ถึงแม้ว่าพันธะระหว่างอะตอม C ของวงแหวนเบนซีนจะมีอิเล็กตรอนอยู่หนาแน่นมากกว่าพันธะเดี่ยว C-C ทั่วไป แต่ด้วยการที่มันเกิด resonance จึงทำให้มันมีเสถียรภาพมากเป็นพิเศษ การเข้าแทนที่อะตอม H ที่เกาะอยู่กับอะตอม C ที่เป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างวงแหวนจึงทำได้ยาก ต้องใช้ electrophile (สารที่ชอบอิเล็กตรอน) ที่มีความแรงมากพอควร ตัวอย่างของ electrophile ที่สามารถเข้าแทนที่อะตอม H ของวงแหวนเบนซีนได้ง่ายได้แก่ SO3 (ในปฏิกิริยา sulphonation และ +NO2 (ในปฏิกิริยา nitration)
ปฏิกิริยา sulphonation (หรือ sulfonation) หรือการเติมหมู่ -SO3H เข้าไปที่วงแหวนเบนซีนทำได้ด้วยการทำปฏิกิริยากับกรดกำมะถันเข้มข้น (H2SO4) ที่อุณหภูมิสูงพอ โดยกรดกำมะถันเข้มข้นจะมีการสลายตัวให้ SO3 ออกมา หรือใช้แก๊ส SO3 ที่ละลายอยู่ในกรดกำมะถันที่อุตสาหกรรมเรียกกรดชนิดนี้ว่า Oleum หรือ Fuming sulphuric acid (สัญญลักษณ์ทางเคมีคือ H2SO4.SO3) หรือถ้าเป็นแก๊ส SO3 ละลายอยู่ใน sulphonic acid (หรือ sulfonic acid) ก็จะเรียกกรดนั้นว่า fuming sulphonic acid แต่ในปัจจุบันโรงงานที่ต้องการใช้ SO3 ในปริมาณมากก็สามารถผลิตแก๊ส SO3 ขึ้นเองด้วยการเผากำมะถันกับอากาศเพื่อให้ได้ SO2 ก่อน จากนั้นจึงค่อยทำการออกซิไดซ์ SO2 ที่ได้กับออกซิเจนในอากาศโดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาช่วย ก็จะได้แก๊ส SO3 ที่สามารถส่งไปทำปฏิกิริยาต่อได้เลย
เรื่องที่นำมาเล่าวันนี้นำมาจากบทความเรื่อง "Explosion on restarting agitation during the sulfonation reaction of toluene" (ดาวน์โหลดได้ที่ http://www.shippai.org/fkd/en/cfen/CC1000104.html) เป็นเหตุการณ์ที่เกิดที่ประเทศญี่ปุ่นเมื่อวันที่ ๓๐ สิงหาคม ค.ศ. ๑๙๗๐ (พ.ศ. ๒๕๑๓) ในโรงงานที่ทำการผลิต m-benzenesulphonic acid และ p-toluenesulphonic acid ด้วยปฏิกิริยา sulphonation กับกรดกำมะถันและ fuming sulphonic acid (รูปที่ ๑)
เนื่องจากโทลูอีน (toluene หรือ methyl benzene C6H5-CH3) มีหมู่ methyl (-CH3) ที่เป็น ring activating group เกาะอยู่ที่วงแหวน จึงทำให้โทลูอีนมีความว่องไวในการทำปฏิกิริยา sulphonation มากกว่าเบนซีน ดังนั้นการออกแบบกระบวนการจึงออกแบบให้เบนซีนทำปฏิกิริยาก่อน (รูปที่ ๒) ด้วยการค่อย ๆ เติมเบนซีนลงไปในกรดกำมะถันเข้มข้นที่อุณหภูมิสูงก่อน (กรดกำมะถันเข้มข้นมีอุณหภูมิจุดเดือดที่ประมาณ 330ºC) และเนื่องจากหมู่ -SO3H เป็น ring deactivating group ดังนั้นหลังจากที่แทนที่อะตอม H ที่วงแหวนด้วยหมู่ -SO3H หมู่แรกแล้ว การเข้าแทนที่หมู่ที่สองจะเกิดยากขึ้นอีก จึงจำเป็นต้องใช้อุณหภูมิที่สูงเพื่อให้ปฏิกิริยาการแทนที่ครั้งที่สองนั้นเกิดขึ้นได้
รูปที่ ๒ ่ แผนผังกระบวนการผลิต จะเห็นว่าจะเริ่มจากการทำปฏิกิริยาของเบนซีนก่อน ทั้งนี้เป็นเพราะเบนซีนนั้นมีความว่องไวในการทำปฏิกิริยาต่ำกว่าโทลูอีน (โทลูอีนมีหมู่ -CH3 ที่เป็น ring activating group เกาะอยู่กับวงแหวน) ทำให้ต้องใช้อุณหภูมิที่สูงกว่าในการทำปฏิกิริยา
คำบรรยายเหตุการณ์ในรูปที่ ๓ กล่าวไว้ว่า การเติมหมู่ -SO3 หมู่ที่สองให้กับ benzene sulphonic acid ทำด้วยการใข้ "sulphuric anhydride" สารตัวนี้คือ SO3 (sulphur trioxide) ที่มีจุดหลอมเหลวที่อุณหภูมิประมาณ 17ºC และอุณหภูมิจุดเดือดที่ประมาณ 45ºC หลังจากเสร็จปฏิกิริยา sulphonation ของเบนซีนแล้ว ก็จะลดอุณหภูมิระบบให้ต่ำลงมาอยู่ที่ระดับที่โทลูอีนสามารถเกิดปฏิกิริยาได้ (110ºC) โดยที่อุณหภูมินี้เบนซีนไม่ควรเกิดปฏิกิริยาอีก แล้วจึงค่อยทำปฏิกิริยา sulphonation ของโทลูอีน
อุณหภูมิจุดเดือดของเบนซีนอยู่ประมาณที่ 80ºC ในขณะที่ของโทลูอีนอยู่ที่ประมาณ 110ºC จากรูปที่ ๒ จะเห็นว่าอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาในขั้นแรกนั้นจะสูงกว่าอุณหภูมิจุดเดือดของเบนซีน และอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาในขั้นที่สองจะอยู่ที่ประมาณอุณหภูมิจุดเดิอดของโทลูอีน ดังนั้นความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมา (จะว่าไปปฏิกิริยานี้ก็คายความร้อนมากอยู่แล้ว) จะสามารถทำให้โทลูเดือดกลายเป็นไอได้ง่าย
การค่อย ๆ เติมของเหลวชนิดที่สองลงไปผสมกับของเหลวชนิดที่หนึ่งที่ถูกปั่นกวนอยู่ในถังผสมอาจทำได้ด้วยการ (ก) หยดของเหลวชนิดที่สองลงไปเหนือผิวของเหลวชนิดที่หนึ่ง (คือให้ปลายท่อเติมของเหลวชนิดที่สองอยู่เหนือผิวของเหลวชนิดที่หนึ่ง) หรือ (ข) หยดของเหลวชนิดที่สองลงไปใต้ผิวของเหลวชนิดที่หนึ่ง (คือให้ปลายท่อเติมของเหลวชนิดที่สองจมอยู่ใต้ผิวของเหลวชนิดที่หนึ่ง) ในกรณีที่เกรงว่าจะเกิดปัญหาไฟฟ้าสถิตย์ การเติมแบบ (ข) จะดีกว่า (เพราะไม่มีการกระเด็นของของเหลวชนิดที่สอง) แต่การเติมแบบ (ข) ก็ต้องระวังให้ดีถ้าถังผสมนั้นมีความดันสูง เพราะความดันในถังอาจดันให้ของเหลวในถังไหลย้อนออกมาทางท่อที่ใช้เติมของเหลวชนิดที่สองได้ ดังนั้นการออกแบบจึงควรต้องคำนึงในเรื่องนี้ด้วย
เมื่ออุณหภูมิลดลงมาที่ระดับ 110ºC ก็จะเริ่มการเติมโทลูอีน (ปริมาณทั้งหมดที่ต้องเติมคือ 280 กิโลกรัม โดยเริ่มเติมเวลา ๑๔.๑๐ น ต่อมาเมื่อเวลา ๑๕.๓๐ น โอเปอเรเตอร์พบว่าใบพัดกวนหยุดทำงาน โดยมีการเติมโทลูอีนลงไปในถังโดยไม่มีการปั่นกวนนานประมาณ ๑ ชั่วโมง (บทความไม่ได้ให้รายละเอียดว่าตามกำหนดแล้วต้องใช้เวลานานเท่าใดในการเติมโทลูอีน 280 กิโลกรัม และนับจากเวลาที่เริ่มเติมจนกระทั่งพบว่าใบพัดกวนไม่ทำงานนั้น มีการเติมโทลูอีนไปแล้วมากน้อยเท่าใด) สาเหตุที่ทำให้ใบพัดกวนหยุดทำงานคือฟิวส์ขาด จึงได้ทำการเปลี่ยนฟิวส์และเริ่มเดินเครื่องใบพัดกวนใหม่เมื่อเวลา ๑๕.๕๕ น (บทความไม่มีการระบุว่าช่วงเวลา ๒๕ นาทีนับจากพบว่าใบพัดกวนหยุดทำงานจนเริ่มเดินเครื่องได้ใหม่นั้น ยังมีการเติมโทลูอีนเข้าระบบหรือไม่)
ทันทีที่เริ่มเดินเครื่องใบพัดกวน ก็มีไอ (น่าจะเป็นโทลูอีน) ฉีดพุ่งออกมาทางหน้าแปลน (ว่าแต่ทำไมหน้าแปลนจึงปิดไม่สนิทหรือเปิดอยู่ก็ไม่รู้) โอเปอร์เรเตอร์จึงรีบตัดไฟที่จ่ายไปยังใบพัดกวน ก่อนที่จะเกิดการระเบิดในอีก ๗ นาทีต่อมา ทำให้มีผู้เสียชีวิต ๑ รายและบาดเจ็บ ๖ ราย
เหตุการณ์ที่นำมาเล่าในวันนี้เกิดก่อนเหตุการณ์ที่เล่าไว้ในตอนที่แล้ว ๓ ปี (MOMemoir : Saturday 3 December 2565การระเบิดหลังการเปิดใบพัดกวน(o-Nitroanisole)) และสถานการณ์ที่เกิดก็เป็นแบบเดียวกัน คือปฏิกิริยาคายความร้อนสูงในถังปั่นกวนที่ใช้การค่อย ๆ เติมสารตั้งต้นตัวหนึ่งลงไปในสารตั้งต้นอีกตัวหนึ่งที่อยู่ในถังผสม ปัญหาจะไม่เกิดถ้าหากระหว่างการเติมนั้นมีการปั่นกวน เพราะสารตั้งต้นตัวที่สองที่เติมเข้าไปจะทำปฏิกิริยาทันที เป็นการเกิดความร้อนที่ละน้อย ๆ อย่างต่อเนื่อง แต่พอหยุดการปั่นกวนแต่ไม่หยุดการเติมสารตั้งต้นตัวที่สอง พอเริ่มทำการปั่นกวนใหม่จะทำให้เกิดการคายความร้อนออกมาในปริมาณมากในเวลาอันสั้น ความเสียหายรุนแรงจึงยากที่จะหลีกเลี่ยง
ดังนั้นเมื่อมีการเกิดอุบัติเหตุ และรีบทำการสอบสวนหาสาเหตุให้ได้ว่าเป็นเพราะเหตุใด (อย่าเพิ่งหาคนที่ต้องมารับผิด) และรีบเผยแพร่ออกไปให้เป็นที่ทราบทั่วไป การทำผิดแบบซ้ำเดิมโดยผู้อื่นก็คงจะลดลง
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น