หอกลั่น

หอกลั่น (อังกฤษ: Distillation columns) ใช้สำหรับแยกสารผสม ที่ใช้กันมากที่สุดในภาคอุตสาหกรรม โดยส่วนใหญ่ใช้แยกน้ำมันดิบที่ประกอบไปด้วยสารประกอบไฮโดรคาร์บอนหลายชนิดที่มี น้ำหนัก และจุดเดือด แตกต่างกัน ดังนั้นในขั้นตอนแรกจึงสามารถ แยกองค์ประกอบออกจากกันได้อย่างง่ายดาย โดยกระบวนการกลั่นลำดับส่วน

หอกลั่นโดยทั่วไปมี 2 แบบ คือ หอกลั่นแบบแพ๊ค (Packing Tower) และหอกลั่นแบบถาด (Tray Tower) หอกลั่นทั้งสองแบบจะเหมาะสมกับการกลั่นที่แตกต่างกันไป

หอกลั่นแบบ Packing Tower ใช้ในการแยกของผสมที่มีจุดเดือดที่ไม่สูงมาก

หอกลั่นแบบแพ๊ค (Packing Tower)

ลักษณะเป็นคอลัมน์แนวตั้งทำด้วยเหล็ก ภายในประกอบด้วยส่วนที่ป้อนสารเข้าเป็นช่องว่างที่เรียกว่า flash zone และส่วนที่เป็น Packed beds ทำหน้าที่แลกเปลี่ยนมวลสารและความร้อน ของเหลวที่ล่างหอกลั่น จะถูกผ่านเข้าไปในเครื่องทำความร้อน(Reboiler) เกิดเป็นไอลอยขึ้นสู่ชั้นด้านบนของหอกลั่น สารที่มีมวลมากจะเกิดการควบแน่นกลายเป็นของเหลวตกลงมาชั้นล่าง เกิดการทำซ้ำ หรือที่เรียกว่าการ reflux ซึ่งจะทำให้สารมีความบริสุทธิ์มากขึ้น

Packing Tower เป็นหอกลั่นที่เกิดการถ่ายโอนมวลได้ดีมาก ที่นิยมใช้มี 2 แบบคือ แบบไหลสวนทาง (Countercurrent) และ แบบไหลผ่าน (cross-flow)

Packed beds

 

วัสดุที่บรรจุในแพ๊คคอลัมน์(a) Berl saddle; (b) Intalox saddle; (c) Raschig ring; (d) Lessing ring; (e) Pall ring; (f) Tellerette

Packed beds คือ ชั้นที่บรรจุตัวกลางมีพื้นที่ผิวมาก เพื่อเพิ่มการถ่ายโอนมวลและพลังงานระหว่างก๊าซ ของเหลว หรือของแข็ง ได้ดีขึ้น โดย packed beds จะมีช่องว่างไว้สำหรับให้ของเหลวไหลผ่านที่เรียกว่า void space และทุกชนิดจะต้องไม่ทำปฏิกิริยาเคมีกับสารที่ใช้ในการกลั่น

ชนิดของ Packed beds

• อานม้า (saddles)
• พอลล์ ริง (pall ring)
• แรสซิก ริง (raschig ring)
• เลสซิ่ง ริง (lessing ring)
• เทอเลอเรต (tellerette)

Packed beds ชนิดอานม้า (saddles) จะให้ประสิทธิภาพในการกลั่นมากที่สุด เนื่องจากเกิดการถ่ายโอนมวลและพลังงานมาก มีการสูญเสียความดันน้อย แต่มีข้อเสียคือราคาแพง ชนิดพอลล์ริง (pall ring) จะมีการเคลือบด้วยโลหะก่อนเพื่อป้องกันการกัดกร่อน มีการถ่ายโอนมวลและพลังงานมากกว่า ชนิด แรสซิก ริง (raschig ring) และ เลสซิ่ง ริง (lessing ring) ส่วนชนิดเทอเลอเรต (tellerette) เป็นชนิดที่ทำด้วยพลาสติก จะนำมาใช้กลั่นสารที่มีอุณหภูมิไม่สูงมากนัก (ไม่เกิน 355-360 องศาเคลวิน)

หอกลั่นแบบถาด (Tray Tower)

มีลักษณะเป็นคอลัมน์ทรงกระบอกสูงภายในจะมีถาด(Tray) ที่เจาะรูวางเรียงกันเป็นชั้นๆ เพื่อให้ไอผ่านขึ้นไป tray tower จะทำงานได้ดีกว่า packing tower แต่จะมีราคาแพงกว่า ถาดที่ใช้ใน tray tower มีหลายประเภทจะขึ้นอยู่กับระดับความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์ ซึ่งควรเลือกใช้ตามประเภทของของเหลว และควรเลือกใช้ตามระบบการทำงานของหอกลั่น

รูปแบบมาตรฐานของหอกลั่น

 

แผนภาพเค้าร่างวิศวกรรมเคมีของหอกลั่นลำดับส่วนต่อเนื่อง

ภายในหอกลั่น มีการแบ่งเป็นห้องๆ แต่ละห้องจะมีอุณหภูมิไม่เท่ากัน แผ่นกั้นห้องที่ใช้กั้นแต่ละห้องจะมีลักษณะคล้ายถาดกลมทุกแผ่นจะมีการเจาะรูเอาไว้ เพื่อให้ไอน้ำมันที่ร้อนสามารถเคลื่อนที่ผ่านทะลุขึ้นสู่ส่วนบนของหอกลั่นได้ ภายในหอกลั่นจะถูกแบ่งเป็น 3 ส่วนดังนี้

• Feed stage คือตำแหน่งที่น้ำมันดิบถูกป้อนเข้าสู่หอกลั่น โดยน้ำมันดิบจะถูกทำให้มีอุณหภูมิเท่ากับอุณหภูมิของหอกลั่น ก่อนที่จะถูกป้อนเข้า
• Enriching หรือ Rectifying section ส่วนนี้จะอยู่เหนือส่วนของ Feed stage จะเป็นส่วนที่ได้สารที่มีจุดเดือดต่ำและระเหยง่าย ด้านบนสุดจะมีท่อต่อเพื่อนำน้ำมันที่กลั่นตัวแล้วออกไปจากหอกลั่น
• Stripping sectionจะอยู่ด้านล่างของ Feed stage ส่วนนี้เป็นสารที่ระเหยยากและจุดเดือดสูงอยู่

Trays or Plates or Stages

ส่วนประกอบและการทำงานของ Trays มีดังนี้

 

ภาพการทำงานของ Tray

1. Down comer ลักษณะเป็นช่องว่างทำหน้าที่เป็นท่อส่งของเหลวลงสู่ชั้นที่ต่ำกว่า
2. Weir ลักษณะเป็นสัน ทำหน้าที่เหมือนเขื่อนกักเก็บของเหลว เพื่อให้ของเหลวและไอเกิดการถ่ายโอนมวลสารและพลังงาน
3. Bubbling area คือบริเวณที่ของเหลวและไอมาพบกัน ซึ่งการพบกันระหว่างของเหลวและไอก็จะมีอยู่ด้วยกัน 4 ลักษณะด้วยกันคือ

• Bubble regime สภาวะนี้ของเหลวค่อนข้างจะอยู่นิ่ง ไอที่เป็นฟองจะลอยผ่านขึ้นไป การผสมกันจะไม่รุนแรง ทำให้มีประสิทธิภาพต่ำ
• Form regime สภาวะนี้ด้านบนของเหลวจะมีลักษณะคล้ายฟองเบียร์ ทำให้มีพื้นที่สัมผัสระหว่างไอและของเหลวสูง การถ่ายโอนมวลเกิดขึ้นมากทำให้มีประสิทธิภาพค่อนข้างสูง
• Froth regime สภาวะนี้จะเกิดขึ้นเมื่ออัตราการไหลของไอสูงขึ้น ผิวด้านบนของของเหลวจะมีลักษณะเกิดการกระจายตัว ทำให้ของเหลวผสมกันอย่างทั่วถึง ในระบบการกลั่นทั่วๆไปการถ่ายโอนมวลของของเหลวจะเป็นตัวควบคุม regimeนี้จึงมีประสิทธิภาพสูงมาก
• Spary regime คือสภาวะที่อัตราไหลของไอสูงมากและเป็นไปอย่างต่อเนื่อง มีการผสมกันอย่างทั่วถึง ส่วนของเหลวจะมีลักษณะเป็นหยดทำให้การผสมกันของของเหลวไม่ดี ดังนั้นสภาวะนี้จึงมีการถ่ายโอนมวลต่ำทำให้ประสิทธิภาพต่ำไปด้วย

ประเภทของ Tray

• Sieve tray เป็นTrayแบบง่ายมีพื้นที่ลักษณะเป็นแผ่นโลหะเจาะรูเพื่อให้ไอขึ้นมาได้ ภาคตัดขวางเป็นวงกลม

 

• Valve tray มีลักษณะเป็นรูที่มี Cap ครอบอยู่ Cap จะยกตัวสูงขึ้นเพื่อให้ไอไหลผ่านในแนวนอน จึงเกิดการควบแน่นเป็นของเหลวได้ดีกว่าแบบ Sieve trays

 

• Bubble-Cap tray เป็น Tray ที่มีประสิทธิภาพดีที่สุดและมีราคาแพง ลักษณะเป็นถาดที่มีท่อขนาดเล็กโผล่ขึ้นมาครอบด้วยส่วนที่เรียกว่า Cap ซึ่งไอสามารถผ่านได้ เมื่อความร้อนเพิ่มขึ้นปริมาณไอจะมากขึ้น จะทำให้ Cap ยกตัวสูงขึ้นเพื่อให้ไอผ่านได้ปริมาณมาก เกิดการควบแน่นเป็นของเหลวอยู่บนถาด แต่จะอยู่ในระดับที่ต่ำกว่า riser เพื่อป้องกันไม่ให้ของเหลวไหลย้อนกลับลงสู่ข้างล่างหอ

 

หอกลั่นลำดับส่วนที่มี tray และ bubble cap

ตัวแปรที่ใช้ควบคุมหอกลั่น

Reflux หรือการทำซ้ำ

อัตราส่วนการทำซ้ำหรือ Reflux Ratio จะเป็นตัวใช้ควบคุมความบริสุทธิ์ของสารผลิตภัณฑ์ จำนวนการ Reflux เมื่อเทียบกับสารผลิตภัณฑ์เราจะต้องรู้ Reflux Ratio ถ้าทำการเพิ่มอัตราการ Reflux สูงเกินไปจะทำให้มีของเหลวอยู่ในหอกลั่นมากทำให้เกิดการล้นได้

สูตรในการคำนวณ Reflux Ratio คือ Reflux Ratio = อัตราการ Reflux / อัตราการไหลของผลิตสารผลิตภัณฑ์

อุณหภูมิและความดัน

อุณหภูมิและความดันจะเป็นตัวควบคุมหอกลั่นเพื่อให้ได้สารที่มีความบริสุทธิ์ มีการควบคุมอุณหภูมิในส่วนของการ reflux และอุณหภูมิของ reboiler ถ้าอุณหภูมิด้านล่างสูงเกินไปสารที่มีน้ำหนักมากจะกลายเป็นไอ ผลิตภัณฑ์จะไม่ตรงตามที่ต้องการ รวมไปถึงอาจจะนำไปสู่การล้นในTray ได้ ดังนั้นอุณหภูมิใน reboiler จะต้องมีการควบคุมอย่างระมัดระวังเพราะจะส่งผลต่อการทำงานของหอกลั่น

ดูเพิ่ม

• น้ำมันดิบ
• การถ่ายโอนมวล

อ้างอิง

1. http://encyclopedia.che.engin.umich.edu/Pages/SeparationsChemical/DistillationColumns/DistillationColumns.html
2. http://science.howstuffworks.com/environmental/energy/oil-refining4.htm
3. http://water-pacific.com/index.php/fractional
4. http://www.actomapc.co.za/products_wetscrubbers_pt.php
5. www.safety-stou.com/UserFiles/File/54114-6.pdf
6. http://www.distillationgroup.com/questions/question008.htm
7. http://lorien.ncl.ac.uk/ming/distil/distilint.htm
8. หนังสืออ่านเพิ่มเติมเลอสรวง เมฆสุต การกลั่น การดูดซึม และการแยกสกัด Distillation absorption and extraction โรงพิมพ์แห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย 2552 หน้าที่ 71 ISBN 978-974-03-2432-4
9. http://www.euroslotkdss.com/mtri/tower-internals/distillation-trays.html
10. http://articles.compressionjobs.com/articles/oilfield-101/2710-distillation-columns-towers-column-control-?start=3