วันพุธที่ 2 สิงหาคม พ.ศ. 2560

ปัจจัยที่ส่งผลต่อค่า flammability limit (๒) MO Memoir : Wednesday 2 August 2560

เนื้อหาใน Memoir ฉบับนี้เป็นการขยายความจากบทความเรื่อง "Limits of flammability of gases and vapors" โดย H.F. Coward และ G.W. Jones ในเอกสาร Bulletin 503 ของ Bureau of Mines, United States Department of Interior ที่เผยแพร่ในปีค.ศ. ๑๙๕๒ (เอาชื่อบทความพิมพ์ใส่ Google แล้วให้มันหาไฟล์ pdf ให้ได้เลย)
 
ในตอนที่ ๑ ของเรื่องนี้ได้กล่าวถึงบางปัจจัยที่ส่งผลต่อค่า flammability limit ของเฃื้อเพลิงไปบ้างแล้ว ซึ่งได้แก่ อุณหภูมิ ความดัน และองค์ประกอบที่สาม (ที่นอกเหนือไปจากตัวเชื้อเพลิง และอากาศที่ทำหน้าที่เป็นสารออกซิไดซ์) โดยได้แสดงให้เห็นว่าที่อุณหภูมิและความดันที่สูงขึ้น ช่วงค่า flammability limit จะกว้างขึ้น โดยตัวขอบเขตบนหรือ upper limit นั้นจะมีค่าเพิ่มมากขึ้น ในขณะที่ขอบเขตล่างหรือ lower limit นั้นไม่ค่อยจะได้รับผลกระทบเท่าใดนัก ส่วนผลขององค์ประกอบที่สาม (ที่ไม่ได้เป็นสารช่วยให้ไฟติด และยังยั้งปฏิกิริยาการเผาไหม้) ส่งผลให้ช่วงค่า flammability limit นั้นแคบลง และถ้ามีในปริมาณที่มากพอก็จะทำให้ไม่สามารถจุดระเบิดไอผสมของ เชื้อเพลิง + สารออกซิไดซ์ + องค์ประกอบที่สาม นั้นได้
 
รูปที่ ๑๒ ข้อความจากหน้าแรก ที่กล่าวถึงปัจจัยแรกที่ส่งผลต่อการวัดค่า flammability limit คือวิธีการจุดระเบิดเชื้อเพลิง
 
ปัญหาเรื่องการวัดขอบเขต flammability limit มีมานานแล้ว จะว่าไปแล้วที่สภาวะใดสภาวะหนึ่ง (อุณหภูมิ ความดัน และองค์ประกอบของส่วนผสม) ค่าที่วัดได้ยังขึ้นกับวิธีการที่ใช้ในการวัดด้วย (เช่น วิธีการจุดระเบิด รูปทรง ขนาด และวัสดุที่ใช้ทำอุปกรณ์วัด เป็นต้น) เนื่องจากค่าที่มีปรากฏให้เห็นทั่วไปนั้นส่วนใหญ่จะเป็นค่าที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศ และวัดด้วยอุปกรณ์เฉพาะ มันก็เลยทำให้เกิดคำถามขึ้นมาว่าในกรณีของกระบวนการทางวิศวกรรมเคมีที่มีการทำงานที่อุณหภูมิและความดันที่แตกต่างไป (คือมักเน้นไปที่อุณหภูมิและความดันที่สูงกว่าการวัด) เรายังใช้ตัวเลขที่ได้จากการวัดที่สภาวะที่มีความรุนแรงน้อยกว่าเหล่านั้นได้หรือไม่ หรือควรต้องมีการเผื่อเพิ่มเติม
 
ปัจจัยแรกที่บทความของ Coward และ Jones กล่าวถึงก็คือ "วิธีการจุดระเบิด" (source of ignition - รูปที่ ๑๒ ด้วยว่าปฏิกิริยาการเผาไหม้นั้นเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ที่คายความร้อน สิ่งแรกที่ต้องการก็คือพลังงานกระตุ้นที่จะทำให้ปฏิกิริยาเริ่มเกิด และเมื่อปฏิกิริยาเริ่มเกิดแล้วก็จะคายความร้อนออกมา ความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมานั้นส่วนหนึ่งจะสูญเสียไปกับการเพิ่มพลังงานให้ระบบ (คือทำให้แก๊สในที่อยู่รอบ ๆ บริเวณจุดระเบิดนั้นร้อนขึ้น) ถ้าหากความร้อนที่สูญเสียไปกับการทำให้ระบบมีอุณหภูมิสูงขึ้นนั้นมีมาก มันก็จะไม่มีพลังงานเหลือพอที่จะไปกระตุ้นให้โมเลกุลอื่นเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ต่อเนื่องไปนั้น ทำให้เปลวไฟที่เกิดขึ้นจากการจุดระเบิดนั้นจำกัดอยู่เฉพาะตรงบริเวณแหล่งพลังงานที่ใช้ทำการจุดระเบิด หรือมีการแผ่ขยายออกไปได้ไม่มาก ก่อนที่จะดับตัวลง (ที่ในบทความในรูปที่ ๑ ใช้คำว่าเปลวไฟไม่สามารถ self-propagation ได้)
 
ปฏิกิริยาคายความร้อนนั้นเป็นปฏิกิริยาที่เร่งตนเอง ความร้อนที่คายออกมาไม่เพียงแต่จะทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาสูงขึ้น (ซึ่งก็จะไปเร่งอัตราการคายพลังงานออกมาอีก) แต่ยังทำให้แก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ขยายตัว แก๊สร้อนที่แผ่ขยายออกไปจากบริเวณจุดระเบิดนี้จะเคลื่อนที่อัดแก๊สที่ยังไม่ลุกไหม้ที่อยู่รอบนอก ทำให้เกิดเป็นหน้าคลื่นการเผาไหม้แผ่กว้างออกไปจากบริเวณจุดระเบิด ตรงบริเวณแนวรอยต่อระหว่างเปลวไฟที่แผ่ขยายออกไปและแก๊สที่ยังไม่ลุกไหม้จะเป็นจุดเปลี่ยนแปลงระหว่างตำแหน่งที่แก๊สมีอุณหภูมิและความดันที่สูง (ด้านแก๊สที่เผาไหม้แล้ว) กับแก๊สที่มีอุณหภูมิและความดันที่ต่ำกว่า (ด้านที่แก๊สที่ยังไม่เผาไหม้) ไอผสมเชื้อเพลิงกับสารออกซิไดซ์ (ต่อไปขอเรียกสั้น ๆ ว่าไอผสมเชื้อเพลิงก็แล้วกัน เว้นแต่จะมีระบุไว้เป็นอย่างอื่น) นั้นจะถือว่าอยู่ในช่วง flammability limit ก็ต่อเมื่อเปลวไฟที่เกิดจากการจุดระเบิดนั้นสามารถแผ่กว้างออกไปจนสุดขอบเขตของไอผสมเชื้อเพลิงนั้น กล่าวคือสมมุติว่าเราเอาไอผสมเชื้อเพลิงมาใส่ไว้ในท่อยาว ๕ เมตร แล้วจุดไฟที่ปลายท่อด้านหนึ่ง เปลวไฟจะต้องสามารถวิ่งจากปลายท่อด้านที่จุดไฟนั้นไปยังปลายท่ออีกด้านหนึ่งได้ ไม่ใช่วิ่งไปได้เพียงแค่ไม่กี่สิบเซนติเมตรแล้วก็ดับ (เช่นอาจเกิดจากการสูญเสียพลังงานความร้อนผ่านผนังท่อออกไป ซึ่งตรงนี้เดี๋ยวค่อยไปคุยกันในเรื่อง ขนาด รูปร่าง และวัสดุที่ใช้ทำอุปกรณ์วัดช่วง flammability limit)


รูปที่ ๑๓ ปัจจัยที่สองที่ Coward และ Jones กล่าวถึงในหน้าที่ ๒ ของบทความก็คือทิศทางการเคลื่อนที่ของเปลวไฟ
 
วิธีการให้พลังงานเพื่อจุดระเบิดไอผสมเชื้อเพลิงนั้นมีหลายวิธี เช่น การใช้เปลวไฟเปิด การใช้ขดลวดความร้อน การใช้ประกายไฟฟ้า เป็นต้น แต่ในงานวิศวกรรมเคมีมันยังมีอีกวิธีการหนึ่งก็คือการใช้ "ตัวเร่งปฏิกิริยา" (ซึ่งมักจะเป็นสิ่งที่เราไม่ได้คาดเอาไว้ว่าจะเกิดขึ้นได้) ปัญหาแรกที่บทความกล่าวถึงก็คือ ที่ส่วนผสมค่า ๆ หนึ่ง โดยเฉพาะในช่วงใกล้กับ lower limit (คือในไอผสมนั้นมีความเข้มข้นเชื้อเพลิงต่ำ) พลังงานของแหล่งพลังงานที่ใช้ในการจุดระเบิดไอผสมเชื้อเพลิงมีบทบาทสำคัญในการจุดระเบิด ถ้าแหล่งพลังงานนั้นมีพลังงานต่ำเกินไป ก็อาจจะไม่สามารถจุดระเบิดไอผสมเชื้อเพลิงนั้นได้ (คือถ้าเพิ่มพลังงานให้กับแหล่งพลังงานที่ใช้จุดระเบิด มันก็จะสามารถจุดระเบิดได้)

ปัจจัยที่สองที่ Coward และ Jones กล่าวถึงในบทความของเขาคือ "ทิศทางการแผ่ขยายของเปลวไฟ" (direction of flame propagation - รูปที่ ๑๓) คือทิศทางที่เปลวไฟเดินทางออกจากแหล่งจุดระเบิดว่า เดินทางขึ้นบน ลงล่าง หรือไปในแนวราบ เพื่อให้เห็นภาพดังกล่าวขอให้ลองพิจารณาการทำงานของตะเกียงบุนเสน (Bunsen burner) ที่เราใช้กันในห้องปฏิบัติเคมีทั่วไปในรูปที่ ๑๔ ข้างล่าง (อันที่จริงเตาแก๊สหุงต้มที่ใช้กันตามบ้านก็ใช้หลักการเดียวกัน)


รูปที่ ๑๔ การเผาไหม้แก๊สเชื้อเพลิงของตะเกียงบุนเสน (Bunsen burner)

ตะเกียงบุนเสนจะมีการป้อนแก๊สเชื้อเพลิง (ปรกติก็แก๊สหุงต้ม) เข้าที่ฐานด้านล่างของตัวตะเกียง แก๊สเชื้อเพลิงจะฉีดออกที่หัวฉีดด้วยเร็วระดับหนึ่ง โดยตัวหัวฉีดนั้นจะตั้งอยู่ภายใน burner tube (หรือ chimney หรือ barrel) ที่เป็นท่อกลวง ฐานด้านล่างของ burner ที่ครอบตัวหัวฉีดอยู่นั้นจะมีรูสำหรับให้อากาศไหลเข้า โดยที่เราสามารถปรับขนาดเปิด-ปิดของรูนี้ได้ ความเร็วของแก๊สเชื้อเพลิงที่ฉีดออกมาและพุ่งขึ้นไปยังด้านบนสุดของ burner tube จะดึงเอาอากาศจากภายนอกไหลเข้ามาผสมกับเชื้อเพลิง กลายเป็นส่วนผสมที่สามารถลุกติดไฟได้ และเมื่อเราทำการจุดไฟที่ปลายด้านบนสุดของ burner tube เปลวไฟก็จะลุกไหม้อยู่ ณ ที่นั้น "โดยไม่แผ่ขยายลงสู่เบื้องล่าง" ทั้ง ๆ ที่สัดส่วนของแก๊สผสมที่อยู่ใน burner tube นั้นก็เป็นสัดส่วนที่สามารถลุกไหม้ได้ ทั้งนี้เป็นเพราะความเร็วในการไหลของแก๊สผสมที่ไหลอยู่ใน burner tube ขึ้นสู่เบื้องบนนั้น สูงกว่าความเร็วในการเดินทางของหน้าคลื่นการเผาไหม้
 
โดยธรรมชาติแล้วแก๊สร้อนมีแนวโน้มที่จะลอยตัวขึ้นสู่ด้านบนได้ง่ายการการแผ่ขยายออกไปทางด้านข้างหรือเคลื่อนที่ลงล่าง เปลวไปที่เกิดจากการจุดระเบิดที่ ignition source ก็มีพฤติกรรมแบบเดียวกัน ดังนั้นถ้าเราเอาไอผสมเชื้อเพลิงบรรจุในท่อยาว วางท่อดังกล่าวในแนวตั้ง แล้วทดลองจุดระเบิดไอผสมจากทางปลายด้านล่างของท่อ (ให้เปลวไฟวิ่งขึ้นบน) หรือจากทางปลายด้านบนของท่อ (ให้เปลวไฟวิ่งลงล่าง) หรือวางท่อในแนวนอนแล้วทดลองจุดระเบิดจากปลายด้านหนึ่งเพื่อให้เปลวไฟวิ่งไปอีกทางด้านหนึ่ง มันก็ไม่ใช่เรื่องแปลกถ้าหากจะพบว่าการวางท่อในแนวตั้งแล้วจุดเปลวไฟให้วิ่งจากล่างขึ้นบนนั้นจะทำได้ง่ายกว่ากับส่วนผสมที่เจือจาง เมื่อเทียบกับการให้เปลวไฟวิ่งจากบนลงล่างหรือวิ่งในแนวนอน (รูปที่ ๑๕)

รูปที่ ๑๕ ผลของทิศทางการเคลื่อนที่ของเปลวไฟต่อค่า flammability limit : U. - จากล่างขึ้นบน H. - ในแนวราบ และ D. - จากบนลงล่าง (จากบทความเรื่อง "Limits for the propagation of flame in inflammable gas-air mixtures. Part I. Mixtures of air and one gas at the ordinary temperature and pressure" โดย Albert Breville White ในวารสาร J. Chem. Soc., Trans., ปีค.ศ. 1924 vol. no. 125, หน้า 2387-2396 จะเห็นว่าค่า lower limit เมื่อให้เปลวไฟวิ่งจากล่างขึ้นบนนั้นจะต่ำกว่าเมื่อให้เปลวไฟวิ่งในแนวนอนหรือจากบนลงล่าง  การทดลองนี้กระทำในท่อปลายปิดทั้งสองด้าน


ทิศทางการวิ่งของเปลวไฟนี้ก็ส่งผลต่อค่า upper limit ด้วย จากข้อมูลในรูปที่ ๑๕ จะเห็นว่าเมื่อให้เปลวไฟวิ่งจากบนลงล่างนั้น ค่าความเข้มข้นที่เป็น upper limit ก็ลดต่ำลงไปด้วย กล่าวคือทิศทางการเกิดปฏิกิริยาจะวิ่งจากบนลงล่าง แต่โดยธรรมชาติของแก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้มันจะลอยขึ้นบน มันเป็นสิ่งที่ขัดแย้งกัน ส่วนค่า flammability limit กรณีของเปลวไฟที่วิ่งในแนวราบนั้นจะอยู่ระหว่างการวิ่งขึ้นและวิ่งลง
 
ข้อมูลในรูปที่ ๑๕ ยังแสดงให้เห็นว่าขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อแก้วที่ใช้ในการทดลองนั้นส่งผลถึงค่าที่ได้ด้วย กล่าวคือการวัดในท่อแก้วที่มีขนาดเล็กจะได้ค่า lower limit และ upper limit ที่สูงกว่าการวัดในท่อแก้วที่มีขนาดใหญ่กว่า

หมายเหตุ : ความกว้างระหว่างช่วง lower limit และ upper limit เป็นตัวที่บอกว่าไอเชื้อเพลิงนั้นสามารถติดไฟได้ง่ายเพียงใดถ้ามีพลังงานมากระตุ้น ค่า lower limit ที่ต่ำแสดงให้เห็นว่าการมีสารดังกล่าวผสมอยู่ในอากาศ (หรือสารออกซิไดซ์ใด ๆ) ในปริมาณเล็กน้อย ส่วนผสมนั้นก็สามารถจุดระเบิดได้ ในทางตรงกันข้ามค่า upper limit ที่สูงแสดงให้เห็นว่า การมีอากาศ (หรือสารออกซิไดซ์ใด ๆ) ในปริมาณที่ไม่มากผสมอยู่กับไอระเหยของเชื้อเพลิงชนิดนั้น ก็สามารถทำให้ไอเชื้อเพลิงนั้นพร้อมต่อการจุดระเบิด สารใดก็ตามที่มีค่า upper limit เท่ากับ 100% แสดงว่าสารนั้นสามารถสลายตัวได้เองเมื่อมีแหล่งพลังงานมากระตุ้นโดยไม่ต้องพึ่งการทำปฏิกิริยากับสารออกซิไดซ์ ตัวอย่างของสารประเภทนี้ได้แก่ อะเซทิลีน (acetylene - C2H2) และเอทิลีนออกไซด์ (ethylene oxide - C2H4O) สารประเภทหลังนี้เป็นพวกที่มีค่า enthalpy of formation เป็นบวกสูงมาก

บทความที่ยกมาเป็นตัวอย่างในวันนี้ไม่ใช่บทความใหม่ แต่เป็นบทความที่ตีพิมพ์เอาไว้เมื่อกว่า ๙๐ ปีที่แล้ว ที่เอามาให้ดูก็เพื่อให้เห็นว่าเรื่องนี้ไม่ใช่เรื่องใหม่ แต่เป็นเรื่องที่ได้รับการสนใจและศึกษากันมานานแล้ว แต่มันอาจนานจนกระทั่งคนรุ่นหลังไม่รู้ว่าตัวเลขที่เอามาใช้งานกันนั้นมันมีเงื่อนไขในการใช้งานอย่างไรบ้าง

อันที่จริงเรื่องนี้มันมีเรื่องของวัสดุที่ใช้ทำอุปกรณ์เข้ามาเกี่ยวข้องด้วย แต่วันนี้ขอจบเพียงแค่นี้ ตอนต่อไปจะเป็นเรื่องของรูปทรง ขนาด และวัสดุที่ใช้ทำอุปกรณ์ทดสอบ

ไม่มีความคิดเห็น: