ปฏิกิริยาการออกซิไดซ์ในเฟสแก๊ส (gas phase oxidation) มีการผสมสารตั้งต้น (ซึ่งมักเป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนต่าง ๆ) กับอากาศ (เพื่อใช้ออกซิเจนในอากาศเป็นตัวออกซิไดซ์) เข้าด้วยกัน ก่อนให้แก๊สผสมนั้นไหลผ่านเบดตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเปลี่ยนสารตั้งต้นเป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ และเพื่อให้การทำงานนั้นเป็นไปได้อย่างปลอดภัย จึงต้อง
(ก) ควบคุมสัดส่วนผสมของเชื้อเพลิงกับอากาศไม่ให้อยู่ในช่วง explosive limit หรือ
(ข) ถ้าส่วนผสมอยู่ในช่วง explosive limit ก็ต้องไม่ให้เกิดแหล่งพลังงาน (เช่นอุณหภูมิที่สูง หรือประกายไฟจากไฟฟ้าสถิตย์) ที่สามารถจุดไอผสมนั้นในระบบได้
แต่บางทีการป้องกันมันก็ยากเหมือนกัน เพราะค่า explosive limit ที่มีนั้นมักจะเป็นค่าของสารบริสุทธิ์ (เช่นของสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์) แต่เมื่อสารตั้งต้นทำปฏิกิริยาไปเป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ จะมีการเกิดสารมัธยนต์ (intermediate) และผลิตภัณฑ์ข้างเคียงอื่นเกิดขึ้นได้ และสารเหล่านี้ก็มักจะไม่อยู่ในการพิจารณาความเสี่ยงที่จะเกิดการระเบิดด้วย
๒ เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้เป็นกรณีของการระเบิดที่เกิดจากสิ่งที่ไม่ได้คาดมาก่อนว่าจะมีอยู่ในระบบในโรงงานผลิต phthalic anhydride ที่ใช้ naphthalene เป็นสารตั้งต้น โดยนำมาจากเว็บ http://www.shippai.org/fkd/en/index.html ซึ่งเป็นเว็บของ JST Failure Knowledge Database ที่เป็นการรวบรวมอุบัติเหตุต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นในประเทศญี่ปุ่น แต่รายละเอียดที่ให้นั้นจะให้ไว้ไม่มาก เรียกว่าเป็นข้อสรุปเพียงแค่ ๒-๓ หน้ากระดาษก็ได้
กรณีที่ ๑ ผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่สะสมอยู่ในท่อปลายตัน
เหตุการณ์นี้เกิดในวันที่ ๔ กุมภาพันธ์ปีค.ศ. ๑๙๘๗ (พ.ศ. ๒๕๓๐) การระเบิดเกิดขึ้นในท่อที่ทำการผสมแนฟทาลีน (naphthalene) เข้ากับอากาศ ก่อนที่แก๊สผสมนั้นจะไหลเข้าสู่ oxidation reactor ระบบท่อดังกล่าวแสดงไว้ในรูปที่ ๑
ที่อุณหภูมิห้องแนฟทาลีนเป็นของแข็ง ในการทำปฏิกิริยานั้นต้องทำการหลอมให้แนฟทาลีนเป็นของเหลวก่อน จากนั้นจึงฉีดแนฟทาลีนเหลวนี้เข้าไปในกระแสอากาศร้อนเพื่อให้แนฟทาลีนกลายเป็นไอและผสมเป็นเนื้อเดียวกันกับอากาศ ในการออกแบบระบบผสมนั้นแนฟทาลีนเหลวจะถูกฉีดขึ้นด้านบน (ในท่อที่ตั้งในแนวดิ่ง) โดยมีอากาศร้อนไหลจากด้านล่างขึ้นบน ปลายท่อด้านล่างนั้นเป็นข้อต่อตัว T (T Junction) ที่ทำให้ท่อแยกลงล่างนั้นเป็นท่อปลายตัน แก๊สผสม แนฟทาลีน + อากาศ จะไหลผ่านตะแกรงที่ทำหน้าที่ระบายประจุไฟฟ้าสถิตลงดิน (earth screen) และไหลผ่าน flame arrester ก่อนเข้าเครื่องปฏิกรณ์ ในเส้นทางการไหลนี้มีการติดตั้ง rupture disc ไว้ ๓ ตำแหน่งด้วยกัน
ท่อผสมที่ตั้งในแนวดิ่งนั้นจำเป็นต้องมี pipe support รองรับน้ำหนักท่อ ในกรณีนี้ดูเหมือนว่าการออกแบบจะใช้ข้อต่อตัว T โดยท่อส่วนที่ต่อลงล่างทำหน้าที่ถ่ายน้ำหนักของตัวท่อลงสู่ฐานรับน้ำหนัก แต่วิธีการเช่นนี้ก็ทำให้ท่อที่แยกลงล่างนั้นกลายเป็นท่อปลายตันที่เป็นจุดที่สามารถเก็บสะสมของเหลวหรือของแข็งได้ (ซึ่งในบางกรณีก็อาจต้องการเช่นนั้นเพื่อไม่ให้ของเหลวหรือของแข็งนั้นไหลตามแก๊สหรือตกย้อนลงมาต้นทาง) ถ้าเปลี่ยนเป็นการใช้ข้องอ (elbow) แทนและทำ pipe support รองรับน้ำหนักท่อตรงตำแหน่งข้องอ ก็จะไม่เกิดปัญหาท่อปลายตัน แต่ทั้งนี้ก็มีอีกสิ่งหนึ่งที่ควรคำนึงด้วยก็คือรูปแบบความเร็วการไหล (velocity profile) ของอากาศที่ไหลขึ้นข้างบน ที่ควรมีความสม่ำเสมอตลอดทั้งพื้นที่หน้าตัด เพราะการไหลที่มีการเลี้ยว 90º ผ่านข้องอและข้อต่อตัว T นั้นมีรูปแบบความเร็วการไหลที่ไม่เหมือนกัน
การระเบิดเกิดขึ้นเมื่อเวลาประมาณ ๙.๑๖ น ทำให้ rupture disk ทั้งสามตัวแตกออกเพื่อระบายแรงระเบิด โดยมีชิ้นส่วนของ rupture disk นั้นปลิวกระจายไปยังบริเวณข้างเคียง ผลการสอบสวนเชื่อว่าต้นตอของการระเบิดอยู่ที่ท่อปลายตันที่เป็นจุดสะสมของสารอินทรีย์ (คือแนฟทาลีนบางส่วนอาจเกิดการควบแน่นเป็นของเหลวที่ผนังท่อ และไหลลงล่างสวนทางกับแก๊สที่ไหลขึ้นบน) และสารอินทรีย์เหล่านี้ค่อย ๆ ถูกออกซิไดซ์กลายเป็นผลิตภัณฑ์อื่นพร้อมกับคายความร้อนออกมา เมื่อมีสารอินทรีย์สะสมมากเรื่อย ๆ ปฏิกิริยาก็เกิดได้มากขึ้นและมีความร้อนคายออกมามากขึ้น ด้วยการที่บริเวณดังกล่าวไม่มีอากาศไหลผ่านจึงทำให้เกิดการสะสมความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมา จนในที่สุดความร้อนนั้นทำให้สารอินทรีย์ที่สะสมอยู่นั้นระเหยกลายเป็นไอจนทำให้ความเข้มข้นแก๊สในท่อผสมนั้นอยู่ในช่วง explosive limit และด้วยความร้อนที่คายออกมานั้นก็ทำให้สารผสมนั้นเกิดการระเบิดได้
rupture disk หรือ busrting disk เป็นแผ่นโลหะที่ออกแบบมาให้ฉีกขาดเมื่อความดันสูงเกินกำหนด ข้อดีของมันคือสามารถระบายความดันที่เพิ่มขึ้นสูงอย่างรวดเร็ว (เช่นความดันที่เกิดจากการระเบิด) ได้อย่างรวดเร็ว จึงนิยมใช้กับระบบที่มีความเสี่ยงที่จะเกิดการระเบิดขึ้นภายใน แต่ก็มีข้อเสียคือเมื่อมันฉีกขาดแล้วก็ต้องหยุดระบบเพื่อเปลี่ยนตัวใหม่ ไม่เหมือนพวกวาล์วระบายความดันที่เมื่อความดันลดต่ำลงแล้วก็จะปิดตัวเอง ระบบก็ยังทำงานต่อไปได้
ในเหตุการณ์นี้ไม่ได้ระบุรูปแบบ rupture disk ที่ใช้ แต่กล่าวไว้ในการป้องกันในอนาคตว่าควรเปลี่ยนไปใช้ชนิดที่มีการทำ "ร่อง" บนผิว นั่นแสดงว่าของเดิมที่ใช้นั้นเป็นแบบผิวเรียบ เมื่อเกิดการฉีกขาดรอยขาดจึงเป็นแบบสุ่ม ทำให้เกิดชิ้นส่วนเล็ก ๆ หลุดปลิวไปกับแก๊สที่ระบายออกได้ แต่ถ้าเป็นแบบที่มีการทำร่อง การฉีกขาดจะเกิดตามแนวร่องที่ทำเอาไว้โดยไม่มีการเกิดชิ้นส่วนเล็ก ๆ หลุดปลิวไปกับแก๊ส
ส่วนตัว flame arrester นั้นทำหน้าที่ดับเปลวไฟที่วิ่งอยู่ในเส้นท่อ โดยตัวมันเองประกอบด้วยชั้นตะแกรงโลหะที่มีความหนาระดับหนึ่ง เมื่อเปลวไฟเคลื่อนที่มาถึงชั้นตะแกรงโลหะก็จะถ่ายความร้อนให้กับโลหะนั้น เปลวไฟก็จะเย็นตัวลงและดับลง อย่างเช่นในกรณีนี้เปลวไฟที่เกิดจากการระเบิดดับก่อนเข้าสู่เครื่องปฏิกรณ์ ทำให้ไม่เกิดการระเบิดในเครื่องปฏิกรณ์ แต่ตัวตะแกรงโลหะของ flame arrester ก็ถูกแรงระเบิดอัดจนสูญเสียรูปร่าง
กรณีที่ ๒ การระเบิดจากประกายไฟไฟฟ้าสถิตที่เกิดจากน้ำที่ตกค้างในระบบ
เหตุการณ์ที่สองนี้เกิดขึ้นเมื่อเวลาประมาณ ๔.๐๙ น ของวันที่ ๑๐ มีนาคมปีค.ศ. ๑๙๘๘ (พ.ศ. ๒๕๓๑) โดยเป็นการระเบิดในส่วนของท่อผสมแนฟทาลีนกับอากาศเข้าด้วยกัน (รูปที่ ๒)
โรงงานดังกล่าวมีกระบวนการผลิตสองกระบวนการเดินคู่ขนานกัน (A system และB system ในรูป) การป้อนแนฟทาลีนนั้นใช้ปั๊มสองตัว (ในบทความไม่มีการระบุว่าเป็นแบบไหน) สิ่งที่เกิดขึ้นปั๊ม A (ที่จ่ายแนฟทาลีนไปยัง A system) และปั๊ม B (ที่จ่ายแนฟทาลีนไปยัง B system) เกิดปัญหา cavitation ขึ้นพร้อมกัน โอเปอร์เรเตอร์จึงได้เข้าทำการแก้ปัญหาและสามารถทำให้ปั๊ม A กลับมาทำงานได้ดังเดิม แต่ตัวปั๊ม B ยังคงมีปัญหาอยู่ ทำให้ความเข้มข้นแนฟทาลีนที่ป้อนไปยังเครื่องปฏิกรณ์ของ B system ลดต่ำลง อุณหภูมิในเครื่องปฏิกรณ์จึงลดต่ำลง
ปั๊มที่ทำงานตลอด ๒๔ ชั่วโมงในโรงงานจะมีการติดตั้งปั๊มสำรองคู่กันเสมอ เพราะมันมักมีเรื่องให้ต้องทำการซ่อมบำรุงก่อนที่จะถึงกำหนดเวลาหยุดเดินเครื่องประจำปี แต่ในกรณีของระบบที่ทำงานเหมือน ๆ กัน เช่นกรณีของ A และ B system ในที่นี้ แทนที่จะมีปั๊มสำรองสำหรับปั๊ม A หนึ่งตัวและสำหรับปั๊ม B อีกหนึ่งตัว ก็มีปั๊มสำรองเพียงตัวเดียวพอคือปั๊ม C คือถ้า A เสียก็ใช้ C แทน และถ้า B เสียก็ใช้ C แทนเช่นกัน (ขึ้นอยู่บนข้อสมมุติที่ว่าโอกาสที่ปั๊ม A และ B จะเสียพร้อมกันนั้นน้อยมาก) รูปแบบนี้เรียกว่า common spare
ในกรณีนี้อาจมีบางคนสงสัยว่าในเมื่อ B มีปัญหาแล้วทำไมไม่ใช้ C แทน นั่นคงเป็นเพราะ cavitation นั้นไม่ใช่ปัญหาที่เกิดจากปั๊ม แต่เป็นปัญหาที่ท่อด้านขาเข้าที่ทำให้ปั๊มไม่สามารถดูดเอาของเหลวเข้าในอัตราที่เพียงพอได้ แม้ว่าในบทความไม่ได้กล่าวถึงระบบท่อตรงนี้ไว้แต่ก็เป็นไปได้ว่าท่อส่วนที่เกิดปัญหาคือท่อที่ป้อนของเหลวให้กับปั๊ม B และ C ดังนั้นจึงไม่สามารถเดินเครื่องปั๊ม C แทนปั๊ม B ได้
ในปฏิกิริยาการออกซิไดซ์ในเฟสแก๊สนั้น เนื่องจากความเข้มข้นของสารตั้งต้นนั้นต่ำมาก จึงนิยมทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิที่สูงพอที่ทำให้ได้ค่า conversion 100% เพราะมันไม่คุ้มที่จะแยกเอาสารตั้งต้นที่ยังไม่ทำปฏิกิริยากลับมาใช้ใหม่ และการทำงานที่อุณหภูมิต่ำเกินไปจะทำให้เกิด under oxidation product (สารมัธยันต์ที่เกิดระหว่างการเปลี่ยนสารตั้งต้นไปเป็นผลิตภัณฑ์) ที่เป็นสารอินทรีย์ ที่ต้องมาเสียค่าใช้จ่ายในการแยกออกจากผลิตภัณฑ์ที่ได้อีก แต่ถ้าอุณหภูมิสูงเกินไปก็จะสูญเสียสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ไปเป็น CO2 ได้ แต่ CO2 มันถูกปล่อยทิ้งออกไปกับอากาศที่เหลือ ไม่ได้ตกค้างปนในผลิตภัณฑ์ (แต่ทั้งนี้ก็ยังอาจมีสารอินทรีย์ที่เป็นสารมัธยันต์ที่เกิดระหว่างการสลายตัวของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ไปเป็น CO2 ปะปนอยู่ในผลิตภัณฑ์ได้)
อุณหภูมิของเบดตัวเร่งปฏิกิริยานั้นขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้นและอัตราการไหลของแก๊สผสม โดยจะเพิ่มสูงถ้าความเข้มข้นสารตั้งต้นที่เพิ่มสูงขึ้นและ/หรืออัตราการไหลของแก๊สผสมนั้นลดต่ำลง (เพราะแก๊สผสมทำหน้าที่เป็นตัวพาความร้อนออกไปจากเบดตัวเร่งปฏิกิริยาด้วย) ในเหตุการณ์นี้เมื่ออุณหภูมิในเครื่องปฏิกรณ์ลดต่ำลงซึ่งเป็นผลจากความเข้มข้นสารตั้งต้นลดต่ำลง ระบบจึงแก้ปัญหาด้วยการไปลดอัตราการไหลของอากาศด้วยการปิดวาล์วป้อนอากาศให้เปิดน้อยลง
แต่อัตราการไหลอากาศลดต่ำลงกลับไปทำให้ความเข้มข้นแนฟทาลีนในแก๊สผสมเพิ่มสูงขึ้น (ปั๊มยังไม่หยุดทำงานโดยสิ้นเชิง ยังคงป้อนแนฟทาลีนเข้าสู่ระบบอยู่) จนเข้าสู่ช่วง explosive limit ตามด้วยการระเบิดในท่อผสมที่เกิดขึ้นตามมา จนทำให้ rupture disk สามตัวเปิดเพื่อระบายความดัน
แหล่งพลังงานที่เป็นตัวจุดระเบิดคาดว่าเกิดจากไฟฟ้าสถิตย์ที่เกิดจาก "ไอน้ำที่ควบแน่นเป็นของเหลว (steam condensate)" ที่ค้างอยู่ในระบบ และประจุไฟฟ้าสถิตเกิดเมื่อน้ำที่เป็นของเหลวนี้ถูกฉีดพ่นเป็นหยดละอองเล็ก ๆ ที่หัวฉีด โดยท่อไอน้ำนี้เป็นท่อสาธารณูปโภคที่ถูกต่อถาวรเข้ากับท่อป้อนแนฟทาลีนโดยมีวาล์วปิดกั้นเพียงแค่ตัวเดียว (ซึ่งจะว่าไปไม่ควรทำการต่อถาวร หรือถ้าต้องต่อถาวรก็ควรมีการป้องกันไม่ให้เกิดการรั่วไหลที่ดีกว่านี้ เช่นการใช้ระบบ double block and bleed valves หรือใช้ slip plate เป็นต้น) รายงานการสอบสวนกล่าวว่าคาดว่า steam condensate ที่มีความดันสูงรั่วไหลเข้าไปทางฝั่งท่อป้อนแนฟทาลีนที่อยู่ทางด้านขาเข้าของปั๊ม ทำให้การทำงานของปั๊มไม่มีเสถียรภาพ (เกิด cavitation) และด้วยการที่ในระบบนั้นมีของเหลวสองชนิดที่ไม่ละลายเข้าเป็นเนื้อเดียวกัน (คือน้ำที่มีขั้ว และแนฟทาลีนที่ไม่มีขั้ว) จึงทำให้เกิดไฟฟ้าสถิตได้ง่ายขึ้นไปอีก
แนฟทาลีนมีจุดหลอมเหลวประมาณ 80ºC ในขณะที่น้ำมีจุดเดือดที่ 100ºC ที่ความดันบรรยากาศ ดังนั้นการที่ปั๊มเกิด cavitation คงเป็นเพราะน้ำเกิดการเดือดเป็นไอในท่อดูดแนฟทาลีนเข้าปั๊ม และมีการควบแน่นกลับเป็นของเหลวเมื่อถูกเพิ่มความดันภายในปั๊ม ทำให้เกิดการไหลแบบสองเฟสจากด้านขาออกของปั๊มไปจนถึงหัวฉีด
ส่วนที่ว่าในกรณีนี้เกิดไฟฟ้าสถิตได้อย่างไรนั้นสามารถอ่านได้ในบทความเรื่อง "ไฟฟ้าสถิตกับงานวิศวกรรมเคมี (๑) ตัวอย่างการเกิด" ใน MO Memoir ฉบับวันอาทิตย์ที่ ๑๔ พฤษภาคม ๒๕๖๐
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น