เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากบทความเรื่อง "Propylene column pressure relief valves chattering resulting in explosion and fire of the Steam Cracker unit" ตีพิมพ์ในวารสาร Journal of Loss Prevention in the Process Industries ฉบับปีค.ศ. ๒๐๒๒ (พ.ศ. ๒๕๖๕) โดยเป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นที่โรงงานโอเลฟินส์แห่งหนึ่งในสาธารณรัฐเช็ก เมื่อวันที่ ๑๓ สิงหาคม ค.ศ. ๒๐๑๕ (พ.ศ. ๒๕๕๘)
ถ้าดูตามชื่อเรื่องก็ทำให้คิดว่าสาเหตุหลักเกิดจากการที่วาล์วระบายความดันมีการเปิด-ปิดอย่างรวดเร็วต่อเนื่อง (ที่เรียกว่า "chattering") ทำให้เกิดแรงกระแทกที่ส่งผลให้น็อตที่ยึดหน้าแปลนของตัววาล์วนั้นเกิดการคลายตัว แก๊สก็เลยรั่วออกมาได้ ส่งผลให้เกิดการจุดระเบิดตามมา แต่พอได้อ่านเนื้อหาในบทความ เห็นว่าส่วนหนึ่งน่าจะเป็นเพราะการออกแบบระบบมีปัญหา ทำให้ระบบไม่มีเสถียรภาพเมื่อถูกรบกวนชั่วขณะหนึ่ง ส่งผลให้วาล์วระบายความดันเกิดการ "chattering" อย่างเช่นในเหตุการณ์นี้ที่โอเปอร์เรเตอร์พบว่าลืมเปิดวาล์วน้ำหล่อเย็น ทำให้อัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นลดลง แต่พอสามารถทำให้อัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นกลับคืนเดิมได้ ก็ไม่สามารถกู้ให้ระบบกลับคืนสู่สภาวะเดิมได้
เนื้อหาในบทความนี้สำหรับคนที่ทำงานทางด้านนี้อยู่แล้วจะสามารถอ่านและทำความเข้าใจได้ง่าย แต่สำหรับผู้ที่กำลังศึกษาอยู่หรือไม่ได้ทำงานทางด้านวิศวกรรมเคมีหรือไม่ได้ทำงานเกี่ยวข้องกับกระบวนการกลั่น ก็อาจมีหลายจุดที่อ่านแล้วไม่เข้าใจความหมาย ก็เลยนำขอมาเขียนแบบขยายความเพิ่มเติม จะได้ถือโอกาสเอาไปใช้ในการสอนนิสิตด้วย
ตอนแรกนี้จะเป็นการแนะนำให้รู้จักกระบวนการผลิตของโรงงานที่เกิดเรื่องก่อน (รูปที่ ๒ และ ๓)
การผลิตเอทิลีนใช้การให้ความร้อนด้วยเปลวไฟแก่วัตถุดิบที่ไหลอยู่ในท่อ วัตถุดิบอาจเป็นไฮโดรคาร์บอนเบาเช่นอีเทน (ethane C2H6) ไปจนถึงน้ำมันหนัก (ระดับน้ำมันดีเซลหรือน้ำมันเตาเบา) อุปกรณ์นี้มีชื่อเรียกว่า "pyrolysis heater" ที่โรงงานมีทั้งสิ้น 10 หน่วยด้วยกัน (BA-101 ถึง BA-110) ซึ่งสร้างตามเทคโนโลยีของบริษัท Lummus ที่มีชื่อว่า SRT III (SRT ย่อมาจาก Short Residence Time) โครงสร้าง pyrolysis heater แบ่งออกเป็น 2 ส่วน ส่วนล่างที่เป็นส่วนให้ความร้อนด้วยเปลวไฟแก่วัตถุดิบที่ไหลอยู่ในท่อเป็นส่วนที่โมเลกุลไฮโดรคาร์บอนแตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลงและได้เอทิลีนออกมา ส่วนนี้เป็นส่วนที่ให้ความร้อนด้วยการแผ่รังสีความร้อน (Radiation section ในรูปที่ ๓)
ที่อุณหภูมิสูง การส่งผ่านพลังงานความร้อนด้วยการแผ่รังสีความร้อนจะมีบทบาทสำคัญมากกว่ากลไกอื่น เพราะการส่งผ่านพลังงานความร้อนด้วยการแผ่รังสีความร้อนแปรผันตามอุณหภูมิยกกำลัง 4 (T4 เมื่อ T คืออุณหภูมิ)
แก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้จะลอยขึ้นทางปล่องด้านบน โดยจะมีการถ่ายเทความร้อนให้กับวัตถุดิบที่ป้อนเข้ามาและน้ำและไอน้ำเพื่อผลิตไอน้ำความดันสูง การให้ความร้อนในส่วนนี้เป็นการถ่ายเทความร้อนจากแก๊สร้อนที่อยู่ภายนอกท่อไปยังของไหลที่เย็นกว่าที่ไหลอยู่ในท่อ (ชื่อส่วนนี้คือ Convection section) ปล่องด้านบนถูกแบ่งออกเป็น 4 ส่วน ส่วนที่หนึ่งที่อยู่ด้านบนสุดจะมีอุณหภูมิต่ำสุด เป็นจุดที่วัตถุดิบที่ป้อนเข้ามาจะรับความร้อนเพื่อเพิ่มอุณหภูมิ และกลับมารับความร้อนใหม่ที่ส่วนที่สี่ที่อยู่ล่างสุดเพื่อเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้นไปอีกก่อนที่จะไหลเข้าส่วนที่ให้ความร้อนด้วยการแผ่รังสีความร้อน โดยก่อนที่วัตถุดิบจะไหลเข้าส่วนที่สี่นี้จะมีการผสมไอน้ำเข้าไป
ปฏิกิริยาที่แก๊สโมเลกุลใหญ่แตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลงเป็นปฏิกิริยาที่มีจำนวนโมลเพิ่มขึ้น (กล่าวอีกอย่างก็คือทำให้ปริมาตรของแก๊สเพิ่มขึ้น) สมดุลเคมีบ่งบอกว่าปฏิกิริยาแบบนี้จะเกิดได้ดีขึ้นที่สภาวะความดัน (หรือความดันย่อย - partial pressure) ของสารตั้งต้นต่ำ การผสมไอน้ำเข้าไปจะไปช่วยลดความดันย่อยของสารตั้งต้นให้ต่ำลง ทำให้ปฏิกิริยาดำเนินไปข้างหน้าได้ดีขึ้น ในขณะเดียวกันก็ยังสามารถใช้ในการไล่ไฮโดรคาร์บอนที่ตกค้างในท่อออก (ในกรณีที่ต้องการหยุดการป้อนวัตถุดิบ) และช่วยป้องกันความเสียหายของท่อได้ (คือถ้าท่อไม่มีของไหลคอยรับความร้อนอยู่ภายใน ผิวโลหะของท่อก็จะมีอุณหภูมิสูงขึ้นจนอาจเกิดความเสียหายได้)
รูปที่ ๓ แผนผังกระบวนการผลิตในส่วนของ Pyrolysis heater และ Transfer-Line Exchanger (TLE)
น้ำปราศจากไอออน (Demineralised water หรือ Demin water) จะเข้ามารับความร้อนที่ส่วนที่สอง ก่อนที่จะถูกป้อนไปยัง Transfer Line Exchanger (TLE) เพื่อลดอุณหภูมิแก๊สร้อนที่ออกมาจาก pyrolysis heater ให้เย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว (เพื่อหยุดปฏิกิริยาการสลายตัวของเอทิลีน) และน้ำจะเดือดกลายเป็นไอน้ำความดันสูง ไอน้ำที่ออกมาจาก TLE นี้จะไปรับความร้อนยังส่วนที่สามเพื่อเปลี่ยนสภาพเป็นไอน้ำร้อนยวดยิ่ง (superheated steam หรือบางทีเรียกว่า "ไอดง") ก่อนจะถูกนำไปใช้ยังส่วนอื่น ๆ ของโรงงานต่อไป
ทางด้านขาออกของ TLE มีการฉีด "Quench oil" เข้าไปเพื่อลดอุณหภูมิแก๊สผลิตภัณฑ์ให้ต่ำลงไปอีกก่อนที่จะไหลไปยังหน่วยถัดไป (ส่วน Quench tower)
วิธีการที่มีประสิทธิภาพสูงในการลดอุณหภูมิแก๊สร้อนคือการฉีดของเหลว (ที่ระเหยได้) เข้าไปผสมกับแก๊สร้อนนั้นโดยตรง ค่าความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอที่สูงของของเหลวจะทำให้แก๊สร้อนเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว และเร็วกว่าเมื่อเทียบกับการให้แก๊สร้อนถ่ายความร้อนผ่านผนังโลหะไปยังของเหลวที่อยู่อีกฟากหนึ่งเพื่อทำให้ของเหลวนั้นมีอุณหภูมิสูงขึ้น แต่ของเหลวที่ฉีดเข้าไปนั้นต้องไม่ไปทำปฏิกิริยาอะไรกับสารที่อยู่ในแก๊สและควรแยกออกมาได้ง่าย
รูปที่ ๔ เป็นคำบรรยายโครงสร้างของ pyrolysis heater ตัวโรงงานประกอบด้วย pyrolysis heater ที่มีรูปแบบการวางท่อแตกต่ากัน 3 รูปแบบคือ รูปแบบ Lummus SRT I จำนวน 1 หน่วย รูปปแบบ Lummus SRT III จำนวน 5 หน่วย และรูปแบบ Technip radiant coil GK-6 จำนวน 4 หน่วย
การจัดวางท่อรูปแบบ Lummus SRT I ประกอบด้วยท่อเดี่ยวจำนวน 4 ท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางคงในในส่วน radiation section การจัดวางท่อรูปแบบ Lummus SRT IIIเริ่มต้นด้วยท่อเดี่ยวจำนวน 4 ท่อที่รับวัตถุดิบเข้ามา จากนั้นท่อเดี่ยว 2 ท่อจะรวมเข้ากับเป็นท่อขนาดกลาง 2 ท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้น และสุดท้ายท่อขนาดกลาง 2 ท่อจะรวมกันเป็นท่อใหญ่ 1 ท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้น ก่อนที่จะออกจากส่วน radiation section ส่วนการจัดวางท่อรูปแบบ GK-6 ประกอบด้วยท่อเดี่ยวจำนวน 6 ท่อในส่วนของ radiation section
การให้ความร้อนในส่วนนี้ หัวเตาที่อยู่ทางด้านล่างของ pyrolysis heater ให้ความร้อนประมาณ 30% ของความร้อนที่ต้องใช้ โดยความร้อนส่วนที่เหลือมาจากหัวเตาที่อยู่ที่ผนังด้านข้าง
รายละเอียดเพิ่มเติมของ pyrolysis heater และการจัดวางท่อรูปแบบ SRT I และ SRT III นี้อ่านเพิ่มเติมได้ในบทความก่อนหน้านี้คือ
"ทำความรู้จัก Fired process heater (ตอนที่ ๓)" (MO Memoir ฉบับวันพุธที่ ๓ กุมภาพันธ์ พ.ศ. ๒๕๕๙)
"ทำความรู้จัก Fired process heater (ตอนที่ ๔)" (MO Memoir ฉบับวันพฤหัสบดีที่ ๔ กุมภาพันธ์ พ.ศ. ๒๕๕๙)
"ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๔ Pyrolysis and waste heat recovery ภาค ๒" (MO Memoir ฉบับวันอังคารที่ ๑ มีนาคม พ.ศ. ๒๕๕๙)
"ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๕ Pyrolysis and waste heat recovery ภาค ๓" (MO Memoir ฉบับวันพฤหัสบดีที ่๓ มีนาคม พ.ศ. ๒๕๕๙)
รูปที่ ๕ กระบวนการลดอุณหภูมิสารที่ออกจาก pyrolysis heater
ปฏิกิริยาทำให้ไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลใหญ่แตกออกเป็นเอทิลีนที่มีขนาดโมเลกุลเล็กลงเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน จำเป็นต้องใช้อุณหภูมิในการทำปฏิกิริยาที่สูงเพื่อให้ปฏิกิริยาเกิดได้ แต่ถ้าใช้อุณหภูมิที่สูงเกินไปหรืออยู่ที่อุณหภูมิสูงนานเกินไป เอทิลีนที่ได้ก็จะสลายตัวต่อไปเป็นสารอื่น ดังนั้นเมื่อได้เอทิลีนแล้วจึงต้องลดอุณหภูมิแก๊สร้อนที่ออกมาจาก pyrolysis heaterให้เย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว (ดูรูปที่ ๕ ประกอบ) แก๊สที่ออกมาจาก pyrolysis heater มีอุณหภูมิประมาณ 810-850ºC จะไหลเข้าสู่ Transfer Line Exchanger (TLE) ที่มีน้ำความดันสูงเป็นแหล่งรับความร้อน น้ำที่รับความร้อนจะกลายเป็นไอน้ำความดันสูง ส่วนแก๊สร้อนจะมีอุณหภูมิลดเหลือประมาณ 450-550ºC ซึ่งจะถูกทำให้เย็นลงต่อด้วยการฉีด "quench oil" เข้าไป (ในที่นี้คือไฮโดรคาร์บอนเหลวที่เกิดจากปฏิกิริยาข้างเคียงในกระบวนการผลิต)
ส่วนของ pyrolysis heater นี้สามารถตัดแยกระบบออกจากส่วนที่เหลือด้วยวาล์วควบคุมการปิดเปิดด้วยมอเตอร์ DN-1000 ที่มีชื่อเรียกว่า RHEFLA valve จุดนี้ถือว่าเป็นจุดสิ้นสุดของการเกิดปฏิกิริยาและการหยุดปฏิกิริยา (ปรกติจะเห็นการใช้คำว่า "isolate" ในการตัดแยกระบบ แต่ในบทความนี้ใช้คำว่า "insulate" ซึ่งไม่ค่อยเห็นใครใช้กันนัก)
ในขั้นตอนต่อไปแก๊สร้อนที่มีอุณหภูมิเหลือประมาณ 200-250ºC จะถูกลดอุณหภูมิให้ต่ำลงไปอีกจนกลายเป็นของเหลวก่อนทำการกลั่นแยก (รูปที่ ๖ และ ๗) ในโรงงานนี้การทำให้เย็นตัวลงเริ่มด้วยการให้แก๊สร้อนนั้นสัมผัสกับของเหลวที่เป็นน้ำมันก่อนเพื่อแยกเอาไฮโดรคาร์บอนบางส่วนออกไป (หมายเลข 1 ในรูปที่ ๗) จากนั้นจะสัมผัสกับน้ำโดยตรงในหอที่เรียกว่า Quench tower (หมายเลข 3 ในรูปที่ ๗) ณ ที่นี้จะเหลือแต่ไฮโดรคาร์บอนเบาที่ไม่ควบแน่นและไอน้ำผ่านออกจากระบบ อุณหภูมิแก๊สจะลดลงเหลือประมาณ 30ºC ส่วนหนึ่งของไฮโดรคาร์บอนที่ควบแน่นถูกนำไปใช้เป็น quench oil และนำไปเข้ากระบวนการอื่น ส่วนหนึ่งของน้ำร้อนที่ออกจาก Quench tower จะถูกนำไปใช้เป็นแหล่งให้ความร้อนแก่หม้อต้มซ้ำ (reboiler) ของหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนก่อนที่จะนำกลับมาใช้ใหม่ (ตรงประเด็นนี้จะมีการกล่าวถึงในส่วนของกระบวนการกลั่นอีกที)
รูปที่ ๗ กระบวนการถัดจาก pyrolysis heater "pyrolysis gasoine" คือไฮโดรคาร์บอนที่มีจำนวนอะตอมคาร์บอนในช่วงน้ำมันแก๊สโซลีน (ที่บ้านเราเรียกน้ำมันเบนซิน)
การแยกผลิตภัณฑ์กระทำโดยใช้กระบวนการกลั่น ซึ่งต้องทำให้แก๊สนั้นกลายเป็นของเหลวอุณหภูมิต่ำก่อน จากนั้นจึงค่อย ๆ เพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้นเป็นลำดับเพื่อแยกเอาสารที่มีจุดเดือดต่ำออกจากสารที่มีจุดเดือดสูง การเพิ่มความดันแก๊สทำให้สามารถทำให้แก๊สเป็นของเหลวได้ที่อุณหภูมิไม่ต่ำเกินไป แก๊สที่ผ่านออกมาจาก quench tower ที่อิ่มตัวไปด้วยไอน้ำจะถูกเพิ่มความดันด้วยการอัดเพิ่มความดันเป็นขั้น ๆ จำนวน 5 ขั้นตอน โดยในระหว่างแต่ละขั้นจะมีการลดอุณหภูมิแก๊ส (ที่ร้อนขึ้นเพราะการอัด) และแยกส่วนที่ควบแน่นเป็นของเหลวออกมา มีการใช้สารดูดซับเพื่อดึงน้ำที่ยังคงค้างอยู่ออก (เพราะมันจะกลายเป็นน้ำแข็งอุดตันในระบบลดอุณหภูมิได้) มีการกำจัดแก๊สที่มี่ฤทธิ์เป็นกรด (พวก H2S และ CO2) และมีการเติมไฮโดรเจนให้กับสารประกอบไฮโดรคาร์บอนพวกพันธะ 3 (สารประกอบ alkyne เช่นอะเซทิลีนหรือเมทิลอะเซทิลีน) หรือมีความไม่อิ่มตัวหลายตำแหน่ง (ผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่เกิดจากปฏิกิริยาที่ไม่ต้องการ) เพื่อให้กลายเป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ ส่วนที่ว่ากระบวนการกำจัดความชื้นและเติมไฮโดรเจนจะอยู่ระหว่างขั้นตอนไหนของกระบวนการอัดนั้นขึ้นอยู่กับการออกแบบ
แก๊สที่ผ่านการเพิ่มความดันและทำให้แห้งจะถูกลดอุณหภูมิด้วยหน่วยที่มีชื่อเรียกว่า "Cold box" จนมีอุณหภูมิลดลงเหลือประมาณ -160ºC จากนั้นจะเข้าสู่กระบวนการแยกไฮโดรเจนและมีเทนออกไปก่อนในรูปแก๊สที่ออกทางด้านบนของหอกลั่นที่หน่วย Demethanizer (ดูรูปที่ ๗ ประกอบ) ของเหลวที่ออกจากหน่วย Demethanizer จะเข้าสู่การแยกไฮโดรคาร์บอน C2 และ C3 ออกจากกันที่หน่วย Deethanizer โดยอีเทนกับเอทิลีนจะถูกแยกออกทางด้านบนและถูกกลั่นแยกออกจากกันอีกทีที่หน่วย Ethylene column ส่วนไฮโดรคาร์บอนตั้งแต่ C3 เป็นต้นไปจะถูกแยกออกทางด้านล่าง โดยไปทำการแยกโพรเพนและโพรพิลีนออกจากไฮโดรคาร์บอนที่เหลือที่หน่วย Depropanizer และไปทำการกลั่นแยกสารทั้งสองออกจากกันอีกทีที่หน่วย Propylene column ส่วนไฮโดรคาร์บอนตั้งแต่ C4 เป็นต้นไปจะถูกส่งไปแยกเป็นส่วนต่าง ๆ ในกระบวนการอื่น ๆ ต่อไป ซึ่งขอไม่กล่าวถึง เพราะไม่ได้มีส่วนเกี่ยวข้องกับอุบัติเหตุที่เกิด (แต่มีคำบรรยายไว้ในช่วงท้ายของรูปที่ ๗)
ฉบับนี้ขอเปิดตัวด้วยกระบวนการผลิตเพียงแค่นี้ก่อน
