ข้อดี ข้อเสีย และขอบเขตการใช้งานของเตียงแบบคงที่ เตียงแบบเคลื่อนที่ และเตียงแบบเดือด

Thread Content

เนื้อหาต่อไปนี้มาจากอินเทอร์เน็ตทั้งสิ้น ไม่มีความรับผิดทางกฎหมายใดๆ เตาปฏิกิริยาแบบชั้นแข็ง: เตาปฏิกิริยาแบบชั้นแข็ง หรือที่เรียกอีกอย่างว่าเตาปฏิกิริยาแบบมีสารตั้งต้นเป็นของแข็ง คือเตาปฏิกิริยาที่มีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาหรือสารตั้งต้นในรูปของของแข็ง เพื่อให้เกิดกระบวนการปฏิกิริยาแบบหลายเฟส สารในรูปแบบของของแข็งมักจะมีลักษณะเป็นอนุภาค โดยมีขนาดอนุภาคอยู่ที่ประมาณ 2–15 มิลลิเมตร และจะถูกจัดเรียงกันเป็นชั้นที่มีความสูง (หรือความหนา) หนึ่งระดับ ชั้นวัสดุอยู่นิ่งไม่เคลื่อนที่ ส่วนของเหลวจะไหลผ่านชั้นวัสดุนี้เพื่อเกิดปฏิกิริยา ความแตกต่างระหว่างเครื่องปฏิกรณ์แบบถังไหลกับเครื่องปฏิกรณ์แบบถังเคลื่อนที่ก็คือ อนุภาคของแข็งในเครื่องปฏิกรณ์แบบถังไหลจะอยู่ในสภาพนิ่ง เครื่องปฏิกรณ์แบบถังนิ่งใช้หลักๆ สำหรับการทำปฏิกิริยาเคมีระหว่างก๊าซกับของแข็ง เช่น โรงงานผลิตแอมโมเนีย อุปกรณ์ออกซิเดชันไดออกไซด์ของก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ และเตาเปลี่ยนสถานะไอของไฮโดรคาร์บอน เป็นต้น เมื่อใช้ในปฏิกิริยาแบบไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยาในสถานะก๊าซ-ของแข็ง หรือของเหลว-ของแข็ง จะมีการบรรจุสารตั้งต้นที่เป็นของแข็งลงไปในชั้นวัสดุด้วย เครื่องปฏิกรณ์แบบชั้นไหลเล็กๆ ก็สามารถจัดอยู่ในหมวดของเครื่องปฏิกรณ์แบบชั้นถาวรได้เช่นกัน โดยก๊าซและของเหลวจะไหลผ่านชั้นวัสดุปฏิกรณ์พร้อมกัน ทำให้เกิดการสัมผัสระหว่างก๊าซ ของเหลว และของแข็ง 1. การจำแนกประเภท เครื่องปฏิกรณ์แบบชั้นก๊าซคงที่มีรูปแบบพื้นฐาน 3 แบบ ได้แก่ ① เครื่องปฏิกรณ์แบบชั้นก๊าซคงที่แบบไม่มีการถ่ายเทความร้อนในแนวตั้ง ของไหลไหลจากด้านบนลงสู่ด้านล่างตามแนวแกน โดยไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสภาพแวดล้อมภายนอก ②เครื่องปฏิกรณ์แบบเตียงถาวรแบบสุญญากาศในแนวรัศมี ของไหลจะไหลผ่านชั้นวัสดุในแนวรัศมี โดยสามารถเป็นการไหลแบบหมุนเวียนหรือการไหลเข้าหาจุดศูนย์กลางก็ได้ และชั้นวัสดุนี้จะไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อมภายนอก เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องปฏิกรณ์แบบแนวตั้ง เครื่องปฏิกรณ์แบบแนวรัศมีจะมีระยะทางการไหลของของไหลที่สั้นกว่า พื้นที่หน้าตัดของช่องทางการไหลก็มากกว่า และความดันของของไหลก็น้อยกว่าด้วย แต่โครงสร้างของเครื่องปฏิกรณ์แบบรัศมีนั้นซับซ้อนกว่าเครื่องปฏิกรณ์แบบแนวตั้ง รูปแบบทั้งสองนี้ถือเป็นเตาปฏิกิริยาแบบไม่มีการถ่ายเทความร้อน โดยเหมาะสำหรับกรณีที่พลังงานความร้อนจากการเกิดปฏิกิริยามีค่าไม่มาก หรือในกรณีที่ระบบปฏิกิริยาสามารถรับมือกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่เกิดจากพลังงานความร้อนได้ ③เครื่องปฏิกรณ์แบบท่อในถังที่มีชั้นวัสดุติดตั้งคงที่ ประกอบขึ้นจากท่อปฏิกิริยาหลายท่อที่เชื่อมต่อกันแบบขนาน มีการวางตัวเร่งปฏิกิริยาไว้ภายในหรือระหว่างท่อ โดยมีสื่อนำความร้อนไหลผ่านระหว่างหรือภายในท่อเพื่อทำการให้ความร้อนหรือทำให้เย็น ขนาดของท่อโดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 25–50 มม. และจำนวนท่อสามารถมีมากถึงหลายพันท่อได้ เครื่องปฏิกรณ์แบบท่อในแผ่นรองคงที่เหมาะสำหรับปฏิกิริยาที่มีพลังงานความร้อนจากการปฏิกิริยาสูง นอกจากนี้ ยังมีเครื่องปฏิกรณ์ที่เกิดจากการนำรูปแบบพื้นฐานดังกล่าวมาเชื่อมต่อกัน ซึ่งเรียกว่าเครื่องปฏิกรณ์ชนิดเตียงติดตั้งแบบหลายขั้นตอน ตัวอย่างเช่น เมื่อมีผลกระทบทางความร้อนจากการเกิดปฏิกิริยาสูง หรือจำเป็นต้องควบคุมอุณหภูมิแบบแยกช่วงๆ ก็สามารถนำเตาปฏิกิริยาที่มีคุณสมบัติกันความร้อนหลายตัวมาเชื่อมต่อกันเป็นเตาปฏิกิริยาแบบหลายขั้นตอนได้ โดยจะมีเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนหรืออุปกรณ์สำหรับเติมสารเข้าไประหว่างเตาปฏิกิริยาต่างๆ เพื่อควบคุมอุณหภูมิให้อยู่ในระดับที่เหมาะสมที่สุด 2. ข้อดีของเครื่องปฏิกรณ์แบบเตียงคงที่ ได้แก่: ① การปนเปื้อนของสารต่างๆ มีน้อย ทำให้ของเหลวสามารถสัมผัสกับตัวเร่งปฏิกิริยาได้อย่างมีประสิทธิภาพ และเมื่อมีปฏิกิริยาอื่นเกิดขึ้นร่วมด้วย ก็จะทำให้ได้ความสามารถในการเลือกปฏิกิริยาที่ต้องการได้สูงขึ้น ②ตัวเร่งปฏิกิริยามีการสึกหรอทางกลน้อย ③โครงสร้างเรียบง่าย. ข้อเสียของเครื่องปฏิกรณ์แบบถังคงที่ก็คือ ① การถ่ายเทความร้อนทำได้ไม่ดี ในกรณีที่มีการปล่อยพลังงานความร้อนออกมามาก แม้แต่เครื่องปฏิกรณ์แบบท่อก็อาจเกิดปัญหาอุณหภูมิสูงเกินไปได้ (อุณหภูมิการปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วจนเกินขอบเขตที่กำหนด) ②ในระหว่างกระบวนการทำงาน ไม่สามารถเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาได้ ดังนั้นสำหรับปฏิกิริยาที่จำเป็นต้องมีการฟื้นฟูตัวเร่งปฏิกิริยาบ่อยๆ ก็ไม่ควรนำมาใช้ โดยปกติแล้วมักจะใช้เตาปฏิกิริยาแบบบ่อทรายไหลหรือเตาปฏิกิริยาแบบบ่อทรายเคลื่อนที่แทน 　　ในเครื่องปฏิกรณ์แบบถังคงที่ ตัวเร่งปฏิกิริยาไม่จำเป็นต้องเป็นรูปแบบเม็ดเสมอไป เพราะตัวเร่งปฏิกิริยาในรูปแบบตาข่ายก็ถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมมานานแล้ว ปัจจุบัน ตัวเร่งปฏิกิริยาในรูปแบบเซลล์ชนิดเซลลูลอยด์และรูปแบบเส้นใยก็ได้รับการนำมาใช้อย่างแพร่หลายเช่นกัน 　　โมเดลทางคณิตศาสตร์ของเครื่องปฏิกรณ์แบบชั้นกึ่งถาวร เป็นโมเดลของเครื่องปฏิกรณ์หลายฟาสต์ที่ได้รับการศึกษาอย่างละเอียด โมเดลทางคณิตศาสตร์ที่ใช้อธิบายเครื่องปฏิกรณ์แบบชั้นกึ่งถาวรนั้นมีหลายแบบ โดยแบ่งออกเป็นสองประเภทใหญ่ ได้แก่ โมเดลแบบกึ่งสม่ำเสมอ (ซึ่งไม่คำนึงถึงความแตกต่างของความเข้มข้นและอุณหภูมิระหว่างของเหลวกับของแข็ง) และโมเดลแบบหลายฟาสต์ (ซึ่งคำนึงถึงความแตกต่างของความเข้มข้นและอุณหภูมิระหว่างของเหลวกับของแข็ง) นอกจากนี้ แต่ละประเภทยังสามารถแบ่งออกเป็นโมเดลที่ไม่มีการผสมกลับของส่วนผสม และโมเดลที่มีการผสมกลับของส่วนผสม อีกทั้งยังสามารถแบ่งออกเป็นโมเดลหนึ่งมิติและโมเดลสองมิติ ตามว่าจะคำนึงถึงความแตกต่างของความเข้มข้นและอุณหภูมิในแนวรัศมีของเครื่องปฏิกรณ์หรือไม่ เครื่องปฏิกรณ์แบบชั้นตะกอนคงที่เป็นเครื่องปฏิกรณ์การเร่งปฏิกิริยาแบบหลายสถานะที่ได้รับความนิยมอย่างแพร่หลาย โดยภายในเครื่องปฏิกรณ์จะมีอนุภาคของแข็งที่อยู่นิ่งไม่เคลื่อนที่ ซึ่งอาจเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาแบบของแข็ง หรือสารตั้งต้นแบบของแข็งก็ได้ ตัวอย่างเช่น เครื่องปฏิกรณ์แบบชั้นตะกอนคงที่แบบท่อ โดยภายในท่อจะมีตัวเร่งปฏิกิริยาอยู่ ส่วนสารตั้งต้นจะไหลผ่านชั้นตะกอนจากด้านบนลงมา ส่วนระหว่างท่อต่างๆ จะมีสารนำความร้อนที่ทำหน้าที่แลกเปลี่ยนความร้อนกับสารตั้งต้นภายในท่อ เพื่อรักษาอุณหภูมิที่ต้องการไว้ นอกจากนี้ เครื่องปฏิกรณ์แบบชั้นตะกอนคงที่ยังสามารถนำมาใช้ในการเกิดปฏิกิริยาแบบไม่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาระหว่างก๊าซกับของแข็ง หรือระหว่างของเหลวกับของแข็งได้อีกด้วย เมื่อก๊าซไหลผ่านแผ่นรองที่อยู่นิ่งด้วยความเร็วต่ำ แรงต้านการไหลของก๊าซจะไม่ส่งผลให้สถานะการเคลื่อนที่ของอนุภาคเปลี่ยนแปลง ดังนั้นความสูงของแผ่นรองจึงยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ； ความลดลงของความดันในชั้นตะกอนจะเพิ่มขึ้นตามลำดับเลขคณิตของอัตราการไหล เตียงไหล: เตียงไหลคือสภาวะที่ของไหลไหลขึ้นไปผ่านชั้นของอนุภาคขนาดเล็ก (ในตัวหอ) เมื่ออัตราการไหลต่ำ ของไหลจะไหลผ่านช่องว่างระหว่างอนุภาคที่อยู่นิ่ง ในกรณีนี้ เตียงดังกล่าวจะเรียกว่าเตียงแบบคงที่ ； เมื่อความเร็วของกระแสเพิ่มขึ้น อนุภาคต่างๆ ก็จะแยกออกจากกัน และจะเห็นอนุภาคจำนวนน้อยที่เคลื่อนไหวและสั่นไหวอยู่ในบริเวณหนึ่ง ซึ่งเรียกว่า “เตียงการขยายตัว” ； เมื่อความเร็วเพิ่มสูงขึ้นจนทำให้อนุภาคทั้งหมดลอยอยู่ในก๊าซหรือของเหลวที่ไหลขึ้นด้านบนได้อย่างสม่ำเสมอ จุดนี้ก็คือจุดเริ่มต้นของชั้นวัสดุที่อยู่ในสถานะไหล อนุภาคของแข็งสามารถมีระนาบแยกที่ชัดเจนภายในอุปกรณ์ได้ เหมือนกับของเหลวต่างๆ แม้ว่าอุปกรณ์จะเอียง ระนาบแยกนั้นก็ยังคงอยู่ในแนวนอนเช่นเดิม ； ความลดลงของแรงดันในชั้นทรายไม่เปลี่ยนแปลงตามอัตราการไหล (แทบจะไม่เปลี่ยนเลย) พูดง่ายๆ ก็คือ ปรากฏการณ์ที่อนุภาคของแข็งมีพฤติกรรมคล้ายกับของเหลวภายใต้อิทธิพลของของเหลวนั้น เรียกว่า “สถานะไหล” เตียงไหลคืออุปกรณ์ที่ใช้สำหรับการเกิดสภาวะไหล ในเครื่องปฏิกรณ์แบบถังที่มีสถานะการไหลแบบฟลูอิไดซ์ ตัวเร่งปฏิกิริยาจะอยู่ในสถานะการไหลแบบเดือด โดยถูกพาให้เคลื่อนที่ผ่านเครื่องปฏิกรณ์อย่างรวดเร็วโดยสารที่ใช้ในการปฏิกิริยาและสารที่ใช้ในการขนส่ง อย่างเช่นในเครื่องปฏิกรณ์แบบท่อขนส่งของ FCC เตียงส่งกำลัง: อนุภาคของแข็งไม่มีพื้นผิวที่ชัดเจนภายในอุปกรณ์ ； ความดันในชั้นตะกอนจะลดลงเมื่ออัตราการไหลเพิ่มขึ้น เตาปฏิกิริยาแบบเตียงเดือดเป็นชนิดหนึ่งของเตาปฏิกิริยาแบบเตียงที่มีการไหลของสาร โดยสารแข็งจะเคลื่อนที่อยู่ภายในเตาปฏิกิริยา และชั้นของสารไหลกับอนุภาคสารแข็งก็จะมีลักษณะคล้ายกับของเหลวที่กำลังเดือด บริเวณด้านล่างของเตาปฏิกิริยาจะมีแผ่นกระจายสารอยู่ โดยมีอนุภาคสารแข็งวางอยู่บนแผ่นนั้น สารไหลจะถูกส่งเข้ามาจากด้านล่างของแผ่นกระจายสาร เมื่อความเร็วของสารไหลถึงค่าหนึ่ง อนุภาคสารแข็งก็จะเริ่มเคลื่อนที่ได้ และเมื่อเพิ่มความเร็วของสารไหลอีก อนุภาคสารแข็งก็จะเข้าสู่สภาวะการไหลได้ ภายในเตาปฏิกิริยามักจะมีอุปกรณ์ต่างๆ เช่น แผ่นกั้น ตัวแลกเปลี่ยนความร้อน และอุปกรณ์สำหรับแยกสารไหลออกจากอนุภาคสารแข็ง เตาปฏิกิริยาแบบเตียงเดือดมีพื้นที่สัมผัสที่มาก ทำให้มีประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อนและสารสูง และมีอัตราผลิตต่อเวลาที่สูง แต่ก็มีปัญหาเรื่องการปนเปื้อนของสารด้วย เตาแบบเตียงเดือดมีข้อดีตรงที่สารของแข็งอยู่ในสภาพเคลื่อนที่ ทำให้การเกิดปฏิกิริยาหรือการถ่ายเทความร้อนมีประสิทธิภาพดี แต่ก็มีข้อเสียคือใช้พลังงานมาก และยังมีฝุ่นละอองจำนวนมากเกิดขึ้นในระหว่างการปรับความชื้นของถ่านหินอีกด้วย เตียงเคลื่อนที่: เตียงเคลื่อนที่มีลักษณะคล้ายกับเตียงคงที่ แต่ต่างกันตรงที่อนุภาคของแข็งจะถูกเติมเข้ามาจากด้านบนอย่างต่อเนื่อง และถูกขับออกมาจากด้านล่าง เตียงเคลื่อนที่คืออุปกรณ์สำหรับการแลกเปลี่ยนไอออน โดยมีการเคลื่อนย้ายเรซินสำหรับการแลกเปลี่ยนไอออนไปมาระหว่างเครื่องแลกเปลี่ยนไอออน เครื่องฟื้นฟูเรซิน และหอล้างอย่างเป็นวัฏจักร ความแตกต่างระหว่างเตาปฏิกิริยาแบบเคลื่อนที่กับเตาปฏิกิริยาแบบคงที่ก็คือ ในกระบวนการปฏิกิริยา ตัวเร่งปฏิกิริยาจะเคลื่อนที่ช้าๆ จากทางเข้าไปยังทางออกของเตาปฏิกิริยา ส่วนตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ (หรือตัวเร่งปฏิกิริยาที่ผ่านการฟื้นฟูแล้ว) จะเข้ามาทางทางเข้าของเตาปฏิกิริยา ส่วนตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้งานไม่ได้แล้วจะถูกขับออกมาทางทางออกของเตาปฏิกิริยา เพื่อนำไปฟื้นฟูต่อไป ความเร็วในการเคลื่อนที่ของตัวเร่งปฏิกิริยาค่อนข้างช้า จึงยังไม่ถึงสภาวะการไหล เช่น เครื่องปฏิกรณ์แบบเตียงเคลื่อนที่ในกระบวนการปรับโครงสร้างโมเลกุลแบบต่อเนื่องของ UOP และ IFP ความแตกต่าง: เตาปฏิกรณ์แบบเตียงคงที่สามารถจัดการกับถ่านหินที่มีปริมาณเถ้าสูง และมีจุดหลอมเถ้าสูงได้ มีต้นทุนการลงทุนต่ำ แต่มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมมาก… เตาปฏิกรณ์แบบกระแสอากาศให้ผลผลิตสูงสุด แต่ก็มีข้อกำหนดเกี่ยวกับชนิดของถ่านหินด้วย ； ปัจจุบันไม่สามารถเพิ่มความดันในเตียงซัลไฟด์ได้ ทำให้การนำไปใช้งานมีข้อจำกัด สิ่งที่สำคัญที่สุดในเตียงทั้งสามประเภทนี้ก็คือการออกแบบโครงเตียง ปัจจุบันในประเทศไทย การออกแบบโครงเตียงส่วนใหญ่จะอาศัยการประมาณค่าจากประสบการณ์และการทดลองจำลอง ซึ่งเมื่อนำไปใช้ในการผลิตจริง มักจะมีข้อบกพร่องมากมาย ความแตกต่างหลักของพวกมันขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ในการใช้งาน และลักษณะของวัสดุ ไม่ว่าจะเป็นกระบวนการทางฟิสิกส์หรือกระบวนการทางเคมีก็ตาม เตียงแบบคงที่และเตียงแบบเคลื่อนที่เหมาะสำหรับปฏิกิริยาชนิดก๊าซ-ก๊าซ ก๊าซ-ของเหลว และของเหลว-ของเหลว โดยเตียงเหล่านี้จะทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาไปในตัว ข้อดีคือมีการปนเปื้อนของสารน้อย มีการนำสารในสถานะของแข็งออกมาน้อย และการแยกสารก็ทำได้ง่าย รูปแบบของแผ่นที่ใช้ในเตาไหลเป็นสิ่งสำคัญมากในการออกแบบ โดยจำเป็นต้องมีความเหมาะสมกับระบบการเกิดปฏิกิริยาด้วย นอกจากนี้ ความเร็วของกระแสอากาศในระหว่างการทำงาน ปริมาณที่ถูกพัดพาออกมา รวมถึงการออกแบบอุปกรณ์แยกต่างๆ เช่น ไอน้ำหมุน ก็มีข้อกำหนดที่เข้มงวดเช่นกัน การถ่ายเทความร้อนในเตียงไหล รวมถึงมาตรการในการทำลายฟองอากาศและการไหลของของเหลว ก็เป็นหัวข้อที่มีการศึกษากันอย่างมากเช่นกัน สิ่งที่ต้องระวังในเตาแบบฟลูอิไดซ์คือไม่ให้ตัวกระจายก๊าซอุดตัน เพราะถ้าอุดตันจะสร้างปัญหาใหญ่มาก การแบ่งประเภทของเตียงกึ่งถาวร เตียงเคลื่อนที่ และเตียงเดือดนั้น ขึ้นอยู่กับปริมาณอากาศที่ถูกส่งเข้าไปในชั้นวัสดุ โดยยิ่งปริมาณอากาศเพิ่มขึ้น ก็จะเปลี่ยนจากเตียงกึ่งถาวร เป็นเตียงฟองอากาศ (เตียงเดือด) ต่อมาเป็นเตียงที่มีการไหลเวียนของอากาศ และสุดท้ายคือเตียงที่มีการส่งวัสดุไปมา ในความหมายที่แท้จริงแล้ว ถังเคลื่อนที่จัดอยู่ในประเภทของถังแบบไหลเวียน เป็นระบบที่อนุภาคต่างๆ เคลื่อนที่ลงมาด้านล่าง โดยความสูงของชั้นอนุภาคยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ตัวอย่างเช่น กระบวนการปรับโครงสร้างโมเลกุลด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาในอุตสาหกรรมการกลั่นน้ำมัน ก็ถือเป็นตัวอย่างของกระบวนการถังเคลื่อนที่ได้เช่นกัน ส่วนในเรื่องขอบเขตการนำไปใช้และข้อดีข้อเสียนั้น โดยรวมแล้วเทคโนโลยีถังไหลมีคุณสมบัติที่ดีในด้านการถ่ายโอนมวลและการถ่ายโอนความร้อน รวมถึงความสม่ำเสมอของกระบวนการต่างๆ นอกจากนี้ยังสามารถนำไปใช้ในขนาดการผลิตที่ใหญ่ได้ จึงถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลาย เช่น กระบวนการแปลงก๊าซธรรมชาติให้เป็นเชื้อเพลิง หรือกระบวนการเผาไหม้ต่างๆ ที่พัฒนาขึ้นจากเทคโนโลยีถังไหล เตาแบบแผ่นฐานคงที่และเตาแบบแผ่นฐานเคลื่อนที่มีข้อจำกัดด้านการถ่ายโอนมวลและความร้อน ทำให้สามารถใช้งานได้ในขนาดเล็กเท่านั้น แต่ก็มีต้นทุนการลงทุนที่ต่ำ ตัวอย่างเช่น เทคโนโลยีการแปรสภาพก๊าซธรรมชาติให้เป็นก๊าซชนิดต่างๆ ของบริษัทลูชี่ ก็เป็นตัวอย่างของเตาแบบแผ่นฐานคงที่ โดยปกติแล้วจะต้องใช้เตาหลายเครื่องทำงานสลับกันเพื่อให้กระบวนการดำเนินไปอย่างต่อเนื่อง