วันเสาร์ที่ 14 พฤษภาคม พ.ศ. 2554

การควบคุมความดันในถังบรรยากาศ (Atmospheric tank) MO Memoir : Friday 13 May 2554

เมื่อวันอังคารที่ ๑๐ ที่ผ่านมา มีอีเมล์มาถามเรื่องอุปกรณ์ที่ใช้ในการรักษาความดันในถังเก็บของเหลวที่ความดันบรรยากาศ (Atmospheric tank) ดังนั้น Memoir ฉบับนี้ก็เลยขอถือโอกาสเล่าเรื่องนี้ให้ฟัง


ถังความดันบรรยากาศชื่อก็บอกแล้วว่าทำงานที่ความดันบรรยากาศ ถังชนิดนี้มักใช้เก็บของเหลวที่มีความดันไอไม่สูงมากที่อุณหภูมิบรรยากาศรอบด้าน เช่น น้ำ ไฮโดรคาร์บอนที่มีจุดเดือดสูง เช่นพวกตั้งแต่น้ำมันก๊าดขึ้นไป ตัวทำละลายต่าง ๆ ที่มีความดันไอต่ำ ฯลฯ นอกจากนี้ก็ยังใช้เก็บของแก๊สที่ถูกทำให้เย็นตัวจนเป็นของเหลว เช่น พวกไฮโดรคาร์บอน C1-C4 ถังพวกนี้มักจะเรียกว่า cryogenic tank

พวก C3-C4 สามารถทำให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องได้โดยการใช้ความดัน และเก็บในถังที่เป็นภาชนะรับแรงดัน (pressure vessel) แต่วิธีการดังกล่าวจะเหมาะกับการเก็บในปริมาณไม่มาก ถ้าต้องการเก็บในปริมาณมาก การเก็บในถัง cryogenic จะดีกว่า

น้ำมันเบนซิน (หรือของเหลวใด ๆ ที่มีความดันไอสูงที่อุณหภูมิห้อง) ก็เก็บในถังเช่นนี้ได้ แต่ถ้าใช้ถังแบบมีหลังคาที่เรียกกว่า cone roof ก็จะมีการสูญเสียจากการระเหยเยอะหน่อย ถ้าเก็บในถังที่มีหลังคาแบบ floating roof ก็จะดีกว่า ส่วนหลังคาแบบ cone roof และหลังคาแบบ floating roof เป็นอย่างไรก็ดูรูปที่ ๑ ข้างล่างก็แล้วกัน


รูปที่ ๑ หลังคาถังความดันบรรยากาศแบบต่าง ๆ


ถังความดันบรรยากาศที่มีหลังคาแบบที่เรียกว่า cone roof ก็คือถังที่มีหลังคาลาดเอียงนั่นแหละ เหตุผลที่ต้องทำให้มันลาดเอียงก็เพื่อการระบายน้ำฝนเวลาฝนตก ถังแบบนี้ใช้เก็บสารที่เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องที่มีความดันไอไม่สูงได้ดี แต่ถ้าของเหลวนั้นมีความดันไอสูงมากจะทำให้สูญเสียของเหลวจากการระเหยไปได้มาก ดังนั้นเพื่อที่จะลดการระเหยจึงต้องทำการปิดคลุมผิวหน้าของเหลวเอาไว้ไม่ให้มีที่ว่าง ถังแบบนี้เรียกว่า floating roof หรือฝาลอย โดยฝาถังจะลอยอยู่บนผิวหน้าของเหลวเลื่อนขึ้นลงได้ตามระดับของเหลวในถัง ถังแบบ floating roof นี้อาจมีแต่ฝาที่เป็น floating roof เท่านั้น ซึ่งมักจะเห็นกับถังขนาดใหญ่ (เช่นถังเก็บน้ำมันดิบ ถังน้ำมันเบนซินขนาดใหญ่) ซึ่งคงไม่สามารถสร้าง cone roof ครอบเอาไว้ได้ ดังนั้นต้องมีการออกแบบการระบายน้ำฝนออกจาก floating roof ด้วยเวลาที่ฝนตก แต่ถ้าเป็นถังขนาดเล็กก็อาจใช้วิธีสร้าง cone roof ครอบเอาไว้อีกชั้นก็ได้ (แต่ต้องมีช่องทางสำหรับเข้าไปซ่อมบำรุงจากทางด้านบนของ floating roof ด้วยนะ)

จะว่าไปแล้วถังที่มีช่องว่างระหว่างพื้นผิวบนสุดของของเหลวกับฝาถังด้านบน ก็จัดอยู่ในกลุ่มเดียวกับถังแบบ cone roof (ไม่จำเป็นว่าหลังคาต้องมีรูปกรวยเหมือนกันนะ)

ที่นี้เรามาลองดูว่าเกิดอะไรขึ้นในถังที่มีหลังคาปิด (ไม่ว่าจะมีรูปร่างแบบ cone roof หรือไม่ก็ตาม เพียงขอให้มี ช่องว่างระหว่างพื้นผิวบนสุดของของเหลวกับฝาถังด้านบน ซึ่งถังน้ำมันรถก็จัดอยู่ในประเภทนี้) เมื่อเราสูบของเหลวเข้าหรือออกจากถัง ในที่นี้สมมุติว่าเป็นการสูบน้ำก่อนก็แล้วกัน


รูปที่ ๒ (ซ้าย) เมื่อสูบน้ำเข้าถัง อากาศในถังจะถูกอัดตัวจากระดับน้ำที่สูงขึ้น ทำให้ความดันในถังสูงขึ้น (ขวา) แต่เมื่อสูบน้ำออก อากาศในถังจะขยายตัวจากการที่ระดับน้ำลดลง ความดันในถังจะลดต่ำลง


เมื่อเราสูบน้ำเข้าถัง ระดับน้ำในถังจะเพิ่มสูงขึ้น ทำให้ที่ว่างของอากาศเหนือผิวน้ำลดลง ถ้าหากเราไม่มีการระบายออกกาศเหนือผิวน้ำออกไป ความดันเหนือผิวของเหลวในถังก็จะสูงขึ้น และทำให้ถังระเบิดได้ ในทางกลับกันเมื่อเราสูบน้ำออกจากถัง ระดับน้ำในถังจะลดลง ที่ว่างของอากาศเหนือผิวของเหลวจะเพิ่มมากขึ้น ถ้าเราไม่มีการระบายอากาศเข้าในถัง ความดันในถังจะลดลง ถังจะถูกอัดตัวจากความดันบรรยากาศด้านนอกถัง ทำให้ถังยุบตัวเกิดความเสียหายได้

ดังนั้นเพื่อป้องกันความเสียหายที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงความดัน จึงต้องทำการติดตั้งท่อระบายอากาศ (หรือที่เรียกว่า vent) ในกรณีของน้ำนั้นท่อระบายอากาศนี้อาจเป็นเพียงท่อโค้งคว่ำลง (เพื่อไม่ให้น้ำฝนหรือสิ่งสกปรกตกลงไปในถังดังแสดงในรูปที่ ๑ และ ๒) ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ vent นี้ขึ้นอยู่กับ อัตราการสูบของเหลวเข้า-ออก ขนาดปริมาตรถัง และความดันไอของของเหลวที่บรรจุในถัง ถ้าอัตราการสูบของเหลวเข้า-ออกมีค่าสูง ขนาดของ vent ก็ต้องใหญ่ตามไปด้วย เพื่อให้สามารถระบายอากาศเข้า-ออกได้ทันเวลา

ตัว vent นี้อาจเป็นเพียงแค่ท่อโล่ง ๆ เชื่อมต่อระหว่างอากาศในถังกับอากาศข้างนอกถัง แต่ถ้ากลัวจะมีนกเข้าไปทำรังหรือตัวอะไรเข้าไปในถัง ก็ควรหาตะแกรงมาปิดปลายด้านที่เปิดหน่อยก็ดี

สำหรับของเหลวที่มีความดันไอสูงนั้น เวลาที่ระดับของเหลวในถังลดลง ความดันในถังจะไม่ลดลงมากเท่ากับของเหลวที่มีความดันไอต่ำกว่า เพราะของเหลวที่มีความดันไอสูงนั้นจะสามารถระเหยได้เร็ว ในภาวะที่ไม่มีการสูบของเหลวเข้า-ออกถังนั้น ความดันไอเหนือผิวของเหลวจะสมดุลกับอุณหภูมิของเหลว แต่เมื่อมีการสูบของเหลวออกจากถังซึ่งทำให้ระดับของเหลวลดลง ความดันเหนือผิวของเหลวจะลดลง ของเหลวก็จะระเหยกลายเป็นไอออกมาชดเชย ซึ่งถ้าของเหลวดังกล่าวระเหยได้เร็วพอ ความดันในถังก็อาจจะไม่ตกลงเลยก็ได้ในขณะที่มีการสูบของเหลวออกจากถังและไม่มีการไหลของอากาศเข้าไปในถังด้วย


การเปลี่ยนความดันของอากาศ/ไอในถังไม่จำเป็นต้องเกิดขึ้นเมื่อมีการสูบของเหลวเข้าออกจากถัง การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิก็สามารถทำให้เกิดได้เช่นเดียวกัน เช่นเวลาที่ถังตากแดดร้อนในเวลากลางวัน ความดันก็จะสูงขึ้น เวลาที่ถังเย็นตัวลงในเวลากลางคืน ความดันก็จะลดลง นอกจากนี้ยังต้องเผื่อเวลาที่อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงกระทันหันด้วย เช่นก่อนฝนตกอากาศอาจจะร้อนมาก ทำให้ความดันในถังสูง แต่เมื่อฝนตกลงมา น้ำฝนจะไประบายความร้อนออกจากถัง ทำให้ถังเย็นตัวลง การออกแบบก็ต้องคำนึงเผื่อตรงนี้เอาไว้ด้วย

นอกจากนี้การเปลี่ยนความดันยังขึ้นกับขนาดของถังด้วย ที่อัตราการสูบของเหลวเข้า-ออกเท่า ๆ กัน ถังขนาดใหญ่จะมีอัตราการเปลี่ยนแปลงความดันที่ช้ากว่าถังขนาดเล็ก

ในกรณีที่ใช้ถังประเภทนี้บรรจุของเหลวที่ติดไฟได้นั้น (พวกเชื้อเพลิงต่าง ๆ) การใช้ระบบ vent แบบท่อโล่ง ๆ นี้ทำให้อากาศไหลเข้าไปผสมกับไอเชิ้อเพลิงในถังได้ในเวลาที่สูบของเหลวออกจากถัง และยังทำให้ไอเชื้อเพลิง (ซึ่งมักเป็นเชื้อเพลิงผสมกับอากาศที่เกิดจากการสูบของเหลวเข้า-ออกก่อนหน้า) ไหลออกมานอกถังเมื่อสูบของเหลวเข้าถัง ดังนั้นถ้าหากมีเพลิงไหม้อยู่ภายนอกถัง เปลวไฟภายนอกอาจจุดติดไอระเหยของเชื้อเพลิง + อากาศที่ไหลออกมาทาง vent เปลวไฟนี้จะลุกไหม้วิ่งย้อนกลับเข้าไปในถัง และทำให้ถังระเบิดจากภายในได้

เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดปัญหาดังกล่าวจึงจำเป็นต้องติดตั้งอุปกรณ์สำหรับ "ดับ" เปลวไฟไม่ให้วิ่งตามไอระเหยของเชื้อเพลิงเข้าไปในถังได้ อุปกรณ์ดังกล่าวมีชื่อเรียกว่า "Flame arrester" (ดูตัวอย่างในรูปที่ ๓ ข้างล่าง)

รูปที่ ๓ ตัวอย่างโครงสร้างและรูปร่างของ Inline flame arrester

(รูปจาก http://www.elmactechnologies.com/products/inline_arresters_sgeib.html)


วิธีการป้องกันไม่ให้เปลวไฟวิ่งย้อนกลับเข้าไปในระบบท่อนั้นมีหลายวิธี การใช้ Flame arrester เป็นเพียงวิธีการหนึ่งเท่านั้น หลักการทำงานของ Flame arrester ก็ไม่มีอะไรมาก อาศัยความจริงที่ว่าเมื่อเปลวไฟสัมผัสกับโลหะที่นำความร้อนได้ดี เปลวไฟก็จะสูญเสียความร้อนและเย็นตัวลง ทำให้ไม่สามารถลุกไหม้เชื้อเพลิงต่อไปได้ เปลวไฟก็จะดับ ชิ้นส่วนโลหะที่ทำหน้าที่ดึงความร้อนก็เป็นเพียงแค่ตะแกรงโลหะซ้อนกันหลายชั้น

แต่การติดตั้ง Flame arrester ก็ต้องมีการซ่อมบำรุง เพราะการที่มีตะแกรงโลหะที่ละเอียดขวางทางการไหลของอากาศในถังนั้น ถ้าตะแกรงดังกล่าวเกิดการอุดตันจากสิ่งสกปรกเมื่อใด ความสามารถในการปรับความดันภายในถังของระบบ vent ก็จะสูญเสียไป ดังนั้นจึงควรต้องมีการถอดส่วนที่เป็นตะแกรงนี้มาทำความสะอาดเป็นระยะด้วย


ระบบท่อปรับความดันที่เป็นท่อเปล่า ๆ นี้มีข้อดีตรงที่โครงสร้างไม่มีความซับซ้อนอะไร แค่เลือกขนาดที่ให้เหมาะสมกับอัตราการสูบของเหลวก็พอ แต่ระบบนี้ก็มีข้อเสียคือ ทันทีที่ความดันในถังลดลง อากาศก็จะไหลเข้าถังได้ทันที และทันที่ที่ความดันในถังสูงขึ้น ไอของเหลวในถังก็จะรั่วออกนอกถังได้ทันที่ ซึ่งถ้าหากเป็นถังบรรจุน้ำหรือของเหลวที่ความดันไอต่ำ เรื่องดังกล่าวก็คงไม่ก่อปัญหาใด ๆ แต่ถ้าเป็นพวกของเหลวที่มีความดันไอสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งพวกเชื้อเพลิงด้วยแล้ว การที่มีอากาศรั่วเข้าไปในถังก็เท่ากับเป็นการเพิ่มโอกาสที่จะเกิดการระเบิดของไอในถังได้ถ้ามีเปลวไฟ และการที่ไอเชื้อเพลิงในถังรั่วออกมาก็อาจทำให้เกิดการลุกติดไฟข้างนอกได้ถ้าหากด้านนอกถังมีแหล่งพลังงานที่สามารถจุดระเบิดเชื้อเพลิงได้ (ไม่จำเป็นต้องเป็นเปลวไฟ อาจเป็นประกายไฟหรือพื้นผิวที่ร้อนก็ได้)

อย่างที่กล่าวมาก่อนหน้านี้ว่าของเหลวที่มีความดันไอสูงนั้น เมื่อระดับของเหลวในถังลดลง ของเหลวอาจจะระเหยขึ้นมาชดเชยได้ทันเวลา ทำให้ความดันในถังตกลงไม่เร็วเหมือนกับของเหลวที่มีความดันไอต่ำกว่า ดังนั้นถ้ามีระบบที่ทำให้อากาศไม่ไหลเข้าถังทันทีที่ระดับของเหลวลดลง และไม่ให้ไอของเหลวไหลออกทันทีที่ความดันในถังเพิ่มขึ้นสูง (เช่นตอนแดดออก) เราก็จะสามารถลดการรั่วไหลสู่ภายนอกของไอระเหยจากของเหลวในถัง และลดโอกาสที่จะเกิดอันตรายจากการที่มีอากาศเข้าไปผสมกับไอระเหยในถังได้ อุปกรณ์ดังกล่าวมีชื่อว่า "Breather valve" หรือจะเรียกว่า "วาล์วหายใจ" ก็ไม่ขัดข้อง ตัวอย่างโครงสร้างและการทำงานของวาล์วชนิดนี้แสดงในรูปที่ ๔ ข้างล่าง


รูปที่ ๔ ตัวอย่างโครงสร้าง Breather valve


เมื่อความดันไอของของเหลวในถังสูงขึ้น (เช่นจากการการที่ถังต้องตากแดดในเวลากลางวัน) วาล์วสีแดงจะยังไม่ยกตัวขึ้นจนกว่าแรงดันไอของของเหลวจะมากพอที่จะดันให้วาล์วสีแดงเปิดออก (ยกตัวสูงขึ้น) เพื่อระบายความดันออกสู่บรรยากาศข้างนอก (โดยกดวาล์วสีเขียวให้ปิด) แต่เมื่อความดันในถังต่ำกว่าความดันบรรยากาศที่อยู่นอกถัง (เช่นจากการที่ถังตากแดดอยู่แล้วฝนตกหรือในช่วงเวลากลางคืน) วาล์วสีเขียวจะยังไม่ยอมให้อากาศไหลเข้าไปในถังทันที ต้องรอจนกว่าแรงดันภายในถังลดต่ำลงจนต้านแรงดันบรรยากาศนอกถังไม่ได้ แรงดันบรรยากาศนอกถังก็จะดันให้วาล์วสีเขียวเปิดออก (ด้วยการยกตัวสูงขึ้นเช่นเดียวกัน) เพื่อระบายอากาศเข้าสู่ภายในถัง (โดยจะกดวาล์วสีแดงให้ปิด)

ตัว Breather valve นี้อาจจะต่อตรงเข้ากับช่องว่างเหนือผิวของเหลวในถัง หรือในกรณีที่เป็นถังบรรจุของเหลวไวไฟก็อาจมี flame arrester คั่นกลางระหว่าง Breather valve กับช่องว่างเหนือผิวของเหลวในถัง


เช้านี้ไปตรวจเยี่ยมนิสิตฝึกงานที่บริษัท ก็พึ่งจะได้ยินเรื่องนี้เป็นครั้งแรก คือมีนิสิตฝึกงาน (ไม่ใช่คนของเราแต่เป็นของสถาบันไหนไม่ขอบอก) แอบเข้าไปนอนหลับในห้องส้วมแล้วโดนแม่บ้านจับได้ สาเหตุเป็นเพราะห้องส้วมที่บริษัทนั้นเป็นแบบชักโครกที่มีถังพักน้ำอยู่ด้านหลัง คนที่เข้าไปแอบงีบก็เลยใช้วิธีนั่งหันหลังและฟุบกับถังพักน้ำ ทีนี้พอแม่บ้านมาทำความสะอาดพบห้องส้วมปิดอยู่ และเห็นลอดช่องประตูว่าคนที่อยู่ข้างในห้องนั่งหันเท้าเข้าข้างใน (หรือหันหลังให้ประตูนั่นเอง เพราะปรกติห้องส้วมทั่วไปจะนั่งหันหน้าออกเข้าหาประตูใช่ไหม ดังนั้นเท้าก็ต้องชี้ออกมาข้างนอก) ซึ่งมันเป็นเรื่องผิดปรกติ ก็เลยต้องมีการตรวจสอบ เรื่องก็เลยแดงว่าแอบเข้าไปหลับในห้องส้วมตั้ง ๒ ชั่วโมง

แต่จะว่าไปก็น่าสงสารคนทำงานบริษัทสมัยนี้ เข้างานแต่เช้า ใช้งานทั้งวันยันดึก เวลาพักผ่อนก็ไม่เพียงพอ แถมตอนนี้บริษัทนี้ยังให้แม่บ้านมาเฝ้าหน้าห้องน้ำตลอดเวลาทำงานซะด้วย คงกลัวว่าจะมีแต่คนเดินเข้าแล้วเงียบหายไปโดยไม่เดินออกมามั้ง

ไม่มีความคิดเห็น: