ทำความรู้จัก Fired process heater (ตอนที่ ๓) MO Memoir : Wednesday 3 February 2559

ตอนที่ ๓ (และยังไม่ใช่ตอนสุดท้าย) ของเรื่องการทำความรู้จักหน้าตาต่าง ๆ บางรูปแบบของ Fired process heater ต่อจาก Memoir ฉบับวันจันทร์ที่ ๑ กุมภาพันธ์ที่ผ่านมา
  

ก่อนหน้านี้ได้แนะนำให้รู้จัก Fired process heater ที่ท่อใน radiation zone นั้นวางตัวในแนวราบ การวางท่อในแนวราบนั้นตัวท่อเองไม่ต้องรับน้ำหนักของตัวมันเอง แต่เวลาที่ท่อร้อนและขยายตัวท่อจะเกิดการตกท้องช้าง (sacking) ขึ้นระหว่างจุดรองรับท่อสองจุดได้ มาคราวนี้จะแนะนำให้รู้จัก Fired process heater ที่ท่อใน radiation zone นั้นวางตัวในดิ่ง การวางท่อในแนวดิ่งนั้นตัวท่อจะต้องรับน้ำหนักของตัวมันเองได้ (แม้ว่าตัวมันเองจะมีอุณหภูมิสูง) การวางท่อในแนวดิ่งนี้จะปล่อยให้ท่อยืดตัวขึ้นบนหรือลงล่างอย่างอิสระ หรือใช้ท่อที่เรียกว่า "Pig tail" ซึ่งเป็นส่วนที่เป็นข้องอ ทำหน้าที่ดูดซับความเค้นที่เกิดจากการขยายตัวของท่อเอาไว้

รูปที่ ๑๓ เป็น Fired process heater รูปแบบที่มีชื่อว่า Vertical box ที่วางท่อในแนวดิ่งโดยมีส่วนให้ความร้อนทั้งสิ้น ๔ ส่วน เริ่มจากที่เป็นท่อตรงอยู่ทางด้านขวาสุดตามด้วยส่วนที่เป็นท่อรูปตัว U อีก ๓ ส่วน การให้ความร้อนใช้เปลวไฟที่พ่นออกมาทางผนังด้านข้าง (horizontal firing) ของไหลนั้นจะไหลเข้ามายังท่อที่อยู่ด้านบน/ด้านล่างที่เรียกว่า "Header (หรือ Manifold)" ที่ทำหน้าที่จ่ายของไหลเข้าไปยังท่อรูปตัว U และท่อตรง และรวบรวมของไหลที่ผ่านการรับความร้อนแล้วที่ออกมาจากท่อรูปตัว U และท่อตรงเหล่านั้น ในกรณีของท่อรูปตัว U นั้นด้วยการยึดปลายสองข้างของท่อไว้กับท่อ Header ด้านบน ตัวท่อเมื่อร้อนก็จะขยายตัวลงด้านล่างได้ แต่ในส่วนที่เป็นท่อตรงนั้นอาจใช้วิธีปล่อยให้ท่อยืดตัวลงด้านล่าง (ตามรูปที่นำมาแสดงเข้าใจว่าใช้วิธีนี้) หรือใช้ Pig tail ช่วย

รูปที่ ๑๓ Process fired heater ชนิด Vertical box

รูปที่ ๑๔ ก็ยังคงเป็น Fired process heater รูปแบบ Vertical box ที่วางท่อในแนวดิ่งเช่นเดียวกับรูปที่ ๑๓ แต่รูปแบบนี้ใช้ท่อตรงแทนท่อรูปตัว U โดยที่ของไหลเมื่อไหลเข้า radiation zone จากบนลงล่างก็จะไหลเข้าสู่ท่อ header ที่อยู่ข้างนอก radiation zone ก่อนจะไหลย้อนขึ้นเข้า radiation zone ใหม่แล้วเข้าสู่ท่อ header ที่อยู่ทางด้านบน

รูปที่ ๑๔ Process fired heater ชนิด Vertical box อีกรูปแบบหนึ่งที่ใช้ท่อตรงต่อเข้า Header ด้านบนและด้านล่าง และมีการติดตั้ง soot blower ที่ convection zone ด้วย

ตรงนี้อยากจะกล่าวไว้นิดนึงว่า radiation zone แต่ละส่วนนั้นจะมี convection zone แยกจากกันหรือร่วมกันนั้นขึ้นอยู่กับการออกแบบ เพราะ Fired process heater นั้นมันไม่ได้มีมาตรฐานรูปร่างสำเร็จรูปตายตัวว่าไม่ว่าบริษัทใดก็ต้องทำมาตามรูปร่างที่กำหนดไว้เท่านั้น ดังนั้นอย่างเพิ่งไปยึดติดว่าถ้าเป็นรูปแบบนี้แล้วต้องมี convection zone ร่วมกัน และถ้าเป็นรูปแบบนั้นแล้วต้องมี convection zone แยกกัน
   

รูปที่ ๑๕ และ ๑๖ เป็น Fired process heater ชนิด Radiant wall กล่าวคือมีท่อตั้งอยู่ในแนวดิ่งตรงกลางระหว่างสองผนัง และมี burner ให้ความร้อนอยู่ข้างผนังที่ระดับความสูงต่าง ๆ กัน วิธีการนี้ทำให้ตัวท่อได้รับความร้อนจากการแผ่รังสีที่สม่ำเสมอทั้งสองด้าน รูปที่ ๑๖ เป็นรูปแบบที่มี heater สองตัวใช้ปล่องระบายแก๊สร้อนร่วมกัน ในรูปที่นำมาแสดงนั้นพึงสังเกตว่ามีท่อรูปตัว U ที่เรียกว่า "Pig tail" อยู่ทางด้านล่าง Pig tail นี้มีไว้สำหรับรองรับการขยายตัวของท่อเมื่อท่อส่วนที่อยู่ใน heater นั้นมีอุณหภูมิสูงขึ้น การไหลในรูปนี้ของไหลที่ออกมาจาก convection zone จะแยกเข้าท่อต่าง ๆ จากทางด้านบนและไหลลงล่างในทิศทางเดียวเข้าสู่ท่อ header ที่รอรับอยู่ข้างล่าง

รูปที่ ๑๕ Process fired heater ชนิด Radiant wall พึงสังเกตว่ามี Pit tail (ท่อรูปตัว U) เผื่อการขยายตัวอยู่ทางด้านล่าง

คำว่า "Reformer" ในที่นี้ผมเข้าใจว่าหมายถึง heater ให้ความร้อนแก่สารตั้งต้นสำหรับปฏิกิริยา steam reforming ที่ใช้ในการผลิตแก๊สสังเคราะห์ (H₂ และ CO โดยอาจมี CO₂ ร่วมด้วย) จากแก๊สมีเทนและไอน้ำ ปฏิกิริยานี้เกิดที่อุณหภูมิสูง (ประมาณ 1000ºC) โดยเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อนและต้องมีตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยคือให้ความร้อนแก่สารตั้งต้น และเมื่อสารตั้งต้นมีอุณหภูมิสูงพอก็จะส่งเข้าสู่ reactor เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาต่อไป

รูปที่ ๑๖ Process fired heater ชนิด Radiant wall เช่นเดียวกับรูปที่ ๑๕ แต่ในกรณีนี้มี heater สองส่วนที่ใช้ปล่องระบายแก๊สร้อน (convection zone) ร่วมกัน

รูปที่ ๑๗ เป็น Process fired heater ชนิด Radiant wall เช่นเดียวกับรูปที่ ๑๕ และ ๑๖ แตกต่างกันตรงที่รูปแบบการไหลภายใน radiation zone ของ heater ภาพที่นำมาแสดงนี้มีรูปแบบการไหลที่เรียกว่า SRT III (SRT ย่อมาจาก Short residence time หมายถึงระยะเวลาที่ไหลผ่าน radiation zone นั้นสั้นมาก ส่วน III นั้นหมายถึงรูปแบบรุ่นที่ 3 ซึ่งเป็นการพัฒนาขึ้นมาของบริษัท Lummus ผู้ออกแบบ) ที่มีรูปแบบการไหลแสดงไว้ทางมุมด้านล่างขวาของภาพ กล่าวคือมีท่อเข้า ๔ ท่อด้วยกัน ก่อนที่จะรวมกันเหลือ ๒ ท่อและเหลือเพียงท่อเดียวก่อนออกจาก radiation zone (ในขณะเดียวกันเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อก็จะเพิ่มตามไปด้วย) Heater ชนิดนี้เป็นชนิดที่ใช้ในการทำให้โมเลกุลสารตั้งต้นแตกออกเกิดเป็นสารประกอบพันธะคู่ (เช่น อีเทน (H₃C-CH₃) เป็นเอทิลีน (H₂C=CH₂) หรือไดคลอโรอีเทน (ClH₂C-CH₂Cl) เป็นไวนิลคลอไรด์ (H₂C=CHCl))

รูปที่ ๑๗ Process fired heater ชนิด Radiant wall เช่นเดียวกับรูปที่ ๑๖ แต่การวางท่อภายในเป็นรูปแบบที่เรียกว่า SRT (Short Residence Time)

ในปฏิกิริยา pyrolysis หรือการทำให้โมเลกุลสารตั้งต้นแตกตัวนั้นใช้อุณหภูมิที่สูง แต่เมื่อได้ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการแล้วก็ต้องหาทางหยุดปฏิกิริยาเพื่อไม่ให้ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการที่เกิดขึ้นนั้น สลายตัวต่อไปเป็นผลิตภัณฑ์ที่ไม่ต้องการ การหยุดปฏิกิริยาทำได้ด้วยการลดอุณหภูมิของแก๊สร้อนที่ออกมาจาก radiation zone ให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว วิธีการที่ทำกันก็คือติดตั้งอุปกรณ์ที่เรียกว่า Transfer Line Exchanger (TLE) ไว้ทางด้านขาออกจาก radiation zone กล่าวคือเมื่อแก๊สร้อนไหลออกจาก radiation zone ก็จะเข้าสู่ TLE ที่ระบายความร้อนด้วยน้ำภายใต้ความดันสูง (คือใช้ TLE เป็นเสมือนหม้อน้ำสำหรับผลิตไอน้ำความดันสูง)

ฉบับหน้า (ตอนที่ ๔) จะเป็นตอนสุดท้ายของเรื่อง "ทำความรู้จัก Fired process heater" จะกล่าวถึงเฉพาะ pyrolysis heater ที่ใช้ในการผลิตโอเลฟินส์

ทำความรู้จัก Fired process heater (ตอนที่ ๒) MO Memoir 2559 Feb 1 Mon

มาต่อกันจาก Memoir ฉบับวันศุกร์ที่ ๒๙ มกราคมที่ผ่านมา

Fired process heater ใช้สำหรับทำให้ของไหล (ของเหลวหรือแก๊ส) ที่มีอุณหภูมิต่ำนั้น มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นสูงมาก ความต้องการในการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ และการเพิ่มความสามารถของ Procss fired heater ให้สามารถรองรับอัตราการไหลที่สูงขึ้น ทำให้ให้โครงสร้างของ Fired process heater ซับซ้อนขึ้น

พื้นที่ผิวของท่อกลมต่อหน่วยความยาว (คือพื้นที่ผิวรับความร้อน) แปรผกผันกับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ กล่าวคือยิ่งท่อมีขนาดเล็กลง พื้นที่ผิวของท่อต่อหน่วยความยาวจะเพิ่มขึ้น ถ้าพิจารณาจากประเด็นการถ่ายเทความร้อนนี้ การใช้ท่อเล็กจะดีกว่าการใช้ท่อใหญ่ แต่ถ้าพิจารณาว่าที่อัตราการไหลโดยน้ำหนักเดียวกัน การไหลในท่อขนาดใหญ่จะช้ากว่าการไหลในท่อขนาดเล็ก ทำให้การไหลในท่อขนาดใหญ่มีเวลามากกว่าในการรับความร้อน

ในกระบวนการที่ทำให้ของเหลวระเหยกลายเป็นไอ หรือการทำให้แก๊สแตกตัวออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลง (เช่นในกระบวนการ thermal cracking) จำนวนโมลของสารในระบบจะเพิ่มสูงขึ้น อัตราการไหลโดยปริมาตรจะเพิ่มมากขึ้น ท่อขนาดเล็กจะทำให้เกิดความดันลด (pressure drop) ที่สูงกว่าการใช้ท่อขนาดใหญ่ ถ้าพิจารณาจากประเด็นอัตราการไหลโดยปริมาตรที่เพิ่มสูงขึ้น ขนาดท่อก็ควรจะต้องใหญ่ขึ้นเพื่อรองรับอัตราการไหลโดยปริมาตรที่เพิ่มมากขึ้น

สำหรับปฏิกิริยาที่อาจเกิด coking (การสะสมของสารประกอบคาร์บอน) ขึ้นบนผิวท่อได้ การรับความร้อนนานเกิดไปก็ไม่ใช่สิ่งดี และการไหลที่ช้าเกินไปก็จะไม่สามารถเฉือนสิ่งสกปรกออกจากผิวท่อด้านในออกไปได้ แต่การไหลที่เร็วเกินไปก็อาจทำให้ท่อสึกหรอ (erosion) เนื่องจากการเสียดสีได้

อุณหภูมิของแก๊สร้อนที่ไหลอยู่ใน Fired process heater ที่ออกมาจาก radiation zone นั้น จะร้อนสุดตรงจุดที่ออกมาจาก radiation zone ถ้ามีการดึงเอาความร้อนจากแก๊สส่วนนี้มาใช้ แก๊ส่วนนี้จะเย็นลงเรื่อย ๆ ไปจนถึงปากปล่องปล่อยทิ้ง ดังนั้นเราสามารถใช้ความร้อนส่วนนี้ให้ความร้อนแก่ Process fluid ต่าง ๆ ของโรงงาน (ซึ่งอาจเป็นการให้ความร้อนแก่น้ำหรือไอน้ำ หรือตัวสารตั้งต้นที่จะป้อนเข้า Fired process heater หรือ Process fluid อื่น ๆ ก็ได้) โดยด้านบนสุดจะเป็นการเพิ่มอุณหภูมิในช่วงต่ำ และด้านที่อยู่ติดกับ radiation zone จะเป็นการเพิ่มอุณหภูมิในช่วงสูง ดังนั้นตรงด้านที่อยู่ติดกับ radiation zone จึงมักใช้สำหรับการทำให้ Process fluid นั้นมีอุณหภูมิสูงเข้าใกล้เคียงกับอุณหภูมิที่ต้องการเมื่อไหลออกจาก radiation zone

ที่กล่าวมาข้างต้นเป็นตัวอย่างที่แสดงให้เห็นว่าในการออกแบบ (อันที่จริงไม่ว่าจะเป็นอุปกรณ์ใด) นั้น แบบที่เหมาะสมที่สุดสำหรับสภาพแวดล้อมหนึ่ง ไม่จำเป็นต้องเป็นแบบที่เหมาะสมที่สุดเมื่ออยู่ในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างออกไป สิ่งที่ผู้ออกแบบ (หรือผู้เลือกใช้) ต้องทำคือการเลือกหาแบบที่เหมาะสมที่สุดสำหรับสภาวะการใช้งานของตนเอง

รูปที่ ๘ เป็นตัวอย่างของ Fired process heater ชนิด Box-type (ขอนับเลขรูปภาพต่อจากฉบับที่แล้ว) Fired heater ชนิดนี้เหมือนกับการนำเอา Cabin heater 2 ตัว (รูปที่ ๗ ใน Memoir ฉบับที่แล้ว) โดยเอามาเฉพาะ radiation zone มาใช้ปล่องระบายแก๊สร้อน (convection zone) เดียวกัน ข้อดีของรูปแบบ Box-type เมื่อเทียบกับ Cabin type ก็คือความสูงของ radiation zone ลดลง ทำให้ท่อที่อยู่ด้านบนนั้นอยู่ใกล้กับ burner (ที่อยู่ที่ระดับพื้น) มากขึ้น การรับความร้อนของท่อในส่วน radiation zone จึงมีความสม่ำเสมอมากขึ้น ในตัวอย่างที่ยกมานี้จะแยกของไหลที่เข้ามาออกเป็น ๔ ข่องทาง (ลูกศรสีส้มทางด้านบนของ convection zone) พอถึง radiation zone ก็จะแยกออกไปข้างละ ๒ สาย (เรียกว่า 4 passes)

รูปที่ ๘ ตัวอย่างหนึ่งของ Fired process heater ชนิด Box-type

รูปที่ ๙ เป็นชนิด Box-type ที่มีขนาดใหญ่ขึ้นไปอีก คือมีเส้นทางการไหลถึง 8 passes ที่ไหลแบบขนานกัน กล่าวคือเมื่อออกจาก convection zone แล้วจะแยกไปทางด้านซ้าย ๔ สาย (ตรงลูกศรสีน้ำเงิน) และทางด้านขวา ๔ สาย และแต่ละด้านนั้นจะแยกออกไปทางผนังเตาด้านซ้าย ๒ สายและด้านขวา ๒ สาย และที่ทั้ง ๒ สายที่ผนังแต่ละด้านก็จะวางท่อในแนวนอนสลับกันก่อนที่จะออกไปทางด้านล่างของ radiation zone (ตรงลูกศรสีส้ม)

รูปที่ ๙ ตัวอย่างหนึ่งของ Fired process heater ชนิด Box-type 8 parallel passes

Box-type ในรูปที่ ๑๐ นั้นคล้ายคลึงกับที่แสดงในรูปที่ ๙ แตกต่างกันตรงการจัดวางท่อใน radiation zone กล่าวคือแทนที่จะวางเส้นทางการไหลให้มีการไหลจากบนลงล่างในทิศทางเดียวกันทั้งหมดแบบในรูปที่ ๙ แต่จัดให้มี ๒ เส้นทางการไหลเข้าทางด้านบน และออกทางด้านข้างบริเวณตอนกลางของ radiation zone (ลูกศรสีน้ำตาลและส้ม) อีก ๒ เส้นทางการไหลเข้าทางด้านล่างของ radiation zone และไหลออกทางด้านข้างบริเวณตอนกลางของ radiation zone เช่นเดียวกัน (ลูกศรสีน้ำเงินและเขียว) ท่อในส่วน radiation zone ที่แสดงในรูปเป็นท่อที่วางในแนวนอน (ในเอกสารที่ผมมีเขาบอกสั้น ๆ เพียงว่าการวางท่อแบบนี้ทำให้การรับความร้อนใน radiation zone มีความสม่ำเสมอมากกว่า)

รูปที่ ๑๐ อีกตัวอย่างหนึ่งของ Fired process heater ชนิด Box-type 8 parallel passes

ค่า heat flux ที่ท่อใน convection zone ได้รับนั้นต่ำกว่าค่า heat flux ที่ท่อในส่วน radiation zone ได้รับ ดังนั้นเมื่อของไหลไหลจาก convection zone เข้าสู่ radiation zone ก็จะได้รับปริมาณความร้อนที่เพิ่มสูงขึ้นอย่างกระทันหัน เพื่อแก้ปัญหาดังกล่าวจึงได้มีการออกแบบ Fired process heater ชนิด Box-type ที่เป็น Double roof tube heater (รูปที่ ๑๑) ขึ้นมา ความแตกต่างของ Double roof tube heater ในรูปที่ ๑๑ กับ Box-type ในรูปที่ ๙ และ ๑๐ คือจำนวนของท่อเรียงอยู่ในแนวนอนด้านบนของ radiation zone โดยที่ Double roof tube heater จะมีท่อแนวนี้อยู่ ๒ ชั้น ในขณะที่แบบ Box-type ในรูปที่ ๙ และ ๑๐ นั้นจะมีท่อแนวนี้อยู่เพียงชั้นเดียว ในกรณีของ Double roof tube heater นี้ ของไหลที่ไหลออกทางด้านล่างของ convection zone (ได้รับความร้อนผ่านการการพาความร้อนของแก๊สร้อนเป็นหลัก) เข้าสู่ท่อชั้นบนที่อยู่ใกล้เพดาน ท่อชั้นบนนี้รับความร้อนผ่านทางการแผ่รังสีความร้อน (raidation) และการพาความร้อน (convection) จากนั้นจึงไหลลงสู่ท่อชั้นที่สองที่อยู่ต่ำลงมา โดยท่อชั้นที่สองนี้รับความร้อนผ่านทางการแผ่รังสีความร้อนเป็นหลัก และไหลลงล่างเข้าสู่ท่อที่วางไว้ตามข้างผนังเตาต่อไป

รูปที่ ๑๑ ตัวอย่างหนึ่งของ Fired process heater ชนิด Double-roof tube heater

ตัวสุดท้ายของฉบับนี้ที่นำมาแสดงในรูปที่ ๑๒ เป็นชนิดที่เรียกว่า Dutch oven type ตัวนี้จะแตกต่างจากตัวก่อนหน้านี้ตรงที่ radiation zone มีผนังกั้นกลาง (แต่ไม่สูงตลอด) หัวเตาอยู่ทางมุมด้านล่าง (ซ้ายและขวา) ของ radiation zone ทำให้เปลวไฟพุ่งออกไปทางด้านข้าง การไหลในส่วน radiation zone ยังคงเป็นการไหลในแนวนอนจากบนลงล่าง ข้อดีของรูปแบบนี้คือลดโอกาสที่เปลวไฟจะไปทำอันตรายโดยตรงต่อผิวท่อ (คงเป็นเพราะเปลวไฟพุ่งออกจากผนังไปทางด้านข้างออกไปจากผิวท่อที่อยู่ข้างผนัง)

รูปที่ ๑๒ ตัวอย่างหนึ่งของ Fired process heater ชนิด Dutch oven : Explosion door คือช่องระบายความดันที่จะเปิดออกถ้าหากเกิดการระเบิดขึ้นภายใน เพื่อลดความดัน ป้องกันไม่ให้โครงสร้างเสียหาย Peep door คือช่องสำหรับมองดูเปลวไฟภายใน และ Access door คือประตูสำหรับเข้าไปในภายเพื่อทำการซ่อมบำรุง

ในปล่องของ convection zone ยังอาจมีอุปกรณ์ที่เรียกว่า "Soot blower" ติดตั้งอยู่ อุปกรณ์นี้ใช้สำหรับเป่าไล่คราบเขม่าที่เกาะสะสมบนผิวท่อด้านนอกที่อยู่ใน convection zone (คราบเขม่านี้เกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงที่ไม่สมบูรณ์ และเกิดได้ง่ายเมื่อใช้น้ำมันหนักเช่นน้ำมันเตา) คราบเขม่าที่สะสมบนผิวท่อนั้นไม่เพียงแต่ทำให้การถ่ายเทความร้อนให้กับของไหลที่อยู่ในท่อนั้นแย่ลงแล้ว ยังอาจก่อให้เกิดอันตรายกับผิวโลหะได้ถ้าหากมันเกิดลุกไหม้ขึ้นมา (Soot fire) ทำให้ผิวโลหะตรงที่เกิด soot fire นั้นร้อนจัดจนอาจเกิดกว่าที่โลหะนั้นจะทนได้ การกำจัดคราบเขม่านี้ทำได้โดยการฉีดไอน้ำหรืออากาศเข้าไปเพื่อไล่เอาคราบเขม่านี้ออก อุปกรณ์ที่ใช้ฉีดนี้เรียกว่า 'Soot blower"

ยังไม่จบนะครับ ยังมีต่ออีก :) :) :)