ปัจจัยที่ส่งผลต่อค่า autoignition temperature (๒) MO Memoir : Sunday 20 August 2560

ในตอนที่ ๑ ของเรื่องนี้ ได้นำเสนอผลการทดลองที่แสดงให้เห็นว่าค่า "อุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเอง" (ที่ภาษาอังกฤษเรียกว่า Autoignition temperature (AIT) หรือ Self-ignition temperature (SIT)) ที่วัดได้นั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ ไม่ว่าจะเป็นวิธีการวัดหรือวัสดุที่ใช้ทำอุปกรณ์ ส่วนตอนที่ ๒ ที่นำเสนอในวันนี้จะกล่าวถึงผลของออกซิเจนและสัดส่วนการผสมระหว่าง เชื้อเพลิง + อากาศ ที่ส่งผลต่อค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองที่วัดได้
 

ความสนใจผลของความเข้มข้นและชนิดของสารออกซิไดซ์ที่มีต่อค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองของสารต่าง ๆ นั้นมีมานานแล้ว ดังเช่นบทความของ Furno และคณะ (รูปที่ ๘) ที่ใช้เป็นต้นเรื่องของ Memoir ฉบับนี้ ได้ศึกษาผลของออกซิเจนบริสุทธิ์และไนโตรเจนเททรอกไซด์ที่มีต่อค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเอง นอกนี้ยังได้ศึกษาผลของขนาดปริมาตรอุปกรณ์ (ที่เป็นตัวกำหนดปริมาตรไอผสม) ที่มีต่อค่าที่วัดได้ด้วย อุปกรณ์ที่เขาใช้ในการทดลองนั้นแสดงไว้ในรูปที่ ๙ ส่วนผลการทดลองที่รายงานไว้นั้นแสดงไว้ในรูปที่ ๑๐

รูปที่ ๘ บทความของ Furno และคณะที่ตีพิมพ์ในวารสาร Journoal of Chemical and Engineering data vol. 13 no. 2 เดือนเมษายนปีค.ศ. ๑๙๖๘ (พ.ศ. ๒๕๑๑) หน้า ๒๔๓-๒๔๙ บทความนี้วัดค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองของสารต่าง ๆ ที่ความดันต่ำกว่าความดันบรรยากาศ (ความดันบรรยากาศคือ 760 mm.Hg) ในบรรยากาศของสารออกซิไดซ์ต่างชนิดกัน และผลของปริมาตรไอผสมที่ใช้ทดสอบ (ขนาดปริมาตรภาชนะบรรจุ) หมายเลขรูปในบทความชุดนี้เรียงต่อมาจากตอนที่ ๑

(หมายเหตุ : แก๊ส nitrogen tetroxide หรือ dinitrogen tetroxide - N₂O₄ แก๊สตัวนี้จะอยู่ในสภาพสมดุลกับ NO₂ โดยที่อุณหภูมิต่ำ สมดุลจะมีแนวโน้มมาอยู่ทาง N₂O₄ แต่เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นสมดุลจะมีแนวโน้มไปอยู่ทาง NO₂ แก๊สตัวนี้เคยได้รับความนิยมในการใช้เป็นสารออกซิไดซ์ให้กับเชื้อเพลิงขับเคลื่อนจรวดเนื่องจากมีจุดเดือดสูง (ประมาณ 21.7ºC ทำให้สามารถเก็บในรูปของเหลวได้ง่ายโดยไม่ต้องใช้อุณหภูมิที่ต่ำหรือความดันที่สูงช่วย)

รูปที่ ๙ อุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลองของ Furno และคณะ (บทความในรูปที่ ๘) มาตรฐาน ASTM E659 Standard Test Method for Autoignition Temperature of Liquid Chemicals ก็ใช้อุปกรณ์หน้าตาทำนองเดียวกันนี้ แตกต่างกันหน่อยตรงที่ขนาดและวัสดุที่ใช้ทำ vessel ที่ใช้ในการทดลอง โดย ASTM E659 นั้นใช้ฟลาสค์ก้นกลมทำจากแก้ว borosilicate (และยังมีการกำหนดปริมาตรภาชนะไว้ที่ปริมาตรเดียว) แต่เนื่องจากวัสดุและรูปทรงภาชนะดังกล่าวไม่เหมาะกับการทดลองที่ความดันต่ำ Furno และคณะก็เลยจำเป็นต้องเปลี่ยนชนิด vessel ที่ใช้ในการทดลอง

ผลการทดลองของ Furno และคณะในรูปที่ ๑๐ แสดงให้เห็นว่า 
 

(ก) ใน vessel ขนาดเล็ก (200 ml) ค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองนั้นสูงกว่าใน vessel ขนาดใหญ่ (4900 ml)

(ข) ค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองของสารต่าง ๆ ในบรรยากาศออกซิเจนหรือ N₂O₄ นั้นต่ำกว่ากรณีของอากาศ

แต่ขนาดที่ลดลงของอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองเมื่อเทียบระหว่างในอากาศและในออกซิเจนนั้นขึ้นอยู่กับชนิดของสารและขนาดของ vessel ที่ใช้ในการทดลอง เช่นในกรณีของนอร์มัลบิวเทน (n-Butane) ที่ความดัน 740 mmHg ในกรณีของ vessel ปริมาตร 200 ml นั้นในอากาศจะมีอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองที่ 372ºC แต่ถ้าเป็นในบรรยากาศออกซิเจนค่า อุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองจะลดลงเหลือ 286ºC หรือลดลงถึง 86ºC แต่พอทำการทดลองด้วย vessel ปริมาตร 4900 ml พบว่าเมื่อเปลี่ยนจากอากาศมาเป็นออกซิเจน ค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองลดลงจาก 288ºC เพียงแค่ 10ºC เท่านั้นมาเป็น 278ºC พอมาเป็นกรณีของนอร์มัลเฮปเทน (n-Heptane) ที่ความดัน 740 mmHg เช่นกัน ในกรณีของ vessel ปริมาตร 200 ml พบว่าเมื่อเปลี่ยนจากอากาศมาเป็นออกซิเจน ค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองลดลงจาก 232ºC เพียงแค่ 6ºC เท่านั้นมาเป็น 226ºC และในกรณีของ vessel ปริมาตร 4900 ml พบว่าเมื่อเปลี่ยนจากอากาศมาเป็นออกซิเจน ค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองลดลงเพียงแค่ 2ºC เท่านั้นคือจาก 204ºC มาเป็น 202ºC

รูปที่ ๑๐ ผลการทดลองที่ Furno และคณะรายงานไว้ในบทความ (UDMH คือ Unsymmetrical dimethyl hydrazine)

ตรงนี้ต้องขอย้ำเตือนเอาไว้หน่อยว่า ค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองเป็นตัวเลขที่บอกให้ทราบว่าเชื้อเพลิงชนิดนั้น (เมื่อผสมกับสารออกซิไดซ์ในสัดส่วนที่พอเหมาะ) สามารถเริ่มเกิดปฏิกิริยาการเผาไหม้ได้เองได้ยากง่ายเพียงใด แต่ไม่ได้บอกถึงความรุนแรงของการเผาไหม้ ที่มันขึ้นกับอัตราการเกิดปฏิกิริยา ในบรรยากาศของออกซิเจนบริสุทธิ์นั้นเชื้อเพลิงจะเผาไหม้ได้รวดเร็วมาก อาจมีการคายพลังงานในปริมาณมากออกมาในระยะเวลาสั้น ๆ ดังนั้นสำหรับเชื้อเพลิงที่มีปริมาณเท่ากัน การเผาไหม้ในอากาศอาจจะเป็นเพียงแค่ flash fire (คือเปลวไฟลุกแล้ววิ่งแผ่อออกไป) แต่ถ้าเป็นการเผาไหม้ในออกซิเจน อาจจะเป็นการระเบิดได้ (มีการเกิด shock wave)

บทความที่สองที่นำมาเล่าใน Memoir ฉบับนี้เป็นบทความของ Chen และคณะที่ตีพิมพ์ในวารสาร J. Chem. Eng. Data ปีค.ศ. ๒๐๑๐ (รูปที่ ๑๑) ที่เลือกเอาบทความนี้มาก็เพราะเป็นการทดลองเกี่ยวกับการวัดค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองของแอลกอฮอล์ชนิดต่าง ๆ (รวมทั้งเอทานอลที่เป็นตัวการการเกิดระเบิดในห้องปฏิบัติการที่กลุ่มเราทำงานอยู่ ที่เป็นต้นเรื่องทำให้เกิดบทความชุดนี้ขึ้น) งานวิจัยนี้เริ่มมาจากการเห็นปัญหาค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนที่รายงานไว้ในแหล่งอ้างอิงต่าง ๆ นั้นมีความแตกต่างกัน ทำให้เกิดความสับสนแก่ผู้ใช้ว่าค่าไหนเป็นค่าที่ถูกต้อง การทดลองของบทความนี้ใฃ้อุปกรณ์อิงตามมาตรฐาน ASTM E659-78 (2005) (รูปที่ ๑๒) ส่วนหนึ่งของผลการทดลองที่รายงานไว้นำมาแสดงในรูปที่ ๑๓ ซึ่งจะเห็นได้ว่าค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองนั้นขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของไอเชื้อเพลิงในอากาศ (ความเข้มข้นไอเชื้อเพลิงในอากาศขึ้นอยู่กับปริมาตรแอลกอฮอล์ที่ฉีดเข้าไป) โดยความเข้มข้นที่เข้าหา lower limit หรือ upper limit นั้นจะให้ค่าค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองสูงกว่าความเข้มข้นในช่วงกลาง

รูปที่ ๑๑ บทความของ Chen และคณะที่ตีพิมพ์ในวารสาร J. Chem. Eng. Data ปีค.ศ. ๒๐๑๐ หน้า ๕๐๕๙-๕๐๖๔

รูปที่ ๑๒ อุปกรณ์วัดค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเอง (จาก ASTM E659-78 (2005))

รูปที่ ๑๓ ส่วนหนึ่งของผลการทดลองที่ Chen และคณะรายงานไว้ โดยในการทดลองนั้นใช้การตั้งอุณหภูมิฟลาสค์ไว้ที่ค่าหนึ่งก่อน จากนั้นจะทำการฉีดแอลกอฮอล์ที่ปริมาตรหนึ่ง (สมมุติว่าเป็น 100 ไมโครลิตร) เข้าไปในอุปกรณ์ฟลาสค์ที่ตั้งค่าไว้ที่อุณหภูมิหนึ่ง ถ้าพบว่าแอลกอฮอล์ที่ฉีดเข้าไปนั้นเกิดการลุกไหม้ (จุดวงกลมสีแดง) ก็จะลดอุณหภูมิฟลาสค์ให้ต่ำลงก่อนจะทำการฉีดแอลกอฮอล์เข้าไปใหม่อีกครั้ง (ที่ปริมาตรเดิมคือ 100 ไมโครลิตร) ถ้าพบว่าเกิดการลุกติดไฟก็จะลดอุณหภูมิฟลาสค์ให้ต่ำลงไปอีก จนกว่าจะถึงอุณหภูมิที่พบว่าแอลกอฮอล์ที่ฉีดเข้าไปนั้นไม่ลุกติดไฟ (จุดเครื่องหมายกากบาทสีดำ) จากนั้นก็ทำการทดลองซ้ำใหม่โดยเปลี่ยนปริมาตรแอลกอฮอล์ที่ฉีด (เช่น 120, 130, ..., 250 ไมโครลิตร) ข้อมูลผลการทดลองของบทความนี้แสดงให้เห็นว่าค่า autoignition temerature ที่วัดได้นั้นขึ้นอยู่กับปริมาตรแอลกอฮอล์ที่ฉีดเข้าไป (หรือความเข้มข้นของแอลกอฮอล์ในอากาศ)

Memoir ฉบับนี้ก็ขอจบเพียงแค่นี้ ตอนต่อไปก็จะเป็นเรื่องของเหตุการณ์การระเบิดที่เกิดขึ้นเมื่อปลายเดือนที่แล้ว