สำหรับคนที่ทำการทดลองนั้นจะรู้ดีว่า การขยายขนาดการทำปฏิกิริยาจากเครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็กมาเป็นขนาดใหญ่ขึ้นนั้น นอกจากมันจะมีอะไรต่อมิอะไรหลายต่อหลายอย่างที่ไม่เป็นดังคาด มันยังมีอันตรายที่เพิ่มมากขึ้นตามมาอีก ในทำนองเดียวกันเมื่อขยายขนาดจากเครื่องปฏิกรณ์ขนาดใหญ่มาเป็นระดับ pilot plant (ที่ภาษาไทยแปลว่าโรงประลอง) ก็ยิ่งมีความซับซ้อนขึ้นไปอีก ไม่ว่าจะเป็นชนิดอุปกรณ์และวัสดุที่ใช้ ขั้นตอนการทำงานที่ต้องมีการวางแผนที่ดีและระมัดระวังมากขึ้น การเตรียมรับมือกับอุบัติเหตุที่มีความรุนแรงมากขึ้น (ถ้าเกิด) ฯลฯ และปัญหาต่าง ๆ เหล่านี้ก็ยังคงอยู่เมื่อทำการขยายขนาดจากระดับ pilot plant มาเป็น commercial scale (กำลังการผลิตเชิงพาณิชย์)
เพื่อให้เห็นภาพจะขอยกตัวอย่าง สมมุติว่าคุณศึกษาปฏิกิริยา sulphonation ของเบนซีน (benzene C6H6) กับกรดกำมะถัน (sulphuric acid H2SO4) การทดลองเล็ก ๆ ในระดับการเรียนการสอนเราทำได้โดยการเทเบนซีนจากขวดลงในบีกเกอร์ด้วยการทำในตู้ควัน (fume hood) แล้วเราก็เทกรดกำมะถันเข้มข้นจากขวดลงในบีกเกอร์อีกใบหนึ่ง จากนั้นก็ใช้หลอดหยดดูดเอากรดกำมะถันเข้มข้นแล้วค่อย ๆ หยดลงในเบนซีน ให้ความร้อนพร้อมทำการกวนด้วยแท่งแก้ว
แต่ในระดับการผลิตนั้น สิ่งแรกที่พยายามหลีกเลี่ยงกันก่อนเลยก็คือการใช้อุปกรณ์ที่เป็นเครื่องแก้ว เพราะมันแตกหักง่าย (ไม่ว่าจะมีแรงกระแทกหรือการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่รวดเร็วเกินไป) จากนั้นก็ต้องพิจารณาการทำงานในแต่ละขั้นตอน เช่นขั้นตอนการถ่ายเบนซีนจากถังเก็บเข้าสู่ภาชนะที่ใช้ทำปฏิกิริยา คำถามก็มีตั้งแต่จะถ่ายเบนซีนจากถังเก็บเข้าสู่ภาชนะที่ใช้ทำปฏิกิริยาด้วยวิธีการไหน ควบคุมการถ่ายเทอย่างไร จำเป็นไหมต้องมีการไล่อากาศออกจากระบบด้วยแก๊สเฉื่อยก่อนป้อนเบนซีน อันตรายจากประกาศไฟฟ้าที่เกิดจากการสะสมของไฟฟ้าสถิตย์ การจัดการกับไอระเหยของเบนซีน ฯลฯ พอมาถึงขั้นตอนการป้อนสารละลายกรดเข้มข้นก็จะเจอคำถามในทำนองเดียวกัน และยังมีในส่วนของการให้ความร้อนว่าจะให้ความร้อนด้วยวิธีไหน (ที่แน่ ๆ คือไม่ใช้ hot plate) การปั่นกวนสารผสมจะทำอย่างไร ฯลฯ อีกเยอะแยะไปหมด
ดังนั้นการพิจารณากระบวนการใดก็ตามที่มีการคิดค้นขึ้นมาใหม่ว่าดีหรือไม่ หรือเหมาะสมหรือไม่อย่างไรนั้น โดยอิงจาก simulation เพียงอย่างเดียวจึงควรต้องใช้ความระมัดระวังอย่างยิ่ง เพราะมันมีหลายสิ่งหลายอย่างที่ไม่ปรากฏอยู่ในการทำ simulation นั้น เช่นพวกชนิดวัสดุ และระบบสาธารณูปโภคต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง
เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้ยังคงเกี่ยวข้องกับการระเบิดที่เกิดจาก hydroxylamine อันที่จริงเหตุการณ์นี้เกิดก่อนเหตุการณ์ที่เกิดที่ประเทศญี่ปุ่นที่เล่าไปในตอนที่แล้ว โดยครั้งนี้เป็นการเกิดในประเทศสหรัฐอเมริกาในวันพฤหัสบดีที่ ๑๙ กุมภาพันธ์ ค.ศ. ๑๙๙๙ (พ.ศ. ๒๕๔๒) ทำให้มีผู้เสียชีวิตทั้งสิ้น ๕ ราย รายละเอียดเหตุการณ์นี้นำมาจากเอกสาร Case study ที่จัดทำโดย U.S. Chemical Safety and Hazard Investigation Board (CSB) ในหัวข้อเรื่อง The Explosion at Concept Sciences : Hazards of Hydroxylamine เผยแพร่ในเดือนมีนาคม พ.ศ. ๒๕๔๕
Hydroxylamine (H2N-OH) เป็นสารเคมีตัวหนึ่งที่มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่าง ๆ เช่นอุตสาหกรรมการผลิตสารกึ่งตัวนำ ปัญหาหลักของการนำสารนี้มาใช้งานมีอยู่ ๒ ประการคือ ประการแรกคือการที่สารนี้สลายตัวได้ง่าย ในสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ 3,145,082 กล่าวไว้ว่าการวางทิ้งเอาไว้เพียงแค่ ๒ วันก็ทำให้สารนี้สลายตัวเป็น NH3 และน้ำได้จนหมด ปัญหาประการที่สองคือในรูปที่เป็นสารบริสุทธิ์ (ของแข็ง) สารนี้ระเบิดได้ง่าย โดยมีความรุนแรงของการระเบิดอยู่ในระดับเดียวกับ TNT (2,4,6-Trinitrotoluene) พูดง่าย ๆ ก็คือ hydroxylamine ที่มีน้ำหนักเท่าใด ก็ให้แรงระเบิดประมาณเท่ากับ TNT ที่หนักเท่ากัน
(รูปจาก https://www.trbimg.com/img-5c65e8a7/turbine/mc-1550182563-96yatbr2lk-snap-image)
ปฏิกิริยาระหว่าง hydroxylamine กับกรดกำมะถันจะได้สารประกอบ hydroxylamine sulfate ((H3N-OH)2SO4) ที่มีเสถียรภาพมากกว่าและมีความปลอดภัยในการเก็บรักษามากกว่า hydroxylamine sulfate สามารถเปลี่ยนกลับไปเป็น hydroxylamine ได้ด้วยการทำปฏิกิริยากับเบสแก่เช่น KOH ที่ละลายอยู่ในแอลกอฮอล์ โดย K2SO4 ที่เกิดขึ้นจะตกผลึกเป็นของแข็งในแอลกอฮอล์ (K2SO4 ละลายในน้ำได้ดี แต่ไม่ละลายในแอลกอฮอล์) แต่การทำเช่นนี้ก็หมายความว่าผู้ที่ต้องการใช้ hydroxylamine ต้องทำการสังเคราะห์ขึ้นใช้เองจากเกลือ hydroxylamine sulfate แต่ในปีค.ศ. ๑๙๘๒ (พ.ศ. ๒๕๒๕) บริษัท Nissin ของประเทศญี่ปุ่น (โรงงานที่เกิดการระเบิดที่เล่าไปในตอนที่แล้ว) ก็สามารถผลิตสารละลาย hydroxylamine เข้มข้น 50% ความบริสุทธิ์สูงได้ ด้วยการเติม chelating agent บางชนิดเข้าไปในสารละลาย hydroxylamine ที่ผลิตได้
บริษัท Nissin เป็นผู้ผลิตสารละลาย hydroxylamine เข้มข้น 50% ความบริสุทธิ์สูงรายใหญ่เพียงรายเดียวของโลกมาจนถึงต้นปีค.ศ. ๑๙๙๙ (พ.ศ. ๒๕๔๒) จึงมีการตั้งโรงงานที่สองในประเทศเยอรมันนีโดย BASF ในช่วงเวลาเดียวกันนั้นบริษัท Concept Sciences, Inc. ของประเทศสหรัฐอเมริกาก็ได้ทำการวิจัยเพื่อหาวิธีการผลิตสารละลาย hydroxylamine เข้มข้น 50% ความบริสุทธิ์สูง จากระดับห้องปฏิบัติการ โรงประลอง จนออกมาเป็นโรงงานเพื่อการผลิตเชิงพาณิชย์ที่จะเริ่มเดินเครื่องการผลิตจริงในช่วงต้นปีค.ศ. ๑๙๙๙ (พ.ศ. ๒๕๔๒)
แต่ท้ายสุดการระเบิดก็ทำลายโรงงานนี้ในขณะที่กำลังพยายามผลิต hydroxylamine ความบริสุทธิ์สูง batch แรก
กระบวนการผลิตของบริษัท Concept Sciences, Inc. เริ่มจากการนำเอาเกลือ hydroxylamine sulfate มาเปลี่ยนเป็นสารละลาย hydroxylamine ก่อน จากนั้นจึงนำสารละลายที่ได้เข้าสู่กระบวนการกลั่น (แบบ batch ซึ่งแตกต่างไปจากของบริษัท Nissin ที่เป็นกระบวนการกลั่นแบบต่อเนื่อง) เพื่อให้ได้สารละลายบริสุทธิ์ที่มีความเข้มข้นตามที่ต้องการ จากนั้นจึงนำไปทำการแลกเปลี่ยนไอออนอีกทีเพื่อกำจัดไอออนที่ไม่พึงประสงค์
กระบวนการกลั่นที่ใช้มีขั้นตอนการทำงาน ๒ ขั้นตอน (ดูรูปที่ ๒ ประกอบ) โดยเริ่มจากการบรรจุสารละลาย hydroxylamine เข้มข้น 30% ลงใน charge tank ก่อน จากนั้นจึงป้อนสารละลายดังกล่าวเข้าสู่ heater coluum (ลักษณะเป็นแบบ shell and tube heat exchanger ที่วางตั้ง โดยท่อนั้นเป็นท่อแก้ว) ไอที่เกิดขึ้นจะถูกแยกออกและส่งไปที่เครื่องควบแน่น ในขณะที่สารละลายที่เหลือจะไหลกลับลงสู่ charge tank และถูกป้อนเวียนรอบกลับไปใหม่
ไอที่เกิดขึ้นจะมีน้ำเป็นองค์ประกอบหลัก ดังนั้นในช่วงแรก ไอระเหยที่ควบแน่นได้นั้นจะถูกส่งไปยัง forerun tank จนกระทั่งความเข้มข้นของ hydroxylamine ใน forerun tank เพิ่มถึง 10% ก็จะเปลี่ยนให้ของเหลวที่ควบแน่นได้นั้นไหลไปสู่ final product tank แทน การกลั่นนี้จะดำเนินไปเรื่อย ๆ จนกว่าความเข้มข้นของ hydroxylamine ใน charge tankเพิ่มเป็น 80-90% ก็จะหยุดการกลั่นช่วงแรก จากนั้นก็จะทำการล้าง charge tank และ heater column ด้วยสารละลาย hydroxylamine เข้มข้น 30% และตัด charge tank ออกจากขั้นตอนการกลั่นขั้นตอนที่สอง เวลาที่ต้องใช้ในการกลั่นครั้งแรกนี้ประมาณไว้ว่าอยู่ที่ ๓๐ ชั่วโมง
ในขั้นตอนการกลั่นขั้นตอนที่สองจะนำเอาสารละลาย hydroxylamine เข้มข้น 45% ที่ได้จากการกลั่นครั้งแรกที่อยู่ใน final product tank นั้นมาทำการกลั่นใหม่ด้วยการป้อนสารละลายดังกล่าวกลับไปยัง heater column และทำการดึงน้ำออกก่อนที่ของเหลวที่เหลืออยู่จะไหลวนกลับมาที่ final product tank ก่อนจะถูกป้อนเวียนกลับไปที่ heater column ใหม่ (ในขั้นตอนนี้รายงานการสอบสวนไม่ได้บอกว่าการดึงน้ำออกนั้นกระทำตรงจุดไหน) การกลั่นนี้จะดำเนินไปเรื่อย ๆ จนกระทั่งความเข้มข้น hydroxylamine ใน final product tank เพิ่มเป็น 50% (ความเข้มข้นในที่นี้หน่วยเป็น wt% ทั้งหมด) การให้ความร้อนนั้นใช้น้ำร้อนเป็นตัวให้ความร้อน
เมื่อได้สารละลาย hydroxlamine เข้มข้น 50% แล้วก็จะนำไปกำจัดสิ่งปนเปื้อนในขั้นตอนต่อไปด้วยกระบวนการแลกเปลี่ยนไอออน
อุบัติเหตุเกิดขึ้นเมื่อโรงงานเริ่มเดินเครื่องครั้งแรก โดยเริ่มจากการเติมสารละลาย hydroxylamine 30% เข้าสู่ charge tank ในบ่ายวันจันทร์ที่ ๑๕ พอตกเย็นวันอังคารก็จำเป็นต้องหยุดเดินเครื่องเนื่องจากพบว่าท่อแก้วที่อยู่ใน heater column นั้นมีความเสียหาย จึงทำให้มีน้ำรั่วเข้าไปผสมกับสารละลายใน charge tank การซ่อมแซมกระทำเสร็จในวันพฤหัสบดีและพอช่วงบ่ายวันเดียวกันก็เริ่มต้นกระบวนการกลั่นต่อจนกระทั่งถึงเวลาประมาณ ๒๓.๓๐ น
จากนั้นทางโรงงานได้ทำการเปลี่ยนท่อป้อนสารเข้าสู่ heater column จากเดิม 1.5 นิ้วเป็น 2นิ้ว (ขณะนี้เวลาเข้าสู่วันศุกร์แล้ว) ก่อนที่จะเริ่มการกลั่นต่อในช่วงเช้า ณ เวลานี้ความเข้มข้นของ hydroxylamine ใน charge tank อยู่ที่ประมาณ 57% และเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ตลอดเวลา เมื่อการกลั่นไปสิ้นสุดที่เวลาประมาณ ๑๙.๔๕ น ความเข้มข้นของ hydroxylamine ใน charge tank ที่บันทึกไว้ได้คือ 86%
เมื่อขั้นตอนการกลั่นขั้นตอนแรกสิ้นสุด การทำงานจึงเข้าสู่การเตรียมการเพื่อเข้าสู่ขั้นตอนการกลั่นที่สอง เริ่มด้วยการล้างระบบด้วยสารละลาย hydroxylamine เข้มข้น 30% แต่ในระหว่างกระบวนการนี้ก็ได้เกิดระเบิดขึ้นก่อน ณ เวลา ๒๐.๑๔ น โดยจุดที่เชื่อว่าเป็นต้นตอของการระเบิดก็คือ charge tank ในเอกสารของ CSB กล่าวว่าไม่สามารถบุได้แน่ชัดว่าเกิดอะไรขึ้นบ้างในช่วงเวลาก่อนการระเบิด
แต่สิ่งหนึ่งที่รายงานการสอบสวนกล่าวเอาไว้ก็คือ จากการทดลองกลั่นแยกในระดับห้องทดลอง มีข้อมูลที่ทราบอยู่แล้วว่าเมื่อความเข้มข้นของสารละลาย hydroxylamine สูงเกินกว่า 80% จะมีโอกาสที่ hydroxylamine จะกลายเป็นผลึกของแข็งขึ้น และผลึกของแข็งนี้เป็นสารที่ไม่เสถียรและมีความเป็นไปได้ที่จะเกิดการระเบิด และข้อมูลนี้ก็มีการระบุไว้ใน MSDS (Material safety data sheet) ของบริษัทว่า "มีอันตรายที่จะเกิดไฟไหม้และการระเบิดถ้ามีการกำจัดน้ำออกและความเข้มข้น hydroxylamine สูงในระดับที่เกินกว่า 70%) ข้อมูลนี้เป็นที่รับรู้กันในช่วงที่ทำ pilot scale แต่กลับไม่ถูกส่งผ่านต่อไปยังช่วงที่ทำ การออกแบบกระบวนการ, การเขียนคู่มือปฏิบัติงาน, การเตรียมมาตรการบรรเทาสาธารณภัย หรือข้อควรระวังสำหรับโอเปอร์เรเตอร์
ดังนั้นสิ่งที่เกิดขึ้นคือในขั้นตอนการผลิต จึงมีการปล่อยให้ความเข้มข้นสารละลาย hydroxylamine ใน charge tank เพิ่มไปจนถึง 86%
ส่วนสาเหตุที่ทำให้เกิดการจุดระเบิดนั้นในรายงานการสอบสวนกล่าวแต่เพียงความเป็นไปได้ต่าง ๆ เช่น การให้ความร้อนที่มากเกินไปในกระบวนการกลั่น การเกิดการกระแทกอันเป็นผลจากอุปกรณ์ที่ทำจากแก้วเกิดการแตกหักและตกลงล่าง หรือการมีสิ่งปนเปื้อนปนเข้าไปในระบบ ไปจนถึงความร้อนที่เกิดจากความเสียดทานเมื่อของเหลวไหลผ่านปั๊ม แต่ก็ไม่สามารถระบุได้ว่าเกิดจากสาเหตุใด
เมื่อเทียบกับการระเบิดของบริษัท Nissin แล้วผมเห็นว่ามีบางประเด็นที่เอกสารของ CSB ฉบับนี้ไม่ได้กล่าวถึง เช่น
- การเติมสารยับยั้งเพื่อป้องกันการสลายตัวของ hydroxylamine ที่ในกรณีของประเทศญี่ปุ่นมีการตรวจสอบว่าความเข้มข้นของสาร chelate ที่เติมเพื่อยับยั้งการสลายตัวของ hydroxylamine นั้นอยู่ในระดับที่เหมาะสมหรือไม่ ซึ่งในกรณีของประเทศญี่ปุ่นนั้นแม้ไม่ได้ระบุไว้ในบทความอย่างชัดเจน แต่ก็บ่งบอกเป็นนัยว่ามันควรต้องมีอยู่ในสารละลายที่อยู่ในกระบวนการกลั่นด้วย
- การปนเปื้อนไอออนที่เร่งการสลายตัวของ hydroxylamine ที่อาจหลุดเข้าไปในระบบพร้อมกับน้ำที่ใช้ให้ความร้อนในการกลั่นเมื่อท่อแก้วที่ใช้ทำเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนนั้นแตก (น้ำที่ใช้ให้ความร้อนมีอะไรละลายปนอยู่บ้าง) ซึ่งบทความของ CSB ฉบับนี้ไม่ได้พูดถึงประเด็นนี้
- ทำไมจึงเลือกใช้อุปกรณ์ที่ทำจากแก้วที่มีความเสี่ยงที่จะแตกหักสูงทั้ง ๆ ที่สามารถใช้โลหะแทนได้ (ในกรณีของบริษัท Nissin นั้นใช้เหล็กกล้าไร้สนิม)
- การทำงานที่มีลักษณะเป็น batch คือมีการหยุดการเดินเครื่องเพื่อเปลี่ยนสภาวะการทำงานนั้น เปิดโอกาสให้มีอากาศรั่วไหลเข้าไปในระบบได้หรือไม่ เพราะ hydroxylamine ที่เป็นของแข็งนั้นสลายตัวได้ง่ายขึ้นเมื่ออยู่ในอากาศ แม้ว่าระบบจะใช้ปั๊มสุญญากาศเพื่อทำสุญญากาศในระบบ ถ้าหากมีอากาศรั่วไหลเข้าไป ต้องใช้เวลานานเท่าใดปั๊มจึงจะสามารถดึงเอาอากาศที่รั่วไหลเข้าไปนี้ออกไปได้หมด
อุบัติเหตุแบบเดียวกัน เกิดคนละประเทศกัน สอบสวนด้วยทีมสอบสวนแตกต่างกัน ข้อมูลที่ทีมสอบสวนมีประกอบการสอบสวน มุมมองในการพิจาณาปัญหา และข้อสรุปที่ได้จึงแตกต่างกันไปด้วย
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น