การออกแบบระบบการควบแน่น

หลักการออกแบบ

การควบแน่นคือ การเพิ่มความดันหรือ ลดอุณหภูมิให้ไอระเหยกลายเป็นของเหลว เพื่อลดการแพร่กระจายของกลิ่น การควบแน่นจะมีประสิทธิภาพและได้ผลคุ้มค่าในการนำสารที่ควบแน่นได้มาใช้ใหม่ก็ต่อเมื่อมีความเข้มข้นสูงเพียงพอ โดยควรมีความเข้มข้นประมาณ 5000 ppm ตัวอย่างที่ใช้ได้แก่ อากาศที่ดูดจากหม้อผสมสี เป็นต้น โดยทั่วไปการควบแน่นจะใช้เครื่องทำความเย็น และค่าใช้จ่ายส่วนใหญ่จะเป็นค่าไฟฟ้า

          ในการออกแบบระบบควบแน่นจำเป็นต้องผ่านอากาศผ่านคอยล์เย็นหรืออุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน สารบางชนิด เช่น อะซีโตน สามารถควบแน่นได้แม้ที่อุณหภูมิห้อง ในบางครั้งอาจมีการใช้ความดันช่วยในการควบแน่น หลักการออกแบบเบื้องต้นอธิบายดังนี้

  1. อากาศที่จะเข้าระบบนี้ต้องเป็นสารที่ควบแน่นได้ที่อุณหภูมิที่เหมาะสม โดยขึ้นกับคุณสมบัติของสาร ดังแสดงในตารางคุณสมบัติของสารที่สามารถใช้ระบบควบแน่นได้ เช่น อะซีโตน มีจุดเดือดที่ 134 องศาฟาเรนไฮต์ (ประมาณ 57°C) เพียงแค่ลดอุณหภูมิให้ต่ำกว่านี้อาจควบแน่นเป็นของเหลว สารที่มีจุดเดือดต่ำกว่านี้ก็มี เช่น บิวเทน (ประมาณ 0°C) แต่การที่สารจะควบแน่นนั้นไม่ได้ขึ้นกับการลดอุณหภูมิเพียงอย่างเดียว แต่ขึ้นกับความดันไอ (Vapour Pressure) ด้วย กล่าวคือหากมีความเข้มข้นยิ่งสูง และอุณหภูมิยิ่งต่ำ การควบแน่นย่อมเป็นไปได้ดี ดังนั้นสารที่มีจุดเดือดสูง เช่น เบนซีน มีจุดเดือดที่ 176 องศาฟาเรนไฮต์ (ประมาณ 80°C) จะต้องมีความเข้มข้นที่ทำให้เกิดความดันไอของเบนซีนในอากาศสูงกว่า 10 มม.ปรอท จึงจะควบแน่นได้ที่อุณหภูมิอากาศ 0°C กราฟข้างล่างแสดงถึงความสัมพันธ์ดังกล่าว และเป็นข้อมูลที่สำคัญที่สุดในการออกแบบ จะเห็นว่าส่วนมากจะต้องใช้การทำความเย็นเข้าช่วยทำให้เกิดการควบแน่น
  2. อากาศที่เข้ามาตอนแรกต้องทำให้เย็น โดยลดอุณหภูมิให้เหลือประมาณ 0-1°C เพื่อให้น้ำในอากาศควบแน่นออกมาเป็นหยดน้ำ น้ำที่ควบแน่นนี้อาจมีสารระเหยที่มีกลิ่นละลายหรือปนมาบ้าง ให้ส่งไปถังที่ปล่อยให้แยกชั้น (หากสารแยกจากน้ำได้) ที่เรียกว่า Decanter ที่ต้องแยกน้ำออกก่อนเพราะน้ำมีอยู่ทั่วไปในอากาศ และไม่ต้องการให้ไปปนเปื้อนกับสารที่ต้องการควบแน่น ในกรณีที่สารนั้นมีคุณสมบัติในการควบแน่นที่อุณหภูมิสูงกว่า 0°C ก็ไม่ต้องผ่านขั้นตอนนี้ เพราะการควบแน่นย่อมเกิดที่อุณหภูมิที่สูงกว่าน้ำ
  3. เครื่องทำความเย็นที่ใช้มีหลักการเหมือนที่ใช้ในตู้เย็น โดยอากาศที่มีกลิ่นจะไหลผ่านคอยล์เย็น และเมื่ออุณหภูมิลดลงจนถึงจุดที่ควบแน่นก็จะกลั่นตัวเป็นของเหลวที่อาจนำไปใช้ใหม่ได้ ข้อมูลที่ต้องการในการออกแบบได้แก่ ปริมาณการไหลของอากาศที่ส่งมาบำบัด (ลบ.เมตร หรือ ลบ.ฟุต/วินาทีหรือนาที) อุณหภูมิอากาศที่ปนเปื้อนนี้ (เซลเซียส) ความร้อนแฝง (Heat of Condensation) ของสารที่มีกลิ่น (ดูข้อมูลจากตาราง) และความเข้มข้น หรือความดันไอของสารนั้นในอากาศที่ส่งมาบำบัดมีหน่วยเป็น ppm ข้อมูลสำหรับสารแต่ละชนิดสามารถค้นหาได้จากเอกสารอ้างอิงทางวิศวกรรมเคมี หรือค้นจาก Website ใน http://webbook.nist.gov/chemistry/name-ser.html แล้วเลือกสารเคมีที่ต้องการ เลือกดูข้อมูลเกี่ยวกับ Phase Change, Condensed Phase
  4. คำนวณความร้อนที่ต้องเอาออกจากอากาศปนเปื้อน (บีทียู/ชั่วโมง) โดยต้องทำให้อากาศเย็นจนถึงอุณหภูมิที่ต้องการ เช่นในกรณีของเบนซีน จะต้องมีความเข้มข้นที่ทำให้เกิดความดันไอของเบนซีนในอากาศสูงกว่า 10 มม.ปรอท จึงจะควบแน่นได้ที่อุณหภูมิอากาศ 0°C โดยจะต้องคำนึงถึงความร้อนจำเพาะของอากาศ ไอน้ำในอากาศ และความร้อนแฝงในการทำให้สารและน้ำในอากาศเป็นของเหลว โดยมีขั้นตอนต่อไปนี้

    คำนวณหาความดันไอของสารขาออก (Pvoc) เป็น มม.ปรอท

    Pvoc = 760 (ปริมาณสารขาออก/(ปริมาณสารขาเข้า – ปริมาณสารที่ควบแน่นได้ หรือต้องการให้ควบแน่น))

    หน่วยของปริมาณสารคิดเป็นโมล

    แทนค่าในสูตรของ Antoine เพื่อหาอุณหภูมิที่จำเป็นในการควบแน่น

    ค่า A, B, C เป็น Antoine's Constants สำหรับสารนั้นๆที่ต้องเปิดหาข้อมูลจาก Website หรือจากเอกสารอ้างอิง Tcon คืออุณหภูมิที่จำเป็นในการควบแน่น (°C)

    สูตรหาอัตราที่มวลสารเข้าระบบ ได้จาก

    เมื่อ Q เป็นอัตราการไหลของอากาศเป็น ลบ.ฟุตต่อนาทีที่มาตรฐาน 70 ฟาเรนไฮต์

    และ y เป็น Volume Fraction ของสาร VOC

    คำนวณความร้อนที่ต้องใช้ในการควบแน่น เป็นบีทียู ต่อชั่วโมงโดยสมการ

    ค่า M เป็นมวลของสาร VOC ที่ควบแน่น C เป็น molar heat capacity ส่วน Hvoc เป็น molar heat of condensation โดย

    T2 และ T1 เป็นอุณหภูมิในเครื่องควบแน่นและก่อนเข้าตามลำดับ มีหน่วยเป็นองศา R (คือองศาฟาเรนไฮต์ บวกด้วย 460) ส่วน Tc เป็น Critical Temperature มีหน่วยเป็นองศา R เช่นกัน

    ความเย็นอีกส่วนที่ต้องคำนวณคือที่ใช้ทำให้อากาศเย็นลง ได้จาก

    เมื่อ Q เป็นอัตราการไหลของอากาศเป็น ลบ.ฟุต/นาที Mvoc เป็นอัตราการเข้ามาในระบบของ VOC หน่วยเป็นโมลต่อนาที

    ส่วน Cp เป็นความร้อนจำเพาะของอากาศ (Specific Heat of Air) ส่วน Tin และ Tcon เป็นอุณหภูมิขาเข้าและในเครื่องควบแน่นตามลำดับ หน่วยเป็นฟาเรนไฮต์

ตัวอย่างการคำนวณของระบบควบแน่น

          ต้องการควบแน่นอากาศปริมาณ 100 ลบ.ฟุตต่อนาที อากาศนี้มีอะซีโตน 37,500 ppm อุณหภูมิ 30°C ต้องการประสิทธิภาพให้ควบแน่นได้ 90 เปอร์เซ็นต์ของสารที่เข้ามา และจะใช้สารทำความเย็น Ethylene Glycol
          ข้อมูลที่ต้องสืบค้นเฉพาะสารอะซีโตน Ethylene Glycol และอากาศ ประกอบด้วย

          ข้อมูลเหล่านี้เปิดหาใน http://webbook.nist.gov/chemistry/name-ser.html แล้วเลือกสารเคมีที่ต้องการ เลือกดูข้อมูลเกี่ยวกับ Gas Phase, Phase Change, Condensed Phase

การคำนวณในที่นี้จะใช้หน่วยแบบอังกฤษ เพราะระบบทำความเย็นมักใช้คำนวณเป็น บีทียู แต่จะใช้ระบบใดก็เปลี่ยนหน่วยได้

1. คำนวณหาความดันไอขาออกของาสารอะซีโตน โดยทราบว่าจะออกไปร้อยละ 10 ของขาเข้า

2. คำนวณหาอุณหภูมิที่ต้องการให้เป็นในเครื่องควบแน่น

3. คำนวณหาอัตรามวลสารอะซีโตนขาเข้า ขาออก และที่ถูกควบแน่นตามลำดับ

4. คำนวณหาอุณหภูมิ Critical Temperature ก่อนและหลังเครื่องควบแน่นคือ

5. คำนวณหาความร้อนที่ต้องเอาออกเพื่อให้อะซีโตนควบแน่น

6. คำนวณโดยคิดเป็นต่ออัตราการเข้าระบบจริง

7. คำนวณค่าความร้อนที่ทำให้อากาศเย็นลง

รวมแล้วจะได้ 79,210 บวก 4,654 เป็น 83,864 บีทียูต่อชั่วโมง ควรมีการเพิ่มค่าให้มากขึ้นไว้สำหรับค่าปลีกย่อยที่ไม่ได้ คำนวณเช่น การสูญเสียความเย็นจากการแผ่รังสีความร้อน ท่อ อีกประมาณร้อยละ 10 ก็น่าจะได้ขนาดของเครื่องที่เหมาะสม

รูปที่ 20 แผนภูมิขั้นตอนการควบแน่นของสารระเหยในอุตสาหกรรม
ที่มา : US EPA, EPA Air Pollution Cost Control Manual, 6 th Ed US EPA, Research Triangle Park , NC , USA , January 2002

 

ตารางที่ 10 คุณสมบัติที่ใช้ในการควบแน่นของสารเคมีที่ใช้ในในอุตสาหกรรม

ที่มา : US EPA, EPA Air Pollution Cost Control Manual, 6 th Ed US EPA, Research Triangle Park, NC, USA, January 2002

รูปที่ 21 แผนภูมิของความดันไอของสารประกอบที่อุณหภูมิต่างๆ
ที่มา : US EPA, EPA Air Pollution Cost Control Manual, 6 th Ed US EPA, Research Triangle Park, NC, USA, January 2002


ตารางที่ 11 ค่าคงที่ Antoine Coefficient ของสารประกอบ

ที่มา : Lange's Handbook of Chemistry (12 th edition).

 

| หน้าแรก |การบำบัดกลิ่น | เลือกวิธีการบำบัด | ระบบสาธิต | อภิธานศัพท์ | ค้นหา | Site Map | ผู้จัดทำ |
กรมควบคุมมลพิษ กระทรวงทรัพยากรธรรมชาติและสิ่งแวดล้อม