ไฟไหม้โรงงานผลิตผลิตพอลิโพรพิลีนจากการเก็บตัวอย่าง MO Memoir : Monday 5 May 2568

อ่านเรื่องนี้แล้วทำให้นึกถึงความผิดพลาดแบบเดียวกันที่เกิดที่ประเทศฝรั่งเศสเมื่อปีพ.ศ. ๒๕๐๙ ที่ครั้งนั้นเป็นการรั่วไหลครั้งใหญ่ของแก๊สปิโตรเลียมเหลวที่กลายเป็นกรณีศึกษาในสาขาวิศวกรรมเคมี โดยต้นตอเกิดจากเหตุการณ์แบบเดียวกันคือ วาล์วเก็บตัวอย่างถูกเปิดทิ้งไว้ (อ่านเรื่องนี้ได้ในบทความบน blog เรื่อง "การระเบิดของถังLPG ที่เมืองFeyzinประเทศฝรั่งเศส" เผยแพร่เมื่อวันอาทิตย์ที่ ๗ กรกฎาคม พ.ศ. ๒๕๕๖)

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากเว็บ Failure Knowledge Database ของประเทศญี่ปุ่นในหัวข้อเรื่อง "Fire caused due to incorrect opening of valves during sampling operation at a polypropylene manufacturing plant" (https://www.shippai.org/fkd/en/cfen/CC1200065.html) ซึ่งเป็นเหตุการณ์เกิดที่เมือง Oita เมื่อวันที่ ๘ มีนาคม ค.ศ. ๑๙๙๖ (พ.ศ. ๒๕๓๙) ซึ่งแผนผังกระบวนการผลิตและบริเวณเก็บตัวอย่างนั้นแสดงไว้ในรูปที่ ๑ และคำบรรยายเหตุการณ์ที่เกิดนำมาแสดงไว้ในรูปที่ ๒

รูปที่ ๑ แผนผังกระบวนการผลิต โดยมุมขวาบนคือส่วนขยายบริเวณเก็บตัวอย่าง

บทความไม่ได้บอกว่ากระบวนการผลิตพอลิโพรพิลีนนั้นเป็นอย่างไร เพราะเขาคงคิดว่ามันไม่เกี่ยวกับเรื่องที่เกิด แต่เพื่อเป็นการปูพื้นฐานให้ผู้ที่กำลังเรียนอยู่พอจะมองเห็นภาพได้ ก็เลยขอปูพื้นฐานตรงนี้หน่อย

พอลิโพรพิลีนเกิดจากปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์โพรพิลีนใน reactor (มุมล่างซ้ายของรูปที่ ๑ ที่บอกว่ามี ๒ ตัว) จากรูปที่เห็นเดาว่าน่าจะเห็น loop reactor (อ่านเรื่องนี้เพิ่มเติมได้ในบทความบน blog เรื่อง "Loop reactorสำหรับการผลิต polyolefins" เผยแพร่เมื่อวันจันทร์ที่ ๒ ธันวาคม พ.ศ. ๒๕๖๒)

ในกระบวนการนี้จะใช้ความดันทำให้โพรพิลีนกลายเป็นของเหลว ณ อุณหภูมิการทำปฏิกิริยา เมื่อผสมตัวเร่งปฏิกิริยาเข้าไป โพรพิลีนส่วนหนึ่งก็จะกลายเป็นพอลิเมอร์ของแข็งไหลเวียนอยู่ภายใน loop reactor ไปพร้อมกับโพรพิลีนที่ยังไม่ทำปฏิกิริยาและเป็นของเหลว

ในการแยกเอาผงพอลิเมอร์ที่เป็นผลิตภัณฑ์ออกมานั้น ใช้การดึงเอาบางส่วนของโพรพิลีนและผงพอลิเมอร์ออกจาก reactor และส่งไปยัง degassing drum ที่ความดันใน degassing drum นี้จะต่ำกว่าใน reactor ทำให้โพรพิลีนที่เป็นของเหลวที่ไหลมาจาก reactor กลายเป็นไอที่ degassing drum นี้ ไอโพรพิลีนที่เกิดขึ้นจะถูกป้อนกลับไปยัง reactor ใหม่

ถ้าความดันใน degassing drum ต่ำ ก็จะแยกเอาโพรพิลีนที่ละลายอยู่ในผงพอลิเมอร์ออกมาได้มาก แต่ก็จะทำให้ต้องใช้พลังงานมากขึ้นในการเพิ่มความดันให้กับโพรพิลีนให้สูงพอที่จะป้อนกลับเข้าสู่ reactor ได้ แต่ถ้าความดันใน degassing drum นั้นต่ำเพียงแค่ทำให้โพรพิลีนเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นไอ ก็จะยังมีโพรพิลีนละลายตกค้างอยู่มากในผงพอลิเมอร์ที่ได้ แต่พลังงานที่ต้องใช้ในการป้อนไอโพรพิลีนที่เกิดขึ้นกลับไปยัง reactor นั้นจะลดลง (พลังงานที่ใช้ในการอัดแก๊สขึ้นอยู่กับผลต่างความดันระหว่างด้านความดันสูงกับความดันต่ำ ถ้าผลต่างความดันนี้สูง ก็ต้องใช้พลังงานสูงชึ้นไปด้วย) ด้วยเหตุนี้ในสถานการณ์แบบนี้ เราจึงมักเห็นการแยกถูกแบ่งออกเป็น ๒ ขั้นตอน โดยขั้นตอนแรกจะกระทำที่ความดันสูงก่อน (high pressure degassing drum) จากนั้นจึงค่อยแยกอีกทีที่ความดันที่ต่ำกว่า (low pressure degassing drum)

รูปที่ ๒ คำบรรยายเหตุการณ์ที่เกิด

กระบวนการของโรงงานที่เกิดเหตุ (รูปที่ ๑) โพรพิลีนที่ยังไม่ทำปฏิกิริยาที่มีผงพอลิเมอร์แขวนลอยอยู่ ถูกส่งจาก reactor ไปยัง high pressure degassing drum (D301) ทางด้านล่างของ high pressure degassing drum จะมี sampling pot (Z302) ในการเก็บตัวอย่างผงพอลิเมอร์นั้นต้องตรวจสอบก่อนว่าวาล์ว 3 นั้นปิดอยู่ จากนั้นจึงเปิดวาล์ว 1 และ 2 เพื่อให้โพรพิลีนและผงพอลิเมอร์ไหลเข้ามาใน sampling pot จากนั้นจึงปิดวาล์วเพื่อปิดการไหลของโพรพิลีนและผงพอลิเมอร์จาก high pressure degassing drum

ขั้นตอนต่อไปเป็นการลดความดันใน sampling pot ด้วยการเปิดวาล์วเพื่อระบายโพรพิลีนออกไป ตามด้วยการใช้แก๊สไนโตรเจน purge ไล่โพรพิลีนที่ตกค้างอยู่ใน sampling pot จากนั้นจึงค่อยเปิดวาล์ว 3 เพื่อเก็บตัวอย่างผงพอลิเมอร์

ในเหตุการณ์ที่เกิดนั้น โอเปอร์เรเตอร์ไม่ได้ทำการตรวจสอบว่าวาล์วเก็บตัวอย่าง (วาล์ว 3) นั้นปิดอยู่หรือไม่ ในวันที่เกิดเหตุนั้นวาล์วเก็บตัวอย่างเปิดค้างอยู่ เมื่อเปิดให้โพรพิลีนและผงพอลิเมอร์ไหลเข้า sampling pot ทั้งโพรพิลีนและผงพอลิเมอร์ก็เลยฉีดพุ่งออกมาทางวาล์วเก็บตัวอย่าง ก่อนที่จะเกิดการระเบิด (คาดว่าเกิดจากไฟฟ้าสถิต)

ในบทความนั้นกล่าวว่าสาเหตุเกิดจาก human error แต่ถ้าพิจารณาอีกมุมหนึ่งก็จะเห็นว่าเกิดจากการเลือกใช้วาล์วสำหรับเก็บตัวอย่างที่ไม่เหมาะสม คือของเดิมนั้นคงใช้วาล์วที่เปิด-ปิดด้วยมือ คือหลังจากที่ใช้มือเปิดวาล์วเพื่อให้ตัวอย่างไหลออกมาแล้ว ก็ต้องใช้มือหมุนวาล์วเพื่อปิดวาล์วเก็บตัวอย่าง ซึ่งถ้าหลังเสร็จสิ้นการเก็บตัวอย่างครั้งก่อนหน้าโอเปอร์เรเตอร์ไม่ได้ปิดวาล์วตัวนี้ และในการเก็บตัวอย่างครั้งถัดมาโอเปอร์เรเตอร์ก็ไม่ได้ตรวจสอบว่าวาล์วตัวนี้ปิดอยู่หรือไม่ (ในเหตุการณ์นี้ก็คงเป็นเช่นนั้น) การรั่วไหลก็เกิดขึ้นได้

วิธีหนึ่งในการป้องกันคือการใช้วาล์วชนิดที่เรียกว่า spring loaded หรือ spring return หรือ dead man spring return ball valve ที่จะมีแรงสปริงคอยหมุนให้วาล์วอยู่ในตำแหน่งปิดตลอดเวลา การเปิดวาล์วต้องมีคนคอยจับก้านหมุนเพื่อให้วาล์วเปิด ถ้าปล่อยมือเมื่อใดแรงสปริงก็จะหมุนให้วาล์วกลับคืนสู่ตำแหน่งปิด ในตอนต้นเรื่องที่เกริ่นไว้ว่าทำให้นึกถึงกรณีแก๊สปิโตรเลียมเหลวรั่วไหลที่ประเทศฝรั่งเศสเมื่อปีพ.ศ. ๒๕๐๙ นั้นก็เพราะ ในเหตุการณ์ครั้งนั้นไม่สามารถปิด drain valve ที่ก้นถังลูกโลกได้ และก็ได้มีคำแนะนำว่าตำแหน่งดังกล่าวควรใช้วาล์วชนิด spring loaded แทนวาล์วแบบที่ต้องใช้โอเปอร์เรเตอร์คอยหมุนปิดเปิด

งานที่ไม่ให้วิศวกรหญิงไปทำ MO Memoir : Saturday 1 June 2567

"ผมว่าผมรู้เหตุผลนะ ว่าทำไมเขาจึงไม่ให้ผู้หญิงไปทำ"

ผมบอกกับศิษย์เก่าที่มาเล่าประสบการณ์ทำงานตรงสาขาให้รุ่นน้องที่กำลังศึกษาอยู่ฟัง ว่าทำไมงานที่เขาเล่ามานั้นหัวหน้าจึงไม่ส่งให้วิศวกรหญิงไปทำ

ปลายสัปดาห์ที่แล้วทางภาควิชาจัดกิจกรรมพิเศษให้กับนิสิตของภาคที่สนใจ คือเป็นกิจกรรมเล่าประสบการณ์การทำงานในงานที่ตรงสาขากับการเยี่ยมชมโรงงานเพื่อให้เห็นภาพการทำงานจริง โดยกิจกรรมในวันแรกในช่วงบ่าย เป็นการเล่าประสบการณ์การทำงานของศิษย์เก่าว่าเมื่อเริ่มเข้าทำงานนั้นได้เริ่มจากตรงไหน และจนถึงวันนี้ได้ผ่านเรื่องราวอะไรมาบ้าง

ศิษย์เก่ารายหนึ่งเล่าให้ฟังเรื่องการทำงานของเขาเมื่อเข้าทำงานใหม่ ๆ โดยรุ่นเขานั้นเข้าทำงานกันประมาณ ๑๐ คน เป็นชาย-หญิงอย่างละครึ่ง จนมาถึงวันหนึ่งก็เป็นช่วงที่โรงงานหยุดซ่อมบำรุงใหม่ (ที่ทางฝั่งอเมริกาเรียกว่า Turnaround ส่วนทางฝั่งยุโรปเรียกว่า Shut down) เขากับเพื่อนวิศวกรชาย (ฟังจากที่เขาเล่าน่าจะเป็นกลุ่มที่เข้างานรุ่นเดียวกัน) ได้รับมอบหมายให้ไปทำงาน โดยพี่หัวหน้างานบอกว่างานนี้ไม่ให้วิศวกรหญิงไปทำ พร้อมกำชับด้วยว่า ให้ห่อข้าวกลางวันไปกินด้วย ซึ่งตอนแรกเขาก็ไม่เชื่อ แต่เมื่อพี่หัวหน้างานย้ำแล้วย้ำอีกก็เลยยอมทำตาม โดยที่ไม่รู้ว่าทำไปทำไม

และงานนั้นก็คือการเข้าไปตรวจสอบความเรียบร้อยของ tray ภายในหอกลั่น

รูปที่ ๑ หอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนประกอบด้วยหอกลั่น 2 หอ C-001 และ C-002 (ที่มาอยู่ในรูปที่ ๒)

การกลั่นเป็นแยกสารประกอบโดยใช้จุดเดือดที่แตกต่างกัน โดยสารที่มีจุดเดือดต่ำจะระเหยกลายไปไอลอยขึ้นไปด้านบน ตัว tray คืออุปกรณ์ติดตั้งภายในที่ใช้สำหรับแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างไอระเหยที่ลอยขึ้นบน และของเหลวที่ไหลลงล่าง เมื่อไอระเหยและของเหลวสัมผัสกันในแต่ละ tray สารที่มีจุดเดือดสูงที่อยู่ในไอก็จะควบแน่นลงมาอยู่ในของเหลว สารที่มีจุดเดือดต่ำที่อยู่ในของเหลวก็จะระเหยเข้าไปอยู่ในไอ ทำให้ไอระเหยที่ลอยขึ้นไปนั้นจะมีสัดส่วนสารที่มีจุดเดือดต่ำสูงขึ้นเรื่อย ๆ ส่วนของเหลวที่ไหลลงสู่ก้นหอด้านล่างก็จะมีสารที่มีจุดเดือดสูงนั้นจะสะสมเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ

ส่วนที่ว่าต้องมีจำนวน tray มากน้อยเท่าใดนั้น ก็ขึ้นอยู่กับว่าสารที่ต้องการแยกนั้นมีจุดเดือดแตกต่างกันมากน้อยเพียงใด ถ้าจุดเดือดแตกต่างกันมากก็ใช้จำนวน tray น้อย หอกลั่นก็จะไม่สูง แต่ถ้าจุดเดือดแตกต่างกันไม่มาก ก็ต้องใช้จำนวน tray มาก หอกลั่นก็จะสูง อย่างเช่นในกรณีการกลั่นแยกโพรเพน (propane C₃H₈) ที่มีอุณหภูมิจุดหลอมเหลว -188ºC และจุดเดือด -42ºC กับโพรพิลีน (propylene C₃H₆) ที่มีอุณหภูมิจุดหลอมเหลว -185.2ºC จุดเดือด -47.6ºC เพื่อให้ได้ความบริสุทธิ์ของโพรพิลีนที่สูง จำนวน tray ที่ใช้จะมาก ทำให้ถ้าใช้หอกลั่นเดียวก็จะสูงเกือบ 200 เมตร ก่อให้เกิดปัญหาในการก่อสร้าง การติดตั้ง และการทำงาน ดังนั้นในทางปฏิบัติจึงแยกหอกลั่นออกเป็น 2 หอ สูงหอละประมาณ 100 เมตรแทน

รูปที่ ๒ ข้อมูลหอกลั่นแยกที่ใช้ในการสร้างแบบจำลอง จะเห็นว่าจำนวน tray ที่ใช้นั้นมากกว่า 200 tray

อีกแนวทางหนึ่งในการแยกสารคืออาศัยจุดเยือกแข็งที่แตกต่างกัน อย่างเช่นในกรณีของไซลีน (xylene C₆H₄(CH₃)₂) ที่มีด้วยกัน 3 ไอโซเมอร์ โดย o-xylene ที่มีอุณหภูมิจุดหลอมเหลว -25ºC และจุดเดือด 144ºC, m-xylene ที่มีอุณหภูมิจุดหลอมเหลว -48ºC และจุดเดือด 139ºC และ p-xylene ที่มีอุณหภูมิจุดหลอมเหลว 13ºC และจุดเดือด 138ºC จะเห็นว่าอุณหภูมิจุดเดือดใกล้กันมาก ในขณะที่อุณหภูมิจุดหลอมเหลวนั้นแตกต่างกันมาก และก็ไม่อยู่ในระดับที่ต่ำมากด้วย (ในกรณีของโพรเพน-โพรพิลีนนั้นอุณหภูมิจุดหลอมเหลวต่ำมาก) ดังนั้นการแยกสารเหล่านี้ก็จะใช้การลดอุณหภูมิให้ต่ำลง โดยสารที่มีจุดหลอมเหลวสูงสุดจะแข็งตัวแยกออกมาก่อน

ที่เกริ่นเรื่องนี้ขึ้นมาก่อนก็ไม่ใช่อะไร ก็เพื่อให้คนที่ไม่ได้อยู่ในวงการทางด้านนี้ได้มองเห็นภาพว่าอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องนั้นมันมีรูปร่างหน้าตาและขนาดเท่าใด

รูปที่ ๓ หอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีน (หอสูงทางด้านซ้าย) ความสูงของหอ 100 เมตร

หอกลั่นสูง ๆ ก็ต้องมีการตรวสอบทั้งภายนอกและภายในเป็นระยะเช่นกัน หอพวกนี้เวลาจะขึ้นไปด้านบนก็ต้อง "ปีน" บันไดไต่ขึ้นไป โดยจะมี platform ให้พักเป็นระยะ อย่างเช่นหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนในรูปที่ ๓ ที่สูง 100 เมตร ถ้าเทียบกับอาคารแล้วที่แต่ละชั้นสูงประมาณ 4 เมตร ความสูง 100 เมตรก็ประมาณอาคาร 25 ชั้น ลองนึกภาพการเดินบันไดขึ้นอาคาร 25 ชั้นนั้นเหนื่อยแค่ไหน แต่นี่เป็นการปีนขึ้นไป โดยต้องขึ้นไปชั้นบนสุดก่อน แล้วค่อยตรวจสอบลงมา

หอกลั่นที่ศิษย์เก่าผู้นั้นต้องเข้าไปตรวจสอบแม้ไม่ใช่หอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีน แต่ก็มีความสูงระดับ 100 เมตรเช่นกัน หลังจากเขาจบการเล่าประสบการณ์การทำงาน ผมก็บอกเขาด้วยข้อความที่กล่าวมาข้างต้น และให้เหตุผลด้วยการถามเขาว่า

"เวลาปวดฉี่ทำอย่างไร"

นั่นแหละครับเหตุผลที่เขาไม่ส่งผู้หญิงขึ้นไปทำงานนี้ เพราะเวลาไปทำงานทีก็ต้องขึ้นไปแต่เช้า และลงมาอีกทีก็ตอนเย็น ทั้งอาหารและน้ำดื่มก็ต้องแบกขึ้นไปด้วย เว้นแต่ว่ามั่นใจว่าสามารถปีนขึ้นลงได้โดยไม่เหนื่อย ปัญหาบางเรื่องนั้น ต้องมีประสบการณ์ภาคสนามจึงจะเข้าใจ

ผมขอไม่เฉลยแล้วกันว่าคำตอบของเขาคืออะไร แต่ปัญหานี้เห็นมาตั้งแต่ตอนจบไปทำงานใหม่ ๆ ตอนไปสร้างโรงงานที่มาบตาพุด ก็สงสัยอยู่เหมือนกันว่าคนที่ขึ้นไปทำงานข้างบนนั้นแก้ปัญหานี้อย่างไร ในที่สุดก็ได้คำตอบจากลูกน้องที่ไปสืบหามาให้ว่าเขาแก้ปัญหาด้วยการ

"ปล่อยลงมาเลย ความสูงระดับนี้ลมตีกระเจิงหมด ไม่ตกใส่หัวคนข้างล่างหรอก"

จริงหรือเท็จก็ไม่รู้ ขอให้ผู้อ่านพิจารณาเอาเอง :) :) :)

เพลิงไหม้และการระเบิดที่ Steam Cracker Unit, Czech Republic 2558 (2015) ตอนที่ ๓ การวิเคราะห์สาเหตุ MO Memoir : Monday 5 February 2567

วันที่ ๑๒ เมษายน ปีค.ศ. ๑๘๓๑ (พ.ศ. ๒๓๗๔ หรือช่วงรัชกาลที่ ๓ ของไทย) ระหว่างที่ทหารอังกฤษ ๗๔ เดินเป็นจังหวะพร้อมกันข้ามสะพาน Broughton Suspension Bridge ซึ่งเป็นสะพานแขวนชนิด Iron chain suspension bridge มีความรู้สึกว่าสะพานสั่นตามจังหวะการเดินที่ทำให้รู้สึกสนุก ก็เลยย้ำจังหวะการเดินเข้าไปอีก ผลก็คือสะพานดังกล่าวพังลงมา แม้ว่าเหตุการณ์ครั้งนั้นจะไม่มีผู้เสียชีวิต แต่จากนั้นมาเวลากองทหารเดินข้ามสะพานแขวนก็มีคำสั่งให้ต้องเดินแบบ "Break step" คือห้ามเดินเข้าจังหวะกัน

แต่เหตุการณ์ที่ขึ้นชื่อและเป็นที่รู้จักกันแพร่หลายกว่าน่าจะเป็นกรณีของสะพานแชวน Tacoma ที่พังลงเพราะลมที่พัดผ่านนั้นทำให้จังหวะการแกว่งของสะพานตรงกับความถี่การสั่นตามธรรมชาติของสะพาน การแกว่งก็เลยรุนแรงขึ้นจนทำให้สะพานพังลงมาในวันที่ ๑ กรกฎาคม ปีค.ศ. ๑๙๔๐ (พ.ศ. ๒๔๘๓) เหตุการณ์ช่วงที่สะพานพังลงมามีการบันทึกภาพยนต์ไว้ จึงทำให้เป็นที่รู้จักกันแพร่หลาย

บทความต้นฉบับของเรื่องการระเบิดที่ Steam Cracker Unit นี้มีการวิเคราะห์สาเหตุที่ทำให้เกิดความเสียหายในแต่ละจุดว่าเกิดจากอะไร แต่ใน Memoir นี้จะขอนำมาเฉพาะสิ่งที่เห็นว่าเป็นต้นตอของความเสียหายอื่น ๆ ที่เกิดตามมา ซึ่งก็คือทำไมอัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นจึงลดลง และทำไม pressure relief valve จึงเกิดการ chattering และการ chattering นี้นำไปสู่การรั่วไหลได้อย่างไร ซึ่งการสอบสวนพบว่ามีสาเหตุที่เหมือนกับทั้งสองกรณีที่กล่าวมาข้างต้น

เริ่มต้นด้วยรูปที่ ๑๕ ที่เป็นเหตุการณ์ก่อนที่น้ำหล่อเย็นจะขาดหายไปจนกระทั่งกลับมาสู่ระดับเดิม สำหรับแผนผังหน่วยผลิตนั้นขอให้ดูในบทความตอนที่ ๒ ของเรื่องนี้

รูปที่ ๑๕ เหตุการณ์ช่วงก่อนที่น้ำหล่อเย็นจะขาดหายไปจนกระทั่งกลับมาสู่ระดับเดิม

ช่วงก่อนเกิดเหตุการณ์ โรงงานเดินเครื่องที่กำลังผลิตประมาณ 90-93% โดยมีกำลังการผลิตเอทิลีนประมาณ 56-58 ตันต่อชั่วโมง หอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนมีเครื่องควบแน่น 4 เครื่อง (EA-125 A ถึง D) ทำงานพร้อมกัน โดยใช้น้ำหล่อเย็นเป็นแหล่งระบายความร้อน

ระบบน้ำหล่อเย็นที่จ่ายให้กับเครื่องควบแน่นดังกล่าวเป็นท่อใต้ดินมีทั้งหมด 4 เส้นท่อ ณ เวลาหนึ่งจะมีการดึงน้ำหล่อเย็นมาใช้อย่างน้อยจาก 1 เส้นท่อ โดยอีก 1 เส้นท่อเป็นเส้นสำรอง โดยช่วงก่อนเกิดเหตุนั้นกำลังใช้น้ำจากเส้นท่อที่ 3 และ 4 อยู่

ก่อนเกิดเหตุการณ์ อุปกรณ์วัดการไหลของเส้นท่อที่ 3 ไม่ทำงาน จึงได้มีการซ่อมแซมและซ่อมบำรุง การวางแผนตรวจสอบการทำงานกำหนดให้มีในวันที่ ๑๓ สิงหาคม ค.ศ. ๒๐๑๕ ขั้นตอนการทำงานเพื่อตรวจสอบมิเตอร์วัดการไหลที่ได้ตกลงกันไว้ก็คือ จะใช้เฉพาะเส้นท่อที่ 3 เท่านั้นโดยจะปิดน้ำจากเส้นท่อที่ 4 เป็นการชั่วคราว ให้มีเฉพาะน้ำจากเส้นท่อที่ 3 ที่ไหลเข้าเครื่องควบแน่น ในช่วงระหว่างเวลา 8.05 ถึง 8.15 น ได้ทำการเปิดวาล์วน้ำของเส้นท่อที่ 3 ที่อยู่ในพื้นที่หน่วย Steam Cracker ตามด้วยการปิด (หรือปิดบางส่วน) วาล์วน้ำของเส้นท่อที่ 4 ที่หน่วย Steam Cracker โดยที่วาล์วของเส้นท่อที่ 3 ที่ "Battery Limit" ไม่ถูกเปิด ("Battery Limit" คือขอบเขตความรับผิดชอบระหว่างสองหน่วยงาน) สิ่งที่เกิดตามมาคือมีการขัดจังหวะการไหลของน้ำหล่อเย็นไปยังส่วนต่าง ๆ ของหน่วย Setam Cracker ซึ่งรวมทั้งเครื่องควบแน่นโพรพิลีนด้วย อัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นลดลงจาก 12,000 m³/h ลงเหลือประมาณ 6,600 m³/h เป็นเวลานานประมาณ 13 นาที ก่อนที่จะกลับคืนสู่ระดับเดิมที่เวลาประมาณ 8.29 น

รูปที่ ๑๖ การสลับท่อน้ำหล่อเย็นระหว่างเส้นท่อที่ 3 และเส้นท่อที่ 4 ในหัวข้อ 5.1 เขียนไว้อีกอย่าง

ในเรื่องการสลับเส้นท่อ ข้อความในหัวข้อการสอบสวน (รูปที่ ๑๖) อ่านแล้วดูสับสนกับข้อความ ในรูปที่ ๑๕ แต่ละเส้นท่อจะมีวาล์วที่เกี่ยวข้องอยู่ 2 ตำแหน่ง ตำแหน่งแรกอยู่ที่ batter limit ที่เรียกว่าวาล์ว outlet (เพราะส่งน้ำออกจากหน่วยผลิตน้ำหล่อเย็น) ตำแหน่งที่สองอยู่ทางด้านขาเข้าเครื่องควบแน่นที่เรียกว่าวาวล์ inlet (คือป้อนน้ำหล่อเย็นเข้าเครื่องควบแน่น) ในรูปที่ ๑๖ บอกว่าก่อนการสลับเส้นท่อ วาล์ว inlet ของเส้นท่อที่ 4 ปิดอยู่ในขณะที่วาล์ว inlet และ outlet ของเส้นท่อที่ 3 นั้นเปิดอยู่ การสลับเส้นท่อคือจะหยุดใช้งานเส้นท่อที่ 3 โดยเปลี่ยนไปใช้งานเส้นท่อที่ 4 (สลับกับรูปที่ ๑๕) แต่ไม่ว่าเหตุการณ์จริงจะเป็นอย่างไร สิ่งที่เกิดคือวาล์ว outlet ของเส้นท่อที่จะนำกลับมาใช้งานนั้นปิดอยู่

รูปที่ ๑๗ เหตุการณ์ที่หอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีน

หอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนถูกออกแบบให้ผลิตโพรพิลีนบริสุทธิ์ 99.8% (รูปที่ ๑๗) ออกทางยอดหอ และโพรเพนเหลวออกทางก้นหอ ตัวหอกลั่นสร้างในปีค.ศ. ๑๙๗๗ (พ.ศ. ๒๕๒๐) มีความสูง 90 เมตร ความดันใช้งานสูงสุดที่ยอมให้ (MAWP) คือ 1.635 MPa (ความดันเกจ) สารผสมโพรเพน-โพรพิลีนถูกป้อนเข้าที่ตำแหน่ง Tray ที่ 106 ผลิตภัณฑ์แก๊สโพรพิลีนที่ออกทางยอดหอจะถูกควบแน่นให้เป็นของเหลวด้วยเครื่องควบแน่น E-425 จำนวน 4 ตัว (A-D) โพรพิลีนที่ควบแน่นจะไหลไปยัง Reflux drum (FA-407) โดยของเหลวที่ถังนี้ส่วนหนึ่งจะถูกส่งไปเก็บเป็นผลิตภัณฑ์และอีกส่วนถูกป้อนเข้าหอกลับเพื่อเป็น reflux โดยค่าอัตราส่วนการ reflux (หรือ reflux ratio) อยู่ในช่วงประมาณ 15-18 ตัว reboiler (EA-424 A/B) ที่ก้นหอใช้ quench water เป็นแหล่งให้ความร้อน โพรเพนที่แยกมาได้จะถูกส่ง กลับไปยังหน่วย pyrolysis เพื่อใช้เป็นวัตถุดิบ หรือใช้เป็นเชื้อเพลิงถ้าจำเป็น

ค่า reflux ratio คืออัตราส่วนปริมาณของสารที่ส่งกลับไปยังหอกลั่นต่อปริมาณของสารที่ดึงออกไปเป็นผลิตภัณฑ์ อย่างเช่นในกรณีนี้ ค่า reflux ratio 15 คือจากปริมาณของเหลวที่เครื่องควบแน่นควบแน่นได้ 15 ส่วนถูกส่งกลับไปยัง Tray ที่ 1 โดยมีเพียงแค่ 1 ส่วนถูกดึงออกไปเป็นผลิตภัณฑ์ การเพิ่มค่าอัตราส่วนนี้จะทำให้ผลิตภัณฑ์ยอดหอที่ได้มีความบริสุทธิ์เพิ่มขึ้น แต่ได้ในปริมาณ (ต่อหน่วยเวลา) ที่ลดลง

การควบคุมความดันในหอใช้วาล์วควบคุม PC 04-252 ทำการปรับแต่งอัตราการไหลน้ำหล่อเย็นที่เครื่องควบแน่น และในกรณีที่ความดันขึ้นสูงก็จะใช้วาล์ว PC 04-254 ระบายแก๊สจาก Reflux drum ทิ้งออกระบบเผาแก๊สทิ้ง การควบคุมดับของเหลวก้นหอใช้การควบคุมอัตราการไหลของ quench water ด้วยวาล์ว FC 04-252

รูปที่ ๑๘ ระบบระบายความดัน

ตัวหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนมีวาล์วระบายความดัน (pressure relief valve) 4 ตัวที่เหมือนกันหมด วาล์วเป็นชนิดใช้แรงสปริงกด (แรงกดสปริงเป็นตัวกำหนดความดันที่จะให้วาล์วเปิด) และมี balancing bellow (เพื่อป้องกันความดันด้านขาออกมากดตัววาล์วร่วมกับแรงสปริง เพราะจะทำให้วาล์วเปิดที่ความดันสูงกว่าค่าที่ตั้งเอาไว้) ทางเข้า-ออกต่อกับท่อด้วยหน้าแปลน อุณหภูมิระบายความดันคือ 50ºC และตั้งค่าให้เปิดที่ 1.86 MPa อัตราการระบายโพรพิลีนคือ 604,700 kg/h วาล์วสร้างขึ้นตามการออกแบบในปีค.ศ. ๑๙๗๘ (พ.ศ. ๒๕๒๑) ด้านเข้า-ออกของวาล์วแต่ละตัวจะมี gate valve เพื่อให้สามารถถอดวาล์วออกมาซ่อมบำรุงได้ แต่มีกลไกป้องกันที่ทำให้ต้องมีวาล์วอย่างน้อย 3 ตัวทำงานอยู่เสมอ (การทำงานปรกติจะใช้งาน 3 ตัว ลำรอง 1 ตัว) และในระหว่างเกิดเหตุ วาล์วตัวที่ 4 ทำหน้าที่เป็นวาล์วสำรอง การตรวจสอบครั้งสุดท้าย (ก่อนเกิดเหตุ) พบว่าวาล์วทำงานได้ปรกติและไม่มีข้อบกพร่องใด ๆ (รูปที่ ๑๘)

การติดตั้ง pressure relief valve มากกว่า 1 ตัวจะทำเมื่อวาล์วตัวเดียวไม่สามารถระบายความดันได้รวดเร็วพอ หรือถ้าใช้วาล์วเพียงตัวเดียวจะต้องใช้วาล์วที่มีขนาดใหญ่ซึ่งจะเกิดปัญหา chattering ได้ง่ายเวลาที่ต้องระบายความดันที่เพิ่มขึ้นไม่มาก ในเหตุการณ์นี้ วาวล์ทั้ง 4 ตัวถูกตั้งให้เริ่มเปิดที่ความดันเดียวกัน ซึ่งเป็นสาเหตุส่วนหนึ่งที่ทำให้เกิดปัญหา (คือมาตรฐานปัจจุบันไม่แนะนำให้ทำเช่นนั้น ซึ่งตรงนี้จะกล่าวถึงในช่วงต่อไป แต่อย่าเพิ่งด่วนสรุปว่าการติดตั้งนั้นไม่เหมาะสม เพราะต้องไปดูว่ามาตรฐานตอนปีที่ติดตั้งวาล์วนั้นกล่าวไว้อย่างไร เพราะมันอาจถูกต้องตามมาตรฐาน ณ เวลานั้นก็ได้)

 

รูปที่ ๑๙ อัตราการไหลน้ำหล่อเย็น, ความดันภายในหอกลั่น, อัตราการไหลสาย reflux และระดับของเหลวใน reflux drum ในช่วงเวลาก่อนและขณะเกิดเหตุ

รูปที่ ๑๙ เป็นข้อมูลพารามิเตอร์ต่าง ๆ ของหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีน จะเห็นว่าโอเปอร์เรเตอร์ต้องหยุดการทำงานของ reflux pump (จุดที่ reflux flow เป็นศูนย์) ก่อนที่จะกู้อัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นกลับคืนมาได้ แต่ที่ไม่เห็นความดันเพิ่มขึ้นคงเป็นเพราะว่ามีการเปิดวาล์วเพื่อระบายความดัน แต่แม้ว่าจะกู้อัตราการไหลน้ำหล่อเย็นกลับมาได้ ระดับของเหลวใน reflux drum ก็ไม่ได้เพิ่มขึ้น (ตรงนี้น่าจะมีข้อมูลอุณหภูมิยอดหอมาประกอบหน่อย ว่าในช่วงเวลานั้นมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไร)

ในบทความกล่าวว่ามีการวัดความดันที่ตัวหอกลั่น (น่าจะเป็นตำแหน่งก่อนถึงเครื่องควบแน่น) และการวัดความดันที่ reflux drum ข้อมูลความดันที่แสดงในรูปที่ ๑๙ (เส้นสีดำหนา) น่าจะเป็นความดันที่หอกลั่น ตรงนี้พออ่านแล้วก็เกิดคำถามส่วนตัวขึ้นว่า เป็นไปได้หรือไม่ที่โพรพิลีนที่ควบแน่นเป็นของเหลวแล้ว พอไหลมายัง reflux drum ที่มีการเปิดวาล์วระบายความดันเพื่อระบายความดันใน reflux drum ออกสู่ระบบเผาแก๊สทิ้งโดยตรง ทำให้ความดันใน reflux drum นั้นต่ำกว่าที่เครื่องควบแน่น โพรพิลีนที่ควบแน่นเป็นของเหลวจึงเดือดกลายเป็นไอใหม่อีก (เนื่องจากความดันที่ลดต่ำลง) ทำให้ไม่มีของเหลวสะสมเพิ่มใน reflux drum และการปิดวาล์วระบายความดันตรงนี้ จะช่วยแก้ปัญหาได้ไหม

รูปที่ ๒๐ การตั้งค่าความดันของวาล์วระบายความดัน

หัวข้อ 5.2.3 เป็นการพิจารณาการออกแบบวาล์วระบายความดัน (รูปที่ ๒๐) หัวข้อ 5.2.3.1 กล่าวว่า วาล์วระบายความดันทุกตัว (คือทั้ง 4 ตัว) ตั้งให้เปิดที่คามดัน 1.86 MPa (ตัว g ข้างหลังคือระบุว่าเป็น gauge pressure หรือความดันเกจ) ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดของการออกแบบดั้งเดิม (น่าจะหมายถึงตอนสร้างโรงงาน) แต่มาตรฐาน API R 520 และ 521 ก็มีคำแนะนำว่า ในกรณีที่มีการติตดั้งวาล์วระบายความดันหลายตัว ควรที่จะตั้งให้เปิดที่ความดันเป็นลำดับขั้นกัน (คือค่อย ๆ เพิ่มขึ้น) และการตั้งให้เปิดที่ความดันเดียวกันก็มีส่วนที่ให้ระบบระบายความดันไม่มีเสถียรภาพ แต่เมื่อทำการพิจารณาแล้วเห็นว่าไม่ใช่สาเหตุหลักที่ทำให้เกิดการสั่นที่ก่อให้เกิดความเสียหาย

 

รูปที่ ๒๑ ตัวอย่างการตั้งค่าความดันให้วาล์วเปิดในกรณีที่มีวาล์วระบายความดัน 2 ตัว ที่สภาวะการทำงานปรกติ (Table 3)

รูปที่ ๒๒ ตัวอย่างการตั้งค่าความดันให้วาล์วเปิดในกรณีที่มีวาล์วระบายความดัน 2 ตัว ในกรณีของไฟคลอก (Table 5)

รูปที่ ๒๓ นำมาจาก API RP 521 Guide for Pressure-Relieving and Depressuring Systems ฉบับเดือนมีนาคมปีค.ศ. ๑๙๙๗ ในหัวข้อ 3.20.3.2 ในเรื่องของการหาขนาดวาล์วระบายความดัน ผู้ออกแบบควรต้องพิจารณาความเป็นไปได้ทั้งหมดที่จะทำให้ความดันสูงเกิน ประเมินค่าอัตราการไหลที่ต้องใช้ในการระบายความดัน เพราะจะส่งผลต่อพื้นที่ "orifice" (หรือขนาดช่องเปิดสำหรับให้ของไหลไหลผ่านว่าควรต้องมีพื้นที่อย่างน้อยเท่าไร) แต่เมื่อกระบวนการผลิตมีการเพิ่มขนาดมาก ขนาดพื้นที่ที่ได้จากวาล์วระบายความดันตัวเดียวจึงไม่เพียงพอ ทำให้จำเป็นต้องมีการติดตั้งวาล์วระบายความดันมากกว่าหนึ่งตัว เพื่อให้ได้ขนาดพื้นที่ orifice ตามต้องการ

ปรกติการคำนวณหาขนาด orifice จะอิงจากอัตราการเพิ่มความดันที่มากที่สุดที่คาดการณ์ไว้ว่าสามารถเกิดขึ้นได้ อย่างเช่นในกรณีของหอกลั่นอาจอิงจากเหตุการณ์ที่เครื่องควบแน่นไม่มีน้ำหล่อเย็น ในขณะที่ reboiler นั้นยังมีการให้ความร้อนอย่างเต็มที่ (ถ้าคิดว่าเหตุการณ์นี้มีโอกาสเกิดได้) แต่มันก็ก่อปัญหาได้ในกรณีที่อัตราการเพิ่มความดันไม่ได้รวดเร็วมากและระบบนั้นใช้วาล์วระบายความดันที่มีขนาดใหญ่เพียงตัวเดียวหรือตัวเล็กหลายตัวที่ตั้งให้เปิดที่ความดันเดียวกัน เพราะทันทีที่วาล์วเปิดความดันก็จะลดลงอย่างรวดเร็วทำให้วาล์วปิดโดยเร็ว และจะเป็นเช่นนี้ไปเรื่อย ๆ จนกว่าการเพิ่มความดันนั้นจะหายไป ปรากฏการณ์นี้มีชื่อเรียกว่า "chattering"

ในหัวข้อนี้กล่าวเอาไว้ด้วยว่าวาล์วอาจเกิดการ chattering ที่ทำให้เกิดความเสียหายได้ถ้าหากใช้วาล์วระบายความดันหลายตัวโดยตั้งให้ "เปิดที่ความดันเดียวกัน" แต่การแก้ปัญหาทำได้ด้วยการให้วาล์วเปิดทีละตัวที่ความดันเป็นลำดับขั้น

รูปที่ ๒๓ ข้อความใน API RP 521 ที่กล่าวถึงปัญหาที่เกิดขึ้นได้กรณีที่ใช้วาล์วระบายความดันหลายตัวโดยตั้งให้เปิดที่ความดันเดียวกัน (ในกรอบสี่เหลี่ยมสีแดง)

ในเหตุการณ์นี้เห็นว่ามีบางประเด็นที่เห็นว่าน่าจะนำมาพิจารณากันก็คือ มีการใช้วาล์วระบายความดัน 4 ตัว โดยในเวลาใดเวลาหนึ่งต้องมีวาล์วทำงานอยู่อย่างน้อย 3 ตัว

ประเด็นแรกก็คือเมื่อได้ขนาดพื้นที่ orifice ที่ต้องมีแล้ว ขนาดพื้นที่นี้ควรได้จากพื้นที่ orifice ของวาล์วจำนวน 3 ตัว (คือทำงาน 3 ตัว สำรอง 1 ตัว) หรือ 4 ตัวรวมกัน (คือให้ทั้ง 4 ตัวทำงานในเวลาเดียวกัน ไม่มีวาล์วสำรอง) เพราะถ้าใช้พื้นที่รวมของวาล์ว 4 ตัว ก็จะทำให้ขนาดพื้นที่นั้นเล็กเกินไปถ้ามีวาล์วทำงานเพียง 3 ตัว หรือจะมองว่าโอกาสที่จะเกิดเหตุการณ์ที่ทำให้จำเป็นต้องใช้วาล์ว 4 ตัวทำงานร่วมกันในขณะที่มีวาล์วพร้อมใช้งานเพียงแค่ 3 ตัวนั้นต่ำมาก

ประเด็นที่สองคือในกรณีของการใช้วาล์วมากกว่า 1 ตัวที่ตั้งค่าความดันให้เปิดเป็นลำดับ โดยวาล์วตัวแรกตั้งให้เปิดที่ค่า MAWP ถ้าหากมีความจำเป็นต้องนำวาล์วตัวนี้ออกจากระบบชั่วคราว (เช่นเอาไปซ่อมบำรุง) จะทำให้วาล์วตัวแรกที่เหลืออยู่จะเปิดที่ความดันที่สูงกว่า MAWP ระบบจะมีปัญาหาไหมถ้าเกิดปัญหาความดันสูงเกินในช่วงเวลานี้

ความผิดพลาดในการสื่อสาร (ระหว่างโอเปอร์เรเตอร์ที่ทำหน้าที่ควบคุมวาล์วน้ำหล่อเย็นที่เครื่องควบแน่น และโอเปอร์เรเตอร์ของหน่วยผลิตน้ำหล่อเย็นที่ควบคุมวาล์วเปิด-ปิดน้ำที่ส่งออกจากหน่วยผลิตน้ำหล่อเย็น) และการตรวจสอบตำแหน่งวาล์วว่าเปิดหรือปิด ทำให้เกิดปัญหาน้ำหล่อเย็นหายไป ตามมาด้วยการเกิดความดันสูงเกินจนวาล์วระบายความดันที่ตัวหอกลั่นทำงาน แต่ตัววาล์วระบายความดันเองก็เกิด chattering จนทำให้หน้าแปลนที่ยึดตัววาล์วเข้ากับท่อทางเข้าเกิดการคลายตัวจนทำให้มีโพรพิลีนรั่วไหลออกมา คำถามที่ตามมาก็คือหน้าแปลนเกิดการคลายตัวได้อย่างไร

รูปที่ ๒๔ การเกิด Acoustic resonance ที่นำไปสู่การคลายตัวของน็อตบริเวณหน้าแปลนจนทำให้เกิดการรั่วไหล

จากที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ในหัวข้อ 5.2.3.1 ว่าลำพังการเกิด chattering อย่างเดียวไม่ใช่สาเหตุหลักที่ทำให้เกิดการรั่วไหล จึงจำเป็นต้องมองหาสาเหตุอื่นที่น่าจะเป็นสาเหตุหลัก

หัวข้อ 5.2.4 (รูปที่ ๒๔) จากการตรวจตัวของ bolt และ nut ที่ใช้ยึดตัววาล์วเข้ากับหน้าแปลนที่เกิดการรั่วไหลนั้น ปรากฏว่าไม่พบความเสียหายหรือรอยแตกร้าวใด ๆ (ตรงนี้ขอใช้ทับศัพท์คำ bolt และ nut เพราะภาษาไทยไปเรียกรวมว่า น็อต โดยแยกเป็นน็อตตัวผู้ (bolt หรือ สลักเกลียว) และน็อตตัวเมีย (nut) หรือแป้นเกลียว) แสดงว่าตัว nut เกิดการคลายตัวเนื่องจากการสั่นอย่างรุนแรงของระบบวาล์วระบายความดัน จนทำให้ตัว nut ค่อย ๆ คลายตัวออกอย่างช้า ๆ ซึ่งน่าจะเกิดขึ้นพร้อมกันทุกตัว

(หน้าแปลนถูกประกบเข้าด้วยกันโดยใช้ bolt และ nut ขันอัด ในการใช้งานปรกติ bolt และ nut ทุกตัวควรจะรับแรงดึงเท่า ๆ กัน (เวลาขัน nut อัดเข้าไป ตัว bolt จะยืดออก) แต่ถ้า nut เกิดการคลายตัวพร้อมกัน หน้าแปลนก็จะแยกห่างจากกันโดยที่ตัว bolt ที่ยังมีอยู่ครบทุกตัวยังช่วยกันรับแรงอยู่ แต่ถ้ามี nut ของ bolt บางตัวเกิดการคลายตัว จะทำให้ bolt ตัวนี้ไม่ได้รับแรงดึง แรงดึงบน bolt ที่เหลือจะเพิ่มสูงขึ้น และถ้าแรงดึงที่กระทำบน bolt ที่เหลืออยู่นั้นสูงเกินกว่าความแข็งแรงของวัสดุที่ใช้ทำ bolt ตัว bolt ที่เหลือก็จะฉีกขาด)

ในบทความมีการพิจารณาหลายหลายสาเหตุ แต่ข้อสรุปนั้นไปลงที่การเกิด "Acoustic resonance" ระหว่างวาล์วที่เปิดกับท่อเชื่อมต่อระหว่างตัววาล์วกับ header (ท่อหลักที่วาล์วระบายความดันทั้ง 4 ตัวเชื่อมต่ออยู่) คือจังหวะการสั่นนั้นไปทำให้เกิดคลื่นนิ่งที่มีจังหวะเดียวกันกับค่าความถี่การสั่นตามธรรมชาติ (natural frequency) ของตัววาล์วระบายความดัน จึงทำให้การสั่นเกิดรุนแรงขึ้นเรื่อย ๆ จนทำให้ nut คลายตัวออก แรงกดที่หน้าแปลนจึงหายไป โพรพิลีนจึงรั่วไหลออกมา

ปิดท้ายบทความชุดนี้ด้วยภาพเพลิงไหม้บริเวณหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนจากบทความที่นำมาเล่าให้ฟังก็แล้วกัน

รูปที่ ๒๕ ภาพเพลิงไหม้บริเวณหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีน

เพลิงไหม้และการระเบิดที่ Steam Cracker Unit, Czech Republic 2558 (2015) ตอนที่ ๒ ลำดับเหตุการณ์ MO Memoir : Thursday 1 February 2567

ก่อนที่จะเริ่มลำดับเหตุการณ์ ลองมาทำความรู้จักการกลั่นและการทำงานของหอกลั่นลำดับส่วนกันก่อน รูปที่ ๘ ข้างล่างเป็นหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนของโรงงานที่เกิดเหตุ

การกลั่นแยกสารโดยอาศัยจุดเดือดที่แตกต่างกัน เมื่อเราให้ความร้อนแก่ของเหลวที่เป็นสารผสม ไอที่ระเหยขึ้นมาจะมีสัดส่วนสารที่มีจุดเดือดต่ำมากกว่าของเหลวที่เหลืออยู่ และถ้าเรานำไอที่ระเหยขึ้นมานี้มาทำการควบแน่นให้เป็นของเหลวและให้ความร้อนจนระเหยกลายเป็นไอใหม่บางส่วน (ไม่ได้ระเหยทั้งหมด) ไอที่ระเหยขึ้นมาก็จะมีสัดส่วนสารที่มีจุดเดือดต่ำเพิ่มขึ้นไปอีก

ในหอกลั่นนั้นกระบวนการควบแน่นของไอและทำให้ของเหลวเดือดกลายเป็นไอนั้นเกิดใน "Tray" (หน้าตา Tray เป็นอย่างไรดูได้ในบทความเรื่อง "ทำความรู้จักหน้าตา Tray หอกลั่น" MO Memoir ฉบับวันเสาร์ที่ ๓ มกราคม พ.ศ. ๒๕๕๘) โดยของเหลวที่อยู่บนแต่ละ Tray นั้นจะได้รับความร้อนจากไอระเหยที่ออกมาจาก Tray ที่อยู่ต่ำลงไป โดยมีของเหลวที่อยู่ใน Tray ที่สูงกว่าไหลลงมาชดเชย จำนวน Tray มีมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับความแตกต่างระหว่างจุดเดือดของสาร ในกรณีของการแยกโพรเพนกับโพรพิลีนที่จุดเดือดแตกต่างกันไม่มาก จำนวน Tray ที่ใช้จะอยู่ที่ระดับประมาณ 200 Tray

รูปที่ ๘ หอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีน

รูปที่ ๘ เป็นแผนผังหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีน (Propylene column) ของโรงงานที่เกิดเหตุที่มีทั้งสิ้น 185 Tray สารผสมจะถูกป้อนผ่านวาล์วควบคุม FC 04-251 เข้าที่ตำแหน่ง Tray ที่ 106 ความเข้มข้นของโพรพิลีนใน Tray ที่สูงขึ้นไปจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ในทางกลับกันความเข้มข้นของโพรเพนใน Tray ที่อยู่ต่ำลงมาก็จะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ไอระเหยที่ออกจาก Tray ที่ 1 ที่อยู่บนสุดจะถูกควบแน่นเป็นของเหลวที่เครื่องควบแน่น EA-452 A/D (ด้วยกัน 4 ตัวคือ A-D) ด้วยการระบายความร้อนให้กับน้ำหล่อเย็น กลายเป็นของเหลวไหลลงมารวบรวมไว้ที่ Reflux drum (FA-407) ของเหลวที่ควบแน่นถูกดึงออกไปเป็นผลิตภัณฑ์โพรพิลีน โดยมีบางส่วนถูกสูบป้อนกลับเข้ามายัง Tray ที่ 1 ใหม่ เพื่อควบแน่นไอที่ระเหยออกมาจาก Tray ที่ 2 ของเหลวส่วนที่ถูกสูบป้อนกลับมายัง Tray ที่ 1 ใหม่นี้เรียกว่า "Reflux"

โพรเพน-โพรพิลีนมีจุดเดือดใกล้กัน (ความดันในการทำงานของหอกลั่นสูงกว่าความดันบรรยากาศนะ) ทำให้ต้องใช้ Tray จำนวนมาก ความสูงของหอก็เลยมากตามไปด้วย ในกรณีนี้จะอยู่ที่ขาดอีกนิดหน่อยก็ถึง 100 เมตรแล้ว เวลาวาดรูประบบหอกลั่นมักจะวาดรูปให้บรรดาเครื่องควบแน่น, Reflux drum, วาล์วระบายความดัน (Pressure Relief Valve) และปั๊มต่าง ๆ อยู่ทางด้านบนของรูป ก็เลยทำให้บางคนคิดว่าอุปกรณ์เหล่านี้ติดตั้งอยู่ทางด้านบนของหอ แต่ในความเป็นจริงมันติดตั้งอยู่ที่พื้นด้านล่าง คือไอระเหยจากยอดหอจะไหลลงมาควบแน่นที่เครื่องควบแน่นทางด้านล่าง มีเพียงของเหลวที่เป็น Reflux นั้นจะถูกปั๊มส่งกลับไปยังยอดหอ

แผนผังกระบวนการกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนในรูปที่ ๘ เหมือนกับที่เคยเล่าไว้ในเรื่อง "ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๒๐ Propylene fractionation section" MO Memoir ฉบับวันอาทิตย์ที่ ๑๖ ตุลาคม พ.ศ. ๒๕๕๙ ที่มีหอกลั่นเพียงตัวเดียว และใช้น้ำร้อนจาก Quench Tower มาเป็นตัวให้ความร้อนที่ Reboiler การออกแบบในช่วงเวลาถัดมามีการใช้หอกลั่นสองหอ (แต่ความสูงของแต่ละหอก็ยังอยู่ที่ระดับเกือบ 100 เมตรเช่นเดิม) ทำงานที่ความดันแตกต่างกัน โดยหอกลั่นแรกทำงานที่ความดันสูงกว่าหอกลั่นที่สอง และเปลี่ยนสารให้ความร้อนที่หม้อต้ำซ้ำเป็นสารอื่น

ของเหลวที่อยู่ที่ก้นหอจะเป็นโพรเพนความเข้มข้นสูงที่ถูกดึงออกไปเป็นผลิตภัณฑ์ โดยมีส่วนหนึ่งถูกนำไปต้มให้เดือดกลายเป็นไอใหม่อีกครั้งที่หม้อต้มซ้ำหรือ Reboiler EA-424 A/B (มีอยู่ด้วยกัน 2 ตัว) โดยใช้น้ำร้อน (Quench Water) ที่ได้มาจาก Quench Tower เป็นแหล่งให้ความร้อน (เป็นการลดอุณหภูมิของ Quench Water ไปในตัวก่อนนำกลับไปใช้งานใหม่) ไอที่ระเหยจะเป็นแหล่งให้ความร้อนกับ Tray 185 ที่อยู่ล่างสุด

รูปที่ ๙ การทำงานที่นำไปสู่ความไม่เสถียรของหอกลั่น

ต่อไปจะเป็นลำดับเหตุการณ์ที่นำไปสู่การเสียเสถียรภาพในการทำงานของหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีน (รูปที่ ๙)

ก่อนเกิดเหตุนั้น โรงงานทำงานที่กำลังการผลิตระดับ 90-99% ด้วยการเดินเครื่อง pyrolysis heater จำนวน 9 หน่วยจากทั้งหมด 10 หน่วย กำลังผลิตของหอกลั่นโพรเพน-โพรพิลีนอยู่ที่ 93.5% (32.1 ตันต่อชั่วโมง โดยกำลังการผลิตเต็มที่คือ 34.3 ตันต่อชั่วโมง)

ณ เวลา 8.16 น อัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นไปยังเครื่องควบแน่นโพรพิลีนยอดหอ (EA-425 A-D) ลดลงจากประมาณ 12,000 m³/hr ลงเหลือประมาณ 6,600 m³/hr ก่อนจะกลับมายังระดับเดิมในเวลา 13 นาที (ส่วนสาเหตุว่ามันลดลงได้อย่างไรนั้นค่อยว่ากันในตอนต่อไป) เมื่ออัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นลดลง ความดันในหอกลั่นโพรพิลีนก็เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว (เพราะไอระเหยของโพรพิลีนที่ออกมาจาก Tray 1 ไม่ควบแน่น ก็เลยสะสมอยู่ภายใน) วาล์วควบคุมความดัน (PRV-01-04) จึงเริ่มระบายความดัน และเริ่มการระบายโพรพิลีนออกสู่ระบบเผาแก๊สทิ้ง (บทความไม่ได้ระบุว่าผ่านทางวาล์วไหน แต่ดูจากรูปที่ ๘ แล้วน่าจะเป็นวาล์ว PC 04-254)

จากนั้นระดับของเหลวใน Reflux drum (FA-407) ลดลงเหลือ 0% ในเวลาไม่กี่นาที (เพราะไม่มีโพรพิลีนควบแน่นมากพอที่จะชดเชยของเหลวที่ป้อนกลับไปยังหอกลั่น) จากการประเมินสถานการณ์ทางโอเปอร์เรเตอร์เห็นว่าสถานการณ์วิกฤตมาก จึงตัดสินใจระบายโพรพิลีนออกสู่ระบบเผาแก๊สทิ้ง และพยายามทำให้หอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนกลับมามีเสถียรภาพเหมือนเดิม ซึ่งรวมทั้งการหยุดเดินเครื่อง pyrolysis heater 1 หน่วย (BA-107) (การหยุดเดินเครื่อง pyrolysis heater ไปบางหน่วยก็เพื่อลดกำลังการผลิต แต่ถ้าดูจากรูปที่ ๗ (ในบทความตอนที่ ๑) จะเห็นว่า เส้นทางจาก pyrolysis heater มายังหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนนั้นมีหน่วยผลิตต่าง ๆ คั่นกลางอยู่หลายหน่วย ทำให้ต้องใช้เวลานานกว่าจะเห็นผลของการลดกำลังการผลิต)

รูปที่ ๑๐ ช่วงเหตุการณ์ที่นำไปสู่การรั่วไหลและเพลิงไหม้

ลำดับเหตุการณ์ถัดมาบรรยายไว้ในรูปที่ ๑๐ หลังจากที่อัตราการไหลน้ำหล่อเย็นกลับคืนระดับเดิมหลังจากลดต่ำลงเป็นเวลา 13 นาที ความดันในหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนลดต่ำลงเป็นช่วงเวลาสั้น ๆ ก่อนที่จะเพิ่มสูงขึ้นอีกจนทำให้ต้องหยุดการทำงาน pyrolysis heater เพิ่มอีกหนึ่งตัว (BA-106) การสูญเสียการควบแน่นของโพรพิลีนทำให้ไม่มีโพรพิลีนเหลวไหลเข้า Reflux drum และเมื่อปริมาณของเหลวใน reflux drum หมดไปอย่างรวดเร็ว โอเปอร์เรเตอร์จึงจำเป็นต้องหยุดการทำงานของ Reflux pump (GA-406) (เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดความเสียหายกับปั๊มถ้าทำงานโดยไม่มีของเหลวอยู่ภายใน) ทำให้ไม่มีของเหลวไหลไปป้อนยัง Tray ที่ 1

ของเหลวในสาย Reflux ที่ป้อนกลับไปยัง Tray ที่ 1 จะไปช่วยควบแน่นสารที่มีจุดเดือดสูงที่ระเหยขึ้นมาจาก Tray ที่ 2 ก่อนหน้านี้ที่บอกว่าระดับของเหลวใน Reflux drum ลดเหลือ 0% แต่ยังไม่ได้บิดการทำงาน Reflux pump นั่นคงเป็นเพราะจุดต่ำสุดของอุปกรณ์วัดระดับนั้นไม่ได้อยู่ที่จุดต่ำสุดของระดับของเหลว เมื่อน้ำหล่อเย็นกลับมาไหลที่อัตราเดิมก็ทำให้การควบแน่นไอโพรพิลีนนั้นเพิ่มขึ้น ความดันจึงลดลง แต่ด้วยการที่ไม่มีของเหลวจาก Reflux drum ป้อนกลับไปยัง Tray ที่ 1 จึงไม่มีของเหลวที่จะไปควบแน่นไอที่ระเหยออกมาจาก Tray ที่อยู่ต่ำลงไป (ของเหลวที่อยู่ในTray ด้านบนจะไหลลงสู่ Tray ด้านล่างตลอดเวลา) ปริมาณไอที่ไหลมายังเครื่องควบแน่นจึงเพิ่มขึ้น ความดันจึงเพิ่มกลับขึ้นมาใหม่

จุดนี้น่าสนใจตรงที่ถ้าหากไม่มีปัญหาเรื่อง reflux ตรงนี้ เหตุการณ์จะกลับเป็นปรกติได้ไหม

และเมื่อหยุดการทำงานของ Reflux pump แล้ว โอเปอร์เรเตอร์ที่อยู่หน้างานเห็นการสั่นอย่างรุนแรงของวาล์วระบายความดันที่ระบายโพรพิลีนเข้าสู่ระบบเผาแก๊สทิ้ง (เกิด chattering) เวลาประมาณ 8.40 น โอเปอร์เรเตอร์จึงได้พยายามปิด gate valve ของ reliev valve ตัวที่มีการสั่นรุนแรงที่สุด (หอกลั่นมีวาล์วระบายความดัน 4 ตัวที่ตั้งให้เปิดที่ความดันเดียวกัน ซึ่งตรงนี้มีส่วนทำให้เกิดปัญหา เรื่องนี้จะมากล่าวถึงอีกครั้งในตอนต่อไป บทความบอกว่า "ตัวที่มีการสั่นรุนแรงที่สุด" แสดงว่าน่าจะเกิด chattering กับวาล์วระบายความดันหลายตัวพร้อมกัน) หลังพยายามปิดวาล์วได้เพียงไม่กี่นาทีโอเปอร์เรเตอร์ก็เห็นการรั่วของโพรพิลีนออกมาจากหน้าแปลนที่คลายตัวระหว่างตัว gate valve และวาล์วระบายความดัน โอเปอร์เรเตอร์ที่อยู่หน้างานจึงแจ้งห้องควบคุมให้ตามพนักงานดับเพลิงและอพยพออกจากบริเวณ

ในช่วงเวลาเดียวกันโอเปอร์เรเตอร์อยู่ในห้องควบคุมก็ได้เริ่มลดอัตราการไหลของ Quench water ที่เป็นตัวจ่ายความร้อนให้กับ Reboiler (EA-424 A/B) (เพื่อลดปริมาณไอที่ป้อนกลับเข้าหอกลั่น) ส่งผลให้หน่วยอื่นของ Steam Cracker ได้รับน้ำหล่อเย็นลดลง (เพราะ Quench water ต้องมาคายความร้อนที่นี่ให้เป็นน้ำเย็นก่อนนำไปใช้ยังหน่วยอื่น พอมาลดอัตราการไหลที่นี่ ก็เลยส่งผลกระทบต่อหน่วยที่รอรับน้ำหล่อเย็นจาก Reboiler ตัวนี้)

พนักงานดับเพลิงได้รับแจ้งเหตุเมื่อเวลาประมาณ 8.51 น และมาถึงที่เกิดเหตุเวลาประมาณ 8.55 น และพอถึงเวลา 8.57 น ไอโพรพิลีนที่รั่วออกมาก็เกิดการจุดระเบิด ก่อให้เกิดเพลิงไหม้บริเวณโดยรอบหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีน การระเบิดทำให้หม้อน้ำจำนวน 2 ตัวที่ผลิตไอน้ำความดันสูงให้กับหน่วย Steam cracker หยุดทำงาน โอเปอร์เรเตอร์จึงได้เริ่มทำการหยุดเดินเครื่องฉุกเฉิน (emergency shut down) ส่วนต่าง ๆ ของโรงงาน ณ เวลา 8.58 น

เวลาประมาณ 9.02 น ส่วนของท่อ DN500 (ที่ทำหน้าที่ระบายแก๊สออกสู่ระบบเผาแก๊สทิ้ง) ส่วนที่เชื่อมต่ออยู่ระหว่างหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนกับวาล์วระบายความดัน (PRV 03) ที่ถูกเปลวไฟลนโดนตรงเกิดการฉีกขาด (ในหอกลั่นยังมีโพรเพนและโพรพิลีนอยู่ และยังมีความดันอยู่ภายใน พอโลหะโดนไฟลนนานเข้า ความแข็งแรงก็เลยลดต่ำลง ท่อก็เลยฉีกขาด) (รูปที่ ๑๑)

รูปที่ ๑๑ ท่อที่เกิดการฉีกขาด

รูปที่ ๑๒ เป็นคำบรรยายการลุกลามของเหตุการณ์ การฉีกขาดของท่อให้เกิดเพลิงไหม้ขนาดใหญ่และผลที่ตามมาคือระบบท่อไอน้ำสำรองสำหรับ pyrolysis heater และอากาศอัดความดันสำหรับอุปกรณ์วัดคุม (instrument air) เสียหาย (สูญเสีย instrument air ก็เท่ากับสูญเสียการควบคุมการเปิด-ปิดวาล์วควบคุมที่ปรกติจะใช้แรงดันของอากาศตัวนี้ สูญเสียระบบไอน้ำก็ทำให้ไม่มีไอน้ำที่จะเข้าไปไล่ไฮโดรคาร์บอนที่ตกค้างอยู่ภายในท่อของ pyrolysis heater ได้) ทางโรงงานจึงได้ทำการอพยพผู้คนโดยเหลือไว้เท่าที่จำเป็น และเมื่อพนักงานสามารถควบคุมเพลิงที่หอกลั่นโพรพิลีนได้ จึงให้โอเปอร์เรเตอร์ภาคสนามเข้าไปตรวจสอบ pyrolysis heater เนื่องจากการหยุดเดินเครื่องและลดอุณหภูมินั้นไม่ได้เป็นไปตามขั้นตอนปฏิบัติที่ถูกต้องเนื่องจากสูญเสียไอน้ำและอากาศอัดความดันสำหรับอุปกรณ์วัดคุม เวลาประมาณ 10.15 น โอเปอร์เรเตอร์ภาคสนามที่เข้าไปทำการตรวจสอบ pyrolysis heater พบเพลิงไหม้ที่หน่วย BA-109 ที่บริเวณรับความร้อนด้วยการแผ่รังสี (ตำแหน่งที่ท่อจะมีอุณหภูมิสูงสุด) จึงได้ทำการปิดวาล์วเชื่อมต่อระหว่างระบบ pyrolysis heater กับหน่วยอื่น (วาล์ว RHEFLA DN-1000 ในรูปที่ ๓) และเมื่อเวลาประมาณ 10.55 น ก็ตรวจพบไฟไหม้ที่ BA-108 ตามด้วยที่ BA-107 และ BA-110 (รูปที่ ๑๓)

รูปที่ ๑๒ ช่วงเหตุการณ์ที่ลุกลามออกไป

โอเปอร์เรเตอร์หยุดการทำงาน pyrolysis heater BA-107 เป็นตัวแรก แต่พอพบว่ายังไม่สามารถลดความดันลงได้ก็หยุดการทำงานของ pyrolysis heater ฺBA-106 เป็นตัวที่สอง ถ้าดูลำดับเหตุการณ์ในรูปที่ ๑๔ จะเห็นว่าตั้งแต่เริ่มขั้นตอนหยุดการทำงาน BA-107 ที่เวลา 8.34 น จนถึงการระเบิดครั้งแรกที่เวลา 8.57 น ห่างกันเพียง 23 นาที ก่อนที่อีก 5 นาทีถัดมาจะเกิดการระเบิดครั้งที่สองที่ทำให้สูญเสียระบบไอน้ำและอากาศอัดความดัน ซึ่งช่วงเวลาดังกล่าวดูแล้วไม่เพียงพอที่จะไล่ไฮโดรคาร์บอนออกจาก pyrolysis ได้หมดและทำให้ระบบเย็นตัวลง

เพลิงไหม้ที่ pyrolysis heater สามารถดับได้ในเวลาประมาณหนึ่งวัน ส่วนเพลิงไหม้ที่หอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนนั้นดับลงได้ในอีก 5 วันถัดมา (ขนาดที่ใหญ่ของหอกลั่นทำให้มีเชื้อเพลิงสะสมภายในมาก จึงต้องรอจนกว่าเชื้อเพลิงภายในนั้นเผาไหม้หมด)

ตอนหน้าเราจะมาดูกันว่าความผิดพลาดเกิดจากอะไร

รูปที่ ๑๓ ภาพถ่ายรังสีอินฟราเรดของ pyrolysis heater ที่เกิดเพลิงไหม้

รูปที่ ๑๔ ลำดับเวลาของเหตุการณ์

เพลิงไหม้และการระเบิดที่ Steam Cracker Unit, Czech Republic 2558 (2015) ตอนที่ ๑ กระบวนการผลิต MO Memoir : Monday 29 January 2567

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากบทความเรื่อง "Propylene column pressure relief valves chattering resulting in explosion and fire of the Steam Cracker unit" ตีพิมพ์ในวารสาร Journal of Loss Prevention in the Process Industries ฉบับปีค.ศ. ๒๐๒๒ (พ.ศ. ๒๕๖๕) โดยเป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นที่โรงงานโอเลฟินส์แห่งหนึ่งในสาธารณรัฐเช็ก เมื่อวันที่ ๑๓ สิงหาคม ค.ศ. ๒๐๑๕ (พ.ศ. ๒๕๕๘)

รูปที่ ๑ บทความที่นำมาเป็นต้นเรื่องในวันนี้

ถ้าดูตามชื่อเรื่องก็ทำให้คิดว่าสาเหตุหลักเกิดจากการที่วาล์วระบายความดันมีการเปิด-ปิดอย่างรวดเร็วต่อเนื่อง (ที่เรียกว่า "chattering") ทำให้เกิดแรงกระแทกที่ส่งผลให้น็อตที่ยึดหน้าแปลนของตัววาล์วนั้นเกิดการคลายตัว แก๊สก็เลยรั่วออกมาได้ ส่งผลให้เกิดการจุดระเบิดตามมา แต่พอได้อ่านเนื้อหาในบทความ เห็นว่าส่วนหนึ่งน่าจะเป็นเพราะการออกแบบระบบมีปัญหา ทำให้ระบบไม่มีเสถียรภาพเมื่อถูกรบกวนชั่วขณะหนึ่ง ส่งผลให้วาล์วระบายความดันเกิดการ "chattering" อย่างเช่นในเหตุการณ์นี้ที่โอเปอร์เรเตอร์พบว่าลืมเปิดวาล์วน้ำหล่อเย็น ทำให้อัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นลดลง แต่พอสามารถทำให้อัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นกลับคืนเดิมได้ ก็ไม่สามารถกู้ให้ระบบกลับคืนสู่สภาวะเดิมได้

เนื้อหาในบทความนี้สำหรับคนที่ทำงานทางด้านนี้อยู่แล้วจะสามารถอ่านและทำความเข้าใจได้ง่าย แต่สำหรับผู้ที่กำลังศึกษาอยู่หรือไม่ได้ทำงานทางด้านวิศวกรรมเคมีหรือไม่ได้ทำงานเกี่ยวข้องกับกระบวนการกลั่น ก็อาจมีหลายจุดที่อ่านแล้วไม่เข้าใจความหมาย ก็เลยนำขอมาเขียนแบบขยายความเพิ่มเติม จะได้ถือโอกาสเอาไปใช้ในการสอนนิสิตด้วย

ตอนแรกนี้จะเป็นการแนะนำให้รู้จักกระบวนการผลิตของโรงงานที่เกิดเรื่องก่อน (รูปที่ ๒ และ ๓)

รูปที่ ๒ คำบรรยายกระบวนการผลิตในช่วงเข้า-ออก pyrolysis heater

การผลิตเอทิลีนใช้การให้ความร้อนด้วยเปลวไฟแก่วัตถุดิบที่ไหลอยู่ในท่อ วัตถุดิบอาจเป็นไฮโดรคาร์บอนเบาเช่นอีเทน (ethane C₂H₆) ไปจนถึงน้ำมันหนัก (ระดับน้ำมันดีเซลหรือน้ำมันเตาเบา) อุปกรณ์นี้มีชื่อเรียกว่า "pyrolysis heater" ที่โรงงานมีทั้งสิ้น 10 หน่วยด้วยกัน (BA-101 ถึง BA-110) ซึ่งสร้างตามเทคโนโลยีของบริษัท Lummus ที่มีชื่อว่า SRT III (SRT ย่อมาจาก Short Residence Time) โครงสร้าง pyrolysis heater แบ่งออกเป็น 2 ส่วน ส่วนล่างที่เป็นส่วนให้ความร้อนด้วยเปลวไฟแก่วัตถุดิบที่ไหลอยู่ในท่อเป็นส่วนที่โมเลกุลไฮโดรคาร์บอนแตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลงและได้เอทิลีนออกมา ส่วนนี้เป็นส่วนที่ให้ความร้อนด้วยการแผ่รังสีความร้อน (Radiation section ในรูปที่ ๓)

ที่อุณหภูมิสูง การส่งผ่านพลังงานความร้อนด้วยการแผ่รังสีความร้อนจะมีบทบาทสำคัญมากกว่ากลไกอื่น เพราะการส่งผ่านพลังงานความร้อนด้วยการแผ่รังสีความร้อนแปรผันตามอุณหภูมิยกกำลัง 4 (T⁴ เมื่อ T คืออุณหภูมิ)

แก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้จะลอยขึ้นทางปล่องด้านบน โดยจะมีการถ่ายเทความร้อนให้กับวัตถุดิบที่ป้อนเข้ามาและน้ำและไอน้ำเพื่อผลิตไอน้ำความดันสูง การให้ความร้อนในส่วนนี้เป็นการถ่ายเทความร้อนจากแก๊สร้อนที่อยู่ภายนอกท่อไปยังของไหลที่เย็นกว่าที่ไหลอยู่ในท่อ (ชื่อส่วนนี้คือ Convection section) ปล่องด้านบนถูกแบ่งออกเป็น 4 ส่วน ส่วนที่หนึ่งที่อยู่ด้านบนสุดจะมีอุณหภูมิต่ำสุด เป็นจุดที่วัตถุดิบที่ป้อนเข้ามาจะรับความร้อนเพื่อเพิ่มอุณหภูมิ และกลับมารับความร้อนใหม่ที่ส่วนที่สี่ที่อยู่ล่างสุดเพื่อเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้นไปอีกก่อนที่จะไหลเข้าส่วนที่ให้ความร้อนด้วยการแผ่รังสีความร้อน โดยก่อนที่วัตถุดิบจะไหลเข้าส่วนที่สี่นี้จะมีการผสมไอน้ำเข้าไป

ปฏิกิริยาที่แก๊สโมเลกุลใหญ่แตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลงเป็นปฏิกิริยาที่มีจำนวนโมลเพิ่มขึ้น (กล่าวอีกอย่างก็คือทำให้ปริมาตรของแก๊สเพิ่มขึ้น) สมดุลเคมีบ่งบอกว่าปฏิกิริยาแบบนี้จะเกิดได้ดีขึ้นที่สภาวะความดัน (หรือความดันย่อย - partial pressure) ของสารตั้งต้นต่ำ การผสมไอน้ำเข้าไปจะไปช่วยลดความดันย่อยของสารตั้งต้นให้ต่ำลง ทำให้ปฏิกิริยาดำเนินไปข้างหน้าได้ดีขึ้น ในขณะเดียวกันก็ยังสามารถใช้ในการไล่ไฮโดรคาร์บอนที่ตกค้างในท่อออก (ในกรณีที่ต้องการหยุดการป้อนวัตถุดิบ) และช่วยป้องกันความเสียหายของท่อได้ (คือถ้าท่อไม่มีของไหลคอยรับความร้อนอยู่ภายใน ผิวโลหะของท่อก็จะมีอุณหภูมิสูงขึ้นจนอาจเกิดความเสียหายได้)

รูปที่ ๓ แผนผังกระบวนการผลิตในส่วนของ Pyrolysis heater และ Transfer-Line Exchanger (TLE)

น้ำปราศจากไอออน (Demineralised water หรือ Demin water) จะเข้ามารับความร้อนที่ส่วนที่สอง ก่อนที่จะถูกป้อนไปยัง Transfer Line Exchanger (TLE) เพื่อลดอุณหภูมิแก๊สร้อนที่ออกมาจาก pyrolysis heater ให้เย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว (เพื่อหยุดปฏิกิริยาการสลายตัวของเอทิลีน) และน้ำจะเดือดกลายเป็นไอน้ำความดันสูง ไอน้ำที่ออกมาจาก TLE นี้จะไปรับความร้อนยังส่วนที่สามเพื่อเปลี่ยนสภาพเป็นไอน้ำร้อนยวดยิ่ง (superheated steam หรือบางทีเรียกว่า "ไอดง") ก่อนจะถูกนำไปใช้ยังส่วนอื่น ๆ ของโรงงานต่อไป

ทางด้านขาออกของ TLE มีการฉีด "Quench oil" เข้าไปเพื่อลดอุณหภูมิแก๊สผลิตภัณฑ์ให้ต่ำลงไปอีกก่อนที่จะไหลไปยังหน่วยถัดไป (ส่วน Quench tower)

วิธีการที่มีประสิทธิภาพสูงในการลดอุณหภูมิแก๊สร้อนคือการฉีดของเหลว (ที่ระเหยได้) เข้าไปผสมกับแก๊สร้อนนั้นโดยตรง ค่าความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอที่สูงของของเหลวจะทำให้แก๊สร้อนเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว และเร็วกว่าเมื่อเทียบกับการให้แก๊สร้อนถ่ายความร้อนผ่านผนังโลหะไปยังของเหลวที่อยู่อีกฟากหนึ่งเพื่อทำให้ของเหลวนั้นมีอุณหภูมิสูงขึ้น แต่ของเหลวที่ฉีดเข้าไปนั้นต้องไม่ไปทำปฏิกิริยาอะไรกับสารที่อยู่ในแก๊สและควรแยกออกมาได้ง่าย

รูปที่ ๔ คำบรรยายรายละเอียดส่วนของ pyrolysis heater

รูปที่ ๔ เป็นคำบรรยายโครงสร้างของ pyrolysis heater ตัวโรงงานประกอบด้วย pyrolysis heater ที่มีรูปแบบการวางท่อแตกต่ากัน 3 รูปแบบคือ รูปแบบ Lummus SRT I จำนวน 1 หน่วย รูปปแบบ Lummus SRT III จำนวน 5 หน่วย และรูปแบบ Technip radiant coil GK-6 จำนวน 4 หน่วย

การจัดวางท่อรูปแบบ Lummus SRT I ประกอบด้วยท่อเดี่ยวจำนวน 4 ท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางคงในในส่วน radiation section การจัดวางท่อรูปแบบ Lummus SRT IIIเริ่มต้นด้วยท่อเดี่ยวจำนวน 4 ท่อที่รับวัตถุดิบเข้ามา จากนั้นท่อเดี่ยว 2 ท่อจะรวมเข้ากับเป็นท่อขนาดกลาง 2 ท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้น และสุดท้ายท่อขนาดกลาง 2 ท่อจะรวมกันเป็นท่อใหญ่ 1 ท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้น ก่อนที่จะออกจากส่วน radiation section ส่วนการจัดวางท่อรูปแบบ GK-6 ประกอบด้วยท่อเดี่ยวจำนวน 6 ท่อในส่วนของ radiation section

การให้ความร้อนในส่วนนี้ หัวเตาที่อยู่ทางด้านล่างของ pyrolysis heater ให้ความร้อนประมาณ 30% ของความร้อนที่ต้องใช้ โดยความร้อนส่วนที่เหลือมาจากหัวเตาที่อยู่ที่ผนังด้านข้าง

รายละเอียดเพิ่มเติมของ pyrolysis heater และการจัดวางท่อรูปแบบ SRT I และ SRT III นี้อ่านเพิ่มเติมได้ในบทความก่อนหน้านี้คือ

"ทำความรู้จัก Fired process heater (ตอนที่ ๓)" (MO Memoir ฉบับวันพุธที่ ๓ กุมภาพันธ์ พ.ศ. ๒๕๕๙)

"ทำความรู้จัก Fired process heater (ตอนที่ ๔)" (MO Memoir ฉบับวันพฤหัสบดีที่ ๔ กุมภาพันธ์ พ.ศ. ๒๕๕๙)

"ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๔ Pyrolysis and waste heat recovery ภาค ๒" (MO Memoir ฉบับวันอังคารที่ ๑ มีนาคม พ.ศ. ๒๕๕๙)

"ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๕ Pyrolysis and waste heat recovery ภาค ๓" (MO Memoir ฉบับวันพฤหัสบดีที ่๓ มีนาคม พ.ศ. ๒๕๕๙)

 

รูปที่ ๕ กระบวนการลดอุณหภูมิสารที่ออกจาก pyrolysis heater

ปฏิกิริยาทำให้ไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลใหญ่แตกออกเป็นเอทิลีนที่มีขนาดโมเลกุลเล็กลงเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน จำเป็นต้องใช้อุณหภูมิในการทำปฏิกิริยาที่สูงเพื่อให้ปฏิกิริยาเกิดได้ แต่ถ้าใช้อุณหภูมิที่สูงเกินไปหรืออยู่ที่อุณหภูมิสูงนานเกินไป เอทิลีนที่ได้ก็จะสลายตัวต่อไปเป็นสารอื่น ดังนั้นเมื่อได้เอทิลีนแล้วจึงต้องลดอุณหภูมิแก๊สร้อนที่ออกมาจาก pyrolysis heaterให้เย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว (ดูรูปที่ ๕ ประกอบ) แก๊สที่ออกมาจาก pyrolysis heater มีอุณหภูมิประมาณ 810-850ºC จะไหลเข้าสู่ Transfer Line Exchanger (TLE) ที่มีน้ำความดันสูงเป็นแหล่งรับความร้อน น้ำที่รับความร้อนจะกลายเป็นไอน้ำความดันสูง ส่วนแก๊สร้อนจะมีอุณหภูมิลดเหลือประมาณ 450-550ºC ซึ่งจะถูกทำให้เย็นลงต่อด้วยการฉีด "quench oil" เข้าไป (ในที่นี้คือไฮโดรคาร์บอนเหลวที่เกิดจากปฏิกิริยาข้างเคียงในกระบวนการผลิต)

ส่วนของ pyrolysis heater นี้สามารถตัดแยกระบบออกจากส่วนที่เหลือด้วยวาล์วควบคุมการปิดเปิดด้วยมอเตอร์ DN-1000 ที่มีชื่อเรียกว่า RHEFLA valve จุดนี้ถือว่าเป็นจุดสิ้นสุดของการเกิดปฏิกิริยาและการหยุดปฏิกิริยา (ปรกติจะเห็นการใช้คำว่า "isolate" ในการตัดแยกระบบ แต่ในบทความนี้ใช้คำว่า "insulate" ซึ่งไม่ค่อยเห็นใครใช้กันนัก)

รูปที่ ๖ กระบวนการลดอุณหภูมิและกลั่นแยกผลิตภัณฑ์

ในขั้นตอนต่อไปแก๊สร้อนที่มีอุณหภูมิเหลือประมาณ 200-250ºC จะถูกลดอุณหภูมิให้ต่ำลงไปอีกจนกลายเป็นของเหลวก่อนทำการกลั่นแยก (รูปที่ ๖ และ ๗) ในโรงงานนี้การทำให้เย็นตัวลงเริ่มด้วยการให้แก๊สร้อนนั้นสัมผัสกับของเหลวที่เป็นน้ำมันก่อนเพื่อแยกเอาไฮโดรคาร์บอนบางส่วนออกไป (หมายเลข 1 ในรูปที่ ๗) จากนั้นจะสัมผัสกับน้ำโดยตรงในหอที่เรียกว่า Quench tower (หมายเลข 3 ในรูปที่ ๗) ณ ที่นี้จะเหลือแต่ไฮโดรคาร์บอนเบาที่ไม่ควบแน่นและไอน้ำผ่านออกจากระบบ อุณหภูมิแก๊สจะลดลงเหลือประมาณ 30ºC ส่วนหนึ่งของไฮโดรคาร์บอนที่ควบแน่นถูกนำไปใช้เป็น quench oil และนำไปเข้ากระบวนการอื่น ส่วนหนึ่งของน้ำร้อนที่ออกจาก Quench tower จะถูกนำไปใช้เป็นแหล่งให้ความร้อนแก่หม้อต้มซ้ำ (reboiler) ของหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนก่อนที่จะนำกลับมาใช้ใหม่ (ตรงประเด็นนี้จะมีการกล่าวถึงในส่วนของกระบวนการกลั่นอีกที)

รูปที่ ๗ กระบวนการถัดจาก pyrolysis heater "pyrolysis gasoine" คือไฮโดรคาร์บอนที่มีจำนวนอะตอมคาร์บอนในช่วงน้ำมันแก๊สโซลีน (ที่บ้านเราเรียกน้ำมันเบนซิน)

การแยกผลิตภัณฑ์กระทำโดยใช้กระบวนการกลั่น ซึ่งต้องทำให้แก๊สนั้นกลายเป็นของเหลวอุณหภูมิต่ำก่อน จากนั้นจึงค่อย ๆ เพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้นเป็นลำดับเพื่อแยกเอาสารที่มีจุดเดือดต่ำออกจากสารที่มีจุดเดือดสูง การเพิ่มความดันแก๊สทำให้สามารถทำให้แก๊สเป็นของเหลวได้ที่อุณหภูมิไม่ต่ำเกินไป แก๊สที่ผ่านออกมาจาก quench tower ที่อิ่มตัวไปด้วยไอน้ำจะถูกเพิ่มความดันด้วยการอัดเพิ่มความดันเป็นขั้น ๆ จำนวน 5 ขั้นตอน โดยในระหว่างแต่ละขั้นจะมีการลดอุณหภูมิแก๊ส (ที่ร้อนขึ้นเพราะการอัด) และแยกส่วนที่ควบแน่นเป็นของเหลวออกมา มีการใช้สารดูดซับเพื่อดึงน้ำที่ยังคงค้างอยู่ออก (เพราะมันจะกลายเป็นน้ำแข็งอุดตันในระบบลดอุณหภูมิได้) มีการกำจัดแก๊สที่มี่ฤทธิ์เป็นกรด (พวก H₂S และ CO₂) และมีการเติมไฮโดรเจนให้กับสารประกอบไฮโดรคาร์บอนพวกพันธะ 3 (สารประกอบ alkyne เช่นอะเซทิลีนหรือเมทิลอะเซทิลีน) หรือมีความไม่อิ่มตัวหลายตำแหน่ง (ผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่เกิดจากปฏิกิริยาที่ไม่ต้องการ) เพื่อให้กลายเป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ ส่วนที่ว่ากระบวนการกำจัดความชื้นและเติมไฮโดรเจนจะอยู่ระหว่างขั้นตอนไหนของกระบวนการอัดนั้นขึ้นอยู่กับการออกแบบ

แก๊สที่ผ่านการเพิ่มความดันและทำให้แห้งจะถูกลดอุณหภูมิด้วยหน่วยที่มีชื่อเรียกว่า "Cold box" จนมีอุณหภูมิลดลงเหลือประมาณ -160ºC จากนั้นจะเข้าสู่กระบวนการแยกไฮโดรเจนและมีเทนออกไปก่อนในรูปแก๊สที่ออกทางด้านบนของหอกลั่นที่หน่วย Demethanizer (ดูรูปที่ ๗ ประกอบ) ของเหลวที่ออกจากหน่วย Demethanizer จะเข้าสู่การแยกไฮโดรคาร์บอน C2 และ C3 ออกจากกันที่หน่วย Deethanizer โดยอีเทนกับเอทิลีนจะถูกแยกออกทางด้านบนและถูกกลั่นแยกออกจากกันอีกทีที่หน่วย Ethylene column ส่วนไฮโดรคาร์บอนตั้งแต่ C3 เป็นต้นไปจะถูกแยกออกทางด้านล่าง โดยไปทำการแยกโพรเพนและโพรพิลีนออกจากไฮโดรคาร์บอนที่เหลือที่หน่วย Depropanizer และไปทำการกลั่นแยกสารทั้งสองออกจากกันอีกทีที่หน่วย Propylene column ส่วนไฮโดรคาร์บอนตั้งแต่ C4 เป็นต้นไปจะถูกส่งไปแยกเป็นส่วนต่าง ๆ ในกระบวนการอื่น ๆ ต่อไป ซึ่งขอไม่กล่าวถึง เพราะไม่ได้มีส่วนเกี่ยวข้องกับอุบัติเหตุที่เกิด (แต่มีคำบรรยายไว้ในช่วงท้ายของรูปที่ ๗)

ฉบับนี้ขอเปิดตัวด้วยกระบวนการผลิตเพียงแค่นี้ก่อน