การละลายของเอทานอลในไฮโดรคาร์บอน MO Memoir : Saturday 25 November 2566

โครงสร้างโมเลกุลของเอทานอลนั้นมีทั้งส่วนที่มีขั้วที่แรงคือหมู่ -OH และส่วนที่ไม่มีขั้วคือหมู่ -C₂H₅ ด้วย ด้วยการที่ส่วนที่ไม่มีขั้วมีขนาดเล็กจึงทำให้เอทานอลละลายในน้ำได้ในทุกสัดส่วน ที่มีปัญหามากกว่าน่าจะเป็นการละลายในตัวทำละลายที่ไม่มีขั้วเช่นไฮโดรคาร์บอน

ในกรณีของพวก "light hydrocarbon" (พวกที่มีจุดเดือดต่ำ) นั้นพบว่าเอทานอลที่ปราศจากน้ำ (absolute ethanol หรือ anhydrous ethanol) สามารถละลายได้ในทุกสัดส่วน แต่ในกรณีของเอทานอลที่มีน้ำผสมอยู่ด้วยนั้น (เช่นเอทานอลที่เราใช้ในการผลิตแก๊สโซฮอล์ที่มีน้ำผสมอยู่ได้ไม่เกิน 0.3 wt% หรือถังเก็บน้ำมันแก๊สโซฮอล์ที่มีน้ำปนเปื้อน) พบว่า การละลายเข้าเป็นเนื้อเดียวกันระหว่าง น้ำ + เอทานอล + ไฮโดรคาร์บอนนั้น ยังขึ้นกับรูปร่างโมเลกุลของไฮโดรคาร์บอนด้วยว่าเป็นชนิดสายโซ่หรืออะโรมาติก

รูปที่ ๑ เฟสไดอะแกรมของสารละลาย น้ำ + เอทานอล + นอร์มัลเฮปเทน (n-Heptane (C₇H₁₆) นำมาจากบทความเรื่อง "Vapour–liquid–liquid and vapour–liquid equilibrium of the system water + ethanol + heptane at 101.3 kPa", Vicente Gomis, Alicia Font, Maria Dolores Saquete, Fluid Phase Equilibria, 248 (2006) 206-210. หน่วยของแต่ละแกนในรูปนี้คือ mol%

รูปที่ ๑ เป็นเฟสไดอะแกรมของสารละลาย น้ำ + เอทานอล + นอร์มัลเฮปเทน ก่อนอื่นขอให้ข้อมูลในการอ่านกราฟแบบนี้สำหรับผู้ที่ไม่เคยใช้กราฟแบบนี้มาก่อน แกนนอนในรูปที่ ๑ ที่อยู่ระหว่างคำ Water ทางด้านซ้าย กับ n-Heptane ทางด้านขวาคือสัดส่วนน้ำในสารละลาย ตัวเลข 100 ที่อยู่ทางฝั่งคำ "Water" คือมีน้ำเพียงอย่างเดียว (น้ำบริสุทธิ์) ตัวเลข 0 ที่อยู่ทางฝั่งคำ "n-Heptane" คือสารละลายที่ไม่มีน้ำเลย (มีแต่นอร์มัลเฮปเทน) แกนทางด้านซ้าย (เริ่มจาก 0 ที่คำ "Water' ไปจนถึง 100 ที่คำ "Ethanol") คือสัดส่วนเอทานอลในสาละลาย และในทำนองเดียวกันแกนทางด้านขวา (เริ่มจาก 0 ที่คำ "Ethanol' ไปจนถึง 100 ที่คำ "n-Heptane") คือสัดส่วนนอร์มัลเฮปเทนในสารละลาย ทุก ๆ องค์ประกอบที่อยู่บนแกนทางด้านขวาคือสารละลายผสมระหว่างเอทานอลกับนอร์มัลเฮปเทนที่ไม่มีน้ำปนอยู่เลย

ส่วนที่เป็นโค้งรูปโดมอยู่ในรูปสามเหลี่ยมเป็นเส้นแบ่งระหว่างส่วนผสมที่ละลายเข้าเป็นเนื้อเดียวกัน (ส่วนที่อยู่เหนือเส้นรูปโดม) และส่วนผสมที่มีการแยกออกเป็นสองเฟส (ส่วนที่อยู่ใต้เส้นรูปโดม) เส้นตรงสีส้มที่ลากอยู่ใต้โค้งรูปโดมเรียกว่า "Tie line" เป็นเส้นที่เป็นตัวบอกว่าในกรณีของส่วนผสมที่มีการแยกเป็นสองเฟสนั้น แต่ละเฟสจะมีองค์ประกอบอะไรบ้าง โดยจุดทางด้านซ้ายองค์ประกอบหลักเป็นเฟสน้ำ + เอทานอล โดยมีนอร์มัลเฮปเทนเป็นส่วนน้อย ส่วนจุดทางด้านขวาองค์ประกอบหลักจะเป็น เอทานอล + นอร์มัลเฮปเทน โดยมีน้ำเป็นส่วนน้อย

รูปที่ ๒ เฟสไดอะแกรมของสารละลาย น้ำ + เอทานอล + เฮกเซน (Hexane C₆H₁₄) รูปนี้นำมาจากบทความที่ปรากกฏอยู่ในรูปแล้ว หน่วยของแต่ละแกนในรูปนี้คือmol fraction หรือสัดส่วนโมล ซึ่ง mole fraction x 100 = mol%

รูปที่ ๓ เฟสไดอะแกรมของสารละลาย น้ำ + เอทานอล + เพนเทน (Pentane C₅H₁₂) สเกลของแต่ละแกนในรูปนี้คือ mol fraction รูปนี้นำมาจากบทความเดียวกันกับรูปที่ ๒

รูปที่ ๔ เฟสไดอะแกรมของสารละลาย น้ำ + เอทานอล + ไซโคลเฮกเซน (Cyclohexane C₆H₁₂)สเกลของแต่ละแกนในรูปนี้คือ mol fraction

รูปที่ ๒ และ ๓ เป็นเฟสไดอะแกรมของสารละลาย น้ำ + เอทานอล + เฮกเซน/เพนเทน ทั้งนอร์มัลเฮปเทน, เฮกเซน และเพนเทน ต่างเป็น aliphatic hydrocarbon (ไฮโดรคาร์บอนที่มีโครงสร้างแบบเส้น) เหมือนกัน ต่างกันที่จำนวนอะตอมคาร์บอน พึงสังเกตตำแหน่งจุดสูงสุดของโค้งรูปโดม จะเห็นว่าเมื่อโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนมีขนาดเล็กลง จุดสูงสุดของโค้งรูปโดมจะลดต่ำลง แสดงให้เห็นว่าช่วงสารละลายผสมที่ประกอบด้วย น้ำ + เอทานอล + ไฮโดรคาร์บอน ละลายเข้าเป็นเนื้อเดียวกันได้นั้นมีช่วงกว้างขึ้น

รูปที่ ๔ เป็นเฟสไดอะแกรมของสารละลาย น้ำ + เอทานอล + ไซโคลเฮกเซน ที่เป็นไฮโดรคาร์บอนรูปร่างโมเลกุลเป็นวงแหวนอิ่มตัว (cycloaliphatic) ถ้าเทียบกับกรณีของเฮกเซนแล้วจะเห็นว่าตำแหน่งความสูงของโค้งรูปโดมนั้นอยู่ในระดับใกล้เคียงกัน (อนึ่ง ความสูงของโค้งรูปโดมนั้นยังขึ้นกับอุณหภูมิที่ทำการทดลอง กล่าวคือที่อุณหภูมิสูงขึ้นการละลายเข้าเป็นเฟสเดียวกันจะเกิดได้ดีขึ้น ทำให้ความสูงของโค้งรูปโดมลดต่ำลง)

รูปที่ ๕ เป็นเฟสไดอะแกรมของสารละลาย น้ำ + เอทานอล + โทลูอีน (C₆H₅-CH₃) โครงสร้างโมเลกุลของโทลูอีนนั้นเป็นวงแหวนอะโรมาติกที่มีหมู่เมทิล (-CH₃) เกาะหนึ่งหมู่ ในกรณีนี้พึงสังเกตว่าความสูงของโดมในวงแหวนลดต่ำลงไปอีก นั่นแสดงว่าช่วงสัดส่วนที่สารทั้งสามสามารถละลายเข้าเป็นเนื้อเดียวกันได้นั้นกว้างขึ้นไปอีก

รูปที่ ๕ เฟสไดอะแกรมของสารละลาย น้ำ + เอทานอล + โทลูอีน นำมาจากบทความเรื่อง "Homogeneity of the water + ethanol + toluene azeotrope at 101.3 kPa", Vicente Gomis, Alicia Font, Maria Dolores Saquete, Fluid Phase Equilibria, 266 (2008), 8-13. สเกลของแต่ละแกนในรูปนี้คือ mol%

แม้ว่าโครงสร้างอะโรมาติกของโทลูอีนและวงแหวนของไซโคลเฮกเซนนั้นจะมีจำนวนอะตอมคาร์บอน 6 อะตอมเหมือนกัน แต่รูปร่างแตกต่างกัน กล่าวคือโครงสร้างวงแหวนอะโรมาติกมีความแบนราบในขณะที่โครงสร้างของไซโคลเฮกเซนนั้นไม่ใช่

กราฟทั้งหมดที่แสดงมาข้างต้นแสดงให้เห็นว่ารูปร่างโครงสร้างโมเลกุลของไฮโดรคาร์บอนนั้นส่งผลต่อการผสมเข้าเป็นเนื้อเดียวกันของ น้ำ + เอทานอล + ไฮโดรคาร์บอน ดังนั้นการนำเอทานอลมาผสมกับไฮโดรคาร์บอนเพื่อผลิตแก๊สโซฮอล์นั้นจึงต้องเลือกสัดส่วนผสมที่ทำให้สารละลายนั้นรวมเป็นเนื้อเดียวกันโดยไม่มีการแยกเฟส

น้ำมันเบนซิน (หรือที่ภาษาอังกฤษเรียกว่า gasoline) เป็นสารผสมที่ประกอบด้วยไฮโดรคาร์บอนหลากหลายชนิด สำหรับบ้านเรานั้นกำหนดให้มีสารประกอบอะโรมาติก (ทุกชนิดรวมกัน) ไม่เกิน 35 vol% (ร้อยละโดยปริมาตร) และกำหนดจุดเดือดเอาไว้ว่า 90 vol% ต้องระเหยที่อุณหภูมิไม่เกิน 170ºC และจุดที่ระเหยจนหมดต้องไม่เกิน 200ºC ในกรณีของน้ำมันแก๊สโซฮอล์นั้นกำหนดส่วนผสมด้วยหน่วย "vol%"

รูปที่ ๖ เฟสไดอะแกรมของสารละลาย น้ำ + เอทานอล + แก๊สโซลีน นำมาจากบทความเรื่อง "Bioethanol fule quality and downstream marketting constraints" โดย S. Gunawardena, Proceeding of SAARC Regional Training on Biofuels, 22-26 September 2008. สเกลของแต่ละแกนในรูปนี้คือ wt%

รูปที่ ๖ เป็นเฟสไดอะแกรมของ น้ำ + เอทานอล + น้ำมันเบนซิน โดยหน่วยสัดส่วนผสมที่เขาใช้นั้นคือ "wt%" (หมายเหตุ : เอทานอลมีความหนาแน่นสูงกว่าน้ำมันเบนซินอยู่เล็กน้อย) ถ้าดูตามรูปนี้ก็จะเห็นว่าเราสามารถผสมเอทานอลกับน้ำมันเบนซินด้วยสัดส่วนใดก็ได้

รูปที่ ๗ เป็นเฟสไดอะแกรมของ น้ำ + เอทานอล + น้ำมันเบนซิน ที่อุณหภูมิต่าง ๆ (หน่วยสัดส่วนผสมที่ใช้ในกราฟนี้คือ "vol%" (คนละหน่วยกับรูปที่ ๑-๕) พึงสังเกตว่าเมื่ออุณหภูมิลดต่ำลง บริเวณสัดส่วนผสมที่ยังทำให้สารละลายยังคงเป็นเนื้อเดียวกันนั้นจะแคบลง ดังนั้นการเลือกสัดส่วนผสมจึงต้องคำนึงถึงช่วงอุณหภูมิอากาศที่นำน้ำมันไปใช้งานด้วย

รูปที่ ๗ เฟสไดอะแกรมของสารละลาย น้ำ + เอทานอล + น้ำมันเบนซิน (แก๊สโซลีน) ที่อุณหภูมิต่างกัน นำมาจากบทความเรื่อง "Gasoline made with hydrous ethanol", Orlando Volpato Filho, Conference Paper, September 2008 (https://www.researchgate.net/publication/309564235) สเกลของแต่ละแกนในรูปนี้คือ vol%

เดคเคน มีจุดเดือดอยู่ที่ประมาณ 174ºC (อยู่ในช่วง 10% สุดท้ายของน้ำมันเบนซิน) เส้นสีเขียวในรูปที่ ๘ เป็นเส้นแบ่งสัดส่วนความเข้มข้นที่ละลายเป็นเนื้อเดียวกันและแยกเป็นสองเฟสของสารผสม น้ำ + เอทานอล + เดคเคน (หน่วยเป็น mol%) พึงสังเกตว่าช่วงองค์ประกอบที่สารผลมสามารถละลายเป็นเนื้อเดียวกันได้นั้นจะแคบลงไปอีก โดยเฉพาะแนวแกนด้านขวาที่เป็นส่วนผสมระหว่างเอทานอลกับเดคเคน ที่โค้งรูปโดมนั้นแทบจะแนบไปกับแนวแกนดังกล่าว ซึ่งแสดงให้เห็นว่าถ้ามีน้ำผสมอยู่เพียงปริมาณเล็กน้อยก็จะเกิดปัญหาการแยกเฟสได้ทันที (ต้องไม่ลืมว่าเอทานอลที่เอามาผสมกับน้ำมันเพื่อผลิตแก๊สโซฮอล์นั้นจะมีน้ำปนอยู่เล็กน้อย ยิ่งผสมเอทานอลมากขึ้น สัดส่วนน้ำในสารผสมก็จะมากขึ้นไปด้วย)

รูปที่ ๘ เฟสไดอะแกรมของสารละลาย น้ำ + เอทานอล + เดคเคน (Decane C₁₀H₂₂) /ออกทานอล (Octanol C₈H₁₅-OH) (หน่วยเป็น mol%) ในรูปนี้มุมซ้ายล่างของสามเหลี่ยมคือจุด เอทานอล 100%, มุมขวาล่างคือ เดคเคน/ออกทานอล 100% และมุมบนคือเอทานอล 100%

ปัญหาเรื่องการผสมเอทานอลเข้ากับไฮโดรคาร์บอนที่มีขนาดใหญ่ขึ้นไปอีกนั้นเห็นได้ชัดเมื่อมีความต้องการเอาเอทานอลไปผสมกับน้ำมันดีเซล ซึ่งจำเป็นต้องมีการเติมสารลดแรงตึงผิว (surfactant) เพื่อให้ละลายเข้าเป็นเนื้อเดียวกันและละลายได้มากขึ้น ในขณะที่ในกรณีของน้ำมันเบนซินนั้นไม่จำเป็นต้องใช้ ข้อดีของการผสมเอทานอลในน้ำมันดีเซลคือทำให้การเผาไหม้สมบูรณ์ขึ้นเนื่องจากโมเลกุลเอทานอลมีขนาดเล็กและมีออกซิเจนอยู่ในตัว แต่ก็มีช้อเสียคือไปทำให้เลขซีเทนของน้ำมันดีเซลลดต่ำลง (รูปที่ ๙)

รูปที่ ๙ เลขซีเทนของน้ำมันดีเซลเมื่อผสมเอทานอลด้วยอัตราส่วนต่าง ๆ กัน

แม้เอทานอลจะมีเลขออกเทนที่สูงแต่มีพลังงานความร้อนที่ต่ำกว่าไฮโดรคาร์บอน เพื่อที่จะดึงประโยชน์จากเลขออกเทนที่สูงของเอทานอลจึงควรต้องใช้เครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนการอัดที่สูงขึ้น แต่นั่นจะไปก่อให้เกิดปัญหาเมื่อต้องใช้น้ำมันเบนซินเป็นเชื้อเพลิง (เพราจะมันจะน็อคได้ง่ายขึ้น) สำหรับรถยนต์ทั่วไปนั้นอัตราส่วนการอัดของเครื่องยนต์ที่ติดรถมานั้นจะคงที่ ดังนั้นอีกทางเลือกที่ทำได้คือการเปลี่ยนองศาการจุดระเบิด ดังเช่นผลการทดลองในรูปที่ ๑๐ ที่เปรียบเทียบระหว่างน้ำมันเบนซินที่จุดระเบิดที่ 9 BTDC แต่ถ้าใช้แก๊สโซฮอล์ที่มีสัดส่วนเอทานอลผสม 50% จะต้องจุดระเบิดเร็วขึ้นที่ 12-15 องศา

แต่เครื่องยนต์ที่บทความนี้ใช้เป็นเครื่องยนต์ทดสอบชนิดลูกสูบเดียว รอบเครื่องยนต์ที่เห็นจึงจัดว่าสูงอยู่

 

รูปที่ ๑๐ แรงบิดและกำลังที่ได้จากการจุดระเบิดที่องศาการจุดระเบิดต่างกันระหว่างน้ำมันเบนซิน (แก๊สโซลีน) และแก๊สโซฮอล์ที่มีเอทานอลผสม 50% บทความได้ระบุว่าสัดส่วนผสมเป็นหน่วยใด แต่เข้าใจว่าน่าจะเป็นโดยปริมาตร BTDC ย่อมาจาก Before Top Dead Centre ที่แปลว่าก่อนถึงจุดศูนย์ตายบน ลูกสูบเคลื่อนที่ลง-ขึ้นหนึ่งรอบเพลามีการหมุน 360 องศา 9 BTDC ก็คือเพลาแล้ว 361 องศา ขาดอีก 9 องศาลูกสูบก็จะเคลื่อนที่ขึ้นถึงจุดสูงสุด

การวินิจฉัยการเข้าข่ายสินค้าที่ใช้ได้สองทาง ตัวอย่างที่ ๑๙ เครื่องสลายนิ่วในไตด้วยคลื่นกระแทก (Lithotripter) MO Memoir : Monday 20 November 2566

ในช่วงท้ายของ workshop ที่จัดโดยวิทยากรจากสหรัฐอเมริกาเมื่อวันพฤหัสบดีที่ ๙ พฤศจิกายน ทางวิทยากรได้มีการเน้นถึงความสำคัญของการพิจารณาผู้รับสินค้าที่ใช้ได้สองทางว่าเป็นผู้รับที่เหมาะสมหรือไม่ โดยได้มีการกล่าวถึง "เครื่องสลายนิ่วในไตด้วยคลื่นกระแทก (Lithotripter)" โดยบอกว่ามีชิ้นส่วนที่เกี่ยวข้องกับ "การจุดระเบิดอาวุธนิวเคลียร์" เป็นส่วนหนึ่งของเครื่องดังกล่าว ก็เลยลองไปค้นดูว่ามันคือชิ้นส่วนไหน

แต่ก่อนอื่นเราลองมาทำความรู้จักหลักการทำงานของคลื่นนี้ดูก่อน

รูปที่ ๑ เป็นตัวอย่างหนึ่งของเครื่องสลายนิ่วในไตด้วยคลื่นกระแทก การทำให้เกิดคลื่นกระแทกอาศัยขั้วไฟฟ้า 2 ขั้ว (22) ที่วางห่างกันเล็กน้อย (คือไม่สัมผัสกัน) ตรงนี้เรียกว่า spark gap (24) เมื่อมีความต่างศักย์ที่สูงมากพอก็จะเกิดประกายไฟกระโดดข้ามจากขั้วหนึ่งไปยังอีกขั้วหนึ่งแบบเดียวกับหัวเทียนที่ใช้กับรถยนต์ ในกรณีของเครื่องนี้ตัว spark gap จะติดตั้งอยู่ภายในผนังสะท้อนคลื่นรูปทรงวงรี (ellipsoidal reflector - 14) โดยจะวางตัวที่ตำแหน่งโฟกัสตำแหน่งหนึ่งของวงรี โดยในตัวผนังสะท้อนนี้จะบรรจุน้ำเอาไว้เต็ม พลังงานความร้อนปริมาณมากที่เกิดจากประกายไฟในผิวน้ำในเวลาอันสั้นจะทำให้เกิดคลื่นแทกแผ่ออกไปจากจุดโฟกัส 24 ทุกทิศทาง และเมื่อคลื่นที่แผ่ออกไปนั้นไปกระทบกับผนังสะท้อนคลื่น (14) ก็จะเกิดการสะท้อนตรงไปยังจุดโฟกัสที่สอง 12 และไปถึงยังตำแหน่งโฟกัสที่สอง (12) ดังกล่าวพร้อม ๆ กัน โดยหน้าที่ของแพทย์คือต้องวางตำแหน่งนิ่วในไต (kidney stone) ให้อยู่ตรงตำแหน่งโฟกัสที่สอง (12) นี้ พลังงานของคลื่นกระแทกที่กลับมารวมกันที่จุดเดียวกันนี้จะสูงมากพอที่จะทำให้ก้อนนิ่วในไตแตกออกเป็นชิ้นเล็ก ๆ ได้

รูปที่ ๑ สิทธิบัตรการทำงานของเครื่องสลายนิ่วในไตด้วยคลื่นกระแทก (Lithotripter)

การทำให้เกิดประกายไฟได้ต้องมีวงจรไฟฟ้าสร้างความต่างศักย์สูง รูปที่ ๒ เป็นตัวอย่างหนึ่งของวงจรดังกล่าวที่มีการสร้างขึ้นเพื่อใช้ในงานวิจัย ตัววงจรจะมีการแปลงไฟฟ้ากระแสสลับที่ใช้กันในอาคารบ้านเรือนเป็นไฟฟ้ากระแสตรงความต่างศักย์สูง (ระดับพันโวลต์) เก็บพลังงานสะสมไว้ในตัวเก็บประจุ (capacitor หรือ condenser) ที่สามารถสะสมพลังงานได้มาก และเมื่อสะสมพลังงานได้สูงเพียงพอแล้วก็จะปลดปล่อยพลังงานทั้งหมดออกมาในเวลาอันสั้น (ในรูปแบบของประกายไฟที่กระโดยข้ามขั้วไฟฟ้า)

และตัวเก็บประจุที่มีบทบาทสำคัญในการสะสมพลังงานของวงจรในรูปที่ ๒ ก็คือ C1, C2 และ C3

รูปที่ ๒ ตัวอย่างหนึ่งของวงจรสร้างประกายไฟที่ขั้วไฟฟ้า (ในรูปนี้คือ Electrode Gap)

ตรงนี้ขอบันทึกความรู้พื้นฐานเรื่องการต่อตัวเก็บประจุ (ซึ่งตัวเองก็มีอยู่น้อย) เอาไว้สักหน่อย เนื่องจากมันจำเป็นต้องใช้ในการทำความเข้าใจว่าตัวเก็บประจุนี้มันกลายเป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทางได้อย่างไร

เราสามารถนำตัวเก็บประจุมาต่อกันแบบอนุกรม (series) หรือขนาน (paralle) ได้แบบตัวความต้านทาน (resistor) เพื่อให้ตัวเก็บประจุสามารถรองรับความต่างศักย์และ/หรือมีความจุตามที่เราต้องการได้ หน่วยความจุของตัวเก็บประจุคือ Farad (อ่านออกเสียงว่า "ฟาหรัด" แต่ถ้าเขียนจะเป็น "ฟารัด") ที่ย่อว่า F ขนาดที่มีขายกันทั่วไปก็จะมีระดับ nF (นาโนฟารัดหรือ 10^-9 F), pF (พิโคฟารัดหรือ 10^-9 F) ใหญ่ขึ้นมาหน่อยก็จะเป็น µF (ไมโครฟารัดหรือ 10^-6 F) และ mF (มิลลิฟารัดหรือ 10^-3 F) ส่วนพลังงานที่ตัวเก็บประจุเก็บได้คำนวณได้จากสูตร E = (1/2)CV² เมื่อ C คือความจุ (F) และ V คือความต่างศักย์ (volt) พึงสังเกตว่าพลังงานแปรผันตามความต่างศักย์ยกกำลัง 2

ถ้านำเอาตัวเก็บประจุ 2 ตัวมาต่ออนุกรมกัน ความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ตัวเก็บประจุต่อกันอยู่นั้นก็จะเท่ากับผลรวมของตัวเก็บประจุทั้งสอง เช่นถ้าเอาตัวเก็บประจุที่ออกแบบมาใช้กับความต่างศักย์ 750 V 2 ตัวมาต่ออนุกรม ตัวเก็บประจุ 2 ตัวที่ต่ออนุกรมกันนี้จะรับความต่างศักย์ได้ 750 + 750 = 1500 V หรือ 1.5 kV

ความสามารถในการเก็บประจุของตัวเก็บประจุหลายตัวที่นำมาต่อเข้าด้วยกันนั้นขึ้นกับรูปแบบการต่อ กล่าวคือถ้าต่อขนานกัน ประมาณประจุที่เก็บได้ (C_T) จะเท่ากับปริมาณประจุที่ตัวเก็บประจุแต่ละตัวเก็บได้บวกรวมกัน แต่ถ้านำมาต่ออนุกรมกันต้องคำนวณจากสูตร 1/C_T = 1/C₁ + 1/C₂ + 1/C₃ + ... เมื่อ C_i คือปริมาณประจุที่ตัวเก็บประจุแต่ละตัวเก็บ

ตัวอย่างเช่นถ้านำตัวเก็บประจุขนาด 40 nF 100 kV 2 ตัวมาต่อขนานกัน ความต่างศักย์ทำงานของตัวเก็บประจุทั้งสองก็คือ 100 kV แต่จะเก็บประจุได้ 40 + 40 = 80 nF แต่ถ้าเรานำมาต่ออนุกรมกัน ความต่างศักย์ทำงานของตัวเก็บประจุทั้งสองจะเป็น 100 + 100 = 200 kV ส่วนประจุจะเก็บได้เพียง 1/C_T = 1/40 + 1/40 หรือ C_T = 20 nF หรือน้อยลงกว่าเดิม

ดังนั้นวิธีการหนึ่งที่สามารถทำได้ในการสร้างตัวเก็บประจุทำงานที่ความต่างศักย์สูงและเก็บประจุได้มาก จากตัวเก็บประจุที่รับความต่างศักย์ได้ต่ำกว่าก็คือ การนำเอาตัวเก็บประจุที่รับความต่างศักย์ได้ต่ำนั้นมาต่ออนุกรมกันจนมันสามารถรับความต่างศักย์ได้สูง และทำแบบนี้ให้ได้หลาย ๆ ชุดแล้วจึงนำมาต่อวงจรแบบขนานกัน

รูปที่ ๓ รายละเอียดชิ้นส่วนประกอบต่าง ๆ ของวงจรในรูปที่ ๒

ทีนี้มาลองพิจารณากรณีของตัวเก็บประจุ C1, C2 ที่มีคุณสมบัติเท่าที่เปิดเผยดังแสดงในรูปที่ ๓ คือแต่ละตัวเก็บประจุได้ 40 nF ทำงานกับความต่างศักย์ 100 kV ดังนั้นตัวเก็บประจุแต่ละตัวจะเก็บพลังงานได้เท่ากับ (1/2).(40 x 10^-9).(100000)² = 200 J แต่ถ้านำ 2 ตัวมาต่อขนานกันก็จะเก็บประจุได้ 80 nF คิดเป็นพลังงานที่เก็บสะสมได้เท่ากับ (1/2).(80 x 10^-9).(100000)² = 400 J (Joule)

ส่วนพลังงานที่ตัวเก็บประจุ C3 นั้นเก็บสะสมไว้ได้ก็จะเท่ากับ (1/2).(0.001 x 10^-3).(25000)² = 312.5 J

ทีนี้ลองไปพิจารณาคุณสมบัติตัวเก็บประจุที่เป็นสินค้าควบคุมดังแสดงในรูปที่ ๔ กันหน่อย

 

รูปที่ ๔ ตัวเก็บประจุที่เป็นสินค้าควบคุมต้องมีคุณลักษณะตามหัวข้อ 3A001.e และ 3A201.a

เนื่องจากข้อมูลที่เปิดเผยในรูปที่ ๓ มีเพียงแค่ปริมาณประจุที่เก็บสะสมได้กับความต่างศักย์ใช้งาน ดังนั้นจะขอพิจารณาเฉพาะสองประเด็นนี้ จะเห็นว่าตัวเก็บประจุขนาด 40 nF 100 kV (ที่ใช้ทำ C1 และ C2) และขนาด .001 mF (หรือ 1 µF) 25 kV (ที่ใช้ทำ C3) จะมีคุณสมบัติเข้าเกณฑ์ในเรื่องของความต่างศักย์ทั้งในหัวข้อ 3A001.e.2 และ 3A201.a และผ่านเกณฑ์เรื่องพลังงานรวม (total energy) ในหัวข้อ 3A001.e.2.b และ 3A201.a.1

ที่น่าสนใจคือตัวเก็บประจุ C3 ที่ทำงานที่ความต่างศักย์ 25 kV (ผ่านเกณฑ์ 3A201.a.1.a ที่กำหนดไว้ว่าต้องสูงกว่า 1.4 kV) มีความจุ 1 µF (ผ่านเกณฑ์ 3A201.a.1.c ที่กำหนดไว้ว่าต้องสูงกว่า 0.5 µF) คิดเป็นพลังงานที่เก็บสะสมได้ 312.5 J (ผ่านเกณฑ์ 3A201.a.1.b ที่กำหนดไว้ว่าต้องมากกว่า10 J) ทีนี้ก็เหลือเพียงข้อเดียวคือ 3A201.a.1.d ว่าผ่านหรือไม่ (ในบทความที่ยกมาเป็นตัวอย่างไม่ได้ให้ข้อมูลตัวนี้ไว้) ซึ่งถ้าผ่านมันก็จะเป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทางที่เป็นส่วนประกอบหนึ่งของสินค้าที่ใช้งานในทางการแพทย์

แล้วมันเกี่ยวข้องกับ "การจุดระเบิดอาวุธนิวเคลียร์" อย่างไร คำตอบคือก็เพราะมันเป็นชิ้นส่วนประกอบสำคัญชิ้นส่วนหนึ่งของ Exploding Bridge Wire ที่ใช้จุดระเบิด Explosive lens ของอาวุธนิวเคลียร์ ซึ่งเรื่องนี้ได้เขียนไว้ในบทความฉบับวันพฤหัสบดีที่ ๒๙ สิงหาคม ๒๕๖๒ เรื่อง "สินค้าที่ใช้ได้สองทาง(Dual-Use Items :DUI) ตอนที่ ๕"

เพลิงไหม้และการระเบิดที่โรงงานผลิต HDPE เนื่องจากเฮกเซนรั่ว MO Memoir : Thursday 16 November 2566

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากหน้าเว็บของ ISEC International Safety Eng. Co. เป็นเหตุการณ์เฮกเซนรั่วและตามมาด้วยการระเบิดเมื่อวันที่ ๑๓ กันยายน ค.ศ. ๒๐๑๐ (พ.ศ. ๒๕๕๓) ตัวคลิปวิดิทัศน์นั้นจำลองภาพโรงงานได้ชัดเจนดี แต่ไปจบที่เกิดการระเบิดโดยที่ไม่มีคำอธิบายว่าเกิดจากสาเหตุใด ซึ่งต้องไปอ่านในรายงานการสอบสวน ทั้งคลิปและรายงานไปดูได้ที่ https://www.isecinvestigation.com/Petrochemical-Company-HD-Plant-Explosion-and-Fire/

ที่นำมาเล่าในวันนี้ก็เพราะพอคุ้นกับกระบวนการผลิตของโรงงานแบบนี้ และพบว่าคำบรรยายในคลิปกับรูปที่ปรากฏนั้นไม่ตรงกัน แต่ถ้าดูเผิน ๆ โดยไม่คิดจะจับผิดอะไร แบบเอาเป็นว่ามีคนเล่าเรื่องให้ฟังและมีภาพประกอบให้ดูก็ไม่เป็นไร แต่ในรายงานเองนั้นก็ไม่ได้อธิบายว่าเฮกเซนรั่วไหลออกมาได้อย่างไร ก็เลยเป็นที่มาของเรื่องเล่าในวันนี้

รูปที่ ๑ Reactor แบบ CSTR อยู่ที่มุมซ้ายล่าง โดยมี Overhead condenser สองตัวอยู่ด้านขวาบน

โรงงานนี้มีถังปฏิกรณ์แบบถังปั่นกวน (Continuous Stirred Tank Reactor - CSTR) 2 ตัว (ดูรูปที่ ๑ ประกอบ) ภายในบรรจุเฮกเซนที่เป็นของเหลวภายใต้ความดัน (คืออุณหภูมิทำปฏิกิริยามันสูงกว่าจุดเดือดเฮกเซนที่ความดันบรรยากาศ แต่ด้วยความดันในระบบที่สูงจึงทำให้เฮกเซนนั้นยังเป็นของเหลวอยู่) สารตั้งต้นที่เป็นแก๊สจะถูกฉีดเข้าไปที่ส่วนล่างของถังปฏิกรณ์ และในระหว่างที่มันลอยขึ้นด้านบนนั้นแก๊สบางส่วนก็จะทำปฏิกิริยากลายเป็นผงพอลิเมอร์แขวนลอยอยู่ในเฮกเซน ความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมาจะทำให้เฮกเซนบางส่วนระเหยกลายเป็นไอ ไหลออกทางด้านบนของถังปฏิกรณ์ร่วมกับแก๊สที่ยังไม่ทำปฏิกิริยา ไปตามท่อสีเหลืองไปยังเครื่องควบแน่นที่จะควบแน่นไอเฮกเซนให้เย็นตัวลงเป็นของเหลว จากนั้นเฮกเซนที่ควบแน่นและแก๊สสารตั้งต้นที่ไม่ควบแน่นจะไหลลงไปยังถังแยกของเหลว-แก๊สที่อยู่ทางด้านล่าง (ต่อรูปที่ ๒)

รูปที่ ๒ ด้านขวาของรูปคือถังแยกเฮกเซนที่ควบแน่นและแก๊สที่ไม่ทำปฏิกิริยา

ข้อดีของการทำปฏิกิริยาแบบนี้คือมันควบคุมอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาได้ง่ายด้วยการกำหนดความดันในถัง ให้เฮกเซนนั้นเดือดที่อุณหภูมิที่ต้องการทำปฏิกิริยา (ที่ความดันคงที่ ของเหลวจะเดือดที่อุณหภูมิคงที่ ไม่ว่าจะป้อนความร้อนเข้ามาเท่าใดก็ตาม) แต่มันจะมีปัญหาเรื่องการเกิดโอลิโกเมอร์ (oligomer คือพวกที่สายโซ่ยังไม่ยาวพอที่จะเป็นพอลิเมอร์ที่สามารถเอาไปใช้งานได้)

เฮกเซนที่ควบแน่นและแก๊สที่ยังไม่ทำปฏิกิริยาเมื่อไหลลงสู่ถังแยก ของเหลวจะตกลงสู่ก้นถังและถูกสูบป้อนกลับเข้าไปยังถังปฏิกรณ์ใหม่ ส่วนแก๊สนั้นจะถูก blower ดูดออกทางด้านบน ผสมเข้ากับแก๊สสารตั้งต้นที่ป้อนเข้ามาชดเชย ก่อนถูกอัดกลับเข้าไปในถังปฏิกรณ์จากทางด้านบน ในรูปที่ ๒ ถ้าไล่ตามแนวท่อสีเหลืองจากด้านขวาไปซ้าย จะเห็นว่าจะมีการแยกท่อแก๊สเพื่อกระจายตำแหน่งฉีดแก๊สเข้าไปยังมุมต่าง ๆ ของถัง (ตรงลูกศรสีแดงชี้)

แก๊สที่ไหลเข้าไปในถังนั้นจะไหลเข้าไปในท่อที่จุ่มอยู่ใต้ผิวของเหลว ภาพจำลองหน้าจอคอมพิวเตอร์ควบคุม (รูปที่ ๓) ก็บ่งบอกไว้อย่างนั้น แม้ว่าทั้งคลิปวิดิทัศน์และรายงานไม่ได้ระบุว่าเฮกเซนไหลออกจากถังปฏิกรณ์ได้อย่างไร แต่ถ้ามีข้อมูลตรงจุดนี้ก็จะบอกได้ว่าทำไมเฮกเซนจึงไหลออกจากถังปฏิกรณ์ได้

ก่อนหน้านี้โรงงานได้หยุดทำการผลิตเพื่อทำการปรับปรุงโรงงานเพื่อเพิ่มกำลังการผลิต ช่วงเวลาที่เกิดเหตุเป็นช่วงเวลาที่จะนำโรงงานกลับมาเดินเครื่องใหม่ ซึ่งก่อนที่จะเริ่มเดินเครื่องก็ต้องมีการตรวจสอบระบบก่อนว่ามีรอยรั่วที่ใดบ้างหรือไม่ และในระหว่างการตรวจสอบก็พบว่า ท่อป้อนแก๊ส "จาก blower ตัวหนึ่งกลับไปยังถังปฏิกรณ์" มีการรั่วและจำเป็นต้องเปลี่ยนท่อนั้น จึงได้มีการถอดท่อนั้นออกไป

คำบรรยายที่ปรากฏในคลิปวิดิทัศน์และในรายงานนั้นกล่าวตรงกันคือเป็นท่อป้อนแก๊ส "จาก blower ตัวหนึ่งกลับไปยังถังปฏิกรณ์" แต่ภาพที่ปรากฏในคลิปวิดิทัศน์ที่เขาทำผมดูแล้วเห็นว่ามันกลายเป็นท่อ "จากเครื่องควบแน่นมายังถังแยกของเหลวและแก๊สออกจากกัน" และพอไปอ่านรายงานก็พบปัญหาเรื่องความน่าสงสัยของรายละเอียดอีก

เพื่อไม่ให้งานหยุดชะงักระหว่างรอเปลี่ยนท่อ ทางโรงงานจึงได้ตัดสินใจทำการสอบเทียบอุปกรณ์วัดระดับของเหลวภายในถังปฏิกรณ์ในช่วงเวลารอคอยดังกล่าว

รูปที่ ๓ ภาพจำลองจากหน้าจอคอมพิวเตอร์ควบคุม แก๊สจะถูกฉีดเข้าไปในท่อที่จุ่มอยู่ใต้ผิวของเหลว

การตรวจวัดระดับของเหลวใช้การวัดความดัน และเนื่องจากความดันขึ้นกับความหนาแน่นของเหลวก็เลยต้องใช้การเติมเฮกเซนเข้าไปในถังปฏิกรณ์ ท่อที่ถอดออกไปนั้นเป็นท่อป้อนแก๊สกลับเข้ามาในถังและท่อนี้ก็เข้าทางด้านบนของถัง ถังนั้นถ้าถังไม่มีความดัน เฮกเซนก็จะไม่สามารถไหลขึ้นด้านบน (ไหลเข้ามาทางปลายท่อที่จุ่มอยู่ในของเหลว) แต่ในการสอบเทียบอุปกรณ์วัดระดับนั้นได้มีการอัดความดันในถังปฏิกรณ์ด้วย (เข้าใจว่าเพื่อไม่ให้เสียเวลาเริ่มเดินเครื่องใหม่เมื่อทำการติดตั้งท่อใหม่เข้าแทนที่ท่อที่ถอดออกไปเสร็จ) ดังนั้นมันจึงมีโอกาสที่เฮกเซนจะถูกความดันในถังให้ไหลย้อนไปทางท่อแก๊สป้อนเข้าถังได้ ทางโรงงานจึงได้ทำการสอด spade (หรือ slip plate) เข้าที่ตำแหน่งหน้าแปลนตัวหนึ่งที่อยู่ระหว่างถังปฏิกรณ์กับปลายท่อที่เปิดอยู่

ความดันที่ด้านล่างของถังจะเท่ากับผลรวมของความดันเนื่องจากความสูงของของเหลวและความดันเหนือผิวของเหลว ดังนั้นเพื่อให้ระบุระดับที่แท้จริงของของเหลวได้จึงต้องวัดความดันในถังส่วนที่อยู่เหนือผิวของเหลวด้วย ซึ่งเมื่อนำความดันเหนือผิวของเหลวไปหักออกจากความดันด้านล่างของถัง ก็จะได้ค่าความดันเนื่องจากความสูงของของเหลวเท่านั้น และจากค่าความหนาแน่นของของเหลวก็จะคำนวณระดับความสูงของของเหลวได้

คำว่า "spade" ในที่นี้ไม่ใช่พลั่ว แต่เป็นแผ่นโลหะรูปวงกลมที่มีด้ามยื่นออกมาเหมือนไม้ปิงปอง เอาไว้สำหรับสอดเข้าไประหว่างหน้าแปลนเพื่อปิดกั้นการไหล ด้ามที่โผล่ยื่นออกมานอกจากช่วยในการจับถือแล้วยังช่วยให้เห็นด้วยว่าหน้าแปลนตรงนั้นมี spade สอดอยู่ อีกชื่อเรียกของมันก็คือ slip plate ในการใช้งานนั้นก็จะคลายหน้าแปลนแล้วง้างออก เอาปะเก็นเดิมที่สอดไว้ระหว่างหน้าแปลนนั้นออกมา และก็สอด spade เข้าไป แน่นอนว่าต้องมีการใส่ปะเก็นระหว่างหน้าแปลนและตัว spade ทั้งสองด้านด้วยเพื่อไม่ให้มันรั่วซึมเวลาขันหน้าแปลนกลับคืน ซึ่งในคู่มือปฏิบัติของโรงงานนี้ก็คือให้ใส่ปะเก็นเทฟลอนที่มีรูปร่างและขนาดเดียวกันกับ spade ที่ใช้เข้าไป (ตรงนี้เข้าใจว่าเป็นเพราะที่ว่างที่จะสอน spade นั้นมีไม่มาก เดิมนั้นน่าจะมีที่ว่างกว้างเพียงแค่สอดหน้าแปลนแบบ spiral wound ได้เพียงตัวเดียว การสอดทั้ง spade และหน้าแปลนแบบ spiral wound เข้าไปอีก 2 ตัวคงทำไม่ได้ (คือหน้าแปลนแบบ spiral wound มันมีความหนาเนื่องจากแผ่นโลหะที่ใช้ทำ) จึงต้องเปลี่ยนมาใช้แผ่นเทฟลอนแทน

รูปที่ ๔ พนักงานสอดเพียงแค่ spade ที่ทำจากเทฟลอนเพียงตัวเดียว และหันด้านที่เป็นด้ามจับขึ้นด้านบน

การสอด spade ที่ถูกต้องที่โรงงานกำหนดนั้น ต้องเป็น spade โลหะที่มี spade ที่เป็นเทฟลอนอยู่ทั้งสองด้านของ spade โลหะ แต่พอทำงานจริงปรากฏว่ามีการสอด spade ที่เป็นเทฟลอนเพียงชิ้นเดียว และยังหันด้านที่เป็นด้ามจับขึ้นบน ในรูปที่ ๔ จะเห็นว่าตำแหน่งที่สอด spade นั้นอยู่สูงจากพื้น และต้องตั้งนั่งร้านขึ้นไปทำงาน

รูปที่ ๕ ภาพการระเบิดจริงจากกล้องวงจรปิด

การเริ่มการสอบเทียบก็มีการตรวจสอบการรั่วไหลอีกครั้ง และพบว่าหน้าแปลนที่ทำการสอด spade เข้าไปนั้นมีการรั่วไหล จึงได้ทำการแก้ไขด้วยการขันน็อตหน้าแปลนให้แน่นขึ้น ซึ่งก็สามารถทำการแก้ไขการรั่วนั้นได้

การสอบเทียบอุปกรณ์วัดระดับด้วยการเติมเฮกเซนและอัดความดันให้กับถังปฏิกรณ์ผ่านไปโดยไม่มีปัญหาอะไร งานดังกล่าวเสร็จสิ้นก่อนถึงเวลาเปลี่ยนกะ (๒๒.๐๐ น) ไม่นาน ทีมทำงานเดิมจึงหยุดการทำงานเพื่อรอให้ทีมใหม่เข้ามาทำงานต่อ และก่อนจะถึงเวลาเปลี่ยนกะเพียงไม่กี่นาที โอเปอร์เรเตอร์ในห้องควบคุมก็เห็นระดับเฮกเซนในถังปฏิกรณ์ลดลงอย่างรวดเร็ว ตามด้วยการระเบิดและเพลิงไหม้ในอีกไม่กี่นาทีถัดมา (รูปที่ ๕) ส่งผลให้มีผู้เสียชีวิต ๑ รายและบาดเจ็บ ๔ ราย

การตรวจสอบที่เกิดเหตุพบว่าการรั่วไหลเกิดจากการฉีดขาดของ spade เทฟลอน กล่าวคือในระหว่างการอัดความดันให้กับถังปฏิกรณ์ ความดันในถังทำให้เฮกเซนไหลย้อนเข้าไปในท่อฉีดแก๊สและไปสะสมอยู่ที่หน้า spade เทฟลอน จนในที่สุดมันไม่สามารถทนต่อความดันได้จึงฉีกขาด (รูปที่ ๖) เฮกเซนจึงรั่วไหลออกทาง "ท่อที่ถูกถอดออก"

รูปที่ ๖ แผ่น spade ที่ทำจากเทฟลอนที่ฉีกขาด

รูปที่ ๗ ข้างล่างเป็นข้อความที่นำมาจากเอกสารเผยแพร่ของทางบริษัทผู้ตรวจสอบ เขาเขียนว่าพอแผ่นเทฟลอนขาด เฮกเซนก็ไหลไปยัง "blower" จากนั้นจึงไปที่ "เครื่องควบแน่น" และในที่สุดก็ไปถึงจุดที่ "ท่อถูกถอดออก" ซึ่งรายละเอียดตรงนี้ผมมองว่ามันไม่สมเหตุสมผล

รูปที่ ๗ คำบรรยายในรายงานในส่วนที่เกิดการรั่วไหลของเฮกเซน

 

รูปที่ ๘ แผนผังอย่างง่ายของกระบวนการผลิต

รูปที่ ๘ ข้างบนเป็นแผนผังของกระบวนการผลิตที่เขียนจากคำบรรยาย คือแก๊สที่ยังไม่ปฏิกิริยา + ไอระเหยของเฮกเซนจะไหลไปยังเครื่องควบแน่นที่อยู่สูงกว่าระดับถังปฏิกรณ์ จากนั้นเฮกเซนที่ควบแน่นและแก๊สที่ไม่ควบแน่นจะไหลลงตามเส้นสีน้ำเงินลงสู่ถังแยกของเหลว-แก๊ส ของเหลวที่ตกลงสู่ก้นถังจะถูกสูบป้อนกลับไปยังถังปฏิกรณ์ใหม่ ส่วนแก๊สนั้นจะถูก blower ดูดและอัดกลับเข้าไปในถังปฏิกรณ์ใหม่ตามเส้นสีแดง

คำบรรยายในคลิปวิดิทัศน์และเอกสารเผยแพร่นั้นบอกตรงกันว่าท่อที่มีปัญหาคือท่อป้อนแก๊สจาก blower ตัวหนึ่งกลับไปยังถังปฏิกรณ์ (เส้นสีแดง) ในขณะที่ถ้าไล่รูปในคลิปวิดิโอมันจะเป็นเส้นสีน้ำเงิน

แต่ไม่ว่าจะเป็นท่อเส้นไหนก็ตามระหว่างท่อสองเส้นนี้ มันจะมีจุดที่ท่อถูกถอดออกอยู่ ดังนั้นเฮกเซนที่ไหลย้อนเข้ามาทางท่อฉีดแก๊สกลับ (เส้นสีแดง) จะไม่สามารถไหลย้อนไปยังเครื่องควบแน่นได้ ด้วยเหตุนี้ผมจึงบอกว่าข้อความในรายงานที่ว่า "เฮกเซนไหลย้อนไปจนถึงเครื่องควบแน่นแล้วก่อนถึงจุดที่ท่อถูกถอดออก" จึงเป็นข้อความที่ไม่สมเหตุสมผล

ด้วยเหตุนี้ตอนต้นเรื่องจึงได้เกริ่นเอาไว้ว่า เรื่องนี้ถ้าดูเพลิน ๆ โดยไม่คิดอะไรมันก็ไม่มีปัญหาอะไร แต่ถ้าอ่านโดยละเอียดจะพบความไม่สมเหตุสมผลนี้อยู่ ตรงนี้ไม่แน่ใจว่าผู้ทำคลิปและรายงานจงใจให้เป็นอย่างนั้นหรือไม่ ซึ่งก็เป็นไปได้เพราะเขาต้องรักษาความลับของลูกค้าของเขา เพราะเมื่อลองใช้ google ค้นหาข่าวการระเบิดในวันเดือนปีดังกล่าวก็ไม่พบ แต่ก็อาจเป็นไปได้ว่าเพราะค้นด้วยคำภาษาอังกฤษ แต่รายงานเหตุการณ์มันเป็นภาษาอื่น

ประเด็นหนึ่งที่น่าสนใจคือ ทำไมถึงเกิดการสอด spade ไม่ครบตามข้อกำหนดขึ้นได้ ในระหว่างการสอด spade นั้นมีผู้ทำงานกี่คน และไม่มีใครทักท้วงเลยหรือว่ามันไม่สมบูรณ์ และตอนที่พบการรั่วไหล ทีมที่มาแก้ไขกับทีมที่ทำการติดตั้ง spade นั้นเป็นทีมเดียวกันหรือไม่ จึงไม่มีการทักท้วง

สำหรับฉบับนี้ก็คงจบลงเพียงแค่นี้

การวินิจฉัยการเข้าข่ายสินค้าที่ใช้ได้สองทาง ตัวอย่างที่ ๑๘ The Blue Team : Spray drying equipment MO Memoir : Tuesday 14 November 2566

บันทึกฉบับนี้เป็นตอนต่อจากฉบับที่แล้ว การอบรมในช่วงบ่ายมีการเปลี่ยนสถานการณ์เป็นตรงข้ามกับช่วงเช้า โจทย์ที่ได้รับเป็นสถานการณ์สมมุติว่า มีผู้ติดต่อขอซื้ออุปกรณ์ใช้งานแล้วของบริษัทคือเครื่องทำแห้งแบบพ่นฝอย (Spray dryer หรือ spray drying equipment) โดยให้ราคาที่น่าสนใจ แต่ก่อนอื่นมาลองทำความรู้จักเครื่องนี้กันก่อนว่ามันมีหลักการทำงานอย่างไร

เครื่องฉีดพ่นแห้งแบบพ่นฝอยใช้ในการผลิตผลิตภัณฑ์ของแข็งที่เป็นผงอนุภาคขนาดเล็กจากของเหลวที่เป็นสารละลายหรือคอลลอยด์ (colloid) โดยจะทำการฉีดพ่นของเหลวออกเป็นหยดละอองเล็ก ๆ ที่เมื่อสัมผัสกับแก๊สร้อน (ถ้าไม่เกรงว่ามันจะทำปฏิกิริยากับอากาศร้อนก็ใช้อากาศร้อนได้) ที่ป้อนเข้ามาให้ไหลในทิศทางเดียวกันกับการฉีด (ส่วนใหญ่จะเป็นอย่างนี้) ตัวทำละลายที่อยู่ในหยดของเหลวก็จะระเหยไป (อันที่จริงการระเหยของเหลวนอกจากจะใช้ความร้อนแล้วยังสามารถใช้การลดความดันร่วมด้วยได้ในกรณีที่เกรงว่าผลิตภัณฑ์จะเสื่อมสภาพเนื่องจากความร้อน) เหลือแต่ส่วนที่เป็นของแข็งที่ถูกพัดพาไปกับแก๊สร้อนที่ถูกดูดให้ไหลผ่านอุปกรณ์แยกเช่นไซโคลน (cyclone)

อุปกรณ์ชนิดนี้มีหลายขนาดตั้งแต่ขนาดเล็กตั้งบนโต๊ะได้เพื่อใช้ในการเรียนการสอนหรือการทดลอง (ที่ทำงานผมก็มีอยู่หนึ่งเครื่อง เอาไว้ให้นิสิตทำการทดลอง) ระดับโรงประลอง (รูปที่ ๑) หรือระดับอุตสาหกรรมที่มีขนาดใหญ่เท่าอาคาร

รูปที่ ๑ ตัวอย่างเครื่อง spray dryer จากเว็บของบริษัทหนึ่ง กำลังการผลิตของเครื่องอยู่ที่ระดับ.โรงประลอง (pilot plant) เครื่องนี้สามารถผลิตอนุภาคที่มีขนาดในช่วง 1 - 150 ไมโครเมตรได้

ตัวอย่างผลิตภัณฑ์ใกล้ตัวเราที่ผลิตด้วยเครื่องชนิดนี้ได้แก่ผงซักฟอกและนมผง ยาที่เป็นของแข็งที่ต้องการฉีดพ่นเข้าไปในลำคอก็จะใช้อุปกรณ์ชนิดนี้ผลิตเพื่อให้ได้อนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่า 10 ไมโครเมตร (ขนาดที่สามารถล่องลอยค้างอยู่ในอากาศเข้าลึกไปภายในระบบทางเดินหายใจของคนได้) ผลิตภัณฑ์เครื่องสำอางบางชนิดที่ต้องใช้ส่วนประกอบที่เป็นของแข็งที่เป็นอนุภาคขนาดเล็ก การผลิตผงอนุภาคของแข็งขนาดเล็กเพื่อนำไปใช้ประโยชน์อย่างอื่นก็อาจใช้เทคนิคนี้ในการผลิตได้

ในการฝึกอบรมนั้น ทางวิทยากรให้โจทย์ปัญหามา ๑ แผ่น โดยขอให้อ่านแต่เพียงหน้าแรกและตอบคำถามชุดที่หนึ่งก่อน จากนั้นจึงค่อยพลิกไปอ่านข้อมูลเพิ่มเติมในหน้าที่สองและตอบคำถามชุดที่สอง แต่ก่อนอื่นลองอ่านโจทย์หน้าแรกในรูปที่ ๒ ข้างล่างดูก่อนว่าสถานการณ์เป็นอย่างไร

รูปที่ ๒ หน้าแรกของโจทย์ที่ได้รับมา ที่สมมุติให้เราเป็นผู้จัดการโรงงานของเจ้าของบริษัท ส่วนคำถามนั้นไม่ได้ถ่ายรูปเก็บเอามาด้วย

Spray dryer ที่เข้าข่ายเป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทางต้องมีคุณสมบัติเป็นไปตามที่ระบุไว้ในหัวข้อ 2B352.h ทุกข้อดังแสดงในรูปที่ ๓ ข้างล่าง แต่เมื่อได้ลองอ่านข้อกำหนดฉบับภาษาอังกฤษ (ปีค.ศ. ๒๐๒๒) เทียบกับฉบับแปลเป็นไทย (อิงฉบับภาษาอังกฤษปีค.ศ. ๒๐๑๙) ก็ขอแสดงความคิดเห็นไว้ตรงนี้หน่อย

รูปที่ ๓ Spray dryer ที่เป็นสินค้าควบคุม ต้องมีคุณลักษณะเป็นไปตามที่ระบุไว้ในหมวด 2B352.h

ข้อกำหนดข้อ 1. ภาษาอังกฤษใช้คำว่า "water evaporation capacity" ซึ่งหมายถึงความสามารถในการระเหยน้ำ แต่ในฉบับภาษาไทยแปลว่า "ความสามารถในการระเหย" โดยไม่มีคำว่า "น้ำ" ถ้าอ่านฉบับภาษาอังกฤษก็จะเข้าใจว่าตัวเลข 0.4 kg/h หรือ 400 kg/h คือ "ปริมาณน้ำที่สามารถดึงออกจากสารละลายที่ฉีดเข้ามา" ไม่ใช่ "ปริมาณสารละลายที่ฉีดเข้ามา" เพราะปริมาณน้ำที่ต้องการดึงออกนั้นเป็นตัวกำหนดปริมาณความร้อนที่ต้องให้ (ผ่านทางอุณหภูมิและอัตราการไหลของแก๊สร้อนที่ป้อนเข้ามา) เพื่อระเหยน้ำจากหยดสารละลายที่ฉีดเข้ามา เพราะพลังงานความร้อนที่ต้องใช้เพื่อทำให้น้ำที่เป็นของเหลวกลายเป็นไอนั้น มีค่ามากกว่าความร้อนที่ต้องใช้ในการทำให้น้ำที่เป็นของเหลวกลายเป็นน้ำที่ยังเป็นของเหลวแต่มีอุณหภูมิสูงขึ้นอยู่มาก

ข้อกำหนดข้อ 2. ภาษาอังกฤษใช้คำว่า "mean ... particle size" ซึ่งถ้าตีความตามนี้จะแปลคำว่า "mean" คือ "ค่าเฉลี่ย" แต่ในฉบับภาษาไทยใช้คำว่า "ปกติ" ซึ่งคงต้องมีการตีความกันอีกว่า "ขนาดปกติ" คืออะไร

แต่ในทางสถิติเวลาพูดถึง "ค่าเฉลี่ย" (ที่ตรงกับคำภาษาอังกฤษ "mean") ยังมีการแยกออกเป็น ๓ แบบคือ Mean, Medium และ Mode ดังแสดงในรูปที่ ๓

เพื่อให้เห็นภาพจะลองยกตัวอย่างในการสอบวิชาหนึ่งมีผู้เข้าสอบ 101 คน สอบได้ 30 คะแนนจำนวน 50 คน, สอบได้ 60 คะแนนจำนวน 1 คน, สอบได้ 65 คะแนนจำนวน 25 คน และสอบได้ 75 คะแนนจำนวน 25 คน

ค่าเฉลี่ยแบบ "Mean" คือการเอาคะแนนของผู้เข้าสอบทุกคนมาบวกรวมกันแล้วหารด้วยจำนวนผู้เข้าสอบ ในกรณีนี้ก็คือ ((25 x 75) + (25 x 65) + (1 x 60) + (50 x 30))/101 = 50.1 คะแนน

ค่าเฉลี่ยแบบ "Medium" คือการเอาคะแนนของผู้เข้าสอบทุกคนมาเรียงลำดับกันจากมากไปน้อย (หรือน้อยไปมากก็ได้) และดูว่าคนที่อยู่ตรงกลางของลำดับคะแนน (ในกรณีนี้คือคนที่ 50) สอบได้คะแนนเท่าไร ในกรณีนี้คือ 60 คะแนน

ค่าเฉลี่ยนแบบ "Mode" คือการเอาคะแนนของผู้เข้าสอบทุกคนมาพิจารณาว่า คะแนนใดที่มีจำนวนผู้สมัครได้เท่ากันมากที่สุด เช่นในกรณีนี้ค่าเฉลี่ยแบบ Mode ก็คือ 30

รูปที่ ๓ นิยามของค่าเฉลี่ย Mean, Mode และ Medium (รูปจาก https://www.cif.iastate.edu/sites/default/files/uploads/Other_Inst/Particle%20Size/Particle%20Characterization%20Guide.pdf) ตรงนี้อย่าไปจำว่าค่าเฉลี่ยมันต้องเรียงลำดับตามนี้ มันขึ้นอยู่กับรูปแบบการกระจายตัวของข้อมูล

โดยส่วนตัวผม ผมยังคิดว่าคำว่า "mean" ที่ระบุไว้ในข้อกำหนดข้อ 2. นั้นเป็นการกล่าวกลาง ๆ ถึง "ค่าเฉลี่ย" ที่ต้องไปตีความกันอีกทีว่าเป็นค่าเฉลี่ยแบบ "Mean", "Medium" หรือ "Mode" ดังที่อธิบายมาข้างต้น ซึ่งตรงจุดนี้มองว่ายังเป็นประเด็นให้ถกเถียงได้อยู่ในการตีความ ในกรณีที่พบว่าเมื่อนำขนาดอนุภาคมาคำนวณค่าเฉลี่ยในรูปแบบต่าง ๆ แล้วพบว่าค่าเฉลี่ยบางรูปแบบนั้นให้ค่าต่ำกว่า 10 ไมโครเมตรและบางรูปแบบให้ค่ามากกว่า 10 ไมโครเมตร

ในกรณีเช่นนี้โดยความเห็นส่วนตัวคิดว่าอาจต้องขอดูข้อมูล "การกระจายตัวของขนาดอนุภาค (Particle size distribution)" ประกอบด้วย

ข้อกำหนดข้อ 3. กล่าวถึงความสามารถที่จะทำการฆ่าเชื้อในตัวอุปกรณ์หรือทำให้ตัวอุปกรณ์ปลอดเชื้อได้ในตัว (in situ) นั่นหมายถึงการสามารถกำจัดเชื้อจุลชีพต่าง ๆ ที่อยู่ในตัวอุปกรณ์โดยไม่จำเป็นต้องแยกส่วนออกมาทำการฆ่าเชื้อแล้วประกอบเข้าไปใหม่

เทคนิคหลักที่ใช้กันในการกำจัดเชื้อก็เห็นมีอยู่ 3 เทคนิคคือ การใช้ความร้อน, การใช้สารเคมี, และการฉายรังสี

การใช้ความร้อนก็อาจใช้ แก๊สร้อน, ไอน้ำ หรือน้ำร้อน วิธีการนี้ก็สะดวกดีในกรณีที่ทุกขิ้นส่วนนั้นเป็นโลหะ เพราะไม่ต้องกังวลว่ามันจะเสื่อมคุณภาพเนื่องจากอุณหภูมิ (ปรกติก็จะใช้อุณหภูมิสูงเกิน 100 องศาเซลเซียสไปไม่มากนัก) แต่ต้องระวังว่าระบบต้องไม่มีวัสดุที่ทนอุณหภูมิสูงไม่ได้ (เช่นพวกปะเก็นพอลิเมอร์หรือยาง ที่อาจซ่อนอยู่ตามข้อต่อหรือตัววาล์ว)

การฆ่าเชื้อด้วยสารเคมีเหมาะกับวัสดุที่ไม่ทนต่อความร้อน (เช่นพวกพอลิเมอร์และพลาสติกหลายชนิดที่ใช้ในทางการแพทย์) แต่วัสดุนั้นต้องทนต่อสารเคมี สารเคมีที่ใช้มีทั้งที่เป็นแก๊ส (เช่นเอทิลีนออกไซด์ ethylene oxide และโอโซน) และที่เป็นของเหลว (เช่น ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์, กรดเปอร์อะซีติก, กรดเปอร์ฟอร์มิก) แต่การใช้สารเคมีนั้นต้องระวังเรื่องสารเคมีตกค้างในระบบ โดยเฉพาะกรณีที่สารเคมีนั้นเป็นสารที่เสถียร ไม่สลายตัว เช่น กรดอะซีติกและกรดฟอร์มิก ที่เป็นส่วนผสมอยู่ในกรดเปอร์อะซีติกและกรดเปอร์ฟอร์มิก)

การฆ่าเชื้อด้วยรังสีนั้นมีทั้งรังสี UV (อัลตร้าไวโอเล็ต) และแกมมา รังสี UV จะทำงานได้ดีกับพื้นผิวเปิดที่รังสีส่องกระทบได้ คือกำจัดเชื้อได้เฉพาะด้านที่รังสีสามารถส่องกระทบ ในขณะที่รังสีแกมมาสามารถทะลุทะลวงผ่านโลหะได้ จึงสามารถเข้าไปฆ่าเชื้อที่อยู่ทางอีกฟากด้านของพื้นผิวได้

โจทย์บอกว่าเครื่องจักรที่ต้องการส่งออกใช้กับโรงงานผลิตเซรามิกคุณภาพสูงสำหรับ "อุตสาหกรรม" ต่าง ๆ ตอนแรกที่เห็นคำว่า "อุตสาหกรรม" ก็สงสัยเหมือนกันว่าทำไมต้องใช้เครื่องที่สามารถทำการฆ่าเชื้อได้ในตัว แต่ถ้าเป็นเซรามิกเพื่อใช้ในทางการแพทย์ เช่น วัสดุอุดฟันหรือซ่อมแซมกระดูก ก็ว่าไปอย่าง

รูปที่ ๔ นำมาจากบทความหนึ่งที่ทำการวิเคราะห์วัสดุเซรามิกสำหรับใช้ในงานทันตกรรมที่มีขายในท้องตลาด (ไม่มีการระบุว่าถูกผลิตด้วยเทคนิคอะไร) จะเห็นว่าอนุภาคส่วนใหญ่มีขนาดใหญ่กว่า 10 ไมโครเมตร

รูปที่ ๔ ผลการวิเคราะห์การกระจายขนาดอนุภาควัสดุเซรามิกใช้งานงานทันตกรรมที่มีจำหน่ายในท้องตลาดจากบทความ

แต่การคิดตรงนี้อิงจาก "ปริมาตร" ไม่ใช่ "จำนวน" กล่าวคืออนุภาคขนาดใหญ่ 1 อนุภาคอาจมีปริมาตรมากกว่าอนุภาคขนาดเล็ก 10 อนุภาครวมกัน ในการคิดแบบปริมาตรนี้จะพบว่ามีอนุภาคขนาดใหญ่เกิน 50% แต่ถ้าคิดแบบจำนวนจะพบว่ามีเพียง 10% เท่านั้นเอง

รูปที่ ๕ เป็นบทความเกี่ยวกับการเตรียมอนุภาคเซรามิกขนาดเล็กด้วยเทคนิค spray dryer เพื่อใช้ในงานทั่วไป เช่น เป็นวัสดุแม่เหล็ก ใช้ในงานด้านทัศนศาสตร์ หรือเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (ไม่มีการกล่าวถึงงานทันตกรรม)

รูปที่ ๕ บทความนี้ทดลองเตรียมวัสดุเซรามิกด้วยเทคนิค spray drying โดยสามารถเตรียมให้มีขนาดอนุภาคเล็กกว่า 10 ไมโครเมตรได้ PVA ในรูปคือ polyvinyl alcohol

บทความในรูปที่ ๔ และ ๕ แม้จะตีพิมพ์ห่างกัน ๑๓ ปี ลงในวารสารต่างสาขาวิชากัน ด้วยคณะวิจัยต่างกัน แต่ก็มาจากห้องปฏิบัติการเดียวกัน แสดงว่าห้องปฏิบัติการนี้ศึกษาเรื่องผงอนุภาคขนาดเล็กอย่างต่อเนื่องเป็นเวลานาน (คือในแง่คนขายเครื่องมือเขาจะดูว่าซื้อเอาไปทำวิจัยเรื่องเกี่ยวกับอะไร)

อาวุธชีวภาพตัวหนึ่งที่สามารถนำมาใช้ในรูปแบบละอองฟุ้งอยู่ในอากาศแล้วให้หายใจเข้าไปคือเชื้อแอนแทรกซ์ (anthrax) จุดเด่นของเชื้อนี้คือเมืออยู่ในรูปที่เป็นสปอร์ (spore) สามารถทนอยู่ในดินได้นานหลายสิบปี และในสภาวะที่แห้งจะทนอุณหภูมิได้สูงถึง 140ºC เป็นเวลาหลายชั่วโมง แต่ถ้ามีความชื้นด้วยเช่นต้มในน้ำร้อน 100ºCจะถูกทำลายใน 5-30 นาที (https://www.vibhavadi.com/Health-expert/detail/258) แม้ว่าเชื้อนี้สามารถเข้าสู่ร่างกายทางบาดแผลหรือรับประทานเข้าไปก็ได้ แต่ถ้ารับด้วยการหายใจเข้าไป อัตราส่วนการจายจะสูงถึง 80-90% ในเวลา 3-5 วันหลังได้รับเชื้อ (http://www.correct.go.th/meds/index/Download/การกลับมาของโรคแอนแทรกซ์.pdf)

รูปที่ ๖ เป็นหน้าที่สองของโจทย์ที่ได้รับมา (เป็นข้อมูลเพิ่มเติมหลังจากตอบคำถามด้วยข้อมูลที่มีเพียงแค่หน้าที่หนึ่งเสร็จ) ลองอ่านแล้วลองพิจารณาดูว่า ถ้าต้องประสบกับเหตุการณ์อย่างนี้ จะดำเนินการอย่างไร

รูปที่ ๖ หน้าที่สองของโจทย์ที่ได้รับมา