วันเสาร์ที่ 14 ธันวาคม พ.ศ. 2556

เมื่อความดันในถังต่ำกว่าความดันบรรยากาศ MO Memoir : Saturday 14 December 2556

ถังในที่นี้อาจเป็นถังเก็บของเหลวที่ความดันบรรยากาศ (Atmospheric tank) ที่มีฝาหรือหลังคาปิด ซึ่งปรกติจะออกแบบให้ทำงานที่ใกล้เคียงความดันบรรยากาศโดยอาจจะสูงกว่าหรือต่ำกว่าความดันบรรยากาศได้เล็กน้อย หรืออาจเป็นภาชนะความดัน (Pressure vessel) ที่ปรกติจะทำงานที่ความดันสูงกว่าบรรยากาศ แต่ก็อาจมีบางกรณีที่ทำให้ความดันในภาชนะความดันนั้นต่ำกว่าบรรยากาศได้ ในส่วนของถังบรรยากาศนั้นผมเคยเล่าวิธีการควบคุมความดันเพื่อป้องกันไม่ให้ถังเกิดความเสียหายจากความดันที่สูงหรือต่ำเกินไปไว้ใน Memoir ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๓๐๑ วันเสาร์ที่ ๑๔ พฤษภาคม พ.ศ. ๒๕๕๔ เรื่อง "การควบคุมความดันในถังบรรยากาศ (Atmospheric tank)" เอาไว้แล้ว มาในวันนี้เป็นการนำเอารูปตัวอย่างความเสียหายที่เกิดมาให้ดูกันและจะกล่าวถึงกรณีของภาชนะความดันที่ในภาวะการทำงานปรกติปรกติจะทำงานที่ความดันสูงกว่าบรรยากาศ
  
รูปที่ ๑ ถังเก็บน้ำสแตนเลสสำหรับใช้ในอาคารติดตั้งอยู่บนดาษฟ้าอาคารแห่งหนึ่ง ผนังฝาด้านบนของถังบุบเนื่องจากความกดอากาศ รูปนี้ถ่ายเมื่อบ่ายวันวาน
  
รูปที่ ๑ เป็นถังเก็บน้ำสแตนเลสสำหรับใช้ในอาคารติดตั้งอยู่บนดาษฟ้าอาคารแห่งหนึ่ง ถังเหล่านี้มีท่อต่อเชื่อมกันเพื่อให้สำรองน้ำได้ในปริมาณมาก ตอนติดตั้งถังนั้นก็จะปิดฝาด้านบนเอาไว้เพื่อป้องกันไม่ให้สิ่งสกปรกตกลงไปปนเปื้อนน้ำในถัง น้ำในบ่อพักด้านล่างจะถูกสูบเข้ามาเก็บไว้ในถังพักบนดาษฟ้า ก่อนจะจ่ายลงไปยังชั้นต่าง ๆ ของอาคาร
 
ถังที่ติดตั้งนั้นมีฝาเปิดปิดอยู่ทางด้านบน ในจังหวะที่เติมน้ำเข้าไปในถังนั้นน้ำที่ไหลเข้าถังจะเข้าไปแทนที่อากาศในถัง เนื่องจากฝาถังนั้นปิดเอาไว้เฉย ๆ และไม่ได้ปิดสนิทและอัตราการเติมน้ำไม่ได้สูงมาก ความดันอากาศในถังที่เพิ่มขึ้นก็จะสามารถดันฝาถังให้เผยอขึ้น อากาศข้างในก็จะระบายออกมาได้ ทำให้ความดันในถังไม่เพิ่มสูงขึ้น ถังจึงไม่เกิดความเสียหายจากความดันในถังที่เพิ่มสูงขึ้น
 
แต่เมื่อมีการใช้น้ำ น้ำที่ระบายออกไปจากถังทำให้ปริมาตรอากาศในถังเพิ่มขึ้น ความดันในถังจะลดลง ถ้าหากฝาถังหรือตัวถังเองนั้นมีช่องทางที่กว้างพอที่ให้อากาศภายนอกไหลเข้าไปได้ทันเวลา ความดันในถังก็จะไม่ลดลงต่ำเกินไป ถังก็จะไม่เกิดความเสียหาย แต่สำหรับถังในรูปที่ไม่มีช่องทางให้อากาศไหลเข้า อากาศไหลเข้าได้เฉพาะตรงฝาปิดที่ปิดไม่สนิทเท่านั้น แต่ช่องว่างที่ฝานั้นก็ไม่มากเพียงพอ ดังนั้นพอความดันในถังลดลง ความกดอากาศภายนอกก็จะดันให้ฝาถังแนบเข้าไปกับตัวถัง ช่องว่างก็ลดลง อากาศก็ไหลเข้าไปข้างในถังได้ยากขึ้น และเมื่อความดันในถังลดต่ำลงมากพอ ความกดอากาศข้างนอกก็จะสามารถดันฝาถังด้านบนให้ยุบตัวลงดังที่เห็นในรูป
  
เหตุผลที่บริเวณด้านข้างและด้านล่างไม่บุบก็เพราะมันมีน้ำดันเอาไว้
 
รูปที่ ๒ แผนผังอย่างง่าย (Simplified diagram) ของระบบหอกลั่น

หน่วยผลิตต่าง ๆ ในอุตสาหกรรมจำนวนไม่น้อยที่ทำความที่ความดันสูงกว่าความดันบรรยากาศ ในบรรดาหน่วยผลิตเหล่านี้ก็มีบางหน่วยที่การที่ความดันในระบบสูงกว่าบรรยากาศได้เป็นเพราะการให้ความร้อนแก่ระบบเพื่อให้ของเหลวในระบบเดือดกลายเป็นไอ แต่เมื่อใดก็ตามที่ไม่มีการป้อนความร้อนเข้าสู่ระบบเพื่อให้ของเหลวในระบบเดือด ความดันในระบบก็จะลดต่ำลงจนต่ำกว่าความดันบรรยากาศได้ และอาจก่อให้เกิดปัญหาตัวภาชนะความดัน (pressure vessel) ของหน่วยผลิตนั้นถูกความกดอากาศภายนอกบีบอัดจนเกิดความเสียหายได้ ตัวอย่างหนึ่งของระบบนี้ได้แก่ "หอกลั่น - distillation column"
  
หอกลั่นที่ทำการกลั่นแยกสารที่สถานะปรกติเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศ และในกระบวนการกลั่นจะมีการให้ความร้อนเพื่อให้สารดังกล่าวนั้นเดือดกลายเป็นไอ ซึ่งทำให้ความดันภายในหอกลั่นนั้นสูงกว่าความดันบรรยากาศ โดยปรกติในระหว่างการทำงานภายในตัวหอกลั่นเองจะไม่มีอากาศอยู่ จะมีแต่เพียงไอระเหยของสารที่ทำการกลั่นแยกเท่านั้น เช่นถ้าทำการกลั่นแยกน้ำกับเอทานอล ไอระเหยที่เป็นตัวสร้างความดันภายในหอกลั่นก็คือไอระเหยของน้ำกับเอทานอล ความร้อนที่ทำให้สารที่ทำการกลั่นระเหยกลายเป็นไอนั้นได้มาจากความร้อนที่มากับสายป้อน (ผ่านทาง feed preheater) และความร้อนที่ป้อนเข้าผ่านทางหม้อต้มซ้ำ (reboiler) และถ้าเกิดเหตุการณ์ใด ๆ ก็ตามที่ทำให้ไม่มีความร้อนป้อนเข้าระบบ (เช่นขาดไอน้ำที่จะให้ความร้อนที่หม้อต้มซ้ำ) อุณหภูมิภายในหอกลั่นก็จะลดลง และเมื่อไอสารในหอกลั่นเกิดการควบแน่น ก็จะทำให้ความดันภายในหอกลั่นลดต่ำลงกว่าความดันบรรยากาศภายนอก และถ้าหอกลั่นไม่ได้ออกแบบมาเพื่อรับกับเหตุการณ์ดังกล่าว ก็อาจทำให้หอกลั่นได้รับความเสียหายจากการถูกความกดอากาศภายนอกบีบอัดได้

ในกรณีเช่นนี้การป้องกันอาจทำได้โดย 
  
(ก) การออกแบบหอกลั่นให้มีความแข็งแรงที่จะรับแรงกดอากาศภายนอกได้เมื่อความดันภายในหอกลั่นลดต่ำลงกว่าความดันบรรยากาศ วิธีการนี้อาจจะยากสำหรับหอกลั่นที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางมาก เพราะที่ความหนาผนังเท่ากัน ความสามารถในการรับแรงดันของหอกลั่นที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่าจะสูงกว่า ดังนั้นถ้าใช้วิธีการนี้กับหอกลั่นขนาดใหญ่อาจทำให้ผนังต้องหนามากและมีน้ำหนักมากได้
 
(ข) การยอมให้อากาศภายนอกรั่วไหลเข้าไปในหอกลั่น วิธีการนี้อาจทำได้ถ้าหากสารที่อยู่ในกระบวนการนั้นไม่ทำปฏิกิริยากับอากาศ หรือสารที่อยู่ในกระบวนการนั้นไม่เป็นสารที่ลุกติดไฟได้
 
(ค) การป้อนแก๊สเฉื่อย เช่น ไนโตรเจน (ในบางกรณีก็อาจใช้ CO2 ได้) เข้าไปในระบบ วิธีการนี้จะเหมาะกว่าวิธีการตามข้อ (ข) ในกรณีที่สารที่อยู่ในกระบวนการนั้นเป็นสารที่ลุกติดไฟได้

ขั้นตอนการปฏิบัติงานบางขั้นตอนก็อาจทำให้เกิดสุญญากาศในระบบได้ถ้าไม่ระมัดระวัง ตัวอย่างหนึ่งของขั้นตอนนี้ได้แก่การไล่อากาศออกจากระบบ (ท่อและ vessel ต่าง ๆ) ก่อนป้อนสารเข้าไปในระบบ การไล่อากาศออกนี้สามารถกระทำได้ด้วยการใช้แก๊สเฉื่อย (ที่ใช้กันทั่วไปคือไนโตรเจน) หรือไอน้ำ ข้อดีของการใช้ไนโตรเจนคือไม่ทำให้ความดันภายในระบบลดต่ำลงเพราะมีความดันจากแก๊สไนโตรเจนที่ป้อนเข้าไปนั้นแทนที่ความดันของอากาศที่ถูกไล่ออกไป การใช้ไนโตรเจนมักกระทำกับระบบขนาดเล็ก (เช่นระบบท่อ หรือถังขนาดเล็ก) หรือกับระบบที่ไม่ต้องการให้มีน้ำปนเปื้อนในระบบ แต่เนื่องจากไนโตรเจนมีราคาสูงกว่าไอน้ำ ดังนั้นในระบบที่ยอมให้มีน้ำในระบบได้ เช่นหอกลั่นที่มีการให้ความร้อนด้วยการฉีดไอน้ำเข้าไปในหอกลั่นโดยตรง เช่นหอกลั่นน้ำมัน จึงอาจทำการไล่อากาศในระบบออกด้วยการใช้ไอน้ำก่อน แต่เมื่อไล่อากาศออกไปจนหมดแล้วต้องป้อนไนโตรเจนเข้าไปในหอกลั่นเพื่อรักษาความดัน เพราะเมื่อไอน้ำเย็นตัวลงควบแน่นเป็นของเหลวจะทำให้ความดันภายในหอกลั่นลดต่ำลงกว่าความดันบรรยากาศ

ถังเก็บของเหลวที่เป็นแทงค์ชนิด cone roof tankหรือ fixed roof tank นั้นมักจะออกแบบมาเพื่อรับความดันภายในถังที่สูงกว่าความดันบรรยากาศไม่เกิน 8 นิ้วน้ำ (ประมาณ 0.3 psi หรือ 2 kPa) และรับความดันสุญญากาศที่เกิดขึ้นภายในถังได้ไม่เกิน 2.5 นิ้วน้ำ (ประมาณ 0.1 psi หรือ 0.6 kPa หรือประมาณความดันที่ก้นแก้วน้ำเมื่อใส่น้ำเต็มแก้ว) ถังเหล่านี้จึงเกิดความเสียหายจากการเปลี่ยนแปลงความดันที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงปริมาณและ/หรืออุณหภูมิของของเหลวในถังได้ง่ายถ้าไม่ระมัดระวังการทำงาน เช่นป้อนของเหลวหรือสูบของเหลวออกจากถังด้วยอัตราที่สูงเกินกว่าอุปกรณ์ควบคุมความดันจะทำหน้าที่ได้ทัน ป้อนของเหลวที่ร้อนเข้าไปในถังที่เย็น หรือเกิดการอุดตันที่ระบบควบคุมความดันจนทำให้ปรับความดันภายในถังไม่ได้ 
 
รูปที่ ๓ ส่วนหนึ่งของหนังสือที่เขียนโดย Trevor A. Kletz ที่สะสมไว้

หนังสือเรื่อง "What Went Wrong? : Case histories of process plant disasters" เขียนโดย Trevor A. Kletz ของสำนักพิมพ์ Gulf Publishing Company ฉบับพิมพ์ครั้งที่ 2 ปีค.ศ. 1988 ที่ผมมีอยู่เล่มหนึ่งนั้น (รูปที่ ๓) ในบทที่ 5 หน้า 80-81 ได้เล่าถึงวิธีการที่วิศวกรผู้หนึ่งทำการแก้ปัญหาหลังคาของ cone roof tank ที่ถูกแรงกดอากาศบีบอัดฝาถังด้านบนจนยุบตัวลงเมื่อความดันในแทงค์นั้นลดต่ำลงกว่าความดันบรรยากาศ ให้กลับคืนสู่สภาพเดิม วิธีการที่ทำก็คือทำการใส่น้ำให้เต็มแทงค์ จากนั้นนำท่อความยาวประมาณ 1 เมตรมาต่อเข้ากับจุด vent ให้ท่อตั้งในนแนวดิ่ง และค่อย ๆ เติมน้ำเข้าไปทางท่อดังกล่าว แรงดันที่เกิดจากความสูงของน้ำที่เติมเข้าไปทางท่อในแนวดิ่งนั้นจะไปดันให้ฝาถังที่ยุบตัวลงไปนั้น คืนรูปพองกลับมาทางด้านเดิม (รูปที่ ๔)

รูปที่ ๔ วิธีการในการทำให้ฝาบนของ cone roof tank ที่ยุบตัวลงพองกลับคืนสภาพเดิม

ที่เขียนเรื่องนี้ก็เพื่อต้องการให้เห็นความสำคัญของการพิจารณาขั้นตอนการทำงาน ว่าไม่ควรคิดเฉพาะการเดินเครื่องที่ steady state เท่านั้น แต่ควรต้องคำนึงถึงการทำงานที่เกี่ยวข้องทั้งหมด ไม่ว่าจะเป็นช่วงการเริ่มต้นเดินเครื่อง (start up) หยุดเดินเครื่อง (shut down) หรือมีเหตุการณ์ผิดปรกติเกิดขึ้นด้วย

ไม่มีความคิดเห็น: