การผสมแก๊สอัตราการไหลต่ำเข้ากับแก๊สอัตราการไหลสูง (การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๘๘) MO Memoir : Sunday 26 February 2560

การทำการทดลองที่สารตั้งต้นเป็นเฟสแก๊สและประกอบด้วยแก๊สหลายชนิดนั้น บางรายก็ใช้วิธีจ้างผู้จัดจำหน่ายแก๊สให้เตรียมแก๊สผสมที่มีค่าอัตราส่วนตามต้องการบรรจุมาในถังเดียว วิธีการนี้มีข้อดีตรงที่อุปกรณ์การทดลองจะเรียบง่าย เพราะอาจมีการใช้แก๊สเพียงถังเดียว แต่จะแพงตรงค่าแก๊สผสม และใช้ได้ดีกับกรณีที่แก๊สผสมนั้นมีเพียงไม่กี่องค์ประกอบ แต่จะไม่ค่อยเหมาะกับกรณีที่มีบางองค์ประกอบนั้นเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง (คือมันเป็นแก๊สได้ แต่ต้องที่ความเข้มข้นต่ำกว่าความดันไออิ่มตัวที่อุณหภูมิห้องอยู่มากหน่อย)
 

วิธีที่เห็นใช้กันทั่วไปมากกว่าเห็นจะได้แก่การใช้แก๊สจากถังแก๊สหลายถังมาผสมกันในสัดส่วนที่กำหนด เพื่อให้ได้แก๊สผสมก่อนเข้าทำปฏิกิริยา ในการนี้ต้องมีการคำนวณว่าแก๊สแต่ละชนิดนั้นต้องมีอัตราการไหลเท่าใด (ต้องมีระบบควบคุมอัตราการไหลของแก๊สแต่ละชนิด) ที่เมื่อผสมกันแล้วจะได้แก๊สผสมในอัตราส่วนที่ต้องการ การผสมกันก็จะใช้ข้อต่อสามทางเป็นจุดผสมแก๊ส (แต่ก็มีจำนวนไม่น้อยเช่นกันที่ใช้ข้อต่อกากบาทเป็นจุดผสมแก๊ส ซึ่งผมเห็นว่าเป็นวิธีการที่ไม่เหมาะสมและควรหลีกเลี่ยง) ส่วนที่จะต่อแก๊สตัวไหนเข้าทางท่อเข้าทางด้านในของข้อต่อสามทางนั้นเคยเล่าไว้บ้างแล้วเมื่อเกือบ ๖ ปีที่แล้วใน Memoir ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๗๕ วันพุธที่ ๒๓ มีนาคม ๒๕๕๔ เรื่อง "การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๑๖ การใช้ข้อต่อสามทางผสมแก๊ส"
 

เรื่องที่จะเล่าในวันนี้อันที่จริงเจอมานานหลายปีแล้ว จะเรียกว่าเป็นตอนต่อจากเมื่อ ๖ ปีที่แล้วก็ได้ เป็นเหตุการณ์ที่มาพบอีกทีในช่วงสัปดาห์ที่แล้ว เรื่องมีอยู่ว่าต้องการผสมไฮโดรคาร์บอนตัวหนึ่งที่เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องเข้ากับแก๊สที่จะทำปฏิกิริยาด้วยการใช้ saturator และใช้ needle valve ปรับอัตราการไหลทางด้านขาออกของ saturator อัตราการไหลในเส้นที่ต่ำมาก เรียกว่าเปิด needle valve เพียงนิดเดียว แผนผังระบบนี้แสดงในรูปที่ ๑ ข้างล่าง

รูปที่ ๑ ระบบท่อที่เกิดปัญหา ก่อนและหลังการปรับปรุง
 

เนื่องจากอัตราการไหลผ่าน saturator นั้นต่ำมาก การควบคุมความเข้มข้นในแก๊สผสมจึงใช้ผลการวัดจากเครื่องแก๊สโครมาโทกราฟ และด้วยการที่เกรงว่าจะเกิดการควบแน่นในระบบท่อด้านขาออกจาก saturator (ไฮโดรคาร์บอนที่ผสมเข้าไปมีจุดเดือดสูงกว่า 100ºC เล็กน้อย) จึงมีการพัน heating tape ให้ความร้อนจากช่วง needle valve ไปจนถึงตำแหน่งบรรจบเส้นท่อหลัก เนื่องจากเส้นท่อเส้นนี้เป็นช่วงที่มีความเข้มข้นไฮโดรคาร์บอนสูง
 

อันที่จริงของเหลวที่มีจุดเดือดสูงกว่าอุณหภูมิห้อง สามารถคงสภาพเป็นไออยู่ในเฟสแก๊สได้ตราบเท่าที่ความดันไอของมันนั้นต่ำกว่าความดันไออิ่มตัว ณ อุณหภูมิห้อง (ทำนองเดียวกับอากาศรอบตัวเราที่มีความชื้นอยู่) ในกรณีของการใช้ saturator ผสมไอระเหยของเหลวนั้น อาจเกิดปัญหาการควบแน่นของไอของเหลวได้ในช่วงเส้นท่อจากด้านขาออกถ้าหากอุณหภูมิที่ใช้ในการระเหยของเหลวนั้นสูงกว่าอุณหภูมิห้องอยู่มาก และเส้นท่อดังกล่าวมีความยาวค่อนข้างมาก
 

สิ่งที่พบคือในช่วงแรกนั้นวัดความเข้มข้นไฮโดรคาร์บอนได้สูง แต่เมื่อเวลาผ่านไปพบว่าความเข้มข้นลดต่ำลงเรื่อย ๆ แม้ว่าจะไม่ได้ไปยุ่งอะไรกับตัว needle valve ก็ตาม และความดันแก๊สที่ใช้เป็น carrier gas ไหลผ่านตัว saturator ก็สูงกว่าด้าน downstream ของ needle valve อยู่มาก การแก้ปัญหาในช่วงแรกได้แนะนำให้ทำการ "ปิด" heating tape ก่อน ซึ่งก็พบว่าทำให้ความเข้มข้นไฮโดรคาร์บอนในแก๊สผสมนั้นเพิ่มสูงขึ้น
 

สาเหตุที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์ที่กล่าวมาในย่อหน้าข้างบนเป็นเพราะเมื่อแก๊สร้อนขึ้นจะมีความหนืดมากขึ้น การไหลผ่านรูเล็ก ๆ (ในที่นี้คือรูเปิดให้แก๊สไหลผ่านของตัว needle valve) จะยากขึ้น ประกอบกับเมื่ออุณหภูมิทางด้าน down stream ของตัววาล์ว (อาจจะเป็นอุณหภูมิของตัวท่อเองหรือที่ reactor ที่เป็นชนิด fixed-bed) เพิ่มสูงขึ้น จึงทำให้ความดันย้อนกลับเพิ่มสูงขึ้น แก๊สจาก saturator จึงไหลผ่านตัว needle valve ได้น้อยลง
 

แต่ก็พบว่าการแก้ปัญหาด้วยการปิด heating tape แก้ปัญหาได้เพียงระดับหนึ่ง โดยไปเกิดอีกปัญหาแทนคือพบว่าความเข้มข้นของไฮโดรคาร์บอนในแก๊สก่อนเข้า reactor นั้นมีการกระโดดขึ้นลง (ต่างจากก่อนหน้านี้ที่ลดลงเพียงอย่างเดียว) จึงทำการตรวจสอบการต่ออุปกรณ์และได้แนะนำให้ทำการแก้ไขใหม่ คือให้สลับตำแหน่ง block valve กับ needle valve ด้านขาออกของ saturator และให้วางตัว needle valve ให้อยู่กับกับตำแหน่งบรรจบกับท่อแก๊สเส้นหลัก (ที่ไหลไปยัง reactor) ให้มากที่สุด
 

รูปที่ ๒ ระบบท่อหลังการปรับปรุงและแก้ไขเรียบร้อยแล้ว 
  

หลังจากทำการสลับตำแหน่งวาล์วแล้วพบว่า block valve ตัวเดิมที่ใช้นั้นมีการรั่วไหลที่ตัววาล์ว (คงเป็นเพราะผ่านการใช้งานบ่อยครั้งเป็นเวลานาน) ที่ตรวจพบก็เพราะพอวางตัว block valve ไว้ทางด้าน upstream ของ needle valve ความดันแก๊สที่ไหลผ่านตัว block valve จะสูงกว่าตอนที่วางวาล์วไว้ทางด้าน down stream ของตัว needle valve จึงทำให้ได้ยินเสียงเหมือนมีแก๊สรั่ว (ที่ตัววาล์ว ไม่ใช่ที่รอยต่อระหว่างท่อกับวาล์ว - ดูรูปที่ ๓ ข้างล่าง) จึงได้ทำการเปลี่ยน block valve ตัวดังกล่าวด้วย และเมื่อปรับปรุงแก้ไขครั้งนี้แล้วก็พบว่าปัญหาความเข้มข้นไฮโดรคาร์บอนไม่คงที่นั้นหมดไป ระบบสามารถทำงานได้นิ่งตั้งแต่อุณหภูมิห้องไปจนถึงอุณหภูมิสูงสุดที่ใช้ทำการทดลองคือ 450ºC การที่ตรอนแรกตรวจไม่พบการรั่วที่ block valveเป็นเพราะความดันในระบบท่อนั้นต่ำ และไม่ได้คาดคิดว่าจะมีการรั่วที่ตัววาล์ว (ปรกติจะตรวจการรั่วเฉพาะตรงข้อต่อท่อ) แต่พอย้าย block valve มาอยู่ทางด้านต้นทาง needle valve ที่เป็นด้านความดันสูง ทำให้ได้ยินเสียงแก๊สที่รั่วไหลออกมาจากตัว block valve
 

เหตุผลที่ต้องทำให้ท่อช่วงด้านขาออกของ needle valve ไปจนถึงจุดบรรจบนั้นมีปริมาตรน้อยที่สุด (หรือมี dead volume ต่ำสุด) ก็เพื่อให้แก๊สที่ไหลผ่าน needle valve นั้นไหลเข้าบรรจบกับสายแก๊สหลักได้เร็ว (ตรงนี้ต้องไม่ลืมว่าที่อัตราการไหลต่ำมาก ระยะท่อเพียงไม่กี่สิบเซนติเมตร แก๊สอาจต้องใช้เวลาเดินทางหลายนาที (หรือหลายสิบนาที) กว่าจะไปถึงจุดบรรจบเส้นทางอัตราการไหลสูง) ไม่เกิดการสะสมในระบบท่อช่วงดังกล่าวที่ทำให้เกิดเป็นปัญหาแก๊สไหลออกมาไม่นิ่ง (คือเห็นความเข้มข้นขาออกสูงบ้างต่ำบ้างแกว่งไปมา) 
  

ปัญหานี้จะเพิ่มมากขึ้นเมื่ออุณหภูมิที่ fixed-bed เพิ่มสูงขึ้น ทำให้เกิด back pressure ต้านทานการไหลเพิ่มมากขึ้น ความดันในท่อด้านขาเข้า fixed-bed จะเพิ่มตามไปด้วย ส่งผลให้ความเร็วเชิงเส้นของแก๊สที่ไหลผ่าน needle valve นั้นลดต่ำลง ในบางกรณีนั้นอาจถึงขั้นตรวจไม่พบแก๊สผสมในแก๊สก่อนเข้า fixed-bed ด้วยเหตุนี้ก่อนที่จะทำการทดลองจริงนั้น จึงควรที่จะทดสอบระบบด้วยการบรรจุวัสดุที่เฉื่อย (inert material) ที่ไม่ทำปฏิกิริยาใด ๆ กับองค์ประกอบในแก๊ส ให้ทำหน้าที่เป็น fixed-bed จากนั้นก็เพิ่มอุณหภูมิระบบให้สูงขึ้น แล้วดูว่าแก๊สที่ไหลออกมานั้นมีองค์ประกอบคงที่โดยไม่ขึ้นกับอุณหภูมิของ fixed-bed หรือไม่
 

รูปที่ ๓ วาล์วตัวนี้พบการรั่วไหลตรงบริเวณลูกศรชี้ จะได้ยินเสียงการรั่วไหลถ้าความดันของระบบสูงพอ
 

ปัญหานี้จะรุนแรงมากขึ้นเมื่อใช้ mass flow controller ร่วมกับวาล์วกันการไหลย้อนกลับถ้าหากติดตั้งวาล์วกันการไหลย้อนกลับไว้ระหว่าง mass flow controller กับจุดบรรจบท่อแก๊สอัตราการไหลสูง เนื่องด้วยแก๊สที่ไหลด้วยอัตราการไหลที่ต่ำมากผ่าน mass flow controller นั้นจะไหลออกมาด้วยความดันที่ต่ำจนไม่สามารถดันให้วาล์วกันการไหลย้อนกลับเปิดได้ (ความดันที่จะดันให้วาล์วกันการไหลย้อนกลับเปิดได้ต้องสูงกว่าความดันด้านขาออกรวมกับแรงที่ต้องทำให้วาล์วยกตัว ที่เป็นผลรวมของน้ำหนักของลูกลอยกับแรงสปริงที่กดให้ลูกลอยปิด) ทั้งนี้เนื่องจากแก๊สเป็นของไหลที่อัดตัวได้ ดังนั้นแม้ว่าด้านปลายทางนั้นจะไหลออกไม่ได้ แต่ถ้าความดันต้นทาง (ด้านขาเข้าวาล์ว) ยังสูงกว่าด้านปลายทาง (จากด้านขาออกของ mass flow controller ไปจนถึงวาล์วกันการไหลย้อนกลับ) แก๊สก็จะยังไหลผ่าน mass flow controller ไปสะสมอยู่ในเส้นท่อช่วงดังกล่าวได้ และเมื่อแก๊สในเส้นท่อช่วงดังกล่าวสะสมจนมีความดันสูงมากพอ ก็จะดันให้วาล์วกันการไหลย้อนกลับเปิดออก แก๊สที่สะสมอยู่ก็จะไหลทะลักออกไปและทำให้ความดันในท่อช่วงดังกล่าวลดต่ำลง วาล์วกันการไหลน้อยกลับก็จะปิดตัวใหม่ วิธีการแก้ปัญหาทำได้ด้วยการสลับตำแหน่งวาล์วกันการไหลย้อนกลับกับ mass flow controller ดังรูปที่ ๔

รูปที่ ๔ การติดตั้งวาล์วกันการไหลย้อนกลับไว้ด้านขาออกของ mass flow controller นั้นที่มีอัตราการไหลต่ำมาก อาจส่งผลต่อการไหลของแก๊สและการทำงานของ mass flow controller ได้
 

พฤติกรรมตามย่อหน้าข้างบนนั้นบางครั้งจะไม่เห็นที่อุณหภูมิ fixed-bed ต่ำ แต่ไปพบเห็นที่อุณหภูมิ fixed-bed สูง สิ่งที่เห็นก็คือตอนทำการทดลองที่อุณหภูมิต่ำ ตัวเลขอัตราการไหลหน้าจอ mass flow controller ก็นิ่งดี แต่พอทำการทดลองที่อุณหภูมิสูงขึ้น ตัวเลขหน้าจอ mass flow controller มีการกระโดดเต้นไปมา ทั้งนี้เป็นเพราะเมื่อวาล์วกันการไหลย้อนกลับปิดอยู่นั้น mass flow controller จะค่อย ๆ เปิดกว้างขึ้นเพื่อชดเชยความดันด้านขาออกที่เพิ่มขึ้นเพื่อรักษาอัตราการไหลผ่านให้คงที่ แต่พอวาล์วกันการไหลย้อนกลับเปิดออก ความดันต้านทางการไหลด้านขาออกลดลงกระทันให้ ทำให้ mass flow controller เห็นแก๊สไหลทะลักผ่านออกไปในปริมาณมาก ก็จะสั่งปิดตัวเองอย่างรวดเร็ว แต่พอวาล์วกันการไหลย้อนกลับปิดตัวลง mass flow controller ก็จะเห็นอัตราการไหลผ่านลดลงกระทันหัน ก็จะสั่งเปิดตัวเองใหม่ และในบางกรณีนี้ช่วงเวลาที่วาล์วกันการไหลย้อนกลับปิดตัวเองนั้นอาจจะนานมาก มากจนส่งผลต่อความน่าเชื่อถือของผลการทดลองได้

ปัญหานี้แก้ด้วยการเอาพัดลมไปเป่า mass flow controller ไม่ได้หรอกครับ ต้องแก้ไขที่ระบบท่อ

แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส ๕๕ (ตอนที่ ๑๕) MO Memoir : Satruday 30 November 2556

เอกสารฉบับนี้แจกจ่ายเป็นการภายใน ไม่นำเนื้อหาลง blog
  

เนื้อหาในเอกสารฉบับนี้เกี่ยวข้องกับงานของกลุ่ม DeNOx
  

เอกสารที่เกี่ยวข้องกับ Memoir ฉบับนี้คือ
  

ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๔๘๙ วันอาทิตย์ที่ ๕ สิงหาคม ๒๕๕๕ เรื่อง "แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส ๕๔ (ตอนที่ ๒)" (เอกสารฉบับนี้แจกจ่ายเป็นการภายใน ไม่นำเนื้อหาลง blog)
  

ปีที่ ๖ ฉบับที่ ๖๕๒ วันอาทิตย์ที่ ๑๘ สิงหาคม ๒๕๕๖ เรื่อง "แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส ๕๕ (ตอนที่ ๑๒)" (เอกสารฉบับนี้แจกจ่ายเป็นการภายใน ไม่นำเนื้อหาลง blog)

สรุปปัญหาระบบ DeNOx (ภาค ๓) MO Memoir : Saturday 18 August 2555

ใน Memoir ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๔๗๙ วันศุกร์ที่ ๒๐ กรกฎาคม ๒๕๕๕ เรื่อง "GC-2014 ECD & PDD ตอนที่ ๒๙ พีค NO ที่ 450ºC เมื่อมีไอน้ำร่วม" ผมได้เกริ่นเอาไว้ถึงต้นตอของปัญหาและบอกว่าจะเล่าให้ฟังที่หลัง ซึ่งตอนนี้ก็ได้เวลาที่จะเล่าให้ฟังแล้วว่ามันเป็นอย่างไร

อนึ่งเรื่องระบบเครื่องปฏิกรณ์ DeNOx นี้เคยสรุปปัญหาที่เกิดและการแก้ไขที่ได้กระทำไปเอาไว้ใน Memoir สามฉบับก่อนหน้านี้คือ

ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๕๔ วันอาทิตย์ที่ ๖ กันยายน ๒๕๕๒ เรื่อง "สรุปปัญหาระบบ DeNOx"

ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๗๗ วันเสาร์ที่ ๒๖ มีนาคม ๒๕๕๔ เรื่อง "สรุปปัญหาระบบ DeNOx (ภาค ๒)"

ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๔๗๖ วันเสาร์ที่ ๑๔ กรกฎาคม ๒๕๕๕ เรื่อง "GC-2014 ECD & PDD ตอนที่ ๒๖ การปรับแนวท่อระบบ DeNOx"

รูปที่ ๑ แนวท่อแก๊สที่ต่อขึ้นชั่วคราวด้วยท่อทองแดง (และกำลังจะกลายเป็นระบบท่อถาวร) การที่ดัดท่อดังกล่าวให้โค้งเป็นรัศมีความโค้งกว้างนั้นเป็น "การตั้งใจ" ทำให้เป็นเช่นนั้น ทั้งนี้เพื่อให้การไหลของแก๊ส N₂ ที่ไหลผ่าน จุดบรรจุกับแก๊ส NO เป็นไปอย่างราบเรียบ และเป็นการลดการสูญเสียความดันในระบบท่อแก๊ส N₂ ก่อนที่จะเข้าบรรจบกับท่อแก๊ส O₂ (ที่เป็นตัวพาไอน้ำมา) ก่อนเข้าเครื่องปฏิกรณ์ เส้นประสีแดงคือแนวท่อเดิมที่คนประกอบเก็บดูเรียบร้อย (แต่ก่อปัญหาเยอะ)

จากการยืนมองระบบท่อ ผมได้ตั้งสมมุติฐานว่าปัญหาน่าจะเกิดจากการที่ระบบก่อนเข้า reactor มีความต้านทานเพิ่มขึ้นเมื่อมีการผสมไอน้ำเข้ามา ไอน้ำนั้นมากับแก๊ส O₂ ที่ไหลผ่าน saturator เมื่อมีการผสมไอน้ำ อัตราการไหลของเส้นทางนี้จะเพิ่มขึ้นอีกเท่าตัว และเมื่อไหลเข้ามาบรรจบโดยไหลเข้ามาตั้งฉากกับเส้นทางการไหลหลัก จึงทำให้ความต้านทานการไหลของเส้นทางการไหลหลักเพิ่มขึ้น แม้ว่าอัตราการไหลในเส้นทางการไหลหลักจะสูงมากกว่า แต่ความดันที่ใช้นั้นไม่ได้สูงกว่ามาก จึงทำให้เกิดความดันสะสมที่ย้อนกลับไปยังด้านขาออกของ mass flow controller ได้ 

 

และความดันสะสมนี้เองที่เป็นปัญหาที่ทำให้การไหลของ NO ด้านขาออกจาก mass flow controller มีปัญหา เพราะ mass flow controller ตัวนี้ก็เปิดน้อยอยู่แล้ว (อันที่จริงสงสัยว่าจะเกิดกับ NH₃ ด้วย)

เราได้ทำการทดสอบสมมุติฐานด้วยการทดลองนำท่อทองแดงมาต่อตามที่แสดงในรูปที่ ๑ (ที่ใช้ท่อทองแดงก็เพราะตอนนั้นหาเจอแต่ท่อทองแดง และมันก็ดัดโค้งได้ง่ายด้วย) และก็ทดลองวัดความเข้มข้น NO ใหม่อีกครั้ง ด้วยการดัดแปลงเพียงเท่านี้ก็ทำให้เราเห็นความเข้มข้นของ NO ด้านขาออกได้สม่ำเสมอตลอดทุกช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ 100 ไปจนถึง 450ºC

รูปที่ ๒ วาล์วสามทางที่ใช้ในการเลือกทิศทางการไหลว่าจะให้แก๊สผสมที่ไหลเข้าวาล์ว (ลูกศรสีแดง) ไหลไปยัง reactor (ลูกศรสีเหลือง) หรือไหล bypass (ลูกศรสีเขียว)

การใช้วาล์วสามทางในการเลือกทิศทางการไหลนั้นเหมาะสมในกรณีที่เมื่อเราต้องการให้แก๊สไหลไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่งนั้น จะต้องไม่มีแก๊สไหลไปในอีกทิศทางหนึ่ง หรือในกรณีที่เราต้องการเปลี่ยนทิศทางการไหลอย่างรวดเร็ว แต่การใช้วาล์วสามทางจะมีปัญหาเรื่องความต้านทานการไหลที่สูงกว่าการใช้ข้อต่อตัว T ร่วมกับ block valve สองตัว เพราะรูสำหรับให้แก๊สไหลผ่านลูกบอลของตัววาล์วสามทางนั้นมีขนาดเล็ก

แต่พอสัปดาห์ถัดมาพอเราเริ่มทำการทดลองต่อก็พบว่าปัญหาเดิมเกิดขึ้นอีก แต่คราวนี้เนื่องจากไม่รู้ว่าจะปรับอะไรที่ด้านขาเข้าของ reactor อีกแล้ว ก็เลยตรวจสอบด้านขาออกแทน และก็พบปัญหาจริง ๆ

ปัญหาที่เกิดคือเกิดการอุดตันด้านขาออกจาก reactor

ปัญหานี้ประสบในวันจันทร์ที่ ๒๓ กรกฎาคม คือหลังจากที่เราประสบความสำเร็จในการวัด NO ผ่านเบดที่บรรจุ TiO₂ แล้วก็ได้เริ่มทำการทดลองโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาบรรจุ

สิ่งที่พบคือพีคออกซิเจนออกมาล่าช้ากว่าเดิมและมีขนาดเล็กลง จากนั้นก็ตรวจพบว่าอัตราการไหลของ N₂ ที่ไหลผ่าน Mass flow controller ลดลงกระทันหัน และไม่สามารถปรับเพิ่มขึ้นได้ นอกจากนี้ยังพบว่า Mass flow controller ของแก๊สตัวอื่นก็รวนไปหมด

ดังนั้นจึงได้ทำการถอดระบบท่อทางออกออกมาตรวจสอบและพบว่าบริเวณข้อต่อสามทางที่เป็นจุดเชื่อมต่อระหว่าง thermowell และแก๊สขาออกนั้นมีสิ่งสกปรกอุดตัน (ดูรูปที่ ๓) และในท่อด้านขาออกก็มีสิ่งสกปรกเกาะอยู่บนผนังท่อด้านในด้วย จึงได้ถอดออกมาล้างทำความสะอาด พร้อมกันนั้นก็ได้ปรับปรุงท่อด้านขาออกใหม่ด้วยการปลดวาล์วสามทางที่มีอยู่อีกสองตัวนั้นออกไปด้วย ซึ่งก็ทำให้ระบบนั้นสามารถทำงานได้เรียบร้อยอย่างน้อยก็จนถึงขณะนี้

รูปที่ ๓ ระบบท่อแก๊สด้านขาออกที่เป็นปัญหา วงกลมแดงคือข้อต่อสามทางที่ใช้ในการสอด thermowell ส่วนวงกลมเหลือคือวาล์วสามทางอีกสองตัว

การเรียนภาคปฏิบัตินั้นประกอบด้วย ๓ ขั้นตอนด้วยกัน ขั้นตอนแรกคือการที่ผู้สอนสาธิตให้ผู้เรียนได้เห็น ขั้นตอนที่สองคือการให้ผู้เรียนปฏิบัติภายใต้การกำกับดูแลของผู้สอน และขั้นตอนที่สามคือการให้ผู้เรียนปฏิบัติด้วยตนเองโดยไม่ต้องมีการกำกับดูแล ซึ่งในขณะนี้ผมคิดว่าทั้งสาวน้อยร้อยห้าสิบเซนต์ (คนใหม่) และสาวน้อยหน้าบาน (คนใหม่) ก็ได้ผ่านสองขั้นตอนแรกมาแล้ว

ถ้าจะยกภาพเพื่อให้เห็นความสำคัญของอาจารย์ผู้สอนที่ต้องมาลงมือปฏิบัติทำการทดลองเองนั้น ก็คงเปรียบได้เหมือนหมอผ่าตัด ซึ่งความสามารถในการผ่าตัดจะยังคงอยู่ตราบเท่าที่เขายังคงลงมือผ่าตัดคนไข้อยู่ เมื่อใดก็ตามที่เขาเลิกจับมีดลงมือผ่าตัดหรือแม้แต่จะมาดูการผ่าตัดจริง แม้ว่าเขาจะมีบทความวิชาการตีพิมพ์มากเท่าใด (ซึ่งอาจได้มาจากนักเรียนแพทย์ที่เขียนให้เพื่อให้สำเร็จการศึกษา) เขาก็ไม่ควรเรียกตนเองว่าเป็นหมอผ่าตัดผู้เชี่ยวชาญ

ที่กล่าวมาข้างบนเป็นบทสนทนาระหว่างผมกับอาจารย์ผู้ดำรงตำแหน่งหัวหน้าหน่วยงานท่านหนึ่งเมื่อเดือนที่แล้ว

การเรียนรู้การแก้ปัญหาจริงในการทำการทดลองนั้นเปรียบเสมือนกับการที่หมอฝึกหัดต้องการประสบการณ์ในการรักษาผู้ป่วยที่ป่วยด้วยอาการแตกต่างกันหรือด้วยโรคเฉพาะที่ตนเองต้องการศึกษา หมอนั้นไม่สามารถกำหนดได้ว่าต้องมีผู้ป่วยด้วยอาการใดบ้าง และจำนวนเท่าใดต้องมาพบเขาในเวลาที่เขากำหนด สิ่งที่เขาทำได้ก็คือนั่งรอว่าจะมีผู้ป่วยอาการเช่นใดมาหาบ้าง และมีกี่ราย และเมื่อมีมาหาแล้วก็ต้องลงมือรักษาทันที 

 

การเรียนการแก้ปัญหาในการทดลองก็เช่นเดียวกัน เราไม่สามารถบอกได้ว่าปัญหาจะเกิดขึ้นเมื่อใด รู้แต่ว่าเมื่อปัญหามันเกิดขึ้นเราก็จะรีบลงมือแก้ไขทันที โดยไม่คิดที่จะเรียกให้คนอื่นมารับทราบเรื่องก่อนแล้วค่อยลงมือแก้ไข

และนั่นคือความสำคัญของการที่ต้องมานั่งรอ (ฝากถึงพวกป.โทปี ๑ ด้วยก็แล้วกัน)

GC-2014 ECD & PDD ตอนที่ ๒๖ การปรับแนวท่อระบบ DeNOx MO Memoir : Saturday 14 July 2555

เนื้อหาในบันทึกฉบับนี้เกี่ยวข้องกับบทเรียนของกลุ่มเราที่ได้บันทึกเอาไว้ Memoir ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๗๒ วันศุกร์ที่ ๑๘ มีนาคม ๒๕๕๔ เรื่อง "GC-2014 FPD กับระบบ DeNOx ตอนที่ ๔ ผลกระทบจากออกซิเจน"

ตอนนั้นเราได้เห็นผลกระทบจากการวางแนวท่อที่ไม่เหมาะสม ทำให้เมื่อเราวัดความเข้มข้นของ SO₂ ด้วยเครื่อง Gas chromatograph (GC) เราจึงมีปัญหาเรื่องตรวจไม่พบแก๊ส SO₂ แม้จะเห็นว่า mass flow controller ทำงานเป็นปรกติโดยให้อัตราการไหลที่นิ่ง

สิ่งที่แก้ไขไปในตอนนั้นคือได้ทำการปรับแต่งแนวท่อ (แบบชั่วคราว) เพียงเล็กน้อย ก็สามารถแก้ไขเรื่องความเข้มข้นที่ไม่แน่นอนของ SO₂ ที่ GC ตรวจวัดได้ แต่ต่อมาภายหลังมีการเปลี่ยนแปลงแนวท่อ (เพื่อให้มันดูเรียบร้อยขึ้น) ประกอบกับไม่ได้มีการวิเคราะห์การออกซิไดซ์ SO₂ ไปเป็น SO₃ ชึ่งในช่วงดังกล่าวเน้นการวิเคราะห์โดยใช้เครื่อง NOx analyzer NOA-7000 ซึ่งเครื่องดังกล่าวทำการดูดแก๊สตัวอย่างเข้ามาวิเคราะห์อย่างต่อเนื่อง ค่าที่แสดงจึงเป็นค่าเฉลี่ยในช่วงเวลาหนึ่ง

รูปที่ ๑ การเดินท่อผสมแก๊สก่อนทำการปรับปรุง NO ต้องไหลมาบรรจบกับ NH₃ ก่อนที่จะเข้าบรรจบกับ N₂ (ลูกศรสีเขียว) ส่วน O₂ (ตัวซ้ายสุด) นั้นในกรณีที่ไม่มีการผสมน้ำจะไหลมารวมกับ SO₂ ก่อน แล้วจึงมาบรรจบกับ N₂ (ลูกศรสีน้ำเงิน) แต่ถ้าเป็นกรณีที่มีการผสมน้ำ O₂ จะถูกปรับให้ไหลไปทาง Saturator และเข้าบรรจบกับสาย N₂ ที่อยู่ทางด้านหลังก่อนเข้า reactor ส่วน SO₂ จะไหลเข้าบรรจบกับ N₂ ด้วยตัวมันเอง

พอเปลี่ยนมาใช้ GC-2014 ECD & PDD วิเคราะห์ปริมาณ NO ความแตกต่างข้อหนึ่งที่สำคัญคือ GC นั้นจะใช้ตัวอย่างแก๊สที่เก็บมา ณ ช่วงขณะหนึ่งในปริมาณน้อย ๆ (แก๊สในระบบของเราไหลด้วยอัตรา 200 ml/min แต่เราใช้ตัวอย่างวิเคราะห์เพียงแค่ 0.1 ml) ดังนั้นถ้าองค์ประกอบของแก๊สถ้าดูละเอียด ณ ช่วงเวลาใด ๆ แล้วไม่สม่ำเสมอ GC ก็จะมองเห็น

ในช่วงหลายสัปดาห์ที่ผ่านมาทางกลุ่มเราได้ทำการทดลองหาวิธีการเก็บตัวอย่างที่เหมาะสมสำหรับการวิเคราะห์ปริมาณ NO ในแก๊สขาออกจาก reactor งานดังกล่าวเริ่มจากการหาตำแหน่งพีค NO และหาภาวะการทำงานที่เหมาะสมของเครื่อง GC (เรื่องนี้จะนำมาเล่าโดยละเอียดอีกที) โดยในระหว่างช่วงงานดังกล่าวเรากระทำโดยการต่อแก๊สตรงจากถังแก๊สเข้าระบบวาล์วเก็บตัวอย่างของเครื่อง GC

งานในช่วงถัดมาคือการทดสอบการเก็บแก๊สตัวอย่างจากระบบการทดลอง โดยได้เริ่มทำการทดลองจากการให้แก๊สผสมไหลผ่านระบบ reactor จากนั้นจึงทำการดึงเอาแก๊สผสมนั้นมาวิเคราะห์ด้วยเครื่อง GC โดยเริ่มจากการใช้แก๊ส NO ผสมเพียงตัวเดียวก่อน จากนั้นจึงทำการเจือจางด้วยการใช้แก๊ส N₂ เพื่อดูว่า GC ของเราสามารถวัดความเข้มข้น NO ได้ต่ำเพียงใด ซึ่งตรงจุดนี้ทำให้ทางกลุ่มเราได้ทำการปรับปรุงระบบเก็บแก๊สตัวอย่างใหม่ (เปลี่ยนจากสายยางมาเป็นระบบท่อและวาล์วโลหะ) และผลการทดสอบระบบดังกล่าวก็พบว่าทำงานได้เป็นที่น่าพอใจ

จากนั้นจึงเพิ่มแก๊ส O₂ ผสมเข้าไป เพื่อดูว่าพีคของ O₂ ซึ่งเป็นพีคขนาดใหญ่มากและนำอยู่หน้าพีค NO (พีค NO จะอยู่บนส่วนหางของพีค O₂) จะก่อปัญหาในการระบุพีค NO หรือไม่ ซึ่งงานตรงส่วนนี้ทำให้เราพบว่าถ้าใช้ sampling loop ขนาด 0.5 ml จะทำให้พีค O₂ นั้นเบียดพีค NO มาก แม้ว่าสัญญาณพีค NO จะแรงก็ตาม การใช้ sampling loop ขนาด 0.1 ml นั้นแม้จะให้พีค NO ที่มีขนาดเล็กกว่า 5 เท่า แต่ก็ให้รูปร่างพีคที่ดีกว่าและแยกห่างจากพีค O₂ มากกว่า ดังนั้นในขณะนี้จึงจะทำการวัดปริมาณ NO โดยใช้ sampling loop ขนาด 0.1 ml

รูปที่ ๒ การเดินท่อผสมแก๊สหลังทำการปรับปรุง ตอนนี้แก๊ส NO NH₃ และ SO₂ ต่างไหลตรงเข้าท่อ N₂ ส่วน O₂ นั้นต้องให้ไหลผ่านทาง saturator เพียงอย่างเดียว ไม่ว่าจะมีการผสมไอน้ำหรือไม่ก็ตาม (ถ้าไม่ต้องการผสมไอน้ำก็ไม่ต้องเติมน้ำเข้าไปใน saturator)

การศึกษาผลกระทบของพีค O₂ ที่มีต่อพีค NO ทำให้เราพบปรากฎการณ์หนึ่งในทำนองเดียวกับที่ได้เล่าไว้ในบันทึกฉบับที่ ๒๗๒ กล่าวคือเมื่อเพิ่มอัตราการไหลของ O₂ ให้มากขึ้นเรื่อย ๆ พบว่าพีค NO เกิดการหายไปกระทันหันทั้ง ๆ ที่ mass flow controller ของ NO นั้นยังแสดงการไหลปรกติอยู่ ดังนั้นเมื่อเช้าวันพฤหัสบดีที่ ๑๒ กรกฎาคม ที่ผ่านมา เราจึงได้ทำการปรับปรุงแนวท่อแก๊สเสียใหม่ จากของเดิมในรูปที่ ๑ ที่ NO กับ NH₃ นั้นต้องไหลมารวมกันก่อนที่จะไหลเข้าท่อแก๊ส N₂ กลายเป็นให้แก๊สแต่ละตัวไหลเข้าท่อแก๊ส N₂ โดยตรง โดยไม่ต้องมารวมกันก่อน ซึ่งก็ได้ระบบท่อดังแสดงในรูปที่ ๒ จากนั้นก็ทำการทดสอบการผสมแก๊สใหม่ พบว่า .....

ยังไม่พบพีค NO เหมือนเดิม

แต่เมื่อทดลองให้แก๊ส O₂ นั้นไหลผ่านทาง saturator กลับพบว่าวัดปริมาณ NO ในแก๊สผสมได้ตามที่คาดการณ์ไว้ ทั้ง ๆ ที่ไม่ได้ทำการปรับแต่งส่วนอื่น ทำเพียงแค่สับวาล์วเปลี่ยนเส้นทางการไหลของแก๊ส O₂ เท่านั้นเอง ดังนั้นในขณะนี้เราจึงได้ข้อสรุปว่าต้องให้แก๊ส O₂ ไหลในเส้นทางผ่าน saturator

สาเหตุที่เกิดปัญหาผมสงสัยว่าเป็นเพราะอัตราการไหลของแก๊ส O₂ ก็ค่อนข้างมาก (ประมาณ 30 ml/min) และจุดที่ท่อ O₂ เข้าบรรจบท่อ N₂ นั้น "อยู่ก่อนถึงจุดบรรจบของท่อแก๊ส NO เพียงเล็กน้อย" ทำให้ความดันผันผวนที่เกิดจากการที่แก๊สที่มีอัตราการไหลสูงสองเส้นทางมาบรรจบกันส่งผลต่อการไหลของแก๊ส NO ที่อยู่ถัดไปที่มีอัตราการไหลต่ำกว่ามาก (ประมาณ 1-3 ml/min) ทำให้แม้ว่าแก๊ส NO จะไหลผ่าน mass flow meter อย่างต่อเนื่อง แต่จะไหลเข้าผสมกับแก๊สผสม N₂ + O₂ อย่างเป็นจังหวะ

จุดที่แก๊ส O₂ ที่ไหลผ่าน saturator มาบรรจบกับท่อแก๊สผสมที่มี N₂ เป็นตัวพามานั้นอยู่ห่างออกไป โดยไปอยู่เหนือทางเข้า reactor ประกอบกับการไหลในเส้นท่อแก๊สผสมที่มี N₂ เป็นตัวพามานั้นมีค่าสูง (ประมาณ 170 ml/min) ทำให้ความดันผันผวนที่เกิดจากแก๊ส O₂ (+ ไอน้ำ ถ้ามี) เข้าผสมกับแก๊สผสมที่มี N₂ เป็นตัวพามานั้นไม่ส่งผลกระทบต่อระบบที่อยู่ทางด้านต้นทางการไหล

เรื่องที่เขียนมานี้เป็นเพียงส่วนหนึ่งของเหตุการณ์หลาย ๆ อย่างที่ทางกลุ่มเราได้ประสบในช่วง ๒ สัปดาห์ที่ผ่านมา ซึ่งพอระบบทุกอย่างทำงานได้เรียบร้อยก็คงจะมีการเขียนสรุปเหตุการณ์ทุกอย่างที่เกิดขึ้นอีกที สิ่งที่น่าเสียดายคือในช่วงที่ผ่านมานั้นไม่มีนิสิตปี ๑ เข้ามาร่วมสังเกตการณ์ด้วยเลย (ทั้ง ๆ ที่เรียนแค่วันละ ๓ ชั่วโมงเอง และก็เรียนแค่ ๔ วันต่อสัปดาห์ แต่ทางสาวน้อยหน้าบาน (คนใหม่) และสาวน้อยร้อยห้าสิบเซนต์ (คนใหม่) ต่างมาทำงานแต่เช้าจนค่ำทุกวัน ซึ่งในช่วงที่ผ่านมากเชื่อว่าทั้งสองคนนั้นได้ประสบการณ์การทำงานจริงที่มีคุณค่ามา เพราะได้เห็นว่าการแก้ปัญหาต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นนั้นไม่ได้ใช้ความรู้เกินกว่าระดับป.ตรีที่เรียนกันมาเลย เพียงแต่เราจะตั้งสมมุติฐานที่มาของปัญหาได้หรือไม่ และจะทำการทดสอบสมมุติฐานเหล่านั้นอย่างไร

เหตุการณ์ที่ต่อเนื่องจากเช้าวันวานไปจนถึงช่วงหัวค่ำของคืนวันศุกร์ที่ผ่านมาก็เรียกได้ว่าคืบหน้าไปมาก เหลือเพียงบางสิ่งที่ต้องลุ้นต่อในเช้าวันจันทร์เท่านั้นว่าจะผ่านพ้นไปได้หรือไม่

การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๑๘ เมื่อ Mass Flow Controller คุมการไหลไม่ได้ MO Memoir : Friday 1 April 2554

เหตุการณ์ใน Memoir ฉบับนี้เป็นเหตุการณ์ต่อเนื่องจากที่ได้เล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๗๗ วันเสาร์ที่ ๒๖ มีนาคม ๒๕๕๔ เรื่อง สรุปปัญหาระบบ DeNOx (ภาค ๒)

บ่ายวันวาน ระหว่างที่ยืนดูสาวน้อย ๑๘๐ เซนติเมตรเตรียมการทดลองโดยใช้ระบบ DeNOx ผมก็สังเกตเห็นตัวเลขบนหน้าจอ Mass Flow Controller ของไนโตรเจนเต้นไปเต้นมา ผมก็เลยถามเขาดูว่าตัวเลขมันเต้นอย่างนี้แล้วจะทำยังไง เขาก็บอกมาว่าเขาพยายามค่อย ๆ เปิด On-off valve ที่ทางเข้า Mass Flow Controller ของไนโตรเจนแล้ว แต่ตัวเลขหน้าจอก็ยังไม่นิ่ง ผมก็บอกเขาไปว่าก็อาทิตย์ที่แล้วคุณไม่ได้อยู่ดู ถ้าอยากรู้ว่าจะแก้ปัญหานี้ได้อย่างไรก็ให้ไปตามสาวน้อย ๑๕๐ เซนติเมตรมาทำให้ดู

พอสาวน้อย ๑๕๐ เซนติเมตรมาถึง ผมก็ชี้ให้ดูหน้าจอ Mass Flow Controller ที่ตัวเลขมันเต้นอยู่ พอเห็นดังนั้นสาวน้อย ๑๕๐ เซนติเมตรก็ลงมือสาธิตวิธีการทำให้ตัวเลขหน้าจอ Mass Flow Controller มันนิ่งให้สาวน้อย ๑๘๐ เซนติเมตรดูเป็นตัวอย่าง (วิธีการเดียวกันกับที่ผมเคยสาธิตให้สาวน้อย ๑๕๐ เซนติเมตรดูเป็นตัวอย่างเมื่อสัปดาห์ที่แล้ว)

รูปที่ ๑ ระบบจ่ายแก๊สให้กับ Reactor ผ่านทาง Mass Flow Controller

ระบบจ่ายแก๊สให้กับ Reactor ผ่านทาง Mass Flow Controller ที่เราใช้อยู่นั้น (ที่แสดงในรูปที่ ๑) เราจะใช้ Pressure regulator ลดความดันภายในท่อแก๊สให้เหลือระดับต่ำที่เราต้องการ แก๊สดังกล่าวจะไหลผ่าน On-off valve ที่อยู่ทางด้านขาเข้าของ Mass Flow Controller ก่อนที่จะไหลเข้า Mass Flow Controller และต่อไปยัง reactor

โดยปรกติเมื่อเราสิ้นสุดการทดลองนั้น เราก็จะปิดหัวถังแก๊สและรอให้ความดันในระบบท่อเป็นศูนย์ จากนั้นจึงคลาย Pressure regulator และปิด On-off valve และตัดไฟฟ้าที่จ่ายเข้า Mass Flow Controller

ในการตัดไฟฟ้าที่จ่ายเข้า Mass Flow Controller นั้น เราไม่ได้ลดค่า set point ของ Mass Flow Controller ให้เป็นศูนย์ แต่จะใช้วิธีคงไว้ที่ค่าที่ใช้ในการทดลองครั้งสุดท้าย เพื่อที่ว่าเวลาเปิดเครื่องใหม่อีกครั้งจะได้ไม่ต้องมาปรับอัตราไหลกันใหม่

วิธีการดังกล่าวช่วยอำนวยความสะดวกในการเริ่มการทดลองใหม่อีกครั้ง แต่มักทำให้เกิดปัญหาค่าตัวเลขที่แสดงบนหน้าจอของ Mass Flow Controller ไม่นิ่ง ซึ่งหมายความ Mass Flow Controller ไม่สามารถควบคุมอัตราการไหลของแก๊สที่ไหลผ่านให้คงที่ได้

ปัญหาตัวเลขบนหน้าจอของ Mass Flow Controller ไม่นิ่งมักเกิดขึ้นเมื่อเราเปิด Pressure regulator ที่ท่อแก๊สให้ได้ความดันด้านขาออกตามต้องการก่อน จากนั้นจึงเปิด On-off valve สิ่งที่เกิดขึ้นคือจะมีแก๊สไหลผ่าน Mass Flow Controller อย่างรวดเร็วกระทันหัน ทำให้ระบบควบคุมของ Mass Flow Controller ไม่สามารถปรับให้อัตราการไหลมีเสถียรภาพได้ ส่วนสาเหตุเป็นเพราะอะไรนั้นเอาไว้ว่าง ๆ จะค่อยเล่าภายหลัง แต่ถ้ามีเวลาก็ควรไปอ่านเรื่อง PID controller เป็นพื้นฐานเอาไว้ก่อน

สาวน้อย ๑๕๐ เซนติเมตรเจอปัญหานี้ก่อนแล้วเมื่อสัปดาห์ที่แล้ว หลังจากที่เราแก้ปัญหาเรื่องความเข้มข้นของ NO ในแก๊สผสมเสร็จ ตอนแรกก็ทำเอาผมงงไปเหมือนกัน ก่อนจะนึกขึ้นได้ว่าควรทำอย่างไร

สิ่งที่ผมทำในวันนั้นคือปิด Pressure regulator และระบายแก๊สในท่อด้านขาออก ให้ความดันด้านขาออกของ Pressure regulator เป็นศูนย์ โดยที่ยังคงเปิด On-off valve เอาไว้ จากนั้นจึงค่อย ๆ เพิ่มความดันด้านขาออกของ Pressure regulator ขึ้นอย่างช้า ๆ ในระหว่างนี้ก็สังเกตตัวเลขหน้าจอของ Mass Flow Controller ไปด้วย ซึ่งจะเห็นในขณะที่เราค่อย ๆ เพิ่มความดันด้านของออกของ Pressure regulator นั้น ตัวเลขอัตราการไหลจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ จนในที่สุดจะไปหยุดนิ่ง ณ ค่าที่เราตั้งเอาไว้ จากจุดนี้เมื่อเราเพิ่มความดันด้านของออกของ Pressure regulator ไปจนถึงค่าที่เราต้องการ เราอาจจะเห็นตัวเลขหน้าจอเปลี่ยนไปมาเพียงเล็กน้อย แต่ก็จะกลับคืนมายังค่าที่เรากำหนดไว้อย่างรวดเร็ว ซึ่งแสดงว่า Mass Flow Controller สามารถควบคุมอัตราการไหลเอาไว้ได้

โดยปรกติตัววาล์วของ Mass Flow Controller จะเปิดมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับอัตราการไหลของแก๊สที่ไหลผ่าน ถ้าต้องการให้แก๊สไหลผ่านเร็ว ตัววาล์วก็จะเปิดมาก ถ้าต้องการให้แก๊สไหลผ่านน้อย ตัววาล์วก็จะเปิดน้อย

ทีนี้ถ้าเรากำหนดค่าอัตราการไหลของแก๊สให้กับ Mass Flow Controller แต่เล่นตัดแก๊สออก ตัววาล์วของ Mass Flow Controller ก็จะเปิดเต็มที่ 100% Mass Flow Controller ก็จะตรวจพบว่าอัตราการไหลนั้นต่ำกว่าค่าที่ต้องการ ก็จะค้างตัววาล์วไว้ที่ 100%

พอเราค่อย ๆ เพิ่มความดันด้านขาออกของ Pressure regulator ให้สูงขึ้น แก๊สก็จะไหลผ่าน Mass Flow Controller มากขึ้น แต่ตราบเท่าที่ค่าอัตราการไหลยังต่ำกว่าค่าที่กำหนด ตัววาล์วก็จะยังคงเปิดกว้าง 100% อยู่ ในช่วงขณะนี้เมื่อเราเพิ่มความดันด้านขาออกของ Pressure regulator เราจะเห็นตัวเลขค่าการไหลที่หน้าจอของ Mass Flow Controller เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ

พอเราเพิ่มความดันด้านขาออกของ Pressure regulator สูงจนกระทั่ง Mass Flow Controller พบว่าอัตราการไหลผ่านเป็นไปตามค่าที่กำหนดแล้ว และเรายังเพิ่มความดันต่อไปอีก Mass Flow Controller ก็จะค่อย ๆ ปิดตัวลงทีละน้อย เพื่อป้องกันไม่ให้แก๊สไหลผ่านเกินค่ากำหนด ในช่วงขณะนี้เราจะเห็นว่าตัวเลขค่าการไหลบนหน้าจอของ Mass Flow Controller อาจมีการขยับเล็กน้อยเมื่อเพิ่มความดัน แต่ท้ายที่สุดจะกลับคืนมายังค่าเดิม

ระบบควบคุมแบบ PID นั้นจะทำงานได้ดีก็ต่อเมื่อ ค่า set point และ process value นั้นไม่แตกต่างกันมากเกินไป เรื่องทำนองนี้เคยเกริ่นเอาไว้คร่าว ๆ ที่หนึ่งแล้วตอนที่เล่าเรื่องเกี่ยวกับการควบคุมอุณหภูมิ Autoclave

สรุปปัญหาระบบ DeNOx (ภาค ๒) MO Memoir : Saturday 26 March 2554

ตอนที่ผมมากลับมาเข้าร่วมทำวิจัยปฏิกิริยา DeNOx เมื่อปี ๒๕๕๒ นั้น ก็ได้ทำการตรวจสอบระบบอุปกรณ์ทดลอง และได้พบข้อบกพร่องต่าง ๆ มากมาย จนอาจกล่าวได้ว่าผลการทดลองก่อนหน้านั้นควรโยนทิ้งไปได้เลย เหตุการณ์ช่วงนั้นเป็นอย่างไรบ้างก็ไปอ่านได้จาก Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๕๔ วันอาทิตย์ที่ ๖ กันยายน ๒๕๕๒ เรื่องสรุปปัญหาระบบ DeNOx และ Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๖๓ วันอาทิตย์ที่ ๔ ตุลาคม ๒๕๕๒ เรื่องตัวเลขมันสวย แต่เชื่อไม่ได้

เมื่อเราต้องการนำ GC-2014 ECD เข้าไปติดตั้งกับอุปกรณ์ DeNOx นั้น จำเป็นต้องมีการย้ายระบบท่อบางส่วนเพื่อเปิดพื้นที่ว่างสำหรับวางเครื่อง GC สิ่งที่ตามมาก็คือมีการเปลี่ยนแปลงแนวการวางท่อของแก๊สบางเส้นทาง ทำให้เกิดปัญหาเรื่องเมื่อให้แก๊สไนโตรเจน (ซึ่งเป็นแก๊สตัวที่มีอัตราการไหลสูงสุด) ไหลในเส้นทางที่ต่างกัน กลับพบว่าความเข้มข้นของ NO ที่วัดได้นั้นเปลี่ยนแปลงไป ทั้ง ๆ ที่ค่าที่แสดงบนหน้าจอของ Mass flow controller นั้นไม่มีการเปลี่ยนแปลงใด ๆ เรื่องราวมีที่มาที่ไปอย่างไรนั้น ดูรูปที่ ๑ ข้างล่างประกอบก็แล้วกัน

รูปที่ ๑ เส้นทางการไหลของแก๊สก่อนและหลังการปรับปรุง เส้นทึบคือเส้นทางการไหล ส่วนเส้นประคือเส้นทางการไหลที่เลือกให้ไหลผ่าน/ไม่ไหลผ่านได้

เรื่องนี้ผมได้ยินมาจากหนุ่มน้อยนักแม่นปืนเมื่อราว ๆ ต้นปี แต่ตอนนั้นมัวแต่ยุ่งเรื่อง GC-2014 FPD อยู่ ก็เลยยังไม่ได้เข้ามาดูเรื่องนี้ จนกระทั่งแก้ปัญหา GC-2014 FPD ได้แล้ว และถึงเวลาที่ต้องทำการทดลองทำปฏิกิริยาในภาวะที่มีน้ำอยู่ในสารตั้งต้น ก็เลยต้องกลับมาแก้ปัญหาเรื่องนี้ต่อ

รูปที่ ๑ (บน) เป็นเส้นทางการไหลของแก๊สเมื่อไม่มีการผสมไอน้ำเข้าไปในแก๊ส ไนโตรเจนเป็นแก๊สที่มีอัตราการไหลสูงสุด (ประมาณ 160-180 ml/min) และเป็นแก๊สที่วิ่งในเส้นทางหลัก เป็นตัวนำแก๊สตัวอื่นเข้าสู่ reactor ออกซิเจนเป็นแก๊สที่มีอัตราการไหลรองลงมา (ประมาณ 20-30 ml/min) ส่วนแก๊สตัวอื่นที่เหลือมีอัตราการไหลที่ต่ำกว่า 5 ml/min

แต่เมื่อต้องการผสมไอน้ำเข้ากับแก๊สที่ใช้เป็นสารตั้งต้น วิธีการเดิมที่แสดงในรูปที่ ๒ (กลาง) กระทำโดยการเปลี่ยนเส้นทางการไหลของไนโตรเจน ให้วิ่งผ่าน saturator เพื่อนำพาไอน้ำ ส่วนแก๊สตัวอื่นที่เหลือยังไหลในเส้นทางเดิมอยู่ โดยจะเข้าไปบรรจบกับแก๊สไนโตรเจน (ที่ผสมไอน้ำเรียบร้อยแล้ว) บริเวณทางเข้า reactor

สิ่งที่เกิดขึ้นคือเมื่อให้แก๊สไนโตรเจนเปลี่ยนเส้นทางการไหลจากไม่ผ่าน saturator (รูปที่ ๑ บน) มาเป็นผ่าน saturator (รูปที่ ๑ กลาง) พบว่าความเข้มข้นของ NO ในแก๊สผสมนั้นลดลงเหลือประมาณ 50-70% ของค่าที่ควรจะเป็น แม้ว่าใน saturator นั้นจะยังไม่บรรจุอะไรไว้เลยก็ตาม และเมื่อตรวจดู Mass flow controller ก็พบว่าตัวเลขหน้าจอของ Mass flow controller ทุกตัวก็ยังคงเหมือนเดิม ไม่มีการเปลี่ยนแปลงใด ๆ

เนื่องจากเครื่อง NOA-7000 นั้นไม่มีปัญหาในการวัด NO ดังนั้นเมื่อเห็นค่าที่เครื่อง NOA-7000 วัดได้นั้นเปลี่ยนแปลงไป ก็แสดงว่าระบบการไหลของแก๊สมีปัญหา ไม่ควรจะไปโทษเครื่อง หรือไปสมมุติว่าถึงแม้ตัวเลขที่เครื่องแสดงนั้นเปลี่ยนแปลงไป แต่ความเข้มข้นก็ยังคงเดิม เหมือนในอดีตที่บางคนมีพฤติกรรมเช่นนี้ (ดูเหตุการณ์ได้ในบันทึกฉบับที่ ๕๔) ซึ่งผลที่เกิดขึ้นนั้นก็คือการส่งผลการทดลองที่ผิดพลาด (ผมอยากเรียกว่า "มั่ว" มากกว่า) ออกไป

ปัญหานี้ผมสงสัยว่าจะเกิดจาก back pressure ที่กระทำต่อเส้นทางการไหลของแก๊สตัวอื่นที่เปลี่ยนไปเมื่อเปลี่ยนเส้นทางการไหลของไนโตรเจน โดยเริ่มแรกในเช้าวันอังคารที่ ๒๒ ผมได้ให้สาวน้อย 150 เซนติเมตรทดลองเปลี่ยนตำแหน่ง check valve ของ NO ดูก่อน โดยย้ายจากด้านขาออกของ Mass flow controller มาอยู่ทางด้านขาเข้าแทน ซึ่งก็พบว่าค่าความเข้มข้นของ NO ในแก๊สผสมที่วัดได้นั้นเพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

พอเช้าวันพฤหัสบดีที่ ๒๔ ก็ได้ทำการแก้ไขใหม่ โดยปรับปรุงเส้นทางการไหลด้วยการย้ายให้แก๊สออกซิเจนไปเป็นแก๊สที่ไหลผ่าน saturator โดยให้ไนโตรเจนเป็นแก๊สตัวหลักที่พาแก๊สอัตราการไหลต่ำตัวอื่น (SO₂ NH₃ และ NO) ไปยัง reactor และเปลี่ยนทิศทางการบรรจบระหว่างแก๊สไนโตรเจน (ที่ผสมกับแก๊สตัวอื่นเรียบร้อยแล้ว) กับแก๊สออกซิเจน (ที่มาจาก saturator) โดยให้แก๊สไนโตรเจนเป็นตัวไหลเข้าสู่ reactor โดยตรงและให้แก๊สออกซิเจนเป็นแก๊สที่ไหลมาบรรจบ (ตามรูปที่ ๑ ล่าง) งานนี้มีผู้ที่ต้องใช้ระบบนี้มาช่วยกันทำครบทุกคน งานก็เลยเสร็จรวดเร็ว

ผลออกมาว่าคราวนี้ความเข้มข้นของ NO ในแก๊สผสมนั้นคงที่ ไม่ว่าจะให้ออกซิเจนไหลผ่านหรือไม่ผ่าน saturator ก็ตาม

ปัญหานี้คิดว่าเกิดจากการที่ในช่วงแรกเมื่อเราให้ไนโตรเจนเป็นตัวหลักที่ไหลในแนวเส้นตรงผ่านจุดบรรจบของแก๊สที่มีอัตราการไหลต่ำนั้น เนื่องจากแก๊สไนโตรเจนมีอัตราการไหลที่สูง จึงสามารถดึงเอาแก๊สตัวที่มีอัตราการไหลต่ำให้เข้ามาผสมในแก๊สไนโตรเจนได้ แม้ว่า back pressure ของระบบจะสูงก็ตาม แต่เมื่อเปลี่ยนจากไนโตรเจนเป็นออกซิเจนที่มีอัตราการไหลต่ำกว่า แรงดึง ณ จุดบรรจบระหว่างแก๊สออกซิเจน (ที่ไหลในแนวตรง) และแก๊สตัวที่มีอัตราการไหลต่ำกว่า (ที่ไหลเข้ามาบรรจบ) นั้นจึงน้อยกว่า ดังนั้นเมื่อมี back pressure เกิดขึ้นในระบบ ณ ตำแหน่งจุดบรรจบระหว่างแก๊สไนโตรเจน (ที่มาจาก saturator) และแก๊สออกซิเจน (ที่ผสมกับแก๊สที่มีอัตราการไหลต่ำ) back pressure จึงส่งผลกระทบต่อแก๊สที่มีอัตราการไหลต่ำ ทำให้แก๊สเหล่านั้นมีอัตราการไหลที่ต่ำลง

เชื่อว่าปัญหานี้ไม่ได้เกิดกับเฉพาะ NO แต่น่าจะเกิดกับ SO₂ และ NH₃ ด้วย แต่ที่เราเห็นเฉพาะ NO ก็เพราะเราวัดเฉพาะ NO โดยยังไม่ได้วัด SO₂ และ NH₃

บริเวณข้อต่อสามทาง (ข้อต่อตัว T) ของ Swagelokที่เราใช้ในระบบ DeNOx นั้นพอจะเปรียบได้เหมือนท่อ venturi แก๊สที่ไหลด้วยความเร็วสูงในแนวเส้นตรงจะทำให้ static pressure ที่ผนังลดลงหรือที่เรียกว่าเกิด venturi effect ยิ่งแก๊สไหลผ่านด้วยความเร็วสูงมากขึ้น static pressure ที่ผนังก็จะลดต่ำลงไปมาก จึงทำให้แก๊สอัตราการไหลต่ำ (ที่มักมีความดันต่ำ) ไหลเข้ามาผสมกับแก๊สอัตราการไหลสูงที่วิ่งในแนวเส้นตรงได้ง่าย (ดู Memoir ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๗๕ วันพุธที่ ๒๓ มีนาคม ๒๕๕๔ เรื่องการทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๑๖ การใช้ข้อต่อสามทางผสมแก๊สประกอบด้วย) แต่พอเราเปลี่ยนไปใช้ออกซิเจนที่มีอัตราการไหลที่ต่ำกว่าไนโตรเจนมาก (จาก 150-170 ml/min มาเป็น 20-30 ml/min) ก็เลยทำให้ static pressure ที่จุดผสมนั้นไม่ลดต่ำลงมาก การไหลของแก๊สที่มีอัตราการไหลต่ำจึงเกิดปัญหาได้ง่ายขึ้นถ้าระบบมี back pressure ที่เปลี่ยนแปลงไป

แต่ถ้าแก๊สที่ไหลเข้ามาผสมกันนั้นเป็นแก๊สที่มีความดันสูงที่ไม่แตกต่างกันมาก ปัญหาเรื่องนี้ก็จะลดลงไปหรืออาจไม่มีนัยสำคัญ

แล้วตกลงว่าการแก้ปัญหาเรื่องนี้เป็นเรื่องของ "ศิลป" หรือ "ศาสตร์" ล่ะ หวังว่าคนที่ถามปัญหานี้ในวันพฤหัสบดีนั้นคงจะตอบคำถามนี้ได้เอง

การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๑๖ การใช้ข้อต่อสามทางผสมแก๊ส MO Memoir : Wednesday 23 March 2554

เนื้อหาใน Memoir ฉบับนี้เกี่ยวพันโดยตรงไปยัง Memoir ๒ ฉบับก่อนหน้านี้คือ

ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๖๖ วันศุกร์ที่ ๔ มีนาคม ๒๕๕๔ เรื่อง GC-2014 FPD กับระบบ DeNOx ตอนที่ ๑ ที่มาที่ไปของปัญหา

ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๗๒ วันเสาร์ที่ ๑๙ มีนาคม ๒๕๕๔ เรื่อง GC-2014 FPD กับระบบ DeNOx ตอนที่ ๕ บันทึกเหตุการณ์วันที่ ๑ มีนาคม

ข้อต่อสามทางหรือข้อต่อตัวที (T) นั้นเราใช้เพื่อรวมการไหลของของไหล (แก๊สหรือของเหลว) แยก/เบี่ยงเส้นทางการไหล และติดตั้งอุปกรณ์วัด (เช่นเทอร์โมคับเปิลเข้ากับ fixed-bed tubular reactor) จากประสบการณ์การทำการทดลองที่ผ่านมานั้นพบว่าการใช้งานข้อต่อสามทางรูปแบบที่ทำให้เกิดปัญหาบ่อยครั้งที่สุดคือ "การใช้งานเพื่อรวมการไหลของแก๊สสองสายเข้าด้วยกัน"

ที่ผ่านมานั้นพบว่าเวลาที่นิสิตทำการต่ออุปกรณ์ หรือต่อถังแก๊สเข้ากับอุปกรณ์ที่มีอยู่เดิมนั้น มักไม่ค่อยสนใจว่าเส้นทางการไหลของท่อที่ต่างมาบรรจบเข้าด้วยกันนั้น มีรูปแบบการไหลอย่างไร ซึ่งจะว่าไปแล้วการกระทำดังกล่าวก็ไม่ได้ก่อให้เกิดปัญหาใด ๆ ขึ้นเป็นประจำ แต่ก็มีบ่อยครั้งเหมือนกันที่พบว่าการไหลของบางสายไม่นิ่ง (โดยเฉพาะเมื่อใช้ Mass flow controller ควบคุมการไหล เพราะมันมีมิเตอร์แสดงอัตราการไหลเป็นตัวเลข ซึ่งจะเห็นตัวเลขหน้าจอเต้นไปเต้นมา) ทั้ง ๆ ที่ถ้าทดลองเปิดแก๊สเพียงตัวใดตัวหนึ่งทีละตัวนั้นจะพบว่าอัตราการไหลของแก๊สจะนิ่ง

จากเหตุการณ์ดังกล่าวพบว่านิสิตทั้งหมดจะโยนความผิดให้กับ Mass flow controller ว่าทำงานได้ไม่ดี แต่ก็จะเชื่อว่าค่าอัตราการไหลของแก๊สนั้นเป็นค่าตามที่ได้ตั้งเอาไว้เมื่อวัดแยกทีละสาย (ทั้ง ๆ ที่ตัวเลขที่แสดงนั้นคนละตัวกัน) และมักจะสอนต่อ ๆ กันว่าอย่าไปสนใจตัวเลขที่มันแสดงในขณะที่ใช้งาน ให้เชื่อเฉพาะตัวเลขที่ปรับเอาไว้ตอนที่วัดแยกทีละสาย

ปัญหานี้ผมเห็นมาตั้งแต่พ.ศ. ๒๕๔๐ ตอนที่เราประกอบอุปกรณ์ระบบ DeNOx ขึ้นมา และเคยได้แก้ไขเอาไว้ตั้งแต่สมัยโน้นแล้ว แต่ก็ยังพบปัญหาดังกล่าวอยู่เรื่อย ๆ จึงคิดว่าสมควรบันทึกเป็นลายลักษณ์อักษรเสียที

อันที่จริงถ้าพบเหตุการณ์ดังกล่าวก็แสดงว่าระบบการผสมแก๊สนั้นมีปัญหาแล้ว และปัญหาดังกล่าวมักจะเกิดกับการผสมแก๊สสองสาย โดยที่แก๊สสายหนึ่งมีอัตราการไหลน้อยกว่าอีกสายหนึ่งมาก Mass flow controller ตัวที่แสดงตัวเลขอัตราการไหลเต้นไปมาคือตัวที่อัตราการไหลที่ต่ำกว่า และปัญหาดังกล่าวมักจะเกิดรุนแรงถ้ามีการติดตั้งวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับ (check valve (เรียกแบบอเมริกัน) หรือ non-return valve (เรียกแบบอังกฤษ)) อยู่ทางด้านขาออกของ Mass flow controller

วิธีการที่ถูกต้องในการผสมแก๊สสองสายด้วยข้อต่อสามทางคือ ต้องให้แก๊สที่มีอัตราการไหลสูงกว่านั้นวิ่งในแนวเส้นตรง โดยให้แก๊สที่มีอัตราการไหลต่ำกว่านั้นไหลเข้ามาบรรจบทางด้านข้าง (ดูรูปที่ ๑)

การต่อท่อโดยให้แก๊สสองสายไหลเข้ามาชนกันตรง ๆ หรือให้แก๊สสายที่มีอัตราการไหลต่ำกว่านั้นวิ่งในแนวตรงและให้แก๊สที่มีอัตราการไหลสูงกว่านั้นไหลมาบรรจบทางด้านข้าง เป็นวิธีการที่ไม่เหมาะสม การต่อท่อตามสองรูปแบบหลังนี้จะทำให้แก๊สที่มีอัตราการไหลต่ำกว่านั้นไหลไม่นิ่ง กล่าวคืออาจมีการไหลเป็นจังหวะ (pulse) ออกมาผสมกับแก๊สที่มีอัตราการไหลสูงกว่า

สาเหตุที่ทำให้การไหลของสายที่มีอัตราการไหลต่ำกว่านั้นมีการไหลเป็นจังหวะก็เพราะ

(ก) แก๊สเป็นของไหลที่สามารถอัดตัวได้ และ

(ข) สายที่มีอัตราการไหลต่ำกว่านั้นมีความดันต่ำกว่า

รูปที่ ๑ รูปแบบการผสมแก๊สโดยใช้ข้อต่อสามทาง วิธีการที่ถูกต้องคือต้องให้สายที่มีอัตราการไหลสูงนั้นไหลในทิศทางแนวตรงของข้อต่อสามทาง และมีสายที่มีอัตราการไหลต่ำกว่าไหลเข้ามาบรรจบในแนวตั้งฉากดังรูปซ้าย การต่อท่อชนิดให้สองสายไหลมาชนกันตรง ๆ ดังรูปกลาง หรือให้สายที่มีอัตราการไหลต่ำวิ่งในแนวตรงและโดยให้สายที่มีอัตราการไหลสูงกว่านั้นวิ่งเข้ามาบรรจบในแนวตั้งฉากดังรูปขวา มักจะก่อให้เกิดปัญหากับการไหลของสายที่มีอัตราการไหลต่ำกว่า

อย่างเช่นเมื่อเราต่อท่อให้สายแก๊สทั้งสองไหลเข้าชนกันตรง ๆ ดังรูปที่ ๑ (กลาง) นั้น สายที่มีอัตราการไหลสูงกว่าจะไหลพุ่งตรงออกไปปะทะกับสายที่มีอัตราการไหลต่ำกว่าโดยที่ไม่ค่อยจะหักเลี้ยว (ถ้านึกภาพไม่ออกลองนึกถึงหน้าต่างอาคารที่เปิดอยู่ และมีลมพัดขนานไปกับหน้าต่าง นั้น จะพบว่าลมจะไม่ค่อยพัดเข้าหน้าต่าง) ทำให้สายที่มีอัตราการไหลต่ำกว่านั้นถูกอัดตัวเข้าไปทางด้านขวา ถ้าหากแหล่งจ่ายแก๊สของสายที่มีอัตราการไหลต่ำนั้นยังมีความดันสูงมากพอ แก๊สด้านอัตราการไหลต่ำก็จะค่อย ๆ ผลักดันแก๊สด้านอัตราการไหลสูงให้ถอยกลับไปตรงทางแยก ท้ายที่สุดแล้วแก๊สด้านอัตราการไหลต่ำก็จะสามารถไหลผสมออกไปทางทางแยกร่วมกับแก๊สอัตราการไหลสูงได้

ในกรณีที่แก๊สด้านอัตราการไหลสูงไหลเข้าในทิศทางตั้งฉากก็จะเกิดเหตุการณ์ในทำนองเดียวกัน โดยแก๊สอัตราการไหลสูงเมื่อไหลเข้าชนข้อต่อสามทางก็จะแยกเป็นสองส่วน ส่วนหนึ่งจะไหลไปทางด้านขาออก และอีกส่วนหนึ่งจะไหลไปทางด้านแก๊สอัตราการไหลต่ำ ซึ่งก็จะทำให้แก๊สด้านอัตราการไหลต่ำเกิดปัญหาดังเช่นที่กล่าวไว้ในย่อหน้าข้างบน

สำหรับเหตุการณ์ในย่อหน้าข้างบน ในกรณีที่เราปรับอัตราการไหลของแก๊สด้านอัตราการไหลต่ำโดยใช้ needle valve นั้นมักจะไม่พบว่าอัตราการไหลของแก๊สด้านอัตราการไหลต่ำไม่นิ่ง แต่จะพบว่าอัตราการไหลของแก๊สด้านอัตราการไหลต่ำลดลง ทั้งนี้เป็นเพราะอัตราการไหลผ่าน needle valve นั้นขึ้นอยู่กับผลต่างของความดันด้านขาเข้าและขาออกของวาล์ว ที่เปอร์เซนต์การเปิดของวาล์วเท่ากัน แต่ถ้าความดันคร่อมวาล์วแตกต่างกัน อัตราการไหลก็จะแตกต่างไปด้วย ในกรณีเช่นนี้การติดตั้ง rotameter ไว้ทางด้านขาเข้าของ needle valve จะช่วยได้มาก เพราะความดันด้านขาเข้าค่อนข้างจะนิ่ง เวลาที่ความดันด้านขาออกสูงขึ้นจะทำให้แก๊สที่ไหลผ่าน rotameter มีอัตราการไหลที่ลดลง (แต่ความดันยังคงประมาณได้ว่าเท่าเดิม) ทำให้เห็นลูกลอยลดระดับต่ำลง

แต่ถ้าหากความดันด้านขาเข้าของ needle valve ของแก๊สด้านอัตราการไหลต่ำนั้น "ต่ำกว่า" ความดันของแก๊สด้านอัตราการไหลสูง ณ จุดบรรจบ จะทำให้เกิดการไหลย้อนกลับของแก๊สในระบบได้ คือแก๊สด้านอัตราการไหลสูงนั้นจะไหลย้อนเข้าไปในแก๊สด้านอัตราการไหลต่ำ วิธีการป้อนกันการไหลย้อนกลับนั้นทำได้โดย

(ค) ตั้งความดันด้านแหล่งจ่ายของแก๊สอัตราการไหลต่ำ ให้เท่ากับความดันด้านแหล่งจ่ายของแก๊สอัตราการไหลสูง ด้วยวิธีการนี้อัตราการไหลจะถูกปรับด้วยเปอร์เซนต์การเปิดของวาล์ว (ความดันด้านแหล่งจ่ายในที่นี้คือความดันด้านขาออกจาก pressure regulator ที่หัวถังแก๊ส) และ/หรือ

(ง) ติดตั้งวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับ (check valve หรือ non-return valve)

การทำตามข้อ (ค) นั้นถ้ามีการผสมแก๊สมากกว่า 1 ชนิด ถ้าทำได้ก็ควรให้ความดันด้านแหล่งจ่ายแก๊สของแก๊สทุกตัวเท่ากัน จะได้ไม่เกิดปัญหาการไหลย้อนกลับ แต่การทำเช่นนี้ก็อาจเกิดปัญหาได้ในกรณีที่แก๊สบางตัวมีอัตราการไหลที่ต่ำกว่าตัวอื่นมาก การที่ใช้ความดันด้านแหล่งจ่ายสูงเกินไปจะทำให้ตัววาล์วควบคุมการไหล (needle valve หรือ mass flow controller) มีเปอร์เซนต์เปิดที่ต่ำมาก ทำให้ควบคุมการไหลได้ไม่ดี ในกรณีเช่นนี้ก็ต้องลดความดันด้านแหล่งจ่ายแก๊สให้ลดต่ำลง ทั้งนี้เพื่อให้สามารถเปิดวาล์วควบคุมได้กว้างมากขึ้น แต่ทั้งนี้ความดันด้านขาเข้าวาล์วควบคุมการไหลของสายอัตราการไหลต่ำก็ควรที่จะสูงกว่าความดันด้านขาออกของวาล์วควบคุมการไหลสายอัตราการไหลสูง (ดูรูปที่ ๒ ประกอบ)

รูปที่ ๒ แก๊สด้านอัตราการไหลสูงและอัตราการไหลต่ำจะไหลมารวมกันได้ก็ต่อเมื่อความดัน P2 = P3 และถ้าต้องการป้องกันไม่ให้แก๊สด้านอัตราการไหลสูงไหลย้อนไปตามเส้นทางแก๊สด้านอัตราการไหลต่ำแล้ว ความดัน P1 ควรที่จะมากกว่าความดัน P3

สำหรับแก๊สด้านอัตราการไหลต่ำนั้น หลายครั้งที่พบว่าการติดตั้งวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับในด้านขาออกของ needle valve หรือ Mass flow controller จะนำมาซึ่งปัญหา ทั้งนี้เพราะวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับจะทำให้ความต้านทานการไหลด้านขาออกของ needle valve หรือ Mass flow controller เพิ่มสูงขึ้น สิ่งที่เกิดขึ้นคือ แก๊สที่ความดัน P1 เมื่อไหลผ่านวาล์วควบคุมอัตราการไหล จะมีความดันลดลงเป็น P2 (ตามรูปที่ ๓) ถ้าหากความดัน P2 นี้ไม่มากพอที่จะผลักกลไกของวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับให้เปิดออก และจะไหลผ่านวาล์วควบคุมอัตราการไหล เข้ามาสะสมอยู่ในท่อเชื่อมต่อระหว่างวาล์วควบคุมอัตราการไหลและวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับ ทำให้ความดันในท่อเชื่อมต่อระหว่างวาล์วควบคุมอัตราการไหลและวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับ (ความดัน P2) เพิ่มสูงขึ้นเรื่อย ๆ และเมื่อใดก็ตามที่ความดัน P2 นี้สามารถเอาชนะผลรวมระหว่าง ความดัน P4 ที่อยู่อีกทางด้านหนึ่งของวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับ + ความต้านทานการไหลของวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับ ได้ วาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับก็จะเปิด และปล่อยให้แก๊สเข้าไปผสมกับแก๊สด้านอัตราการไหลสูง

แต่เมื่อวาล์วป้องกันการไหลเปิด ความดันในท่อระหว่างวาล์วควบคุมอัตราการไหลและวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับ (ความดัน P2) ก็จะลดลง ทำให้วาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับปิดตัวเองอีกครั้ง ซึ่งจะส่งผลให้ไม่มีแก๊สด้านอัตราการไหลต่ำไหลเข้าไปผสมกับแก๊สด้านอัตราการไหลสูงได้ เหตุการณ์นี้ทำให้ความเข้มข้นของแก๊สผสมที่อยู่ในแนวเส้นท่อนั้นไม่สม่ำเสมอตลอดช่วงความยาวท่อ

รูปที่ ๓ รูปแบบการติดตั้งวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับที่ทำให้เกิดปัญหาแก๊สด้านอัตราการไหลต่ำไหลเป็นจังหวะ

ถ้าหากใช้ Mass flow controller ควบคุมอัตราการไหล สิ่งที่จะเห็นก็คือ ในขณะที่ความดันด้าน P2 นั้นยังไม่มากพอที่จะทำให้วาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับเปิด ความดันด้าน P2 ที่เพิ่มมากขึ้นจะทำให้อัตราการไหลผ่าน Mass flow controller ลดลง ดังนั้นสิ่งที่ Mass flow controller ทำก็คือจะเปิดกว้างมากขึ้น (เห็นตัวเลขเปอร์เซนต์การเปิดสูงขึ้น) เพื่อคงอัตราการไหลให้ได้ดังเดิม แต่เมื่อความดัน P2 มากพอที่จะทำให้วาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับเปิดออก แก๊สที่ถูกขังอยู่ระหว่าง Mass flow controller และวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับจะระบายออกไป ความดันด้าน P2 จะลดลงอย่างกระทันหันในขณะที่ Mass flow controller ยังเปิดกว้างอยู่ ทำให้ Mass flow controller ตรวจจับได้ว่าอัตราการไหลของแก๊สที่ไหลผ่านเพิ่มขึ้นอย่างกระทันหัน (ความดันด้านขาเข้า P1 คงที่ในขณะที่ความดันด้านขาออก P2 ลดลง ดังนั้นถ้าวาล์วเปิดคงเดิม อัตราการไหลก็จะเพิ่มขึ้น) ดังนั้น Mass flow controller ก็สั่งปิดวาล์วลงอย่างรวดเร็ว (เห็นตัวเลขเปอร์เซนต์การเปิดลดต่ำลง) สิ่งที่เราเห็นก็คือตัวเลขบนหน้าจอของ Mass flow controller เต้นไปมา

การแก้ปัญหาดังกล่าวทำได้โดยการเอาวาล์วป้องกันการไหลออก หรือไม่ก็ย้ายไปติดตั้งทางด้านขาเข้าของวาล์วปรับอัตราการไหล/Mass flow controller

GC-2014 FPD กับระบบ DeNOx ตอนที่ ๕ บันทึกเหตุการณ์วันที่ ๑ มีนาคม MO Memoir : Saturday 19 March 2554

Memoir ฉบับนี้แจกจ่ายเป็นการภายใน ไม่นำเนื้อหาลง blog

เนื้อหาใน Memoir ฉบับนี้เหมือนกับอีเมล์ที่ส่งให้กับสายน้อย 150 เซนติเมตรเมื่อวันอังคารที่ ๑ มีนาคม ๒๕๕๔ ที่ผ่านมา ที่นำมาลงใน Memoir ก็เพื่อนำบันทึกการทำงานของกลุ่มเข้าสู่ระบบเก็บข้อมูล

GC-2014 FPD กับระบบ DeNOx ตอนที่ ๑ ที่มาที่ไปของปัญหา MO Memoir : Friday 4 March 2554

เนื้อหาในเอกสารฉบับนี้ (และที่จะออกตามมาในหัวข้อเดียวกัน) เป็นการบันทึกการแก้ปัญหาการติดตั้งเครื่อง Shimadzu GC-2014 FPD ซึ่งใช้วัด SO₂ และ SO₃ เข้ากับระบบเครื่องปฏิกรณ์ DeNOx และจะเป็นการบันทึกอีเมล์ฉบับที่ส่งถึงสาวน้อย ๑๕๐ เซนติเมตรในวันอังคารที่ ๑ มีนาคม ๒๕๕๔ เอาไว้ด้วย

ผมเขียนเรื่องเกี่ยวกับ GC-2014 FPD (ที่เราได้รับมาในการทำวิจัย DeNOx เพื่อไว้วัดแก๊ส SO₂ และ SO₃) ครั้งแรกไว้ใน Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๗๑ วันอาทิตย์ที่ ๖ มิถุนายน ๒๕๕๓ เรื่องคอลัมน์ GC ก่อนการใช้งาน ดังนั้นถ้านับถึงสัปดาห์นี้ก็เป็นเวลาร่วม ๙ เดือนแล้วที่เรายังไม่สามารถนำเครื่องดังกล่าวมาใช้งาน แต่จากความพยายามในช่วงที่ผ่านมาคาดว่าเราน่าจะสามารถนำเครื่องดังกล่าวมาใช้งานได้ภายในก่อนสิ้นเดือนนี้

สำหรับผู้ที่เกี่ยวข้องในการแก้ปัญหาดังกล่าวจะพบว่า ในกรณีนี้ต้นตอของปัญหานั้นไม่ได้จำกัดอยู่ที่ตัวเครื่อง GC แต่ยังครอบคลุมไปถึงระบบจ่ายแก๊สเข้าทำปฏิกิริยาด้วย ซึ่งจัดว่าขอบเขตของปัญหานั้นกว้างกว่าที่คาดคิดไว้แต่แรก ทำให้ในช่วงแรก ๆ นั้นเมื่อเราเริ่มตรวจสอบการทำงานต่าง ๆ ของเครื่อง GC และระบบที่เกี่ยวข้อง เราจึงไม่สามารถระบุได้ว่าต้นตอของปัญหามาจากแหล่งใด ทำให้เราต้องขยายขอบเขตการตรวจสอบให้กว้างออกไปอีก จนในที่สุดก็คิดว่าเราพอจะเข้าใจสาเหตุที่ทำให้เกิดปัญหาแล้ว

เพื่อให้เห็นภาพที่ชัดเจนของเรื่องที่เกี่ยวข้อง จึงจะขอเล่าที่มาที่ไปก่อนเป็นข้อ ๆ ไป

๑. เรื่องของปัญหามันเริ่มจากการที่เราทำการทดสอบ GC-2014 และพบว่ามันสามารถตรวจวัด SO₂ ได้ถ้าหากว่าเราเอาแก๊สผสม (ที่มี SO₂ ผสมอยู่ที่ความเข้มข้น 1% หรือ 10000 ppm) จากท่อแก๊สฉีดตรงเข้าไปยัง sampling valve ของเครื่อง

๒. แต่เมื่อนำเอาตัวเครื่อง GC-2014 ไปต่อ on line เข้ากับทางออกของแก๊สจาก reactor และปรับความเข้มข้นของ SO₂ ในแก๊สผสมให้อยู่ในช่วง 10-30 ppm (ซึ่งเป็นช่วงที่บริษัทต้องการศึกษา) เรากลับพบว่าตรวจไม่พบ SO₂ ทั้ง ๆ ที่ mass flow controller ตัวที่ควบคุมการไหลของ SO₂ ยังทำงานอยู่ (โดยตัวเลขบนหน้าจอก็นิ่งซะด้วย) และผลการทดลองการทำปฏิกิริยา DeNOx ก็แสดงให้เห็นว่ามี SO₂ ไหลเข้าไปในระบบ เพราะผลการทดลองระหว่างการไม่ผสมกับการผสม SO₂ เข้ากับแก๊สผสมที่เป็นสารตั้งต้นนั้น แสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงค่า conversion อย่างเด่นชัดเมื่อผสม SO₂ เข้าไปในแก๊สผสมที่เป็นสารตั้งต้น

๓. แต่ถ้าปรับความเข้มข้นของ SO₂ ในแก๊สผสมให้สูงขึ้นไป (เช่นที่ระดับ 100 ppm) หรือมากกว่า เครื่อง GCกลับสามารถตรวจพบการมีอยู่ของ SO₂ โดยที่ให้พีคที่มีขนาดใหญ่ออกมา

๔. เหตุการณ์ดังกล่าวทำให้ผมไม่ค่อยชอบใจนักตรงพฤติกรรมของ detector เพราะว่าโดยปรกติแล้วการทำงานของ detector นั้น ถ้าเราค่อย ๆ ลดความเข้มข้นของสารที่ฉีดให้ต่ำลง สัญญาณจาก detector ก็จะค่อย ๆ ลดต่ำลงจนถึงระดับหนึ่งที่เราตรวจไม่พบ แต่ในกรณีนี้เราพบว่าเมื่อเราลดความเข้มข้นของ SO₂ ในแก๊สผสมให้ลดต่ำลง (โดยการลดอัตราการไหลของแก๊ส SO₂) พีค SO₂ ก็เล็กลง (แต่ก็ให้สัญญาณที่แรงอยู่) แต่พอลดความเข้มข้น SO₂ ลงถึงระดับหนึ่งพบว่าอยู่ดี ๆ พีคก็หายไปดื้อ ๆ กระทันหัน กล่าวอีกนัยหนึ่งคือสัญญาณของ detector ไม่ลดลงอย่างต่อเนื่องจนเป็นศูนย์ (ดังรูปที่ ๑ ซ้าย) แต่อยู่ ๆ ก็หายไปเลย (ดังรูปที่ ๑ ขวา)

รูปที่ ๑ ความสัมพันธ์ระหว่างความแรงของสัญญาณจาก detector เมื่อฉีด SO₂ ที่ความเข้มข้นต่าง ๆ กัน (ซ้าย) สิ่งที่คาดหวังว่าจะได้เห็น (ขวา) สิ่งที่เกิดขึ้นจริง

๕. แต่จะว่าไปแล้วเมื่อลดความเข้มข้น SO₂ ให้ต่ำลงจนพบว่าสัญญาณจาก detector เป็นศูนย์นั้น ก็พบว่ามีบางครั้งเหมือนกันที่ตรวจพบ SO₂ ในแก๊สผสม แต่แม้จะตรวจพบ SO₂ ก็พบว่ายังมีปัญหาตรงที่ขนาดของพีคนั้นไม่สามารถทำซ้ำได้ แต่โดยรวมแล้วโอกาสตรวจไม่พบนั้นสูงกว่าโอกาสตรวจพบ

๖. เหตุการณ์นี้ทำให้สงสัยว่าเป็นพฤติกรรมของ detector หรือเปล่า ที่การลดลงของสัญญาณเป็นเช่นนี้ (กล่าวคือไม่ลดลงอย่างต่อเนื่องจนเป็นศูนย์เมื่อความเข้มข้นของ SO₂ ลดลงดังแสดงในรูปที่ ๑ ขวา)

๗. ดังนั้นในช่วงแรกจึงได้ให้สาวน้อย ๑๕๐ เซนติเมตรไปทำการทดลองปรับแต่งการทำงานของ detector โดยทดลองป้อนแก๊ส SO₂ ในระดับที่เครื่องตรวจวัดได้ แล้วปรับอัตราส่วนระหว่างอากาศและไฮโดรเจน (แก๊สสำหรับจุดไฟ) เพื่อให้ได้สัญญาณที่มีความแรงมากที่สุดก่อน เมื่อได้อัตราส่วนผสมระหว่างอากาศและไฮโดรเจนที่เหมาะสมแล้ว ก็กลับไปทดลองวัด SO₂ ที่ความเข้มข้นต่ำ ๆ อีกครั้ง ซึ่งก็พบว่ายังเกิดปัญหาเหมือนเดิม

๘. ประเด็นถัดมาที่นำมาพิจารณาคือเป็นไปได้ไหมว่า ที่ความเข้มข้น SO₂ ต่ำ ๆ นั้น เมื่อแก๊สตัวอย่างที่มี SO₂ ผสมอยู่ไหลเข้าไปในคอลัมน์ แก๊สตัวอย่างพอผสมกับ carrier gas แล้วทำให้ความเข้มข้น SO₂ เจือจางลงไปอีก จึงทำให้ detector ตรวจวัดไม่ได้ เมื่อมองจากมุมนี้จึงทำให้คิดว่าน่าจะเพิ่มขนาดตัวอย่างที่ทำการฉีดเข้าเครื่อง

๙. Sampling loop ที่ติดตั้งมากับตัวเครื่องเมื่อได้รับมานั้นมีขนาด 0.5 ml จึงได้ให้ทางบริษัทมาทำการเปลี่ยนให้มีขนาดใหญ่ขึ้น ซึ่งทางบริษัทก็ได้ทำการติดตั้งขนาด 2.0 ml ให้

๑๐. เมื่อทำการเปลี่ยน sampling loop แล้วก็ได้ทำการทดลองต่อเครื่อง GC on-line เข้ากับระบบ DeNOx และทำการวัด SO₂ ที่ความเข้มข้นต่าง ๆ กันใหม่ ซึ่งแม้จะพบว่ามีการตรวจพบ SO₂ "บ่อยครั้ง" มากกว่าครั้งเมื่อใช้ sampling loop ขนาด 0.5 ml (โอกาสตรวจพบเพิ่มมากขึ้น) แต่ก็มีปัญหาเรื่องการวัดที่บางครั้งก็ตรวจไม่พบ และครั้งที่ตรวจพบนั้นก็ได้ "พีค" ที่มีขนาดเอาแน่เอานอนไม่ได้ บางครั้งมีขนาดใหญ่ บางครั้งก็เล็ก (ตอนนี้ของเรียกว่า "พีค" ไปก่อนนะ แล้วตอนหลังจะอธิบายให้เห็นว่าสิ่งที่คิดว่าเป็น "พีค" ในขณะนี้มันไม่ใช่พีค)

๑๑. ตอนนี้ผมก็เริ่มสงสัยแล้วว่าปัญหาจะอยู่ที่ mass flow controller ตัวที่ควบคุมการไหลของ SO₂ หรือเปล่า คือสงสัยว่า mass flow controller ทำงานแบบไหน คือ

(ก) วาล์วเป็นวาล์วเป็นแบบต่อเนื่อง กล่าวคือเปิดวาล์วจะเปิดกว้างหรือแคบตามอัตราการไหลที่ต้องการ ถ้าต้องการอัตราการไหลสูง ตัววาล์วก็จะเลื่อนขึ้นเพื่อให้ช่องทางการไหลกว้างขึ้น และเมื่อต้องการอัตราการไหลต่ำ ตัววาล์วก็จะเลื่อนลงเพื่อให้ช่องทางการไหลแคบลง หรือเป็นแบบ

(ข) เปิดเป็นจังหวะ คือวาล์วจะทำงานโดยอยู่ที่ตำแหน่งเปิดกว้างสุด (100%) หรือปิดสนิท (0%) การควบคุมอัตราการไหลทำโดยการตั้งอัตราส่วนที่จะให้วาล์วอยู่ในตำแหน่งเปิด-และตำแหน่งปิดในช่วงเวลาที่กำหนด เช่นสมมุติว่าถ้าต้องการอัตราการไหล 20% ในช่วงเวลา 5 วินาทีวาล์วก็จะเปิดกว้าง 1 วินาทีและปิดสนิท 4 วินาที เป็นต้น (ตัวเลขนี้ผมยกขึ้นมาลอย ๆ เพื่อให้มองเห็นภาพเท่านั้นนะ อย่าไปคิดว่าตัววาล์วทำงานจริงแบบนี้)

ตรงนี้ขอกล่าวไว้ก่อนว่า mass flow controller ตัวที่ควบคุมการไหลของ SO₂ นั้นควบคุมการไหลในช่วง 0-10 ml/min (ตัวเลขหน้าจอปรับได้ตั้งแต่ 0.00 ไปจนถึง 10.00) แต่ในการใช้งานนั้นเราให้แก๊สไหลไม่ถึง 1 ml/min (ตัวเลขหน้าจออยู่ในช่วงประมาณ 0.20 ถึง 0.50) ซึ่งถือว่าต่ำมากเมื่อเทียบกับขนาดของตัวเครื่อง

๑๒. จากข้อสงสัยในข้อ ๑๑. ผมจึงได้ให้สาวน้อย ๑๕๐ เซนติเมตรไปตรวจดูรูปแบบการไหลของแก๊ส โดยทำการต่อ bubble flow meter เข้ากับ mass flow controller แล้วดูพฤติกรรมการไหลของฟองสบู่ ซึ่งก็พบว่าฟองสบู่เคลื่อนตัวได้อย่างต่อเนื่องไม่มีการสะดุด นั่นแสดงว่าการทำงานของ mass flow controller นั้นควรเป็นแบบต่อเนื่อง ไม่ใช่แบบเปิดเป็นจังหวะ เพราะถ้าเป็นแบบเปิดเป็นจังหวะแล้ว เราควรจะเห็นฟองสบู่เคลื่อนที่สลับกับการหยุด ตามจังหวะการเปิด-ปิดของวาล์ว (ตอนที่เขามารายงานผม ผมก็ยังไม่เชื่อ ต้องขอไปดูด้วยตาตัวเอง)

ตอนนี้ดูเหมือนว่าจะเข้าตาจนแล้ว แต่จู่ ๆ สมมุติฐานใหม่ก็ปรากฏขึ้นมา กล่าวคือเป็นไปได้ไหมว่าที่เราเห็นตัวเลขบนหน้าจอ mass flow controller นิ่งนั้น เป็นเพราะมีแก๊ส SO₂ ไหลผ่าน mass flow controller จริงด้วยอัตราการไหลที่คงที่ (หรือค่อนข้างจะคงที่) แต่แก๊ส SO₂ ที่ไหลผ่านออกมาแล้วนั้นไม่ไหลเข้าไปผสมกับแก๊สไนโตรเจนในท่อการไหลหลักของระบบ

เรื่องราวจะเป็นอย่างไรโปรดติดตามตอนต่อไป คืนนี้ขอไปพักผ่อนนอนหลับก่อน