เครื่องดูดสุญญากาศแบบไอน้ำ (Steam Ejector) ทำงานอย่างไรในระบบสุญญากาศสำหรับกระบวนการผลิต?

ในโลกของการสร้างสุญญากาศสำหรับอุตสาหกรรม สตีมอีเจ็คเตอร์ เครื่องดูดสุญญากาศแบบไอน้ำ (Steam Ejector) ถือเป็นหนึ่งในอุปกรณ์ที่เชื่อถือได้และมีโครงสร้างทางกลเรียบง่ายที่สุดซึ่งวิศวกรด้านกระบวนการสามารถเลือกใช้ได้ ต่างจากเครื่องจักรที่หมุน ตัวเครื่องไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว จึงต้องการการบำรุงรักษาน้อยมาก และสามารถรองรับสภาวะการทำงานที่รุนแรงได้ เช่น ไอระเหยที่กัดกร่อน แก๊สที่ควบแน่นได้ และกระแสของไหลที่มีอุณหภูมิสูง การเข้าใจหลักการทำงานของอุปกรณ์นี้ภายในระบบสุญญากาศสำหรับกระบวนการผลิต จึงเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับผู้ที่รับผิดชอบในการออกแบบ การปฏิบัติงาน หรือการปรับแต่งประสิทธิภาพของแอปพลิเคชันสุญญากาศในอุตสาหกรรมต่าง ๆ ทั้งการกลั่นน้ำมัน การแปรรูปสารเคมี การผลิตยา และการผลิตอาหาร

หลักการทำงานของ สตีมอีเจ็คเตอร์ มีรากฐานมาจากการไหลของของไหลขั้นพื้นฐานและเทอร์โมไดนามิกส์ โดยเฉพาะการเปลี่ยนพลังงานความดันให้เป็นพลังงานความเร็ว ตามด้วยการถ่ายโอนโมเมนตัมระหว่างของไหลที่มีพลังงานสูง (motive fluid) กับกระแสที่ดูดเข้ามาภายใต้ความดันต่ำ (suction stream) เมื่อออกแบบและผสานเข้ากับระบบสุญญากาศในกระบวนการอย่างเหมาะสม ตัวขับไล่ไอน้ำ (steam ejector) สามารถสร้างสภาวะสุญญากาศได้ในช่วงตั้งแต่ไม่กี่มิลลิบาร์สัมบูรณ์ ลงไปจนถึงเศษส่วนของมิลลิบาร์เมื่อจัดวางเป็นแบบหลายขั้นตอน (multi-stage arrangements) บทความนี้จะอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับหลักการทำงานของตัวขับไล่ไอน้ำ ปัจจัยที่ควบคุมประสิทธิภาพของมัน และวิธีการประยุกต์ใช้มันภายในระบบร่วมสุญญากาศในกระบวนการโดยรวม

กลไกการดำเนินงานหลักของอุปกรณ์ขับดันไอน้ำ

การขยายตัวของไอน้ำขับเคลื่อนผ่านหัวฉีด

การดำเนินงานของเครื่องดูดไอน้ำแบบสตรีม (steam ejector) เริ่มต้นที่หัวฉีดไอน้ำขับเคลื่อน ซึ่งเป็นช่องทางแบบแคบลงแล้วค่อยบานออก (convergent-divergent) ที่ผ่านการกลึงอย่างแม่นยำ ตามหลักการออกแบบหัวฉีดเดอลาวาล (De Laval nozzle) ไอน้ำขับเคลื่อนความดันสูงไหลเข้าสู่หัวฉีดนี้ และเกิดการขยายตัวแบบไอโซเอนโทรปิก (isentropic expansion) ส่งผลให้ความเร็วเพิ่มขึ้นจากความเร็วต่ำกว่าความเร็วเสียง (subsonic) ไปเป็นความเร็วสูงกว่าความเร็วเสียง (supersonic) ขณะผ่านบริเวณคอหัวฉีด (throat) และเข้าสู่ส่วนที่บานออก (diverging section) ลำของไอน้ำที่ได้จึงพุ่งออกจากหัวฉีดด้วยความเร็วที่อาจสูงกว่าหลายร้อยเมตรต่อวินาที พร้อมกับลดลงอย่างมากของความดันสถิต (static pressure) ที่ระนาบปลายออกของหัวฉีด

ความดันสถิตต่ำที่เกิดขึ้นที่ทางออกของหัวฉีดคือสิ่งที่สร้างผลการดูดซึ่งดึงก๊าซหรือไอจากกระบวนการเข้าสู่ตัวเครื่องอีเจกเตอร์ รูปทรงเรขาคณิตของหัวฉีดไอน้ำขับเคลื่อนไม่ได้ถูกออกแบบแบบสุ่ม — แต่ถูกออกแบบมาอย่างเฉพาะเจาะจงเพื่อให้สอดคล้องกับอัตราส่วนความดันในการทำงานระหว่างแหล่งจ่ายไอน้ำขับเคลื่อนกับความดันสุญญากาศที่ต้องการ ความเบี่ยงเบนใดๆ ของความดันไอน้ำขับเคลื่อนจากเงื่อนไขการออกแบบจะส่งผลให้สภาวะที่ทางออกของหัวฉีดเปลี่ยนแปลงไป และส่งผลกระทบโดยตรงต่อประสิทธิภาพการดูดของอีเจกเตอร์ไอน้ำ

วิศวกรผู้รับผิดชอบในการเลือกอีเจกเตอร์ไอน้ำจึงจำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าแหล่งจ่ายไอน้ำขับเคลื่อนมีความเสถียร ระบายน้ำควบแน่นออกได้อย่างเหมาะสม และจัดส่งไอน้ำในความดันและอุณหภูมิที่ถูกต้อง ไอน้ำขับเคลื่อนที่มีความชื้นหรือมีอุณหภูมิสูงเกินกว่าขอบเขตการออกแบบอาจก่อให้เกิดการกัดเซาะบริเวณคอของหัวฉีด หรือทำให้ลำของไหลเหนือเสียงไม่เสถียร ซึ่งทั้งสองกรณีล้วนลดประสิทธิภาพสุญญากาศลงอย่างมีนัยสำคัญ

การพัดพาเข้าไปพร้อมกันและการถ่ายโอนโมเมนตัมภายในห้องผสม

เมื่อเจ็ตไอน้ำขับเคลื่อนซุปเปอร์โซนิกไหลออกจากหัวฉีด มันจะเข้าสู่ห้องผสมของตัวเครื่องไอจีเตอร์ไอน้ำ ที่นี่ เจ็ตไอน้ำที่มีความเร็วสูงจะดึงก๊าซที่ถูกดูดเข้ามาจากระบบกระบวนการ ซึ่งไหลเข้าสู่ห้องผสมผ่านทางรูรับก๊าซดูดที่ความดันดูดตามการออกแบบ กลไกการดึงก๊าซนี้อาศัยแรงเสียดทานแบบหนืด (viscous shear forces) และการผสมแบบปั่นป่วน (turbulent mixing) ระหว่างเจ็ตไอน้ำที่มีโมเมนตัมสูงกับก๊าซที่ถูกดูดซึ่งเคลื่อนที่ช้ากว่า

ภายในห้องผสม โมเมนตัมจะถูกส่งผ่านจากไอน้ำขับเคลื่อนไปยังก๊าซกระบวนการที่ถูกดูดเข้ามา นี่เป็นกระบวนการที่ไม่เป็นอิโซเอนโทรปิก (non-isentropic) ซึ่งเกี่ยวข้องกับความไม่กลับคืนได้ (irreversibility) อย่างมีนัยสำคัญ แต่ผลลัพธ์สุทธิคือกระแสผสมที่รวมกันซึ่งไหลด้วยความเร็วระดับกลางระหว่างลำของไอน้ำขับเคลื่อนเดิมกับก๊าซที่ถูกดูดเข้ามา รูปทรงเรขาคณิตของห้องผสม — ได้แก่ ความยาว เส้นผ่านศูนย์กลาง และตำแหน่งของปลายทางออกของหัวฉีดเมื่อเทียบกับบริเวณคอ (throat) — มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งต่ออัตราการดูดเข้า (entrainment ratio) ซึ่งนิยามไว้ว่าเป็นอัตราส่วนของอัตราการไหลมวลของก๊าซที่ถูกดูดเข้าต่อหน่วยมวลของไอน้ำขับเคลื่อนที่ใช้ไป

อีเจกเตอร์ไอน้ำที่ออกแบบมาอย่างดีจะรักษาสมดุลระหว่างอัตราการดูดซับ (entrainment ratio) กับอัตราการบีบอัด (compression ratio) เพื่อให้สอดคล้องกับข้อกำหนดของกระบวนการ อัตราการดูดซับที่สูงขึ้นจะทำให้สามารถจัดการกับก๊าซที่ดูดเข้ามาได้มากขึ้นต่อกิโลกรัมของไอน้ำที่ใช้ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพในการดำเนินงานและต้นทุนพลังงาน วิศวกรกระบวนการมักประเมินเปรียบเทียบโครงสร้างอีเจกเตอร์ไอน้ำที่แข่งขันกัน โดยพิจารณาจากอัตราการดูดซับของแต่ละแบบภายใต้เงื่อนไขความดันดูดและแรงดันปล่อยตามการออกแบบ

การบีบอัดและการปล่อยในส่วนดิฟยูเซอร์

บทบาทของดิฟยูเซอร์แบบคอนเวอร์เจนต์-ไดเวอร์เจนต์

หลังจากไอน้ำขับเคลื่อนและก๊าซกระบวนการที่ถูกพัดพาไปพร้อมกันผสมกันในห้องผสม กระแสที่รวมกันนี้จะไหลเข้าสู่ส่วนดิฟฟิวเซอร์ของเครื่องฉีดไอน้ำ (steam ejector) ดิฟฟิวเซอร์เป็นช่องทางที่มีลักษณะขยายออก ทำหน้าที่ตรงข้ามกับหัวฉีด — คือ ชะลอความเร็วของกระแสที่ผสมกันซึ่งมีความเร็วสูง และเปลี่ยนพลังงานจลน์กลับคืนเป็นพลังงานความดัน การกู้คืนความดันนี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากกระแสที่ผสมกันจำเป็นต้องถูกปล่อยออกภายใต้ความดันที่สูงพอที่จะสามารถไหลต่อไปยังส่วนถัดไปได้ ไม่ว่าจะเป็นคอนเดนเซอร์ ขาบารอมิเตอร์ (barometric leg) หรือขั้นตอนถัดไปของระบบแบบหลายขั้นตอน (multi-stage system)

ตัวกระจายเริ่มต้นด้วยส่วนที่แคบลงซึ่งทำให้กระแสผสมเร่งความเร็วผ่านคลื่นกระแทกแบบปกติ (normal shock wave) ก่อน จากนั้นคลื่นกระแทกจะทำให้การไหลแบบซูเปอร์โซนิกชะลอตัวอย่างฉับพลันลงสู่ความเร็วแบบซับโซนิก กระบวนการเกิดคลื่นกระแทกนี้เป็นกระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ตามธรรมชาติ และเป็นสาเหตุสำคัญของความสูญเสียเชิงเทอร์โมไดนามิกภายในเครื่องจักรดูดไอน้ำ (steam ejector) หลังจากผ่านคลื่นกระแทกแล้ว กระแสผสมที่ขณะนี้ไหลด้วยความเร็วแบบซับโซนิกจะไหลต่อไปยังส่วนขยายของตัวกระจาย (diverging diffuser passage) ซึ่งการไหลจะชะลอตัวลงและแรงดันจะฟื้นตัวขึ้นผ่านการแปลงพลังงานจลน์ (velocity head) ไปเป็นแรงดันสถิต (static pressure) อย่างมีประสิทธิภาพค่อนข้างสูง

ความดันที่ปล่อยออกได้โดยขั้นตอนการฉีดไอน้ำแบบเดี่ยวมีข้อจำกัดจากอัตราส่วนการบีบอัดรวมที่อุปกรณ์สามารถรองรับได้โดยไม่เกิดภาวะการทำงานที่ไม่เสถียร หากความดันย้อนกลับที่กระทำต่อทางปล่อยเกินค่าวิกฤตสำหรับเงื่อนไขการปฏิบัติงานชุดหนึ่งๆ คลื่นกระแทกปกติจะเคลื่อนตัวไปข้างหน้าและในที่สุดจะออกจากตัวกระจาย (diffuser) ทำให้เครื่องฉีดไอน้ำสูญเสียแรงดูด — ภาวะนี้เรียกว่า 'break' หรือ 'surge' ดังนั้น ผู้ออกแบบระบบกระบวนการจึงจำเป็นต้องตรวจสอบให้มั่นใจเสมอว่าเงื่อนไขของส่วนที่อยู่ด้านท้าย (downstream) จะยังคงอยู่ภายในขอบเขตการดำเนินงานที่เสถียรของเครื่องฉีดไอน้ำ

การจัดเรียงแบบหลายขั้นตอนเพื่อสร้างสุญญากาศลึก

ขั้นตอนการฉีดไอน้ำแบบเดี่ยวหนึ่งขั้นตอนโดยทั่วไปสามารถให้อัตราส่วนการอัดได้ในช่วง 4:1 ถึง 10:1 ซึ่งจำกัดระดับสุญญากาศที่สามารถบรรลุได้ด้วยหน่วยเดียว สำหรับการใช้งานที่ต้องการความดันสุญญากาศต่ำกว่าประมาณ 25 มิลลิบาร์สัมบูรณ์ — เช่น การกลั่นภายใต้สุญญากาศลึก การทำแห้งแบบแช่แข็ง (freeze-drying) หรือการกำจัดอากาศออกจากของไหลในกระบวนการ — วิศวกรด้านกระบวนการจะจัดวางขั้นตอนการฉีดไอน้ำหลายขั้นตอนแบบอนุกรมกัน โดยมีคอนเดนเซอร์ระหว่างขั้นตอน

ในระบบอีเจกเตอร์ไอน้ำแบบหลายขั้นตอน ของไหลที่ปล่อยออกมาจากขั้นตอนแรกจะไหลเข้าสู่คอนเดนเซอร์ระหว่างขั้นตอน (inter-condenser) ซึ่งไอน้ำขับเคลื่อนจะถูกควบแน่นและแยกออกจากกระแสก๊าซ ก่อนที่ก๊าซที่ไม่สามารถควบแน่นได้ที่เหลืออยู่และไอของกระบวนการที่ยังคงค้างอยู่ทั้งหมดจะถูกดูดเข้าสู่ขั้นตอนที่สองของอีเจกเตอร์ไอน้ำ ขั้นตอนการควบแน่นนี้ช่วยลดภาระปริมาตรต่อขั้นตอนถัดไปอย่างมีนัยสำคัญ ส่งผลให้ประสิทธิภาพโดยรวมของระบบดีขึ้น และลดการใช้ไอน้ำขับเคลื่อนทั้งหมดลง ทั้งนี้ จำนวนขั้นตอนของอีเจกเตอร์ไอน้ำที่ใช้งานจะขึ้นอยู่กับระดับสุญญากาศที่ต้องการ ซึ่งอาจมีทั้งสอง สาม สี่ หรือแม้แต่ห้าขั้นตอน

เครื่องควบแน่นระหว่างขั้นตอน (inter-condensers) ในระบบสูญญากาศแบบไอน้ำหลายขั้นตอน (multi-stage steam ejector system) อาจเป็นแบบผิวสัมผัส (surface type) หรือแบบสัมผัสโดยตรงแบบบารอมิเตอร์ (direct-contact barometric type) เครื่องควบแน่นแบบบารอมิเตอร์มีโครงสร้างเรียบง่ายกว่าและมีต้นทุนต่ำกว่า แต่จำเป็นต้องมีแหล่งน้ำเพียงพอ และมีท่อน้ำแบบบารอมิเตอร์ (barometric leg) ที่มีความสูงเพียงพอเพื่อป้องกันไม่ให้น้ำล้นเข้าสู่ระบบ เครื่องควบแน่นแบบผิวสัมผัสช่วยให้สามารถนำน้ำควบแน่นกลับมาใช้ใหม่ได้ และมักถูกเลือกใช้เมื่อไอของกระบวนการมีคุณค่า มีอันตราย หรือไม่ควรสัมผัสกับน้ำหล่อเย็น การเลือกประเภทของเครื่องควบแน่นมีผลอย่างมากต่อทั้งต้นทุนการติดตั้งและประสิทธิภาพด้านเศรษฐศาสตร์ในการดำเนินงานของระบบสูญญากาศแบบไอน้ำ

ปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อประสิทธิภาพของระบบสูญญากาศแบบไอน้ำ

ความดันและคุณภาพของไอน้ำขับเคลื่อน

ประสิทธิภาพของเครื่องดูดไอน้ำแบบเจ็ต (steam ejector) มีความไวสูงต่อสภาวะของไอน้ำขับเคลื่อนที่จ่ายให้ หัวฉีดของเครื่องดูดไอน้ำแบบเจ็ตถูกออกแบบให้ใช้งานที่ความดันเข้าเฉพาะค่าหนึ่ง และการเบี่ยงเบนจากความดันออกแบบนี้จะส่งผลโดยตรงต่อสภาวะที่ทางออกของหัวฉีด จึงส่งผลต่อประสิทธิภาพในการดูดซับ (entrainment) และการอัด (compression) ด้วย การใช้งานเครื่องดูดไอน้ำแบบเจ็ตที่ความดันไอน้ำขับเคลื่อนต่ำกว่าค่าออกแบบ จะทำให้ความเร็วของลำไอน้ำลดลง การดูดซับอ่อนแอลง และความดันสุญญากาศที่สามารถสร้างได้สูงขึ้น — ซึ่งหมายความว่า ระบบสุญญากาศไม่สามารถบรรลุระดับการทำงานเป้าหมายได้

คุณภาพของไอน้ำก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน ไอน้ำขับเคลื่อนที่จ่ายให้กับเครื่องดูดไอน้ำแบบเจ็ตควรเป็นไอน้ำแห้งและอิ่มตัว หรือร้อนเกินเล็กน้อย (slightly superheated) โดยปราศจากหยดน้ำควบแน่นที่ปนมาด้วย ไอน้ำเปียก (wet steam) ก่อให้เกิดการกัดกร่อนบริเวณคอหัวฉีด (nozzle throat) เนื่องจากการกระแทกของหยดน้ำที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงต่อพื้นผิวโลหะ ส่งผลให้เส้นผ่านศูนย์กลางของคอหัวฉีดค่อยๆ ขยายใหญ่ขึ้น และทำให้ประสิทธิภาพสุญญากาศลดลงอย่างต่อเนื่องตามกาลเวลา ในทางปฏิบัติ ระบบที่มีขนาดเหมาะสมและได้รับการบำรุงรักษาอย่างถูกต้อง วาล์วจับฝน หรือตัวแยกควรติดตั้งไว้เสมอที่ด้านต้นทางของช่องรับไอน้ำแรงขับของเครื่องสูบสุญญากาศแบบไอน้ำ

องค์ประกอบของโหลดที่ดูดเข้า และก๊าซที่ไม่ควบแน่นได้

โหลดที่ดูดเข้าซึ่งเครื่องสูบสุญญากาศแบบไอน้ำต้องจัดการนั้นประกอบด้วยไอที่ควบแน่นได้และก๊าซที่ไม่ควบแน่นได้ ไอที่ควบแน่นได้ — โดยส่วนใหญ่คือไอของน้ำหรือตัวทำละลายอินทรีย์ — สามารถจัดการได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยคอนเดนเซอร์ระหว่างขั้นตอน (inter-condensers) ภายในระบบเครื่องสูบสุญญากาศแบบไอน้ำแบบหลายขั้นตอน ขณะที่ก๊าซที่ไม่ควบแน่นได้ เช่น อากาศ ไนโตรเจน คาร์บอนไดออกไซด์ และไฮโดรเจน จำเป็นต้องถูกอัดและปล่อยออกจากเครื่องสูบสุญญากาศในแต่ละขั้นตอนเอง การมีปริมาณก๊าซที่ไม่ควบแน่นได้สูงขึ้นจะเพิ่มอัตราการไหลของมวลที่เครื่องสูบสุญญากาศแบบไอน้ำต้องจัดการ และลดระดับสุญญากาศสูงสุดที่สามารถบรรลุได้

ระบบกระบวนการที่มีการรั่วซึมของอากาศเข้ามาอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากซีลเพลา การต่อเชื่อมแบบฟลานจ์ หรือการบรรจุวาล์ว จะก่อให้เกิดภาระของก๊าซที่ไม่ควบแน่นได้สูงขึ้นต่อระบบอีเจกเตอร์ไอน้ำ การระบุและลดแหล่งที่มาของการรั่วซึมของอากาศจึงเป็นขั้นตอนที่สำคัญยิ่งในการปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบอีเจกเตอร์ไอน้ำ การตรวจสอบการรั่วซึมของระบบสุญญากาศในกระบวนการอย่างสม่ำเสมอ โดยเฉพาะหลังจากดำเนินการบำรุงรักษาหรือปรับเปลี่ยนอุปกรณ์ ถือเป็นแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในอุตสาหกรรมต่าง ๆ เช่น อุตสาหกรรมกลั่นน้ำมันดิบและอุตสาหกรรมปิโตรเคมี ซึ่งใช้ระบบอีเจกเตอร์ไอน้ำอย่างแพร่หลาย

การประยุกต์ใช้อีเจกเตอร์ไอน้ำในระบบสุญญากาศสำหรับกระบวนการ

การกลั่นน้ำมันดิบและกระบวนการกลั่นในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี

หนึ่งในแอปพลิเคชันอุตสาหกรรมของสตรีมอีเจกเตอร์ที่แพร่หลายที่สุดคือการกลั่นสุญญากาศของน้ำมันดิบภายในโรงกลั่นน้ำมัน สารตกค้างภายใต้ความดันบรรยากาศจากหน่วยกลั่นน้ำมันดิบจะถูกนำเข้าสู่คอลัมน์กลั่นสุญญากาศซึ่งทำงานที่ความดันสัมบูรณ์โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 10 ถึง 40 มิลลิบาร์ ที่ความดันต่ำระดับนี้ สารประกอบปิโตรเลียมที่มีน้ำหนักมากกว่าสามารถเปลี่ยนสถานะเป็นไอได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเริ่มต้นของการสลายตัวทางความร้อน (thermal cracking threshold) ทำให้สามารถแยกส่วนประกอบก๊าซโออิล (gas oil fractions) ซึ่งเป็นวัตถุดิบที่มีค่าสำหรับหน่วยแปรรูปขั้นตอนต่อไปได้อย่างมีประสิทธิภาพ ระบบสตรีมอีเจกเตอร์ที่ออกแบบมาอย่างเหมาะสมจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรักษาความดันในการดำเนินงานระดับต่ำเหล่านี้อย่างเชื่อถือได้ตลอดรอบการปฏิบัติงานของโรงกลั่น

ในการกลั่นสารปิโตรเคมี ระบบอีเจกเตอร์ไอน้ำถูกใช้ในลักษณะเดียวกันเพื่อขับเคลื่อนคอลัมน์สุญญากาศที่แยกมอนอเมอร์ ตัวทำละลาย และสารเคมีระหว่างกลาง ความสามารถของอีเจกเตอร์ไอน้ำในการจัดการกับกระแสที่มีไอสารอินทรีย์ซึ่งควบแน่นได้ ทำให้ระบบนี้เหมาะสมเป็นพิเศษสำหรับการใช้งานดังกล่าว โดยเงื่อนไขสำคัญคือการออกแบบอินเทอร์คอนเดนเซอร์ต้องคำนึงถึงลักษณะการควบแน่นขององค์ประกอบในกระบวนการ วิศวกรที่ออกแบบระบบอีเจกเตอร์ไอน้ำสำหรับงานปิโตรเคมีจำเป็นต้องประเมินอุณหภูมิการควบแน่นและภาระความร้อนอย่างรอบคอบ เพื่อให้มั่นใจว่าอินเทอร์คอนเดนเซอร์จะมีขนาดเหมาะสม

การประยุกต์ใช้สุญญากาศในอุตสาหกรรมยาและอาหาร

อุตสาหกรรมยาอาศัยระบบอีเจกเตอร์ไอน้ำสำหรับการอบแห้งภายใต้สุญญากาศ การกู้คืนตัวทำละลาย และการสูบสุญญากาศออกจากเรคเตอร์ ซึ่ง สินค้า ความบริสุทธิ์และการกักเก็บตัวทำละลายที่เป็นอันตรายหรือมีค่าสูงนั้นมีความสำคัญยิ่ง ระบบเครื่องดูดสุญญากาศแบบไอน้ำ (steam ejector) มีข้อได้เปรียบในแอปพลิเคชันเหล่านี้ เนื่องจากไม่นำสารหล่อลื่นหรือสิ่งปนเปื้อนเชิงกลใดๆ เข้าสู่ระบบสุญญากาศ และไอน้ำขับเคลื่อนสามารถผลิตได้จากระบบที่จ่ายไอน้ำสะอาดซึ่งสอดคล้องตามข้อกำหนดด้านสุขอนามัย เมื่อใช้ร่วมกับเครื่องควบแน่นแบบผิวสัมผัส (surface-type inter-condensers) ระบบเครื่องดูดสุญญากาศแบบไอน้ำสามารถกักเก็บและกู้คืนไอของตัวทำละลายที่ถูกดูดออกจากกระบวนการอบแห้งหรือการกลั่นได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ในการแปรรูปอาหาร ระบบขับไอน้ำแบบอีเจกเตอร์ (steam ejector) ถูกนำมาใช้ในการผลิตผลิตภัณฑ์อาหารเข้มข้น ส่วนผสมที่ผ่านกระบวนการแช่แข็งแห้ง (freeze-dried) และน้ำมันที่รับประทานได้ กระบวนการลดความเข้มข้นภายใต้สุญญากาศและการกำจัดกลิ่นต้องการแรงดันต่ำอย่างต่อเนื่องเป็นระยะเวลานาน การออกแบบที่ทนทานและเรียบง่ายของอีเจกเตอร์แบบไอน้ำ — ซึ่งไม่มีชิ้นส่วนที่หมุนซึ่งอาจสึกหรอหรือเสียหาย — ทำให้เป็นทางเลือกที่นิยมใช้ในสภาพแวดล้อมการผลิตแบบต่อเนื่อง โดยเฉพาะเมื่อการหยุดทำงานโดยไม่ได้วางแผนล่วงหน้าส่งผลให้เกิดค่าใช้จ่ายในการผลิตสูงมาก ความเข้ากันได้ของอีเจกเตอร์แบบไอน้ำกับไอน้ำทั้งในฐานะของเหลวขับเคลื่อน (motive fluid) และเป็นส่วนหนึ่งของสภาวะกระบวนการ ทำให้สอดคล้องกับโครงสร้างพื้นฐานด้านสาธารณูปโภคที่มีไอน้ำมาก ซึ่งพบได้ทั่วไปในโรงงานแปรรูปอาหาร

คำถามที่พบบ่อย

อีเจกเตอร์แบบไอน้ำสามารถสร้างระดับสุญญากาศเท่าใดในระบบกระบวนการ?

อีเจกเตอร์ไอน้ำแบบขั้นเดียวโดยทั่วไปสามารถสร้างแรงดันสุญญากาศได้ต่ำลงจนถึงประมาณ 50–100 มิลลิบาร์สัมบูรณ์ ซึ่งขึ้นอยู่กับความดันไอน้ำขับเคลื่อนและแรงดันย้อนกลับที่ปล่อยออก อีเจกเตอร์ไอน้ำแบบหลายขั้นตอนที่มีคอนเดนเซอร์ระหว่างขั้นตอนสามารถสร้างสุญญากาศได้ต่ำกว่า 1 มิลลิบาร์สัมบูรณ์ ระบบแบบห้าขั้นตอนมักใช้ในงานที่ต้องการสุญญากาศระดับลึกมาก เช่น การกลั่นแบบโมเลกุล หรือกระบวนการเคมีเฉพาะทาง

อีเจกเตอร์ไอน้ำแตกต่างจากปั๊มสุญญากาศแบบกลไกอย่างไร

อีเจกเตอร์ไอน้ำไม่มีชิ้นส่วนกลไกที่เคลื่อนไหวเลย จึงพึ่งพาพลังงานจลน์ของลำไอน้ำความดันสูงอย่างสมบูรณ์เพื่อดึงและอัดก๊าซกระบวนการ ปั๊มสุญญากาศแบบกลไกใช้องค์ประกอบที่หมุนหรือแบบลูกสูบในการขับไล่ก๊าซออก และต้องใช้น้ำมันหล่อลื่น ซีล และการบำรุงรักษาเชิงกลเป็นระยะ ทั้งนี้ อีเจกเตอร์ไอน้ำโดยทั่วไปมีความทนทานมากกว่าในการจัดการกับกระแสก๊าซที่กัดกร่อน สกปรก หรือควบแน่นได้ ในขณะที่ปั๊มแบบกลไกให้ประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงกว่าเมื่อทำงานที่ระดับสุญญากาศปานกลาง การเลือกระหว่างอีเจกเตอร์ไอน้ำกับปั๊มแบบกลไกขึ้นอยู่กับระดับสุญญากาศที่ต้องการ ลักษณะของโหลดที่ดูดเข้ามา ความพร้อมของสาธารณูปโภค (เช่น ไอน้ำ ไฟฟ้า) และปัจจัยด้านต้นทุนตลอดอายุการใช้งาน

สาเหตุใดที่ทำให้อีเจกเตอร์ไอน้ำสูญเสียประสิทธิภาพในการสร้างสุญญากาศ

การสูญเสียประสิทธิภาพของการสุญญากาศในระบบสตีมอีเจกเตอร์อาจเกิดจากหลายสาเหตุ ได้แก่ ความดันไอน้ำขับเคลื่อนลดลงหรือไม่คงที่ ไอน้ำขับเคลื่อนมีความชื้นสูงจนทำให้หัวฉีดสึกกร่อน การรั่วซึมของก๊าซที่ไม่ควบแน่นเข้าสู่ระบบกระบวนการมากเกินไป การสะสมคราบสกปรกหรือตะกรันบนพื้นผิวของอินเทอร์คอนเดนเซอร์ซึ่งลดประสิทธิภาพการควบแน่น หรือความดันย้อนกลับที่ปลายทางออกของสตีมอีเจกเตอร์สูงกว่าค่าที่ออกแบบไว้ การวิเคราะห์หาสาเหตุอย่างเป็นระบบประกอบด้วยการตรวจสอบสภาวะของไอน้ำขับเคลื่อน การทดสอบการรั่วซึมของอากาศในระบบกระบวนการ และการตรวจสอบอินเทอร์คอนเดนเซอร์เพื่อหาสัญญาณของการสะสมคราบสกปรกหรือการท่วม

สตีมอีเจกเตอร์สามารถจัดการกับก๊าซกระบวนการที่มีฤทธิ์กัดกร่อนหรือเป็นพิษได้หรือไม่?

ใช่ ตัวขับไอน้ำ (steam ejector) สามารถผลิตจากวัสดุที่เลือกมาเพื่อต้านทานกระแสของกระบวนการที่กัดกร่อนได้ วัสดุที่นิยมใช้ ได้แก่ สแตนเลสสตีล ฮาสเทลลอย (Hastelloy) ไทเทเนียม และเหล็กกล้าผสมชนิดต่าง ๆ ซึ่งขึ้นอยู่กับลักษณะทางเคมีของก๊าซในกระบวนการ เนื่องจากตัวขับไอน้ำไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวและไม่มีซีลภายในที่อาจเสียหายจากไอที่กัดกร่อน จึงมักให้สมรรถนะที่เชื่อถือได้มากกว่าอุปกรณ์กลไกในสภาวะการใช้งานที่รุนแรง อย่างไรก็ตาม การเลือกวัสดุสำหรับตัวเรือน หัวฉีด (nozzle) และตัวกระจาย (diffuser) ของตัวขับไอน้ำจำเป็นต้องระบุอย่างระมัดระวัง โดยพิจารณาจากการวิเคราะห์องค์ประกอบของของไหลในกระบวนการ อุณหภูมิ และความเข้มข้นอย่างละเอียด