ในที่สุดเช้าวันวานนี้ผมก็เข้าใจแล้วว่าทำไมเมื่อวันพฤหัสบดีสาวน้อยร้อยห้าสิบเซนติเมตรถึงโทรถามผมเรื่อง reactor ที่กลุ่ม DeNOx ใช้อยู่ว่าทำไมถึงต้องมี Union แปลกใจที่เห็นทำแลปมาตั้งนานไม่ยักกะสงสัย เพิ่งจะมาสงสัยเอาสัปดาห์นี้ และอันที่จริงก็เป็นคนอื่นที่สงสัย แต่เขาไม่กล้ามาถามผม เลยไปวานให้สาวน้อยร้อยห้าสิบเซนติเมตรโทรมาถามผมแทน
ก่อนอื่นก็ต้องขอบอกก่อนนะว่า ผลการทดลองที่พวกคุณทำไม่ควรขึ้นอยู่กับว่าใช้ reactor ตัวไหน ถ้าหาก reactor นั้นต่างทำจากวัสดุเดียวกัน มีมิติต่าง ๆ และรูปร่างเหมือนกันผลการทดลองก็ควรจะออกมาเหมือนกัน ถ้าหากผลการทดลองออกมาไม่เหมือนกันมันก็ต้องมีคำอธิบาย (มันมีความเป็นไปได้ ซึ่งจะเล่าให้ฟังในช่วงต่อไป) ไม่ใช่ใช้วิธีว่า reactor ตัวไหนให้ผลการทดลองออกมา "ดูดี" ที่สุดก็ให้ทุกคนที่ทำการทดลองใช้ reactor ตัวนั้นเพียงตัวเดียว ผมว่าแบบนี้มันเป็นไสยศาสตร์มากกว่าวิทยาศาสตร์ เพราะถ้าเป็นวิทยาศาสตร์แล้วผลการทดลองมันต้องทำซ้ำได้
reactor ที่ใช้กับระบบ DeNOx นั้นทำจากท่อสแตนเลสขนาด 3/8" ส่วนจะยาวเท่าไรนั้นก็ขึ้นอยู่กับ tube furnace ที่ใช้ว่ายาวเท่าไร ซึ่ง Reactor ต้องยาวกว่านั้น ที่เราใช้อยู่ก็มีความยาวประมาณ 60 cm ทีนี้แทนที่มันจะเป็นเพียงแค่ท่อสแตนเลสที่มีเพียงแค่ข้อต่ออยู่ที่หัว-ท้าย มันดันถูกตัดออกเป็นสองส่วน และมี Union เชื่อมต่ออยู่ตรงกลางดังรูปที่ ๑ ข้างล่าง reactor รูปร่างนี้เรามีอยู่ด้วยกันหลายตัว (ถ้ารื้อของเก่าดูน่าจะพบว่ามีมากกว่า ๓ ตัวนะ)
และจะว่าไปแล้ว การที่ทำไมกลุ่มนี้ถึงมี tubular reactor อยู่หลายตัว มันก็มีที่มาที่ไปเหมือนกัน
รูปที่ ๑ Reactor ของระบบ DeNOx ที่เป็นหัวข้อถกเถียงเมื่อเช้าวันนี้ว่า ทำไมถึงมี Union ตรงกลาง reactor
โดยปรกติเวลาที่เราจะบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาเข้าไปใน fixed-bed reactor นั้น เราจะบรรจุ quartz wool เข้าไปก่อน โดยจะดัน quartz wool ให้อยู่ในตำแหน่งที่เหมาะสมใน reactor จากนั้นจึงค่อยเทตัวเร่งปฏิกิริยาลงไป และปิดทับด้วย quartz wool ทับอีกทีหนึ่ง
ถ้าไม่มีอะไรมารองข้างใต้เบดแล้ว เวลาที่เรานำเปิดให้แก๊สไหลเข้า reactor แรงดันแก๊สจะทำให้เบดทั้งเบดเคลื่อนตัวลงด้านล่าง แต่ตามปรกติแล้วเรามักจะสอดเทอร์โมคับเปิลหรือมี thermowell รองอยู่ข้างใต้เบด เทอร์โมคับเปิลหรือ thermowell นี้จะทำหน้าที่ค้ำยันเบดเอาไว้ไม่ให้เคลื่อนตัวลงต่ำ (แก๊สไหลจากบนลงล่างนะ) ทำให้เบดอยู่ในตำแหน่งคงที่ได้ (รูปที่ ๒ ซ้าย)
ถ้าเป็นระบบที่ใช้ thermowell เรามักจะใช้ท่อสแตนเลสขนาด 1/8" มาทำ และสอดเทอร์โมคัปเปิลขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1/16" เข้าไปในท่อนั้น ท่อสแตนเลสมีความแข็งแรงพอที่จะรับน้ำหนักและแรงกดของแก๊สที่ไหลจากบนลงล่างได้อยู่แล้ว แต่ถ้าใช้เทอร์โมคับเปิลโดยไม่มี thermowell ก็ต้องใช้เทอร์โมคับเปิลขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1/8" เพราะเทอร์โมคัปเปิลขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1/16" นั้นอ่อนตัวเกินไป ไม่สามารถแรงกดที่เกิดจากการไหลของแก๊สจากบนลงล่างที่กระทำต่อเบดตัวเร่งปฏิกิริยาได้
แต่วิธีดังกล่าวก็ใช้ได้ดีกับ reactor ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน (ซึ่งก็คือเส้นผ่านศูนย์กลางเบด) ไม่มากนักเมื่อเทียบกับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเทอร์โมคับเปิลหรือ thermowell ที่ค้ำยันอยู่ และอัตราการไหลของแก๊สไม่สูงมากนัก ในกรณีที่ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในมีค่ามากเมื่อเทียบกับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเทอร์โมคับเปิลหรือ thermowell และด้วยอัตราการไหลที่สูง เบดจะเกิดการเคลื่อนตัวโดยจะยุบตัวลงทางช่องว่างระหว่างผนังด้านในกับเทอร์โมคับเปิลหรือ thermowell ที่ค้ำยันอยู่ (fixed-bed ตัวอื่นในห้องแลปของเรามักจะทำการทดลองกันที่อัตราการไหลของแก๊สประมาณ 100 ml/min จะมีก็ระบบนี้แหละที่เคยใช้ทำการทดลองด้วยอัตราการไหลตั้งแต่ 200 ml/min ขึ้นไป)
รูปที่ ๒ (ซ้าย) ระบบ fixed-bed ที่ใช้เทอร์โมคับเปิลหรือ thermowell ค้ำยันเบด
(กลาง) ระบบ fixed-bed ที่ใช้ตะแกรงรองรับเบดตัวเร่งปฏิกิริยาเอาไว้
(ขวา) ถ้าตะแกรงหายไป จะทำให้เกิดช่องว่างระหว่างท่อที่สอดเข้าไปและผนังของ union ซึ่งเป็นบริเวณที่อาจ
มีตัวเร่งปฏิกิริยาตกค้างอยู่ได้
ดังนั้นเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดปัญหาเรื่องการยุบตัวก็เลยต้องมีการออกแบบระบบรองรับเบดโดยการใช้ตะแกรงรองรับ การติดตั้งตะแกรงนั้นจะใช้วิธีตัดตะแกรงลวดให้มีขนาดพอดีกับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของ reactor จากนั้นจึงวางตะแกรงให้ค้ำยันกับบ่าของ union แล้วจึงสอดท่อเข้าไปกดตะแกรงเพื่อบีบตะแกรงให้อยู่ระหว่างปลายท่อกับบ่าของ union แล้วจึงขันนอตของท่อให้แน่น (รูปที่ ๒ กลาง)
ด้วยวิธีการนี้จึงทำให้ปลายท่อที่สอดเข้าไปใน union นั้นไม่ชนกับผนังท่อ ดังนั้นถ้าหากไม่มีตะแกรงอยู่ ก็จะเกิดช่องว่างระหว่างปลายท่อกับบ่าของ union (รูปที่ ๒ ขวา) ซึ่งเป็นบริเวณที่อาจมีอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาตกค้างอยู่ได้ (ปรกติในการต่อข้อต่อ Swagelok นั้น เราจะสอดท่อเข้าไปจนชนบ่าของ fitting ก่อน จึงค่อยทำการขันนอต ด้วยวิธีการเช่นนี้จึงทำให้ไม่มีช่องว่างระหว่างปลายท่อกับบ่าของ fitting)
ถ้าในการถอดล้างทำความสะอาด reactor นั้น เราสามารถล้างได้สะอาด (เช่นถอดบริเวณ union ออกมา) หรือสามารถเอาตัวเร่งปฏิกิริยาที่ตกค้างอยู่ออกมาได้หมด ดังนั้นเมื่อทดสอบ reactor เปล่าจึงไม่ควรเห็นปฏิกิริยาที่เกิดจากตัวเร่งปฏิกิริยา แต่ถ้าเห็นว่ามีปฏิกิริยาเกิดขึ้นก็ต้องมาดูว่าเป็น homogeneous reaction หรือเกิดจากการที่ตัวผนังท่อของ reactor เองนั้นทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา
มันมีความเป็นไปได้ที่ผนังท่อของ reactor ที่ผ่านการใช้งานมาหลากหลายอาจทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาได้ เนื่องจากตัวเราไม่รู้ว่าที่ผ่านมานั้น reactor ตัวนั้นถูกนำไปใช้ในงานอะไรบ้าง (เรื่องปรกติของ reactor ที่ใช้ในแลปของเรา) ตัวเร่งปฏิกิริยาที่นำมาทดสอบบางตัวนั้นอาจไม่เสถียร สารประกอบบางตัวอาจระเหยหรือหลอมตัวที่อุณหภูมิสูงและแทรกเข้าไปในเนื้อโลหะของ reactor ถ้าเกิดเหตุการณ์เช่นนี้เกิดขึ้นมันก็จะล้างไม่ออก ต้องเปลี่ยน reactor ตัวใหม่ ด้วยเหตุนี้เวลาที่ผมจะให้พวกคุณเริ่มทำการทดลองทีไรจึงต้องให้พวกคุณทดสอบก่อนว่า reactor เปล่านั้น (ไม่บรรจุอะไรเลย) มีความเฉื่อยต่อปฏิกิริยาที่เราศึกษาหรือไม่ และมีการเกิด homogeneous reaction หรือไม่
สาเหตุที่เรามี reactor สำรองไว้หลายตัวนั้นก็เพื่อความรวดเร็วในการทำการทดลอง เพราะถ้าเรามี reactor อยู่เพียงตัวเดียว พอเราทดสอบตัวเร่งปฏิกิริยาตัวที่หนึ่งเสร็จ ก็ต้องลดอุณหภูมิระบบลง นำ reactor มาถอดล้างและนำไปอบแห้ง จากนั้นจึงนำมาบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาตัวที่สอง ใส่ reactor กลับคืนเข้าระบบ และเริ่มให้ความร้อนใหม่ แต่ถ้าเรามี reactor หลายตัว ระหว่างที่เราทำการทดสอบตัวเร่งปฏิกิริยาตัวที่หนึ่ง เราก็บรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาตัวที่สองรอเอาไว้ใน reactor ตัวที่สอง พอทดสอบตัวเร่งปฏิกิริยาตัวที่หนึ่งเสร็จ เราก็ลดอุณหภูมิของระบบให้ต่ำลงในระดับที่ปลอดภัยพอที่จะถอดเปลี่ยน reactor ได้ จากนั้นก็ถอด reactor ตัวที่หนึ่งออกและใส่ reactor ตัวที่สองเข้าไปแทน และก็เริ่มทำการทดลองต่อไปได้เลย ในระหว่างนี้เราก็เอา reactor ตัวที่หนึ่งไปล้างทำความสะอาดและเอาไปอบแห้ง และก็บรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาตัวที่สามที่ต้องการทดสอบรอเอาไว้ใน reactor ตัวที่สามได้เลย
การที่เรามี union ตรงนั้นก็มีข้อดีเหมือนกัน คือทำให้เราวางตำแหน่งเบดตัวเร่งปฏิกิริยาให้อยู่ที่ตำแหน่งเดิมได้ทุกครั้งที่ทำการทดลอง ทำให้มั่นใจว่าทุกครั้งที่ทำการทดลองตัวเบดจะอยู่ในเขตอุณหภูมิเดียวกันเสมอ ตำแหน่งเบดนั้นต้องอยู่ที่ตำแหน่งอุณหภูมิสูงสุดใน tube furnace เนื่องจากตัว reactor ของเราถูกตรึงทางด้านบนและด้านล่างด้วยระบบท่อแก๊สไหลเข้า-ออก ทำให้ไม่สามารถขยับตำแหน่งตัว reactor ได้ ดังนั้นการปรับตำแหน่งเบดให้อยู่ในเขตอุณหภูมิสูงสุดใน tube furnace จึงต้องใช้วิธีการขยับตัว tube furnace แทน (เรายึด tube furnace ไว้กับแกนเหล็กและสามารถปรับตำแหน่งได้ ไม่รู้ว่าสังเกตกันบ้างหรือเปล่า)
ดังนั้นการที่สาวน้อยร้อยห้าสิบเซนติเมตรถามผมมาว่าจะทำ reactor ตัวใหม่ที่ไม่มี union ตรงกลางได้ไหม คำตอบของผมก็คือ "ได้" แต่ต้องไม่ลืมคำนึงถึงสิ่งที่ผมกล่าวมาข้างต้นด้วย และถ้าจะทำแล้วก็ทำเอาไว้ใช้เองหลายตัวได้เลย จะได้ไม่ต้องเสียเวลาตอนที่จะเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต้องการทดสอบ (ผมไม่ได้หมายความว่าให้มี reactor ของตัวเองกันคนละตัวนะ มีมากกว่านั้นก็ได้) การที่จะให้ทุกคนมาใช้ reactor ตัวเดียวกันนั้นเพื่อให้ผลการทดลองมันเปรียบเทียบกันได้ ผมว่ามันเป็นเรื่องที่ไม่มีเหตุผล เพราะถ้าผลการทดลองที่ทำที่แลปเราออกมาได้ผลดี ถ้าคนอื่นนำไปทำการทดลองที่อื่นภายใต้เงื่อนไขแบบเดียวกัน ก็ต้องได้ผลออกมาแบบเดียวกันด้วย จะมาอ้างว่าเป็นเพราะคุณใช้ reactor คนละตัวกับที่ผมใช้ (ทั้ง ๆ ที่มันทำจากวัสดุเดียวกัน มิติต่าง ๆ ก็เหมือนกัน) มันก็ฟังดูแปลกนะ
สำหรับเรื่องตำแหน่งอุณหภูมิสูงสุดใน tube furnace และใน tubular reactor นั้น ผมเคยเล่าเอาไว้แล้วใน Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๘๐ วันเสาร์ที่ ๒๑ พฤศจิกายน ๒๕๕๒ เรื่อง "ปฏิกิริยาเอกพันธ์และปฏิกิริยาวิวิธพันธ์ในเบดนิ่ง" ซึ่งได้แนบไฟล์มาพร้อมกับเมล์ฉบับนี้แล้ว พวกที่ทำการทดลองกับ tube furnace และ tubular reactor ก็ขอให้กลับไปอ่านด้วย
สมาชิกของกลุ่มคนที่อ่านเรื่องนี้แล้วไม่เข้าใจว่าเรื่องนี้มันมีที่มาที่ไปอย่างไร ก็ลองไปถามสาวน้อยร้อยห้าสิบเซนติเมตรเองเองก็แล้วกัน (หรือจะมาถามผมก็ได้)
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น