป็นค่าความดันที่น้อยที่สุดก็คือกรณีที่ระบบนั้นมีวาล์วระบายความดันเปิดเพียงตัวเดียว แต่ถ้าวาล์วระบายความดันมีการเปิดหลายตัวพร้อมกัน ค่าความดัน back pressure ก็จะสูงกว่านี้
  

เพื่อรักษาระดับน้ำใน seal drum ให้คงที่ตลอดเวลา จึงใช้การเปิดน้ำเข้า seal drum ตลอดเวลา และควบคุมระดับด้วยการใช้ U-loop (ในรูปที่ ๒ เรียกว่า sewer seal) การทำงานของ U-loop ตัวนี้เล่าเอาไว้แล้วในบันทึกฉบับที่ ๕๖๑ และ ๕๖๒ ที่เกริ่นเอาไว้ตอนเริ่มต้นบันทึกฉบับนี้

ยังมีอุปกรณ์อีกตัวหนึ่งที่มีการทำหน้าที่คล้ายทั้ง seal drum คือ quench drum (รูปที่ ๓) quench drum นี้จะมีน้ำ (หรือของเหลวชนิดอื่น ขึ้นอยู่กับแก๊สที่ต้องการชะล้าง) ฉีดเข้าทางด้านบนของถัง แก๊สที่ไหลเข้ามาจะออกยังปลายท่อที่จุ่มอยู่ใต้ผิวของเหลวในถัง เมื่อแก๊สร้อนที่มีส่วนที่ควบแน่นได้ (หรือละลายได้ในของเหลวที่ฉีดลงมา) สัมผัสกับของเหลวที่ฉีดลงมา องค์ประกอบที่ควบแน่นได้ (หรือละลายได้) ก็จะถูกชะลงเบื้องล่างมาพร้อมกับของเหลว ส่วนแก๊สก็จะถูกส่งต่อไปยังระระบบระบายต่อไป (เช่นออกปล่อยออกสู่บรรยากาศโดยตรง หรือส่งเข้าระบบ flare) quench drum ในที่นี้แตกต่างจาก scrubber ตรงที่ตัว scrubber นั้นไม่มีระบบ liquid seal ใน API RP 521 กล่าวถึงการใช้ quench drum ในการดักจับไอแก๊สร้อนที่มีไฮโดรคาร์บอนที่ควบแน่นได้ผสมอยู่ โดยของเหลวที่ฉีดพ่นลงมานั้นอาจเป็นน้ำหรือพวกน้ำมันหนัก (จุดเดือดสูง) ก็ได้

ตอนต่อไปจะเป็นเรื่องเกี่ยวกับ flare tip (ปากปล่อง flare ที่เป็นที่เกิดการเผาไหม้) และตำแหน่งติดตั้งของมัน ซึ่งทำให้เกิดการแยกออกเป็น ground flare (ระบบเผาทิ้งที่อยู่ระดับพื้น) และ elevated flare (ระบบเผาทิ้งที่เราเห็นเป็นปล่องสูง ๆ มีไฟลุกติดอยู่ข้างบน)

รูปที่ ๒ ตัวอย่าง Water seal drum (จาก API RP 521) ภาพบนเป็นภาพระบบรวมทั่วไป ส่วนภาพล่างเป็นส่วนขยายของส่วนท่อที่จุ่มอยู่ในน้ำ (1) U-loop เพื่อรักษาระดับน้ำใน seal drum ให้คงที่ (2) Vent ที่ส่วนบนสุดของ U-loop เพื่อป้องกันการเกิดกาลักน้ำ (3) ปลายท่อระบายน้ำออกอยู่สูงจากระดับก้นถัง เพื่อป้องกันไม่ให้ของแข็ง (ที่อาจมี) ไหลเข้าไปอุดตันท่อ U-loop (4) ระดับความลึกที่น้อยที่สุดที่แก๊สต้องมีแรงดันเพื่อจะไหลผ่านพ้นชั้นน้ำออกไปได้ ในรูปคือ 4 นิ้วน้ำ (หรือ 10 เซนติเมตรน้ำ) ดังนั้นค่า ๆ นี้จะเป็นค่า minimum back pressure ของระบบท่อ flare กล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือแก๊สจะไหลผ่าน Water seal drum ออกไปที่ flare stack ได้จะต้องมีความดันไม่น้อยกว่า 4 นิ้วน้ำ (5) ที่อัตราการไหลแก๊สต่ำ แก๊สจะไหลออกทางช่องรูปสี่เหลี่ยมที่อยู่ด้านบนช่องรูปสามเหลี่ยม แต่เมื่อแก๊สไหลเร็วขึ้น (ความดันก็เพิ่มขึ้นตาม) จำเป็นต้องมีช่องทางการไหลที่กว้างขึ้น ช่องสำหรับให้แก๊สไหลออกก็เลยค่อย ๆ โตขึ้นเป็นรูปสามเหลี่ยม และยังมีการเจาะช่องรูปสามเหลี่ยมเพิ่มขึ้นเพื่อช่วยในการระบายแก๊สเมื่อมีอัตราการระบายสูง

รูปที่ ๓ Quench drum ใช้สำหรับดักไอที่มีของเหลวที่ควบแน่นได้ เช่นในรูปเป็นไอไฮโดรคาร์บอนที่ไหลเข้าท่อทางด้านซ้าย โดยปลายท่อแก๊สไหลเข้านั้นจะจุ่มอยู่ในน้ำที่อยู่ทางซีกซ้ายของ drum ไอไฮโดรคาร์บอนบางส่วนจะควบแน่นในขณะที่ไหลผ่านน้ำ และส่วนที่เหลือจะควบแน่นเมื่อแก๊สที่ไหลออกนั้นสัมผัสกับน้ำที่ฉีดลงมาจากทางด้านบน ไฮโดรคาร์บอนที่เป็นของเหลวที่ลอยอยู่บนผิวหน้าน้ำทางซีกซ้ายจะไหลล้นข้ามแผ่น baffle (1) มาสะสมอยู่ทางฝั่งซีกขวาของก้นถัง ดังนั้นเราจะสามารถจะระบายไฮโดรคาร์บอนที่ควบแน่นออกได้โดยการเปิดวาล์ว (2) ด้านล่างของถังเพื่อระบายน้ำทางซีกขวาออก โดยที่ระดับน้ำทางซีกซ้ายนั้นยังคงเดิม ทำให้ระบบยังรักษาความสามารถในการป้องกันการไหลย้อนกลับได้อยู่

Liquid seal และ Water seal ตอนที่ ๒ การรักษาระดับของเหลวและรักษาความดัน MO Memoir : Saturday 12 January 2556

หลังจากที่นำเรื่อง Liquid seal และ Water seal ตอนที่ ๑ ขึ้น blog ไปแล้ว ก็มีผู้ที่จบไปทำงานแล้วถามกลับมาว่า "ทำไมเราไม่แก้ปัญหาเรื่องแก๊สไหลย้อนด้วยการเอา inlet nozzle ของสาย liquid return ไปติดไว้ใต้ระดับของเหลวในถัง flash drum" (รูปที่ ๑ ซ้าย)

 รูปที่ ๑ (ซ้าย) การให้ของเหลวที่ควบแน่นจากเครื่องควบแน่นไหลลงสู่ flash drum โดยที่ปลายท่อด้านล่าง (ในวงเส้นประสีเขียว) จมอยู่ใต้ผิวของเหลวใน flash drum (ขวา) seal pot สามารถที่จะรองรับของเหลวที่มาจากเครื่องควบแน่นได้หลายตัวพร้อมกัน โดยการควบคุมให้ปลายท่อจมอยู่ใต้ผิวของเหลวใช้วิธีการให้ของเหลวไหลล้นออกจาก seal pot

ซึ่งผมก็ได้ให้คำตอบเขา (ตามความเห็นของผม) กลับไปว่า

๑. ทำได้ ถ้ามั่นใจว่าใน flash drum จะมีของเหลวท่วมปลายท่อตลอดเวลา ต้องมั่นใจว่าอัตราการเกิดของเหลวที่เกิดจากการ flash รวมกับที่ไหลมาจากเครื่องควบแน่นต้องสัมพันธ์กับปริมาณของเหลวที่สูบออก ถ้าเมื่อใดที่เกิดของเหลวน้อยในขณะที่อัตราการสูบออกยังคงเดิม ปลายท่อก็จะโผล่พ้นระดับของเหลวได้ ในกรณีของการใช้ seal pot (รูปที่ ๑ ของ Memoir ฉบับวันที่ ๑๐ มกราคม ๒๕๕๖ หรือที่วาดใหม่ในรูปที่ ๑ ขวา ของ Memoir ฉบับนี้) จะเห็นว่าเพื่อให้มั่นใจว่าปลายท่อของเหลวที่ไหลมาจากเครื่องควบแน่นนั้นอยู่ใต้ผิวของเหลวตลอดเวลา จะใช้วิธีให้ของเหลวไหลล้นออกทางรูที่อยู่สูงกว่าระดับปลายท่อ (ท่อระบายที่ก้น seal pot มีไว้ระบายของเหลวออกตอนซ่อมบำรุง)
    

๒. การใช้ U loop นั้น ถ้าช่วงไหนแก๊สที่เข้ามานั้นไม่มีของเหลว การปิดกั้นการไหลของแก๊สก็ยังคงมีอยู่ (ยังมีของเหลวเดิมค้างอยู่) หรือแม้แต่สูบของเหลวใน flash drum จนระดับของเหลวลดต่ำลงมาก การปิดกั้นการไหลของแก๊สก็ยังคงมีอยู่

  

๓. ถ้าเริ่มพิจารณาจากช่วง start up (ถังเปล่า ๆ ไม่มีอะไร) flash drum จะมีขนาดใหญ่กว่า U loop ดังนั้นต้องใช้ของเหลวในปริมาณมากกว่าในการปิดกั้นการไหลของแก๊ส

  

๔. ในกรณีที่มีเครื่องควบแน่นหลายเครื่อง แทนที่จะมี U loop ประจำแต่ละเครื่องควบแน่น ก็อาจมี Seal pot เพียงตัวเดียว แต่มีท่อไหลเข้าหลายท่อ (รูปที่ ๑ ขวา)

๕. ในบางกระบวนการ เช่น slurry phase polymerisation ที่มีการควบแน่นตัวทำละลายและป้อนกลับไปยัง reactor นั้น ถ้าหากท่อที่จุ่มใต้ของเหลวไม่มีของเหลวไหลออกตลอดเวลาหรือไหลไม่แรงพอ จะทำให้ slurry ไหลย้อนเข้าไปในท่อนั้นได้ และอาจเกิดปัญหาการอุดตันจากผงพอลิเมอร์ได้

ใน Memoir ฉบับนี้จะยกตัวอย่างการใช้ U-loop ในการรักษาระดับของเหลวและรักษาความดันใน vessel สักสองตัวอย่าง โดยตัวอย่างแรกจะเป็นกรณีของเครื่องควบแน่นชนิด shell and tube ที่แก๊สไหลในส่วน tube โดย ไหลจากบนลงล่าง ก่อนที่จะวกกลับเป็นการไหลจากล่างขึ้นบนและออกไปจากเครื่องควบแน่น

รูปที่ ๒ (ซ้าย) น้ำหล่อเย็นในส่วน shell นั้นไหลสวนทางกับแก๊สที่ไหลเข้า (ขวา) น้ำหล่อเย็นในส่วน shell ไหลในทิศทางเดียวกับแก๊สที่ไหลเข้า

ในการออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube หรือ double-pipe นั้น ผู้ออกแบบต้องเลือกว่าจะให้การไหลของสายที่ต้องการลดอุณหภูมิกับสายของสารระบายความร้อนนั้น (ก) ไหลสวนทางกัน หรือ (ข) ไหลในทิศทางเดียวกัน
   

การไหลแบบสวนทิศทางนั้นมีข้อดีตรงที่เราสามารถลดอุณหภูมิของสายที่ต้องการลดอุณหภูมิลงได้มาก (อาจต่ำได้ถึงประมาณอุณหภูมิขาเข้าของสารระบายความร้อนบวก 10ºC) และเพิ่มอุณหภูมิของสายที่รับความร้อนนั้นได้มาก (อาจได้สูงถึงประมาณอุณหภูมิขาเข้าของสายร้อนลบ 10ºC) ในขณะที่รูปแบบการไหลในทิศทางเดียวกันนั้นอุณหภูมิของสายระบายความร้อนและสายที่ต้องการลดอุณหภูมินั้นจะลู่เข้าหากันจนไม่สามารถถ่ายเทความร้อนให้แก่กันได้อีก
   

แต่การไหลในทิศทางเดียวกันนั้นก็มีข้อดีคือสามารถลดอุณหภูมิของสายร้อนลงได้อย่างรวดเร็วในช่วงแรก ซึ่งก็เหมาะกับงานบางประเภทเช่นเมื่อต้องการหยุดปฏิกิริยาหรือต้องการให้เกิดการควบแน่นอย่างรวดเร็ว
   

ตัวอย่างเช่นในกรณีที่แสดงในรูปที่ ๒ นั้นเป็นกรณีที่เราต้องการให้แก๊สควบแน่นอย่างรวดเร็วในช่วงแรก (ที่แก๊สไหลจากบนลงล่าง) เพื่อให้ของเหลวที่เกิดจากการควบแน่นในส่วน tube นั้นไหลลงสู่ด้านล่างในทิศทางเดียวกับการไหลของแก๊สได้สะดวก ถ้าหากว่าเราป้อนของเหลวที่ใช้เป็น coolant เข้าทางด้านล่างของ shell และออกทางด้านบน เราจะไม่มีปัญหาเรื่องการเติมของเหลวให้เต็มในส่วน shell แต่เราอาจจะไม่สามารถลดอุณหภูมิแก๊สที่ไหลเข้ามาลงได้อย่างรวดเร็ว แต่ถ้าเราให้ของเหลวที่ใช้เป็น coolant ไหลเข้าทางด้านบนของ shell และออกทางด้านล่าง เราจะสามารถลดอุณหภูมิของแก๊สที่ไหลเข้ามาได้อย่างรวดเร็ว แต่จะไปมีปัญหาเรื่องการที่จะมั่นใจว่าในส่วน shell นั้นมี coolant ที่เป็นของเหลวเต็มอยู่ตลอดเวลา
  

วิธีการแก้ปัญหาเมื่อต้องการให้ของเหลวที่ใช้เป็น coolant ไหลเข้าทางด้านบนของ shell และออกทางด้านล่างและบรรจุเต็มส่วน shell ตลอดเวลานั้นทำได้โดยการเดินระบบท่อด้านขาออกนั้นให้เป็น loop ดังแสดงในรูปที่ ๓ ข้างล่าง

รูปที่ ๓ การใช้ loop เพื่อให้สามารถบรรจุ coolant ที่เป็นของเหลวได้เต็มส่วน shell ของเครื่องควบแน่น (แบบ shell and tube) และให้มั่นใจว่าจะมีของเหลวที่เป็น coolant บรรจุเต็มส่วน shell เสมอ

เพื่อให้มั่นใจว่าส่วน shell จะมีของเหลวเติมเต็มตลอดเวลานั้น ขนาดความสูงของ loop (สีเขียว) ที่แสดงในรูปที่ ๓ จึงไม่ควรต่ำกว่าระดับความสูงของส่วน shell (เส้นประสีเขียวที่แสดงไว้) ดังนั้นไม่ว่าอัตราการไหลของของเหลวที่ใช้เป็น coolant นั้นจะเพิ่มขึ้นหรือลดลง ส่วน shell ก็จะมีของเหลวเติมเต็มตลอดเวลา

การสร้าง loop ดังกล่าวยังสามารถใช้เพื่อรักษาระดับน้ำใน vessel ให้คงที่ตลอดเวลาและป้องกันไม่ให้แก๊สใน vessel รั่วไหลออกทางช่องทางระบายน้ำได้ ตัวอย่างเช่นในกรณีของ seal drum ที่ใช้กับระบบ flare system นั้น ก่อนที่แก๊สจะไหลไปถึงปากปล่อง flare stack เพื่อเผาทำลาย แก๊สดังกล่าวจะต้องผ่านเข้า seal drum ก่อน seal drum ในที่นี้เป็นเพียงแค่ vessel บรรจุน้ำเอาไว้ภายใน แก๊สที่ไหลเข้ามาจะออกทางปลายท่อที่จุ่มอยู่ใต้ผิวน้ำ (ดังนั้นระดับความลึกที่วัดจากผิวน้ำไปจนถึงปลายท่อจะเป็นค่าความดันที่ต่ำที่สุดที่แก๊สในระบบท่อ flare ต้องมี ไม่เช่นนั้นจะไม่สามารถไหลออกไปทางปากปล่อง flare stack ได้) ก่อนที่จะลอยกลับเข้าสู่ด้านบนของ seal drum และระบายออกไป (รูปที่ ๔)

รูปที่ ๔ การใช้ loop เพื่อรักษาระดับน้ำใน seal drum และป้องกันไม่ให้แก๊สรั่วไหลออกทางท่อระบายน้ำออก

ระดับความสูง H ของ loop นั้นจะต้องมากพอที่จะรับความดันใน seal drum เมื่อมีการไหลของแก๊สสูงสุด (เช่นในกรณีที่มีเพลิงไหม้ และ vessel ต่าง ๆ ในโรงงานมีการระบายแก๊สออกทางระบบ flare พร้อมกันทั้งหมด ตัว loop นั้นจะมีท่อ vent เปิดออกสู่อากาศ (สีแดงในรูป) ท่อ vent นี้มีไว้เพื่อป้องกันการเกิดกาลักน้ำซึ่งสามารถเกิดได้ปลายท่อด้านระบายน้ำทิ้งนั้นอยู่ที่ระดับต่ำกว่าระดับน้ำในถัง และท่อด้านน้ำไหลลงนั้นมีน้ำไหลเต็มท่อ (รูปที่ ๕)

รูปที่ ๕ (ซ้าย) ในกรณีที่น้ำไหลลงล่างแบบเต็มท่อนั้นจะสามารถทำให้เกิดกาลักน้ำได้ แต่ถ้าไหลแบบไม่เต็มท่อ (ขวา) จะเป็นเสมือนกับการล้นข้ามกำแพงออกมา จะไม่เกิดปรากฏการณ์กาลักน้ำ

หน้าที่ของ seal drum คือป้องกันไม่ให้มีการแพร่ของอากาศย้อนเข้าไปในระบบท่อ flare ในกรณีที่ระบบท่อ flare ไม่มีแก๊สไหลออกหรือไหลในอัตราที่ต่ำเกินไป นอกจากนี้ยังป้องกันไม่ให้เปลวไฟที่ไหม้ย้อนกลับลงมาจากปากปล่อง flare stack (ซึ่งอาจเกิดได้ถ้าหากมีการแพร่ของอากาศย้อนเข้ามาในระบบท่อ flare) ลามเข้าไปในระบบท่อ flare โดยเปลวไฟจะมาหยุดที่ผิวหน้าน้ำที่อยู่ใน seal drum รายละเอียดเรื่อง flare system นี้ขอยกไปเป็นอีกเรื่องต่างหาก

Liquid seal และ Water seal ตอนที่ ๑ การป้องกันแก๊สไหลสวนทาง MO Memoir : Thursday 10 January 2556

ในกระบวนการผลิตทางวิศวกรรมเคมีนั้น มีบ่อยครั้งที่มีการไหลของของเหลวระหว่าง vessel ปิดผนึกสอง vessel โดยอาศัยแรงโน้มถ่วง โดยให้ของเหลวไหลจาก vessel ใบหนึ่งที่อยู่สูง ลงสู่ vessel อีกใบหนึ่งที่อยู่ต่ำกว่า

ตัวอย่างของกระบวนการดังกล่าวได้แสดงไว้ในรูปที่ ๑ และ ๒ เช่น vessel ใบแรกนั้นอาจเป็น Flash drum^(๑) ที่มีการป้อนของเหลวความดันสูงเข้าสู่ vessle ดังกล่าวผ่านทางวาล์วลดความดัน ของเหลวที่ไหลผ่านวาล์วลดความดันจะมีความดันลดลง ทำให้พวกที่มีจุดเดือดต่ำ (ซึ่งเป็นของเหลวภายใต้ความดัน) ระเหยกลายเป็นไอออกมา โดยส่วนที่เป็นของเหลวจะมีแต่พวกที่มีจุดเดือดสูง

   

ไอที่เกิดขึ้นจะระบายออกทางด้านบนของ flash drum เข้าสู่เครื่องควบแน่น^(๒) ที่ติดตั้งอยู่ ณ ระดับที่สูงกว่าระดับ flash drum เครื่องควบแน่นนี้จะลดอุณหภูมิส่วนที่เป็นไอให้ต่ำลง เพื่อแยกเอาสารที่มีจุดเดือดสูง (ที่มีการระเหยบางส่วนติดไปกับส่วนที่เป็นไอ) ออกจากพวกที่มีจุดเดือดต่ำ ทำให้ส่วนที่เป็นไอมีเฉพาะสารที่มีแต่พวกจุดเดือดต่ำเป็นหลัก

  

ของเหลวที่ควบแน่นได้ที่เครื่องควบแน่นนี้จะถูกส่งกลับไปยัง flash drum เพื่อไปรวบรวมกับของเหลวที่แยกได้จากการ flash และระบายออกทางด้านล่างของ flash drum ต่อไป

อีกตัวอย่างหนึ่งของกระบวนการดังกล่าวได้แก่การระบายความร้อนออกจากเครื่องปฏิกรณ์ด้วยการให้ของเหลวเดือด เช่นในกระบวนการพอลิเมอร์ไรซ์แบบสเรอรี่ (slurry phase polymerisation) หรือแบบสารละลาย (solution phase polymerisation) ปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์ (ซึ่งเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน) จะเกิดขึ้นในตัวทำละลาย การระบายความร้อนสามารถกระทำได้ผ่านทางผนังของเครื่องปฏิกรณ์ หรือการนำเอาเฟสของเหลวในเครื่องปฏิกรณ์มาระบายความร้อนด้วยเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ติดตั้งภายนอก เพื่อให้เย็นตัวลงก่อนป้อนกลับเข้าไปใหม่ แต่วิธีการที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าและระบายความร้อนได้มากกว่าคือการคุมความดันของเครื่องปฏิกรณ์ โดยปรับความดันในเครื่องปฏิกรณ์เพื่อให้ตัวทำละลายเดือด ณ อุณหภูมิที่ต้องการทำปฏิกิริยา (ดู Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๕๘ วันอาทิตย์ที่ ๒๐ กันยายน ๒๕๕๒ เรื่อง "Ethylene polymerisation" ประกอบ)

  

ไอของตัวทำละลายที่ระเหยออกทางด้านบนของเครื่องปฏิกรณ์จะระบายความร้อนออกยังเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ติดตั้งอยู่ ณ ตำแหน่งที่สูงกว่า กลับกลายเป็นของเหลวใหม่ ของเหลวที่ได้จากการควบแน่นนี้จะไหลกลับไปยังเครื่องปฏิกรณ์โดยอาศัยแรงโน้มถ่วง

ตัวอย่างที่แสดงในรูปที่ ๑ และ ๒ นั้น เราต้องการให้แก๊สไหลจาก flash drum ที่อยู่ด้านล่างไปตามเส้นทางสีน้ำเงิน และให้ของเหลวที่ได้จากการควบแน่นไหลจากเครื่องควบแน่นกลับมายัง flash drum ทางท่อสีส้ม ท่อสีน้ำเงินที่เป็นท่อให้แก๊สไหลนั้นไม่มีปัญหาเรื่องการไหลของของเหลวสวนทางลงมา (เพราะมันเข้ายังด้านบนของเครื่องควบแน่น) แต่ท่อสีส้มที่ให้ของเหลวไหลกลับลงมานั้นจะมีปัญหาเรื่องแก๊สที่เกิดขึ้นใน flash drum ไหลย้อนขึ้นไปได้ ซึ่งจะส่งผลให้การไหลของของเหลวติดขัด หรือไม่ก็ทำให้แก๊สบางส่วนไหลลัดเส้นทางจาก flash drum ไปยังด้านขาออกของเครื่องควบแน่นได้โดยไม่ผ่านการควบแน่น

รูปที่ ๑ การใช้ seal pot ป้องกันแก๊สไหลขึ้นไปทางท่อระบายของเหลวลงจากเครื่องควบแน่น (ท่อสีส้ม) ของเหลวที่รวบรวมได้ที่ seal pot อาจระบายจาก seal pot ทางด้านล่างไปยัง vessel ตัวอื่น หรือปล่อยให้ไหลล้นกลับเข้าไปใน flash drum เส้นทางของเหลวระบายออกทางด้านล่างของ seal pot ยังใช้เป็นเส้นทางระบายของเหลวใน seal pot ทิ้งเมื่อต้องทำการซ่อมบำรุงด้วย

เพื่อป้องกันการไหลสวนทางดังกล่าวจึงต้องหาทางให้แก๊สไม่สามารถไหลย้อนขึ้นไปทางเส้นทางการไหลของของเหลว (เส้นสีส้ม) ได้ วิธีการง่าย ๆ ที่กระทำกันก็คือใช้ของเหลวที่ควบแน่นได้นั้นเป็นตัวปิดกั้น อย่างเช่นในรูปที่ ๑ นั้นของเหลวที่ไหลมาจากเครื่องควบแน่นจะถูกรวบรวมไว้ใน seal pot ก่อน โดยปลายท่อที่มาจากเครื่องควบแน่นนั้นจะอยู่ต่ำกว่าระดับของเหลวใน seal pot 

   

ของเหลวที่รวบรวมได้จะล้นออกจาก seal pot ทางช่องทางออกที่อยู่ที่ระดับที่สูงกว่าปลายท่อที่มาจากเครื่องควบแน่น ทั้งนี้เพื่อให้มั่นใจว่าปลายท่อที่มาจากเครื่องควบแน่นนี้จมอยู่ใต้ผิวของเหลวตลอดเวลา ระยะระหว่างปลายท่อที่จุ่มในของเหลวกับช่องทางให้ของเหลวไหลออกจาก seal pot เป็นตัวเพิ่มความดันขั้นต่ำที่แก๊สต้องมีเพื่อจะไหลสวนทางขึ้นไปตามท่อระบายของเหลวลงล่าง ผลที่เกิดขึ้นก็คือความดันต้านทานการไหลของแก๊สในเส้นทางสีน้ำเงินจะต่ำกว่าการไหลในเส้นทางสีส้ม ทำให้แก๊สไหลในเส้นทางสีน้ำเงินเพียงอย่าเดียว ไม่ไหลสวนทางขึ้นไปตามเส้นทางการไหลลงล่างของของเหลว (เส้นสีส้ม)

รูปที่ ๒ การออกแบบระบบท่อให้เป็น loop รูปตัวยูเพื่อกักของเหลว ของเหลวจะถูกกักอยู่ในท่อส่วนที่ไหลลงมาจากเครื่องควบแน่นและส่วนที่ไหลขึ้นของ loop ของเหลวส่วนเกินจะไหลล้นข้าม loop ลงไปใน flash drum ในกรณีนี้จะมีการติดตั้งวาล์ว bypass ตัว loop เอาไว้ด้วยเพื่อใช้สำหรับระบายของเหลวที่ถูกกักไว้ในท่อส่วนดังกล่าวเมื่อต้องทำการซ่อมบำรุง

รูปที่ ๒ ข้างบนเป็นอีกวิธีการหนึ่งในการป้องกันไม่ให้แก๊สไหลย้อนขึ้นไปทางท่อสีส้ม ในรูปนี้ใช้การวางระบบท่อให้เป็นรูปตัวยูคว่ำตั้งขึ้น (∩) ระดับความสูงของตัวยูนั้นต้องมั่นใจว่าเมื่อมีของเหลวมากักขังแล้วจะทำให้ความต้านทานการไหลของแก๊สในเส้นทางนี้ (เส้นสีส้ม) สูงกว่าเส้นทางที่ต้องการให้แก๊สไหล (เส้นสีน้ำเงิน) ตัว loop จะมีการติดตั้งวาล์ว bypass เอาไว้เพื่อเอาไว้ใช้ตอนซ่อมบำรุงระบบท่อ (ในระหว่างใช้งานปรกติวาล์วตัวนี้จะปิดอยู่) เมื่อเปิดวาล์ว bypassของเหลวที่ค้างอยู่ใน loop ก็จะไหลลงสู่ flash drum และระบายทิ้งออกทางด้านล่างของ flash drum

  

การทำ loop ตัวยูนี้ถ้าเป็น loop ที่เป็นรูปตัวยูหงายห้อยลงข้างล่าง (U) ก็สามารถป้องกันการแก๊สไหลย้อนสวนทางได้เช่นเดียวกัน แต่ในกรณีหลังนี้ต้องมีการติดตั้ง drain valve ไว้ที่ด้านล่างสุดของ loop เพื่อระบายของเหลวที่ค้างอยู่ใน loop เมื่อต้องทำการซ่อมบำรุง

ในตอนที่ ๒ ของเรื่องนี้จะกล่าวถึงการใช้ loop รูปตัวยูในการรักษาระดับของเหลวใน vessel ให้คงที่ โดยยังคงป้องกันการรั่วไหลของแก๊สออกมานอก vessel

หมายเหตุ

(๑) Flash เป็นกระบวนการหนึ่งที่ใช้ในการแยกของเหลวที่มีจุดเดือดต่างกันออกจากกัน โดยอาศัยการทำให้ของเหลวร้อนภายใต้ความดัน เมื่อลดความดันของเหลวดังกล่าวลง สารที่มีจุดเดือดต่ำก็จะระเหยออกมาเป็นไป โดยสารที่มีจุดเดือดสูงยังคงสภาพเป็นของเหลวอยู่

  

การทำให้ส่วนที่เป็นไอมีสัดส่วนสารที่มีจุดเดือดต่ำเพิ่มมากขึ้นทำได้โดยการทำให้ส่วนไอเย็นลงอีก ทำให้พวกที่มีจุดเดือดสูงที่มีการระเหยเป็นไอได้บ้างส่วนนั้นควบแน่นกลับเป็นของเหลว ทำให้ไอที่ออกจากเครื่องควบแน่นมีสัดส่วนสารที่มีจุดเดือดต่ำเพิ่มมากขึ้นไปอีก

(๒) เครื่องควบแน่นที่ผมวาดไว้ในรูปที่ ๑ และ ๒ นั้นเป็นชนิด shell and tube ที่ในส่วน tube นั้นมีการไหลวกกลับ ในรูปนั้นแก๊สจะไหลเข้าทางด้านบนซ้ายลงมาตามท่อที่อยู่ทางซีกซ้าย ช่วงนี้เป็นช่วงที่มีการควบแน่นเกิดเป็นของเหลวขึ้นมาก การที่แก๊สไหลจากบนลงล่างเป็นการไหลในทิศทางเดียวกันกับของเหลวที่เกิดขึ้น ทำให้แก๊สช่วยดันของเหลวให้ตกลงสู่ด้านล่างของเครื่อง เมื่อถึงด้านล่างแล้วแก๊สจะไหลวกกลับย้อนขึ้นไปตามท่อที่อยู่ทางซีกขวาของตัวเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ในซีกขวานี้ยังมีการควบแน่นเกิดขึ้นได้บางส่วน แต่ปริมาณของเหลวที่เกิดขึ้นจะไม่มาก ดังนั้นของเหลวที่เกิดขึ้นจะค่อย ๆ ไหลไต่ลงมาตามผิวท่อ สวนทางกับแก๊สที่ไหลขึ้นไป

   

การที่ให้แก๊สไหลย้อนกลับขึ้นไปทางด้านบนก็เพื่อลดการมีของเหลวติดไปด้วย เพราะถ้าให้แก๊สไหลในทิศทางเดียวคือจากบนลงล่าง และให้ไหลออกทางด้านล่างของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ก็มีโอกาสที่ของเหลวบางส่วนจะหลุดออกไปกับแก๊สที่ไหลออกจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนได้

ที่กล่าวมาข้างต้นนั้นเป็นเพียงแค่วิธีการหนึ่งเท่านั้นในการแยกไม่ให้ของเหลวไหลปนไปกับแก๊สที่ไหลออกจากเครื่องควบแน่น การออกแบบช่องทางการไหลออกของแก๊สที่เหมาะสม หรือการเผื่อที่ว่างระหว่างผิวของเหลวที่ควบแน่นได้กับท่อทางออกของแก๊สเอาไว้มากพอ ก็สามารถให้แก๊สไหลออกทางด้านล่างได้เช่นเดียวกัน