Nitrogen gas blanketing [EP.2]: การออกแบบ Design Volume ของ Nitrogen

จาก EP1 ที่นายช่างได้ปูพื้นฐานของ“ระบบการปกคลุมด้วยแก๊สไนโตรเจน (Nitrogen/inert gas blanketing)” ในโรงงานอุตสาหกรรมในวันนี้จึงมาต่อยอดในเรื่องการออกแบบของระบบนี้ ซึ่งนายช่างเองเคยได้ออกแบบมาแล้ว และ พบว่าไม่มีเว็บไซต์ไหนอธิบายขั้นตอนการออกแบบระบบนี้เลย เพื่อเป็นประโยชน์กับทุกคนเพื่อให้คนที่อยากเข้าใจว่าการกำหนด Flow N2 และ Setting pressure มาได้อย่างไร ผมจึงขอแชร์ความรู้สำหรับการออกแบบระบบปกคลุมแก๊สไนโตรเจนตาม standard ของ API2000 edition ที่ 7 ซึ่งเป็นฉบับที่ใช้กันในปัจจุบัน ซึ่งเป็น Engineering standard สำหรับ Design nitrogen blanket capacity

กลับไปอ่านบทความที่เกี่ยวข้อง

ระบบการปกคลุมด้วยแก๊สไนโตรเจน (Nitrogen/Inert Gas Blanketing) [EP:01]

การพิจารณาขั้นพื้นฐาน (Basic consideration)

ขนาดของ regulator จะถูกอกกแบบให้มี Size สอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงความดันภายในถัง ซึ่งความดันที่เปลี่ยนแปลงภายในถังจะเกิดจาก

1. การปั๊มของเหลวเข้าและออก
2. การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

นอกจากนี้ถังสารเคมีจะแบ่งออกเป็น 2 ระบบ คือ non-refrigerated tank (ถังบรรจุของเหลวที่มีอุณหภูมิสูงกว่าบรรายากาศภายนอก) และ Refrigerated tank (ถังบรรจุของเหลวที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าบรรายากาศภายนอก) แต่ไม่ว่าจะเป็นถังประเภทไหนก็จะมี Concept การออกแบบเหมือนกัน แต่จะแตกต่างกันที่สูตรการคำนวณ (ใน API2000 มีบอกอยู่แล้ว)

สำหรับการคำนวณอัตราการไหลของแก๊สไนโตรเจนที่ต้องใช้ ถ้าเป็นหน่วย SI จะใช้หน่วย Nm3/h (อ่านว่า Normal cubic meter per hour) เป็นสภาวะมาตรฐานที่อ้างอิงจากสถานะของแก๊สที่ความดัน 1.01325 barg และอุณหภูมิ 0 ^oC  แต่ถ้าใช้หน่วยอังกฤษจะใช้อัตราการไหลในหน่วย SCFH (อ่านว่า Standard cubic foot per hour) อ้างอิงจากสถานะของแก๊สที่ความดัน 1.01325 barg และอุณหภูมิ 15 ^oC  แต่ผมถนัดหน่วย SI ครับ

ขั้นตอนการออกแบบNitrogen Regulator

1. คำนวณ Outbreathing rate ของ Liquid transfer effect (pump-in) แบ่งออกเป็น 2 กรณีคือ

1.1 Non-volatile liquid คือของเหลวในถังที่มีความดันไอ (Vapor pressure) ไม่เกิน 5 kPa

Outbreathing rate (V_OP)  ที่เกิดจาก Pump-in จะคำนวณได้จาก อัตราการไหลสูงสุดของปั๊มที่    Pump-in ดังสมการ (1)

1.2 Volatile liquid คือของเหลวในถังที่มีความดันไอ (Vapor pressure) เกิน 5 kPa

Outbreathing rate (V_OP)  ที่เกิดจาก Pump-in จะคำนวณได้จาก 2 เท่าของอัตราการไหลสูงสุดของปั๊มที่    Pump-in ดังสมการ (3)

2.คำนวณ Inbreathing rate ของ Liquid transfer effect (pump-out)

Inbreathing rate (V_IP)  ที่เกิดจาก Pump-out จะคำนวณได้จาก อัตราการไหลสูงสุดของปั๊มที่    Pump-out ดังสมการ (5)

3. คำนวณ Outbreathing rate ของ Thermal effect (อุณหภูมิภายนอกร้อน Vapor ในถังขยายตัว)

จาก EP1 เรื่อง Thermal effect จะมากหรือน้อยจะขึ้นกับ Location , ความหนาของฉนวนที่หุ้มถัง รวมไปถึงขนาดของ Tank Thermal outbreathing rate สามารถคำนวณจากสมการที่ (7)

ในสูตรจะมี Y-factor ที่ขึ้นอยู่กับ Location ว่าตั้งอยู่ที่เส้นละติจูดกี่องศา (เปิด GPS ดูเอา อิอิ) โดยประเทศไทยสูงสุดก็ยังใงก็ต่ำกว่า 42 ^o latitude

ในส่วนของปริมาตรถังเราจะคิดที่ 100% ส่วนเรื่องฉนวนที่สามารถกันความร้อน (Ri)  ถ้าไม่มีฉนวน Ri =1 แต่ถ้ามีฉนวนจะคำนวณจากสมการที่ 11

4. คำนวณ Inbreathing rate ของ Thermal effect (อุณหภูมิภายนอกเย็น Vapor ในถังหดตัว)

Thermal inbreathing rate สามารถคำนวณจากสมการที่ (9)

ค่า Ri ใช้ค่าเดิมที่เราคำนวณจากข้างบน ส่วน C-Factor จะเปิดดูจาก Table 2

สำหรับการคำนวณโดยทั่วไปจะคำนวณดังนี้

N2 feed flow rate (Nm³/h) = Total Inbreathing rate (Nm³/h)  – Total Outbreathing rate (Nm³/h) (คิดทั้งหมด จะใช้ N₂ gas ไม่มากเมื่อเทียบกับอีก case)

จากสมการเมื่อหักลบกันแล้วจะเป็นflow ที่อากาศจากภายนอกจะถูกดูดเข้ามาในถัง ดังนั้น เพื่อป้องกันอากาศเข้า  อัตราการไหลที่คำนวณได้จะต้องเป็น Minimum nitrogen flow rate 

แต่ถ้าเป็นถังประเภท Refrigerated tank (ถังบรรจุของเหลวที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าบรรายากาศภายนอก) หรือสารเคมีที่ต้องการความชัวร์ (เปลืองแก๊สไนโตรเจน แต่มั่นใจเรื่องการป้องกันอากาศเข้าถัง)  สามารถคำนวณจาก

N2 feed flow rate (Nm³/h) = Total Inbreathing rate (Nm³/h)  

เมื่อได้ Capacity ของ Regulator แล้ว ก็ต้องมาเลือก Set Pressure ที่เหมาะสมตามชนิดของ Regulator

 โดยใน API2000 มี guideline คร่าวๆดังนี้

ตัวอย่างเช่น ถ้าที่โณงงานเลือกใช้ Valve แบบ Pilot operated valve เราจะต้อง Set pressure +/- 5 mbarg ขึ้นไป

โดยจะ Set เท่าไร ต้องไป Match กับ N2 flow rate (อันนี้จะเป็นหน้าที่ของ Supplier ที่ขาย valve) เช่น เราคำนวณ Flow ได้ 400 Nm³/h vendor ก็จะเอา Catalog ที่Flow อยู่ในช่วงที่เราคำนวณแต่ Set pressure ให้อยู่ในเกณฑ์ นอกจากนี้ต้องไม่เกิน Design pressure ที่ tank จะรับไหวด้วย

แล้วพบกับสาระความรู้ทางด้านงานช่าง และงานวิศวกรรมได้ในโพสถัดๆไปนะครับ

Website: www.naichangmashare.com
Facebook: https://www.facebook.com/naichangmashare/
Youtube: https://www.youtube.com/channel/UCmIPiSeg-uy4k8JYSmknp_g
Instragram: https://www.instagram.com/naichangmashare/
Twitter: https://twitter.com/naichangmashare

#นายช่างมาแชร์