API Standard 2000 (Venting Atmospheric and Low-pressure Storage Tanks)

เรื่องของ Tank Venting ตามมาตรฐาน API 2000 ไม่ใช่แค่เรื่องของการเลือกขนาดท่อหรือวาล์วทั่วไป แต่มันคือ “ปราการด่านสุดท้าย” (Last Line of Defense) ในระบบความปลอดภัยของกระบวนการผลิต (Process Safety) สำหรับถังเก็บสารเคมีและน้ำมันเลยทีเดียว

เนื่องด้วยถังเก็บสารเคมีแบบความดันต่ำ (Atmospheric Storage Tanks) ถูกออกแบบมาให้ทนแรงดันได้น้อยมากๆ (มักจะไม่เกิน 0.5 – 1.0 barg และทนแรงดูดได้เพียงไม่กี่มิลลิบาร์) โดยสามารถแบ่งประเภท ความเสียหายอย่างรุนแรงต่อโครงสร้าง (Catastrophic Structural Failure) ของตัวถังได้สองประเภท

• กรณี Overpressure (แรงดันเกิน): หากวาล์วหายใจออก (Outbreathing) เล็กเกินไป หรืออุดตัน เมื่อมีการปั๊มสารเข้าถังหรือถังโดนความร้อนจากแสงแดดจัด แรงดันที่สะสมจะทำให้ หลังคาถังฉีกขาดหรือระเบิดออก (Tank Rupture) สารเคมีและไอระเหยที่เป็นพิษหรือติดไฟจะรั่วไหลสู่ภายนอกทันที
• กรณี Vacuum (ถังยุบตัว): หากวาล์วหายใจเข้า (Inbreathing) ทำงานไม่ทัน ในขณะที่ปั๊มของเหลวออกด้วยความเร็วสูง หรือเกิดฝนตกกระทันหันทำให้อากาศในถังหดตัว ความดันภายในจะต่ำกว่าบรรยากาศภายนอก ส่งผลให้ ถังถูกความดันบรรยากาศบีบจนยุบตัว (Tank Collapse/Implosion) เหมือนกระป๋องน้ำลมที่ถูกเหยียบ ซึ่งสร้างความเสียหายต่อทรัพย์สินอย่างรุนแรง

โดยในการคำนวน Storage Tank Venting Calculation ทำได้โดยอ้างอิงตามมาตรฐานสากล API Standard 2000 (Venting Atmospheric and Low-pressure Storage Tanks)

สาเหตุของการเกิด Venting (Inbreathing & Outbreathing)

ถังเก็บสารเคมีจำเป็นต้องมี “วาล์วหายใจ” (Breather Valve หรือ Pressure Vacuum Relief Valve – PVRV) เพื่อป้องกันไม่ให้ถังยุบจากแรงดูด (Vacuum) หรือระเบิดจากแรงดันเกิน (Overpressure) โดยทฤษฎีแบ่งการหายใจของถังเป็น 2 ทิศทาง

• Inbreathing (การหายใจเข้า – TOT IN): เกิดขึ้นเมื่อความดันในถังต่ำกว่าภายนอก ระบบต้องดึงอากาศหรือก๊าซเฉื่อย (เช่น ไนโตรเจน) เข้าไปในถัง
• Outbreathing (การหายใจออก – TOT OUT): เกิดขึ้นเมื่อความดันในถังสูงกว่าภายนอก ระบบต้องระบายไอหรือก๊าซในถังออกสู่บรรยากาศหรือ vent ออกระบบบำบัด

โดยทั้งการหายใจเข้าและออก จะเกิดจาก 2 ปัจจัยหลัก เสมอ คือ:

ผลจากการเคลื่อนที่ของของเหลว (Liquid Movement / Pump-in & Pump-out)

Liquid In (Vip_air): เมื่อสูบของเหลวออกจากถัง (Emptying) ระดับของเหลวที่ลดลงจะทำให้เกิดช่องว่างและแรงดูด โดยจะคิดอัตราการหายใจเข้าเท่ากับอัตราการสูบออกโดยตรง (Vip_air = Vpe)

Liquid Out (Vop_air): เมื่อสูบของเหลวเข้าถัง (Filling) ของเหลวจะเข้าไปไล่ที่ก๊าซเดิม โดยจะคิดอัตราการหายใจออก จากความผันผวนของสาร (Volatility) เข้ามาคิดเพิ่มเติม:

• ถ้าสารไม่ผันผวน (Low volatility) อัตราการหายใจออก = อัตราการปั๊มเข้า (Vop_air = Vpf)
• ถ้าสารผันผวนสูง (High volatility) เช่น น้ำมันเบนซิน จะเกิดการระเหยกลายเป็นไอเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วขณะปั๊มเข้า มาตรฐาน API 2000 จึงกำหนดให้คูณเพิ่มเป็น 2 เท่า ของอัตราการปั๊มเข้า (Vop_air = 2xVpf)

ผลจากอุณหภูมิและสภาพแวดล้อม (Thermal Effects)

ถังเหล็กจะรับความร้อนจากแสงแดดในตอนกลางวัน และคายความร้อนในตอนกลางคืนหรือเมื่อโดนฝนตกใส่ ทำให้ก๊าซในถังขยายหรือหดตัวตามกฎของแก๊ส:

• Thermal In (Vit_air): ตอนกลางคืนหรือฝนตก อากาศในถังหดตัวกระทันหัน สูตรคำนวณคือ CxVtk^0.7xRi (ปริมาตรถังยกกำลัง 0.7 คูณด้วยค่าคงที่ C ตามพิกัดภูมิศาสตร์และความดันบรรยากาศ แล้วคูณด้วยค่าฉนวนความร้อน)
• Thermal Out (Vot_air): ตอนกลางวันแดดจัด อากาศและไอในถังขยายตัว สูตรคำนวณคือ Yx Vtk^0.9xRi (โดยที่ Y เป็นค่าคงที่ตามมาตรฐาน เท่ากับ 0.32)

ทฤษฎีฉนวนกันความร้อน (Insulation Factor: Ri)

หากถังมีการบุฉนวนกันความร้อน (Insulation) การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิภายในถังจากสภาพแวดล้อมภายนอกจะลดลง ทำให้ความต้องการในการระบายอากาศลดลงตามไปด้วย ตัวแปร Ri (Reduction Factor) จึงทำหน้าที่ลดขนาดระบบระบายอากาศได้:

• ถังไม่มีฉนวน ค่า Ri = 1 (คิดการถ่ายเทความร้อนเต็มๆ)
• ถังมีฉนวนทั้งหมด ค่า Ri คำนวณหาจากความต้านทานความร้อนจากความหนาฉนวน (lin) และค่าการนำความร้อน (lambda) ร่วมกับค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนของอากาศ (h = 4.0)
• ถังมีฉนวนบางส่วน ค่า Ri ใช้หลักการคำนวณแบบสัดส่วนพื้นที่ (Area-weighted average) ระหว่างพื้นที่ที่มีฉนวน (Ainp) และพื้นที่ผิวถังทั้งหมด (Atts)

ทฤษฎีการแปลงชนิดก๊าซ (Gas Conversion Factor: Fg)

สูตรพื้นฐานของ API 2000 ทั้งหมดจะอ้างอิงปริมาตรบนฐานของ “อากาศมาตรฐาน” (Standard Air) ที่มีมวลโมเลกุล (MW) เท่ากับ 28.97 g/mol

แต่ในความเป็นจริง

• ก๊าซที่จ่ายเข้าเพื่อทดแทน (Inbreathing) อาจเป็นก๊าซไนโตรเจน (N2) สำหรับระบบ Nitrogen Blanketing
• ก๊าซที่ระบายออก (Outbreathing) มักจะเป็นไอของสารเคมีผสมกับอากาศ ซึ่งมีมวลโมเลกุลหนาแน่นกว่าอากาศปกติ

เราสามารถประยุกต์ใช้ทฤษฎีกลศาสตร์ของไหล (ความสัมพันธ์ของความหนาแน่นและอัตราการไหลผ่านรูเปิด หรือ Orifice Flow) มาคำนวณหา Gas Conversion Factor (Fg) เพื่อแปลงปริมาตรอากาศให้เป็นปริมาตรของก๊าซนั้นจริงๆ:

• ถ้าก๊าซเบากว่าอากาศ (MW < 28.97) ค่า Fg จะมากกว่า 1 (แก๊สเบาจะไหลผ่านวาล์วได้ปริมาตรมากกว่าในแรงดันที่เท่ากัน)
• ถ้าก๊าซหนักกว่าอากาศ (MW > 28.97) ค่า Fg จะน้อยกว่า 1

สรุปผลลัพธ์สุดท้าย

ในตอนท้าย ค่าการระบายเนื่องจากของเหลวและอุณหภูมิ จะนำมารวมกันตรงๆ ตามกฎของ API 2000 เพื่อหาขนาดของวาล์วระบายอากาศที่ต้องใช้จริงในหน่วย Nm^3/h (Normal Cubic Meters per Hour)

ตัวอย่างการคำนวน

กำหนดให้ถังนี้เก็บสารที่บรรจุ high volatility, ไม่มีฉนวนกันความร้อน, ใช้ก๊าซไนโตรเจนเป็น blanketing gaseous (MW = 28.01) และระบายไอสารเคมีที่มีมวลโมเลกุลหนัก (MW = 50.0) โดยให้ศึกษาความสัมพันธ์ของขนาดถัง อัตราการปั๊มเข้า ปั๊มออก จากตารางข้างล่าง

Total Input

จาก Vtk = 100 m3/hr, Vpe = 50 m3/hr, C = 6.5, Insulation = None, Fin = 1.01716 (in by nitrogen)

Liquid In (Vip): Vip = Vpe x Fin: 50 x 1.01716 = 50.858 Nm^3/h

Thermal In (Vit): [6.5 x 100^(0.7) x 1.0] x 1.01716 = 166.073 Nm^3/h

Total In (TOT IN) = Vpe + Vit = 50.858 + 166.073 = 216.9 Nm^3/h

Total Output

จาก Vtk = 100 m3/hr, Vpf = 40 m3/hr, Y = 0.32, Insulation = None, Fout = 0.76118 (out by gaseous MW 50 g/mol)

Liquid Out (Vop): Vop = 2xVpf: (2 x 40) x 0.76118 = 60.894 Nm^3/h

Thermal Out (Vot) = [0.32 x 100^0.9 x 1.0] x 0.76118 = 15.368 Nm^3/h

Total Out (TOT OUT) = Vop + Vot = 60.894 + 15.368 = 76.262 Nm^3/h

จะเห็นว่าเมื่อถังมีขนาดใหญ่ขึ้น อัตราการหายใจเข้าและออกทั้งหมด (TOT IN / TOT OUT) จะไม่ได้โตเป็นเส้นตรงตามขนาดปั๊ม เพราะมันมีผลกระทบของอุณหภูมิภายนอก (Thermal Effects) ที่โตแบบยกกำลัง (Vtk^0.7 และ Vtk^0.9) เข้ามาร่วมด้วย