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

ปฏิกิริยา Benzene alkylation MO Memoir : Sunday 5 September 2564

เวลาสอนอินทรีย์เคมี ผมมักจะบอกกับนิสิตเสมออย่ามองเฉพาะปฏิกิริยาที่ต้องการเห็น แต่ให้มองด้วยว่ามีปฏิกิริยาใดบ้างที่มีโอกาสเกิด คือมีสารจากปฏิกิริยาข้างเคียงใดมีโอกาสเกิดได้บ้าง ซึ่งสารเหล่านี้ต้องทำการแยกออกจากผลิตภัณฑ์ที่ต้องการหรือหาทางกำจัด เพราะถ้าเรามองไม่เห็นปฏิกิริยาดังกล่าว เวลาไปออกแบบกระบวนการผลิตมันก็จะมีปัญหา เพราะมันจะไม่มีหน่วยที่ทำหน้าที่จัดการกับผลิตภัณฑ์ข้างเคียงดังกล่าว

ในเนื้อหาบทเบนซีนนั้น เบนซีนสามารถทำปฏิกิริยาได้หลากหลาย แต่ในที่นี้จะขอยกตัวอย่าง ๓ ปฏิกิริยาที่ปรากฏในเนื้อหาและไปปรากฏในกระบวนการผลิตในเวลาเดียวกัน คือปฏิกิริยา alkylation, second substitution และ disproportionation (หรือ transalkyation)

รูปที่ ๑ แสดงปฏิกิริยา benzene alkylation ที่ใช้สังเคราะห์สารเคมีที่สำคัญ ๓ ตัวในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี ปฏิกิริยาบนคือการสังเคราะห์ Ethyl benzene เพื่อใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิต Styrene ที่ใช้เป็นสารตั้งต้นในการสังเคราะห์พอลิสไตรีน ปฏิกิริยากลางคือการสังเคราะห์ Cumene ที่ใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิต phenol และ acetone และปฏิกิริยาล่างสุดคือการสังเคราะห์ Linear alkyl benzene ที่ใช้เป็น detergent ในสารชะล้างต่าง ๆ สิ่งที่เราต้องการคือผลิตภัณฑ์ที่มีการแทนที่เพียงครั้งเดียว

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยา benzene alkylation เพื่อสังเคราะห์สารเคมีที่สำคัญ ๓ ตัว ปฏิกิริยาบนคือการสังเคราะห์ Ethyl benzene เพื่อใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิต Styrene ที่ใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตพอลิสไตรีน ปฏิกิริยากลางคือการสังเคราะห์ Cumene ที่ใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิต phenol และ acetone และปฏิกิริยาล่างสุดคือการสังเคราะห์ Linear alkyl benzene ที่ใช้เป็น detergent ในสารชะล้างต่าง ๆ

เราสามารถมองบริเวณที่มีอิเล็กตรอนอยู่หนาแน่นว่ามีความเป็นลบหรือ Lewis base ที่พร้อมจะทำปฏิกิริยากับโครงสร้างที่มีความเป็นบวก เช่น carbocation หรือะตอมที่มีความเป็นขั้วบวกที่แรง หรือ Lewis acid แต่ในกรณีของวงแหวนเบนซีนนั้นเนื่องด้วย pi electron เกิดการ resonance จึงทำให้มีความเสถียรมากกว่าพันธะ C=C การที่สารใดจะดึงเอา pi electron ของวงแหวนเบนซีนมาสร้างพันธะได้ สารนั้นต้องมีความเป็นบวกที่แรงมากพอ ซึ่งนั่นหมายความว่าสารนั้นจะสามารถดึง pi electron ของพันธะ C=C มาสร้างพันธะได้อย่างสบาย (เพราะมันดึงง่ายกว่าของวงแหวนเบนซีน)

ปฏิกิริยา alklyation ของวงแหวนเบนซีนนั้นเริ่มจากการทำให้โอเลฟินส์ (ไฮโดรคาร์บอนที่มีพันธะ C=C) กลายเป็น carbocation ก่อนด้วยการจ่าย H⁺ ให้กับพันธะ C=C ของโอเลฟินส์ (กรดที่ใช้นั้นจะแรงพอที่จะจ่าย H⁺ ให้กับพันธะ C=C แต่จะไม่จ่าย H⁺ ให้กับวงแหวนเบนซีน กรดที่ใช้ในอุตสาหกรรมจะเป็นพวก solid acid catalsyt เช่นสารในตระกูล zeolite ต่าง ๆ) จากนั้น carbocation ที่เกิดขึ้นจึงค่อยเข้าทำปฏิกิริยากับวงแหวนเบนซีน ได้ผลิตภัณฑ์คือ monoalkylaromatic

carbocation ที่เกิดขึ้นนั้นมีความสามารถในการดึงอิเล็กตรอนจากพันธะ C=C ของโอเลฟินส์ด้วยกัน (ทำให้เกิดการต่อโมเลกุลเป็นโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้น) และกับวงแหวนเบนซีน แต่ปฏิกิริยาที่เราต้องการคือปฏิกิริยากับวงแหวนเบนซีน ดังนั้นเพื่อลดโอกาสที่ carbocation ที่เกิดขึ้นนั้นจะทำปฏิกิริยากับโอเลฟินส์ที่ป้อนเข้ามา การทำปฏิกิริยาจึงควรทำในสภาวะที่มีเบนซีนมากกว่าโอเลฟินส์ (ลดโอกาสที่ carbocation ที่เกิดจะเจอกับโมเลกุลโอเลฟินส์)

ในขณะเดียวกัน monoalkylbenzene มีความว่องไวสูงกว่าเบนซีนในการทำปฏิกิริยากับ carbocation (เพราะหมู่ alkyl เป็นหมู่จ่ายอิเล็กตรอนและเป็น ring activating group) ถ้าหาก monoalkylbenzene ที่เกิดมีโอกาสพบกับ carbocation ก็จะเกิดเป็นผลิตภัณฑ์ di- และ tri-alkylaromatic ได้ เพื่อลดโอกาสเกิดผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการแทนที่มากกว่า 1 ตำแหน่งการทำปฏิกิริยาในสภาวะที่มีปริมาณเบนซีนมากเกินพอจึงจำเป็น และควรต้องทำการเจือจางโอเลฟินส์ในเบนซีนก่อนที่จะผ่านเข้าสู่เบดตัวเร่งปฏิกิริยา เพื่อให้โมเลกุลโอเลฟินส์มีการกระจายตัวในเบนซีนให้มากที่สุด (ถ้าโมเลกุลโอเลฟินส์ถูกล้อมรอบด้วยโมเลกุลเบนซีน carbocation ที่เกิดจากโอเลฟินส์ก็จะไม่มีโอกาสทำปฏิกิริยากับโอเลฟินส์อื่น)

รูปที่ ๒ แผนผังกระบวนการ Alkylation/Transalkylation ของเบนซีนด้วยโอเลฟินส์ C₂-C₁₄ (จากสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ 4,774,377 เรื่อง "Alkylation/Transalkylation Process")

รูปที่ ๒ เป็นแผนผังกระบวนการผลิตสารประกอบ monoalkylbenzene ที่นำมาจากสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกา ในกระบวนการนี้โอเลฟินส์จะถูกผสมเข้ากับเบนซีนก่อนเข้าสู่หน่วยทำปฏิกิริยา alkylation ผลิตภัณฑ์ที่ออกมาจากหน่วยทำปฏิกิริยา alkylation จะถูกส่งต่อไปยังหน่วยแยกผลิตภัณฑ์หน่วยที่หนึ่งที่จะทำการแยกเอาเบนซีนที่เหลือ (เพื่อนำกลับไปทำปฏิกิริยาใหม่) ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ (สารประกอบ monoalkylbenzene) และผลิตภัณฑ์ข้างเคียง (ที่ประกอบด้วยส่วนที่มีจุดเดือดต่ำคือ light paraffins และ oligomer ซึ่งก็คือโอเลฟินส์ที่ต่อกันเป็นสายโซ่ยาว และส่วนที่มีจุดเดือดสูงคือพวกที่มีการแทนที่ตั้งแต่สองตำแหน่งขึ้นไป)

หน่วยแยกผลิตภัณฑ์หน่วยที่สองจะทำการแยกเอา dialkylaromatic (อะโรมาติกที่มีการแทนที่สองตำแหน่ง) ออกจากส่วนอื่นเพื่อป้อนเข้าสู่หน่วยทำปฏิกิริยา transalkylation เพื่อทำปฏิกิริยากับเบนซีนที่ป้อนเข้ามา ในหน่วยนี้จะเกิดปฏิกิริยา transalkyation หรือ disproportionation ที่ทำการย้ายหมู่ alkyl จาก dialkylaromatic โมเลกุลหนึ่งไปยังเบนซีน เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ monoalkylbenzene ที่ต้องการ (และแน่นอนว่าก็ยังมีโอกาสที่จะเกิดปฏิกิริยาย้ายหมู่ alkyl จาก dialkylaromatic โมเลกุลหนึ่งไปยัง dialkylaromatic อีกโมเลกุลหนึ่ง ทำให้เกิดเป็นสารประกอบ trialkylaromatic ดังนั้นสารที่ออกมาจากหน่วย transalkylation จึงถูกป้อนกลับไปยังหน่วยแยกผลิตภัณฑ์หน่วยที่หนึ่งใหม่

ส่วนที่ว่าผลิตภัณฑ์ที่มีการแทนที่สองตำแหน่งนั้นจะเป็นผลิตภัณฑ์อะไรได้บ้างตรงนี้ก็ต้องไปดูที่ขนาดของหมู่แรกที่เข้ามาแทนที่ หมู่ alkyl นั้นเป็น ortho (1,2-) และ para (1,4-) direction group ในกรณีที่หมู่แรกที่เข้ามาแทนที่นั้นมีขนาดเล็ก (เช่นกรณีของหมู่ ethyl) ผลิตภัณฑ์ที่เป็น ortho ก็มีโอกาสที่จะเกิดมากกว่า (เพราะมีตำแหน่งให้แทนที่ถึงสองตำแหน่ง) แต่ถ้าหมู่แรกที่เข้ามาเกาะนั้นเป็นหมู่ขนาดใหญ่ (เช่น linear internal olefin) โอกาสที่จะเข้าแทนที่ที่ตำแหน่ง ortho ก็จะน้อยลงหรือแทบไม่มี ดังนั้นผลิตภัณฑ์ที่เกิดก็จะเป็นการแทนที่ที่ตำแหน่ง para เป็นหลัก

ส่วนที่ว่าการทำปฏิกิริยา alkylation นั้นจะเกิดในเฟสแก๊สหรือเฟสของเหลวหรือเฟสผสม ก็ต้องไปดูว่าทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิและความดันเท่าใด และโอเลฟินส์นั้นมีจุดเดือดสูงหรือต่ำ ในกรณีที่มีจุดเดือดต่ำนั้นสามารถใช้ความดันเพื่อทำให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาได้หรือไม่

บทความนี้คงแสดงให้เห็นความสำคัญของวิชาเคมีอินทรีย์ในการออกแบบกระบวนการผลิตในระดับอุตสาหกรรม

หมายเหตุ : โอเลฟินส์ที่มีพันธะ C=C อยู่ที่ตำแหน่งอะตอม C ตัวแรกหรืออยู่ที่ปลายสายโซ่จะเรียกว่า 1-olefin หรือ alpha-olefin แต่ถ้าพันธะ C=C นั้นอยู่ภายในสายโซ่โมเลกุล (คือไม่ได้อยู่ที่ตำแหน่งปลายโซ่) ก็จะเรียกว่า internal olefin โมเลกุล paraffin ที่นำมาสังเคราะห์ linear olefin นั้นจะใช้โมเลกุลที่เป็นโซ่ตรง (ช่วงประมาณ C₁₀-C₁₄) โดยนำมาเข้าสู่กระบวนการ dehydrogenation (ดึงไฮโดรเจนออก) เพื่อทำให้เกิดพันธะคู่ในสายโซ่โมเลกุล แต่เนื่องจากจำนวนอะตอม H ในสายโซ่มีจำนวนมากกว่า และการดึงอะตอม H ออกจากหมู่ methylene (-CH₂-) ทำได้ง่ายกว่าการดึงอะตอม H ออกจากหมู่ methyl (-CH₃) ที่ปลายโซ่ (พันธะ C-H ของหมู่ methylene แข็งแรงน้อยกว่าของหมู่ methyl) จึงทำให้การดึงอะตอม H ออกนั้นมักจะเกิดบริเวณภายในสายโซ่เป็นหลัก การสังเคราะห์เพื่อให้ได้ linear alpha-olefin ทำได้ด้วยการใช้เอทิลีนเป็นสารตั้งต้นร่วมกับสารประกอบ organometallic compond บางชนิดเช่น triethylaluminium

UVCE case 7 Shell Olefin Plant 2540 (1997) ตอนที่ ๑ MO Memoir : Sunday 20 December 2563

ตอนสายของวันอาทิตย์ที่ ๒๒ มิถุนายน พ.ศ. ๒๕๔๐ (ค.ศ. ๑๙๙๗) เวลาประมาณ ๑๐ โมงเศษ ได้เกิดการรั่วไหลของแก๊สก่อนที่จะเกิดการระเบิดตามมาในอีกไม่กี่นาที ณ โรงงานผลิตโอเลฟินส์ของบริษัท Shell ในมลรัฐเท็กซัส ประเทศสหรัฐอเมริกา อุบัติเหตุครั้งนี้แม้ว่าจะไม่มีผู้เสียชีวิตแต่ก็มีหลายประเด็นที่น่าสนใจ เช่นสาเหตุที่ทำให้เกิดการรั่วไหลนั้นต้นตอมาจากความเสียหายของชิ้นส่วนเล็ก ๆ ชิ้นส่วนหนึ่ง และความเสียหายดังกล่าวก็ไม่ได้เกิดขึ้นครั้งแรก แต่เคยได้เกิดขึ้นก่อนหน้านี้หลายครั้งแม้ว่าจะเกิดที่โรงงานอื่นแต่ก็เป็นของเครือบริษัทเดียวกัน ซึ่งเป็นการแสดงให้เห็นว่าข้อมูลอุบัติเหตุที่เกิดก่อนหน้านั้นไม่ได้มีการเผยแพร่ให้รับทราบกันอย่างทั่วถึง และมีการประเมินผลกระทบที่ตามมาต่ำเกินไป อาจเป็นเพราะว่าเหตุที่เกิดก่อนหน้านี้มีการตรวจพบก่อนที่จะเกิดความเสียหายรุนแรงตามมา

เรื่องที่นำมาเล่านี้นำมาจาก EPA/OSHA Joint Chemical Accident Investigation Report : Shell Chemical Company, Deer Park, Texas เผยแพร่เมื่อเดือนมิถุนายน พ.ศ. ๒๕๔๑ (ค.ศ. ๑๙๙๘) ที่เป็นรายงานการสอบสวนที่เกิดขึ้นที่ Olefin Plant Number III (OP-III) แต่ก่อนอื่นจะขอปูพื้นฐานกระบวนการผลิตเอทิลีน โดยจะเน้นเฉพาะส่วนเพิ่มความดันให้กับแก๊ส ซึ่งเป็นจุดต้นตอของการรั่วไหลในเหตุการณ์นี้ แต่สำหรับผู้ที่สนใจสามารถอ่านเพิ่มเติมได้ในบทความเรื่อง

"ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๙ Charge gas compression ภาค ๑" (Memoir ปีที่ ๘ ฉบับที่ ๑๑๗๗ วันอาทิตย์ที่ ๒๙ พฤษภาคม ๒๕๕๙)

"ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๑๐ Charge gas compression ภาค ๒" (Memoir ปีที่ ๘ ฉบับที่ ๑๑๗๘ วันพฤหัสบดีที่ ๒ มิถุนายน ๒๕๕๙) และ

"ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๑๑ Charge gas compression ภาค ๓" (Memoir ปีที่ ๘ ฉบับที่ ๑๑๘๑ วันพุธที่ ๘ มิถุนายน ๒๕๕๙)

ในการผลิตเอทิลีน (Ethylene C₂H₄ หรือ Ethene) นั้นจะนำไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลใหญ่มาให้ความร้อนใน Pyrolysis furnace จนไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลใหญ่นั้นแตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลงจนกลายเป็นเอทิลีนร่วมกับโอเลฟินส์ตัวอื่น เช่นโพรพิลีน (Propylene C₃H₆ หรือ Propene) เพื่อให้ปฏิกิริยาดำเนินไปข้างหน้าได้ดี ความดันการเกิดปฏิกิริยาจึงไม่สูงมาก (มากกว่าความดันบรรยากาศไม่มาก ทั้งนี้เพราะในปฏิกิริยานี้จำนวนโมลของผลิตภัณฑ์เพิ่มสูงกว่าสารตั้งต้น) การผลิตในส่วนนี้เป็นส่วนที่ใช้อุณหภูมิสูง (Hot side) ก็เรียกว่าตั้งแต่ระดับประมาณอุณหภูมิห้องไปจนถึงเกือบ 1000ºC (ขึ้นกับชนิดไฮโดรคาร์บอนที่ใช้เป็นสารตั้งต้น)

แก๊สผลิตภัณฑ์ร้อนที่ออกมาจาก Pyrolysis furnace นั้นจะถูกลดอุณหภูมิให้ต่ำลง (โดยใช้การดึงเอาความร้อนกลับไปใช้ประโยชน์) ก่อนจะเข้าสู่ขั้นตอนการอัดเพิ่มความดัน การอัดเพิ่มความดันนี้ก็เพื่อทำให้สามารถทำให้แก๊สเป็นของเหลวได้ที่อุณหภูมิที่ไม่ต่ำเกินไป และให้มีความดันมากพอที่แก๊สจะไหลผ่านระบบกลั่นแยกต่าง ๆ ไปจนถึงปลายทางสายการผลิต การผลิตส่วนนี้เป็นส่วนที่ใช้อุณหภูมิต่ำ ก็เรียกว่าประมาณอุณหภูมิห้องไปจนต่ำสุดก็ประมาณระดับ -100ºC

เพื่อที่จะรักษาประสิทธิภาพการอัดแก๊สและป้องกันไม่ให้เอทิลีนเกิดปฏิกิริยาถ้าอุณหภูมิแก๊สสูงเกินไป การอัดแก๊สให้ได้ระดับความดันที่ต้องการจึงต้องค่อย ๆ เพิ่มความดันทีละขั้น อย่างเช่นในโรงงานที่เกิดเหตุนี้ใช้การอัด 5 ขั้นตอนด้วยกัน โดยในระหว่างแต่ละขั้นตอนการอัดนั้นจะมีการแยกเอาส่วนที่เป็นของเหลวที่ควบแน่นออกมาเมื่อลดอุณหภูมิแก๊สความดันสูงที่ออกมาจากขั้นตอนการอัดแต่ละขั้น รูปที่ ๑ เป็นแผนผังของโรงงานที่เกิดเหตุ ส่วนรูปที่ ๒ เป็นแผนผังของหน่วยเพิ่มความดัน

รูปที่ ๑ แผนผังหน่วยการผลิตที่เกิดเหตุ ส่วนด้านทิศใต้เป็นส่วนที่เรียกว่า "Hot side" คือเป็นด้านที่รับวัตถุดิบ (ไฮโดรคาร์บอน) เข้ามา ให้ความร้อนใน Pyrolysis furnace เพื่อให้โมเลกุลไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลใหญ่แตกตัวเป็นเอทิลีน หน่วยนี้จะทำงานที่ความดันต่ำ (สูงกว่าบรรยากาศไม่มาก) จากนั้นแก๊สที่ออกจาก Pyrolysis furnace จะเข้าสู่หน่วยเพิ่มความดัน (Process gas compressor) ที่อยู่ทางด้านทิศเหนือ (เรียกว่า "Cold side") เพื่อเพิ่มความดันแก๊สให้สูงขึ้นก่อนส่งต่อเข้าระบบทำความเย็น และการกลั่นแยกต่อไป

รูปที่ ๒ แผนผังกระบวนการอัดแก๊สที่มีการอัดเพิ่มความดัน 5 ขั้นตอนด้วยกัน

กระบวนการอัดแก๊สของโรงงานนี้เป็นกระบวนการอัด 5 ขั้นตอน (รูปที่ ๒) ใช้กังหันไอน้ำ (Steam turbine) ขับเคลื่อนคอมเพรสเซอร์ 5 ตัวที่ต่อร่วมแกนกัน การผลิตเอทิลีนนั้นเป็นกระบวนการที่ใช้พลังงานความร้อนสูง และเมื่อได้ผลิตภัณฑ์แล้วก็ต้องลดอุณหภูมิให้ต่ำลงก่อนทำการกลั่นแยก การลดอุณหภูมินี้ก็มีทั้งการนำความร้อนนั้นไปผลิตไอน้ำความดันสูงและถ่ายเทให้กับสายอื่นที่ต้องการอุ่นให้ร้อนขึ้น ส่วนหนึ่งของไอน้ำความดันสูงที่ได้มาก็นำมาใช้ในการขับเคลื่อนเครื่องอัดแก๊ส (จะได้ลดการพึ่งพาพลังงานไฟฟ้าไปด้วยในตัว)

แก๊สที่ผ่านการอัดแต่ละขั้นตอนจะมีอุณหภูมิสูงขึ้น ซึ่งต้องลดให้ต่ำลงก่อนที่จะเข้าสู่ขั้นตอนถัดไป (ในรูปที่ ๒ ไม่ได้เขียนส่วนที่เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเอาไว้) แก๊สร้อนที่มีความดันสูงขึ้นเมื่อทำให้เย็นลงก็จะมีไฮโดรคาร์บอนหนักบางส่วนควบแน่นออกมา ซึ่งต้องแยกออกจากแก๊สก่อนที่จะเข้าสู่ขั้นตอนอัดถัดไปโดยใช้ Liquid knock-out drum

อุปกรณ์สำคัญอีกตัวหนึ่งที่ต้องติดตั้งไว้ทางท่อด้านขาออกของปั๊มหรือคอมเพรสเซอร์ก็คือวาล์วกันการไหลย้อนกลับ (check valve หรือ non-return valve) ทั้งนี้เพราะด้านขาออกมีความดันสูงกว่าด้านขาเข้า ถ้าหากปั๊มหรือคอมเพรสเซอร์หยุดทำงาน (ไม่ว่าจะเป็นด้วยการกดปุ่มหยุดหรือไฟฟ้าดับก็ตาม) ของไหลความดันสูงทางด้านขาออกก็จะไหลย้อนกลับเข้าสู่ตัวปั๊มหรือคอมเพรสเซอร์ได้ และสามารถทำให้อุปกรณ์หมุนกลับทิศทาง ซึ่งถ้าหมุนด้วยความเร็วรอบสูงเกินไปก็จะเกิดความเสียหายต่อตัวอุปกรณ์ได้ หรืออาจทำให้ระบบท่อและ/หรืออุปกรณ์ด้านขาเข้าที่ไม่ได้ออกแบบไว้รองรับความดันที่สูงเกินนั้นเกิดความเสียหายได้

รูปที่ ๓ เหตุการณ์ในขณะเริ่มต้นเดินเครื่องเครื่องคอมเพรสเซอร์ใหม่หลังไฟฟ้าดับ

ทีนี้เราลองกลับมาดูเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นที่โรงโอเลฟินส์ดังกล่าว เริ่มจากการที่เกิดเหตุไฟฟ้าดับเมื่อเวลาประมาณ ๐๒.๑๕ น อันเป็นผลจากหม้อแปลงไฟฟ้าระเบิดจากพายุฝนฟ้าคะนอง ในช่วงเวลาดังกล่าวระบบไฟฟ้าสำรองได้ทำงานเพื่อจ่ายไฟให้กับระบบที่สำคัญบางส่วน ในช่วงเวลานี้ยังมี pyrolysis furnace บางตัวทำงานอยู่ ซึ่งจำเป็นต้องให้มีแก๊สไหลผ่านเพื่อรับความร้อน แต่เนื่องจากคอมเพรสเซอร์ที่จะดูดเอาแก๊สนั้นส่งต่อไปยังหน่วยกลั่นแยกไม่ทำงาน จึงต้องระบายแก๊สออกไปเผาทิ้งที่ระบบ flare ซึ่งถือว่าเป็นการสูญเสียและก่อให้เกิดควันดำมาก (เพราะหม้อไอน้ำที่ผลิตไอน้ำเพื่อไปเจือจางการเผาไหม้ที่ปากปล่อง flare หยุดทำงาน) ดังนั้นโอเปอร์เรเตอร์จึงได้ตัดสินใจที่จะเริ่มเดินเครื่องคอมเพรสเซอร์ใหม่อีกครั้งเพื่อลดการสูญเสียและปัญหาการเกิดควันดำ เนื่องจากคอมเพรสเซอร์ขับเคลื่อนด้วยการใช้กังหันไอน้ำ ดังนั้นการเริ่มเดินเครื่องจึงเริ่มด้วย "Slow roll" หรือค่อย ๆ หมุนอย่างช้า ๆ ก่อน (รูปที่ ๓)

มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับพวก Induction motor ที่ใช้งานกันอย่างแพร่หลายที่สุดจะหมุนด้วยความเร็วรอบคงที่ที่ขึ้นอยู่กับความถี่กระแสไฟฟ้า ในช่วงที่มอเตอร์เริ่มหมุนนั้นกระแสจะไหลเข้าขดลวดสูงมาก แต่เมื่อหมุนจนได้ความเร็วรอบแล้วกระแสจะลดต่ำลงมาก ดังนั้นอุปกรณ์ที่ใช้มอเตอร์พวกนี้ขับเคลื่อน ตอนเริ่มเดินเครื่องจึงต้องทำให้มอเตอร์หมุนจนถึงความเร็วรอบให้เร็วที่สุด และให้มี load ตอนเริ่มเดินเครื่องต่ำสุด เพื่อไม่ให้กระแสตอนเริ่มเดินเครื่องนั้นสูงมากเกินไป

ด้วยเหตุนี้ในกรณีของปั๊มหอยโข่ง เวลาเริ่มเดินเครื่องจึงมักจะปิดวาล์วด้านขาออกของปั๊มหรือเปิด minimum flow line เอาไว้ เพื่อให้มอเตอร์มี load ต่ำสุดซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่ออัตราการของของเหลวเป็นศูนย์ ในกรณีของคอมเพรสเซอร์ที่ถ้าเป็นการอัดอากาศธรรมดา ก็จะใช้การเปิดท่อทางออกสู่บรรยากาศเพื่อให้มอเตอร์มี load ต่ำสุดเช่นกัน เพราะเป็นการดูดอากาศที่ความดันบรรยากาศและปล่อยออกไปที่ความดันบรรยากาศเช่นเดิม

แต่ถ้าเป็นการขับเคลื่อนด้วยกังหันไอน้ำจะแตกต่างออกไป เพราะไอน้ำจะทำให้ตัวกังหันไอน้ำร้อนขึ้น และเมื่อโลหะร้อนก็จะมีการขยายตัว ดังนั้นเพื่อป้องกันความเสียหายที่เกิดขึ้นจากชิ้นส่วนโลหะแต่ละชิ้นส่วนขยายตัวแตกต่างกัน จึงจำเป็นที่ต้องให้อุปกรณ์ค่อย ๆ ร้อนขึ้นอย่างช้า ๆ (ทำนองเดียวกับการเปิดไอน้ำเข้าระบบท่อที่เย็น ที่ต้องค่อย ๆ เปิดเพื่ออุ่นท่อให้ร้อนและลดการเกิด water hammer เนื่องจากไอน้ำควบแน่นในปริมาณมากในระบบท่อที่เย็น) ขั้นตอนนี้คือขั้นตอน "Slow roll" ที่เขียนไว้ในรูปที่ ๓ ซึ่งขั้นตอนทั้งหมดจะกินเวลาอย่างน้อย 2 ถึง 4 ชั่วโมง

พวก rotating machinery หรือเครื่องจักรกลที่มีชิ้นส่วนที่หมุนจะมีช่วงความเร็วเชิงมุมของการหมุนช่วงหนึ่งที่เรียกว่า "critical speed" (รูปที่ ๔) ชิ้นส่วนแต่ละชิ้นจะมีการสั่นด้วยความถี่ธรรมชาติที่ค่า ๆ หนึ่ง และเมื่อใดก็ตามที่ความเร็วเชิงมุมนี้สอดคล้องกับความถี่การสั่นตามธรรมชาติ ก็จะทำชิ้นส่วนนั้นเกิดการสั่นที่รุนแรงขึ้น ถ้าความเร็วรอบการหมุนอยู่นอกช่วงนี้ (ไม่ว่าจะเป็นช้ากว่าหรือเร็วกว่า) การสั่นก็จะลดลง ในกรณีของอุปกรณ์ที่สามารถเพิ่มความเร็วรอบการหมุนได้เร็ว ช่วงเวลาที่ชิ้นส่วนมีความเร็วรอบในช่วง critical speed ก็จะสั้น แต่ถ้าเป็นกรณีของอุปกรณ์ที่ต้องเพิ่มความเร็วรอบการหมุนอย่างช้า ๆ เช่นกรณีของกังหันแก๊สในที่นี้ ช่วงเวลาที่ความเร็วรอบการหมุนอยู่ในช่วง critical speed ก็จะนานมากขึ้น ด้วยเหตุนี้เพื่อป้องกันความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นกับตัวอุปกรณ์ จึงได้มีการติดตั้งอุปกรณ์ตรวจวัดการสั่นสะเทือน (vibration sensor) ที่จะหยุดการทำงานของอุปกรณ์ถ้าตรวจพบการสั่นที่สูงมากเกินไป

และในระหว่างการเริ่มต้นเดินเครื่องคอมเพรสเซอร์นี้ vibration sensor ก็ได้ตรวจพบการสั่นสะเทือนที่มากเกินไป จึงได้ทำการหยุดการทำงานของคอมเพรสเซอร์ เหตุการณ์ดังกล่าวเกิดขึ้นหลายครั้ง แต่เนื่องจากโอเปอร์เรเตอร์เข้าใจว่าสาเหตุเกิดจากการเร่งความเร็วรอบผ่าน critical speed ที่ช้าเกินไป จึงได้ทำการ reset สัญญาณและเริ่มต้นเดินเครื่องใหม่

อนึ่งในรายงานการสอบสวนบันทึกไว้ว่า โอเปอร์เรเตอร์ที่ทำหน้าที่เดินเครื่องคอมเพรสเซอร์นั้นได้ข้ามขั้นตอนหนึ่งไปก็คือการระบายของเหลวที่ควบแน่นออกจากระบบ เพราะถ้ามีของเหลวเหล่านี้สะสมมากเกินไป มันจะสามารถหลุดรอดเข้าไปในตัวกังหันไอน้ำและคอมเพรสเซอร์ได้ ซึ่งจะนำไปสู่การสั่นอย่างรุนแรง ค่าการสั่นปรกติจะอยู่ที่ 0.2 mil แต่ตรวจวัดการสั่นได้ถึง 1.0 mil

หน่วย "mil" ในที่นี้คือ 1 ใน 1000 นิ้วนะ ไม่ใช่มิลลิเมตรที่เขียนย่อว่า mm

รูปที่ ๔ ช่วงความเร็ววิกฤตหรือ Critical speed ของ rotating machinery

เมื่อปั๊มหรือคอมเพรสเซอร์หยุดทำงานนั้น ของไหลทางด้านความดันสูงจะไหลย้อนกลับ การไหลย้อนกลับนี้จะทำให้วาล์วกันการไหลย้อนกลับปิดตัว ในกรณีของวาล์วกันการไหลย้อนกลับแบบ swing check valve นั้น ตัว valve disc จะปิดตัวเร็วแค่ไหนก็ขึ้นอยู่กับความดันด้านขาเข้าว่าลดลงเร็วแค่ไหน ถ้าของไหลเป็นแก๊ส ความเร็วในการปิดก็จะเร็วกว่ากรณีที่ของไหลเป็นของเหลว (แบบเดียวกับที่เราเห็นการเติมของเหลวเข้าไปใน pressure gauge เพื่อหน่วงการสั่นของอุปกรณ์เวลาที่ใช้กับระบบที่มีการเปลี่ยนแปลงความดันอย่างรวดเร็ว) และในส่วนของคอมเพรสเซอร์นั้นยังมีเรื่องการเกิด surging เข้ามาเกี่ยวข้องอีก (อ่านเพิ่มเติมได้ในเรื่อง "Centrifugal compressor กับการเกิด Surge และการป้องกัน" Memoir ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๗๘ วันเสาร์ที่ ๑๖ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๖)

รูปที่ ๕ ตัวอย่างรูปร่างหน้าตาของ Pneumatically-assisted swing check valve ที่มีกระบอกสูบลมช่วยในการดึงให้วาล์วอยู่ในตำแหน่งปิดสนิท/ป้องกันการกระแทกของ valve disc ในขณะปิด ตัวกระบอกสูบลมนี้จะมีวาล์วปรับแต่งการปิดว่าจะให้ปิดช้าหรือเร็วแค่ไหน ส่วน counterweight หรือน้ำหนักถ่วงนั้นถ้าติดตั้งอยู่ทางฝั่งเดียวกับ valve disc ก็จะช่วยให้วาล์วเคลื่อนตัวเพื่อปิดได้ง่ายขึ้น แต่ก็จะทำให้ต้องใช้แรงดันมากขึ้นเพื่อดันให้วาล์วเปิด ในทางกลับกันถ้าน้ำหนักถ่วงนั้นอยู่คนละฟากของ valve disc ก็จะช่วยให้วาล์วเปิดได้ง่ายขึ้น แต่ก็จะปิดได้ยากขึ้น (รูปจาก https://www.made-in-china.com)

รูปที่ ๕ เป็นตัวอย่างหนึ่งของ swing check valve ที่มีอุปกรณ์ประกอบคือ Counter weight หรือน้ำหนักถ่วง และ Pneumatic cylinder หรือกระบอกสูบลม ตัวน้ำหนักถ่วงนี้ไม่เพียงแต่จะใช้ช่วยในการเปิดหรือปิดวาล์ว (ขึ้นอยู่กับว่าติดตั้งน้ำหนักถ่วงไว้ทางด้านไหน) แต่ยังช่วงแสดงให้เห็นด้วยว่าในขณะนั้นวาล์วเปิดหรือปิดอยู่ ส่วนตัวกระบอกสูบลมนั้นก็ทำหน้าที่ทั้งช่วยเพิ่มแรงต้านทานการเปิด (ลดปัญหาการเปิดปิดอย่างรวดเร็ว) และยังช่วงหน่วงการปิด (ไม่ให้ปิดกระแทกแรง) เพลา (shaft) ที่ติดตั้งน้ำหนักถ่วงนี้อาจเป็นเพลาตัวเดียวกับที่ติดตั้ง valve disc หรืออาจเป็นคนละตัวกัน

ตัว valve disc อยู่ข้างในตัววาล์วในขณะที่ counter weight อยู่ข้างนอก ดังนั้นเพื่อให้ counter weight หมุนไปตามการเคลื่อนตัวของ valve disc จึงจำเป็นที่ต้องให้การเคลื่อนตัวของ valve disc นั้นทำให้เพลาที่ใช้เป็นแกนหมุน หมุนตามไปด้วย ดังนั้นจำเป็นต้องมีการตรึงตัว valve disc และแขนติดตั้ง counter weight เข้ากับตัวเพลา วิธีการหนึ่งที่ใช้กันที่เหมาะสำหรับการส่งกำลังและสามารถรับแรงได้ดีคือการใช้ระบบ key, key seat/key way (รูปที่ ๖) โดยตัว key นั้นทำหน้าที่ส่งผ่านแรงการหมุนจากชิ้นส่วนหนึ่งไปยังอีกชิ้นส่วนหนึ่ง

รูปที่ ๖ ระบบ key, keyseat และ keyway ที่ใช้ส่งผ่านการหมุนระหว่างชิ้นส่วนสองชิ้นที่สวมเข้าด้วยกัน (ภาพจาก https://www.lovejoy-inc.com)

นอกจากนี้ตรงจุดที่เพลาโผล่ทะลุตัววาล์วออกมา ก็ต้องมีการป้องกันไม่ให้ของไหลข้างในรั่วไหลออกมาข้างนอกได้ โดยที่ยังต้องให้เพลานั้นหมุนได้โดยมีแรงเสียดทานน้อยที่สุด เทคนิคหนึ่งที่ใช้กันตรงนี้ก็คือการใช้ stuffing box (สำหรับผู้ที่ยังไม่รู้จัก stuffinb box ของให้อ่านรายละเอียดเพิ่มเติมได้ใน Memoir ปีที่ ๙ ฉบับที่ ๑๓๑๐ วันพฤหัสบดีที่ ๑๒ มกราคม ๒๕๖๐ เรื่อง "Piping and Instrumentation Diagram (P&ID) ของอุปกรณ์ ตอน Auxiliary piping ของปั๊มหอยโข่ง")

สำหรับตอนที่ ๑ นี้ก็ถือว่าเป็นการแนะนำให้รู้จักกับตัวละครสำคัญที่เกี่ยวข้องในเหตุการณ์ก่อนก็แล้วกัน ส่วนที่ว่าแล้วมันเกิดอะไรขึ้นต่อก็ขอเอาไว้เล่าต่อในตอนที่ ๒

การกำจัดสิ่งปนเปื้อนจากเอทิลีน (Ethylene purification) MO Memoir : Tuesday 8 May 2561

เอทิลีน (Ethylene H₂C=CH₂) เป็นโอเลฟินส์ตัวหลักสำหรับอุตสาหกรรมปิโตรเคมี วิธีการผลิตหลักที่ใช้กันก็คือกระบวนการ thermal cracking หรือแตกตัวด้วยความร้อน กล่าวคือจะนำไฮโดรคาร์บอนไหลผ่านท่อที่มีเปลวไฟให้ความร้อนอยู่ภายนอก โมเลกุลขนาดใหญ่ของไฮโดรคาร์บอนเมื่อได้รับความร้อนที่สูงพอก็จะแตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลง ส่วนที่ว่าต้องใช้อุณหภูมิสูงเท่าใดนั้นก็ขึ้นอยู่กับขนาดโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนที่เป็นสารตั้งต้น กล่าวคือถ้าสารตั้งต้นเป็นไฮโดรคาร์บอนเบา (เช่นอีเทน) ก็จะใช้อุณหภูมิที่สูง (เช่นราว ๆ 800-1000ºC) แต่ถ้าสารตั้งต้นเป็นไฮโดรคาร์บอนหนัก (เช่นแนฟทาหรือหนักไปจนถึงระดับน้ำมันเตา) ก็จะใช้อุณหภูมิที่ลดต่ำลง
 

ตามหลักสมดุลเคมีของเลอชาเตอลิเอ (Le Chatelier's principle) แล้ว ปฏิกิริยาในเฟสแก๊สที่มีจำนวนโมลผลิตภัณฑ์มากกว่าโมลสารตั้งต้นจะเกิดได้ดีขึ้นที่ความดันที่ต่ำลง ปฏิกิริยาที่ไฮโดรคาร์บอนหนักแตกตัวเป็นเอทิลีนนั้นก็เป็นปฏิกิริยาที่มีจำนวนโมลเพิ่มมากขึ้น (คืออย่างน้อยก็มีการเกิดแก๊สไฮโดรเจนขึ้น) ดังนั้นเพื่อให้ปฏิกิริยาดำเนินไปข้างหน้าได้ดีขึ้นจึงมีการผสมไอน้ำเข้าไปกับไฮโดรคาร์บอนเพื่อไปลดความดันย่อยของไฮโดรคาร์บอนให้ลดต่ำลง เพื่อให้ปฏิกิริยาการแตกตัวนั้นเกิดได้ดีขึ้น แต่ก็ใช่ว่าการทำเช่นนี้จะไม่มีข้อเสียอะไรเลย
 

เนื่องจากปฏิกิริยาเกิดที่อุณหภูมิสูง โลหะที่ใช้ทำท่อที่รับความร้อนจากเปลวไฟจึงต้องสามารถทนอุณหภูมิที่สูงได้ โลหะที่ใช้จึงเป็นพวกเหล็กกล้าผสมสูง (high alloy steel) และหนึ่งในแร่ธาตุที่เป็นองค์ประกอบของโลหะดังกล่าวคือนิเกิล (Ni) แต่แม้ว่าโลหะนิเกิลที่ผสมเข้าไปนั้นทำให้ท่อโลหะผสมทนต่ออุณหภูมิสูงได้ แต่ตัวนิเกิลเองก็เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำให้เกิดสารประกอบไฮโดรคาร์บอนหนักที่เรียกว่า coke เกาะบนผิวด้านในของท่อได้ coke เป็นสารประกอบคาร์บอนโมเลกุลใหญ่ที่คงสภาพเป็นของแข็งอยู่ได้ที่อุณหภูมิสูง coke เกิดจากโอเลฟินส์โมเลกุลเล็กสลายตัวและคายโมเลกุลไฮโดรเจนออกมา (ซึ่งปฏิกิริยานี้ก็เกิดได้ดีที่ความดันต่ำเช่นกัน) จนในที่สุดนำไปสู่การเกิดโครงสร้างที่แทบจะมีแต่คาร์บอนเป็นองค์ประกอบหลัก coke ที่เกาะบนผิวท่อจะไปลดการส่งผ่านความร้อนจากภายนอกให้กับแก๊สที่ไหลอยู่ภายในนั้นให้ต่ำลง และถ้าการสะสม coke ดังกล่าวเกิดขึ้นเฉพาะจุดใดจุดหนึ่งบนผิวท่อ ก็อาจทำให้ผิวท่อตรงตำแหน่งที่ coke สะสมมากเป็นพิเศษนั้นร้อนจัดจนเกิดความเสียหายได้
 

ไอน้ำที่เติมเข้าไปไม่เพียงแต่จะไปลดความดันย่อยในระบบให้ต่ำลง แต่ยังไปเพิ่มอัตราการไหลของแก๊สในท่อให้สูงขึ้น อัตราการไหลที่สูงขึ้นจะช่วยในการเฉือนของแข็งที่เกาะผิวท่อนั้นออกไป แต่ถ้าสูงเกินไปก็จะทำให้เกิด erosion มากตามไปด้วย โดยเฉพาะตรงตำแหน่งข้องอ ในขณะเดียวกันด้วยอุณหภูมิที่สูง ไอน้ำบางส่วนจะเข้าทำปฏิกิริยากับสารตั้งต้นที่ทำให้เกิด coke ทำให้โมเลกุลสารตั้งต้นเหล่านั้นสลายตัวกลายเป็นแก๊สไป (โดยอาศัยอะตอมไฮโดรเจนจากไอน้ำ)
 

ปรกติไฮโดรคาร์บอนที่เป็นของเหลวจะมีสารประกอบกำมะถันอินทรีย์ปะปนอยู่ ปริมาณสารประกอบกำมะถันที่ปะปนอยู่นี้จะเพิ่มตามจุดเดือดของไฮโดรคาร์บอน กล่าวคือยิ่งเป็นน้ำมันหนักก็จะยิ่งมีสารประกอบกำมะถันปะปนอยู่มากขึ้น สารประกอบกำมะถันนี้เป็น catalyst poison (สารที่เป็นพิษต่อตัวเร่งปฏิกิริยา) ในหลากหลายปฏิกิริยา แต่สำหรับปฏิกิริยา thermal cracking แล้วการมีสารประกอบกำมะถันจัดว่าเป็นข้อดี เพราะมันเป็นพิษต่อโลหะ Ni ที่ผสมอยู่ในเนื้อโลหะ ทำให้ความสามารถของอะตอม Ni ในการเร่งปฏิกิริยาการเกิด coke ลดต่ำลง จึงช่วยลดการเกิด coke ได้ แต่สำหรับไฮโดรคาร์บอนเบา (เช่นพวก C₂-C₄ หรือแนฟทาเบา) อาจไม่มีสารประกอบกำมะถันปะปนอยู่หรือมีอยู่ในปริมาณที่ต่ำเกินไป ในกรณีนี้ก็ต้องมีการผสมสารประกอบกำมะถันเข้าไปกับไฮโดรคาร์บอนก่อนป้อนเข้าเตา cracker ตัวอย่างของสารประกอบกำมะถันที่ผสมเข้าไปได้แก่ dimethyl sulphide (H₃C-S-CH₃) และ dimethyl disulphide (H₃C-S-S-CH₃)
 

ที่ร่ายยาวมาหนึ่งหน้ากระดาษก็ไม่ใช่อะไรหรอกครับ ก็เพื่อต้องการจะแสดงให้เห็นว่าเอทิลีนที่ผลิตได้นั้นมีสารประกอบที่มีอะตอม O และอะตอม S ปะปนอยู่ได้อย่างไร ก็เพราะว่ามันมากับไอน้ำและสารประกอบกำมะถันที่เติมเข้าไปก่อนการเกิดปฏิกิริยา thermal cracking นั่นเอง
 

เอทิลีนที่โรงโอเลฟินส์ผลิตได้นั้นก็มีโอกาสที่จะมีสารปนเปื้อนที่มีขนาดโมเลกุลเล็กและมีจุดเดือดต่ำเช่น แก๊สออกซิเจน (O₂) อะเซทิลีน (acetylene HCCH) คาร์บอนมอนออกไซด์ (carbon monoxide CO) และไฮโดรเจนซัลไฟล์ (hydrogen sulphide H₂S) ที่สามารถหลุดรอดผ่านกระบวนการกลั่นแยกโอเลฟินส์ที่ใช้อุณหภูมิที่ต่ำได้ เมื่อโรงงานที่อยู่ทางด้าน dowstream เช่นโรงงานผลิตพอลิเอทิลีนจะรับเอาโอเลฟินส์เหล่านี้ไปใช้งาน ก็ต้องมีการพิจารณว่าปริมาณสิ่งปนเปื้อนเหล่านี้ (ซึ่งต่างเป็นสิ่งที่เป็นพิษต่อตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในการสังเคราะห์พอลิโอเลฟินส์นั้น) อยู่ในระดับที่ยอมรับได้หรือไม่ ถ้าพบว่ามันมีอยู่ในระดับที่สูงเกินไปก็ต้องทำการกำจัดมันออกจากเอทิลีนก่อนที่จะเอาเอทิลีนไปเข้ากระบวนการ 
  

สารที่เป็นพิษต่อตัวเร่งปฏิกิริยาหรือ catalyst poison นี้อาจเข้าไปทำลายตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างถาวร หรือเข้าไปหน่วงให้การเกิดปฏิกิริยาที่ต้องการนั้นลดต่ำลง กระบวนการผลิตพอลิโอเลฟินส์เช่นพอลิเอทิลีนและพอลโพรพิลีนที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาตระกูล Ziegler-Natta นั้นในระหว่างการทำปฏิกิริยาจะมีการเติมตัวเร่งปฏิกิริยาเข้าไปในระบบตลอดเวลา เพราะเมื่อเกิดพอลิเมอร์ขึ้น พอลิเมอร์จะห่อหุ้มตัวเร่งปฏิกิริยานั้นเอาไว้และนำพาเอาตัวเร่งปฏิกิริยาติดออกจาก reactor ไปพร้อมกับผงพอลิเมอร์ที่ออกไปด้วย ในกรณีที่สิ่งปนเปื้อนนั้นไม่ส่งผลต่อตัวเร่งปฏิกิริยาหรือคิดว่าการยอมสูญเสียตัวเร่งปฏิกิริยาไปบางส่วนนั้นคุ้มค่ากว่าการต้องมีหน่วยกำจัดสิ่งปนเปื้อน ก็ไม่จำเป็นต้องมีหน่วยกำจัดสิ่งปนเปื้อนออกจากเอทิลีน (เพราะมันก็มีต้นทุนในการติดตั้งและเดินเครื่องหน่วยนี้อยู่เหมือนกัน)

รูปที่ ๑ กระบวนการกำจัด O₂ และ CO ออกจากเอทิลีน โดยในเบดแรกนั้นทำการกำจัด O₂ ก่อนด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะ Cu ส่วนในเบดที่สองนั้นจะทำการกำจัด CO ออกด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะออกไซด์ CuO รูปนี้นำมาจากเอกสารเรื่อง "Adsorbent Product Application Technology Considerations in the Production of Polyolefins" ซึ่งเป็น newsletter ของบริษัทUOP
 

เคยได้ยินเหมือนกันเรื่องของกระบวนการผลิตพอลิเอทิลีนกระบวนการหนึ่ง ที่เจ้าของเทคโนโลยีระบุว่าเอทิลีนที่มีใช้ต้องมีความบริสุทธิ์สูง ทำให้โรงงานต้องติดตั้งหน่วยกำจัดสิ่งปนเปื้อนออกจากเอทิลีน แต่เอาเข้าจริงพบว่าตัวเร่งปฏิกิริยามีความว่องไวสูงมากจนไม่สามารถควบคุมอุณหภูมิได้ (ปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์เป็นปฏิกิริยาคายความร้อนมากอยู่เหมือนกัน) เลยต้องมีการ bypass หน่วยกำจัดสิ่งปนเปื้อนนี้ เพื่อให้สิ่งปนเปื้อนเข้าไปลดความว่องไวของตัวเร่งปฏิกิริยาให้ต่ำลงจนสามารถควบคุมอัตราการเกิดปฏิกิริยาได้
 

สิ่งปนเปื้อนที่ติดมากับเอทิลีนนั้นมีปริมาณในระดับ ppm (จะเรียกว่าระดับ 0.xxx หรือ xx.0 ppm ก็ได้) และด้วยความเข้มข้นที่ต่ำระดับนี้วิธีการกำจัดจึงมักใช้สารดูดซับหรือตัวเร่งปฏิกิริยา โดยใช้สารดูดซับจับเอาสิ่งปนเปื้อนเอาไว้ หรือไม่ก็ทำการเปลี่ยนสิ่งปนเปื้อนนั้นให้กลายเป็นสารอื่นที่ไม่เป็นพิษต่อตัวเร่งปฏิกิริยาหรือกำจัดออกได้ง่ายขึ้น และวิธีการหนึ่งที่ใช้ในการกำจัด O₂ และ CO ก็คือ การให้ O₂ นั้นทำปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นโลหะเพื่อเปลี่ยนโลหะนั้นให้กลายเป็นโลหะออกไซด์ และให้ CO ทำปฏิกิริยากับตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดโลหะออกไซด์โดยให้ CO ไปรีดิวซ์โลหะออกไซด์ให้กลายเป็นโลหะ ส่วน CO นั้นก็จะเปลี่ยนไปเป็น CO₂ ที่ง่ายต่อการกำจัดออกมากขึ้น และตัวเร่งปฏิกิริยาตัวหนึ่งที่ใช้กันก็คือตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะทองแดง (Cu) และทองแดงออกไซด์ (CuO)
 

อันที่จริงตัวเร่งปฏิกิริยาทั้งสองก็เป็นตัวเดียวกัน คือมันจะมาในรูปของ CuO ถ้าจะใช้เพื่อการกำจัด O₂ ก็ต้องทำการรีดิวซ์ด้วยไฮโดรเจนให้กลายเป็น Cu ก่อนใช้งาน ในระหว่างการทำงานมันก็จะเปลี่ยนรูปไปเป็น CuO และพอเปลี่ยนรูปไปจนหมดก็ต้องทำการรีดิวซ์ให้กลับมาเป็น Cu ใหม่เพื่อใช้งานใหม่ แต่ถ้าใช้เพื่อกำจัด CO ก็ใช้ในรูปของ CuO เลย โดย CO จะไปรีดิวซ์ CuO ให้กลายเป็น Cu แล้วตัวมันจะกลายเป็น CO₂ ไป พอ CuO ถูกรีดิวซ์เป็น Cu หมด ก็ต้องทำการออกซิไดซ์ใหม่ด้วย O₂ เพื่อให้มันกลายเป็น CuO จะได้นำกลับมาใช้งานได้ใหม่
 

ดู ๆ แล้วก็น่าคิดนะครับว่ามันน่าจะมีเบดเดียวที่มีทั้ง Cu และ CuO รวมกันอยู่ก็น่าจะพอ แต่ทำไมต้องมีสองเบดแยกกันกำจัดด้วยด้วย เหตุผลหนึ่งก็คือการกำจัด CO ต้องการอุณหภูมิที่สูงกว่า ส่วนปฏิกิริยาการกำจัด O₂ นั้นแม้ว่าจะเกิดที่อุณหภูมิสูงได้ แต่มันเป็นปฏิกิริยาคายความร้อนสูง ที่อาจทำให้เกิด hot spot ขึ้นในระบบได้ถ้าระบบมีออกซิเจนมากและใช้อุณหภูมิสูงเกินไปในการทำปฏิกิริยา

รูปที่ ๒ ปฏิกิริยาที่เกิดในเบดที่ใช้กำจัด O₂ และ CO
 

ตัวเร่งปฏิกิริยา CuO นี้ยังทำหน้าที่กำจัดสารประกอบกำมะถันเช่น H₂S ได้นะครับ (ปฏิกิริยาในรูปที่ ๒) แต่มีข้อแม้ว่าในแก๊สนั้นต้องไม่มีอะเซทิลีน (C₂H₂) อยู่ด้วย เพราะอะเซทิลีนสามารถทำปฏิกิริยากับโลหะ Cu กลายเป็นสารประกอบ copper acetylide ที่ไวต่อแรงกระแทกและความร้อน จัดเป็นวัตถุระเบิดแรงสูง จนทำให้มีข้อห้ามในการใช้ชิ้นส่วนที่เป็นโลหะทองแดงในระบบที่ต้องสัมผัสกับแก๊สอะเซทิลีน
 

ดังนั้นในกรณีที่เอทิลีนนั้นมีอะเซทิลีนปนอยู่ด้วย ก็ต้องทำการกำจัดอะเซทิลีนออกก่อน วิธีการที่ใช้กันก็คือปฏิกิริยา acetylene hydrogenation คือทำการเติมไฮโดรเจนให้กับอะเซทิลีนเพื่อเปลี่ยนมันให้กลายเป็นเอทิลีน ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นโลหะ และปริมาณไฮโดรเจนที่เติมเข้าไปต้องเพียงพอที่จะกำจัดอะเซทิลีนได้หมดแต่ต้องไม่มากจนเหลือเปลี่ยนเอทิลีนให้กลายเป็นอีเทน ซึ่งเป็นการสูญเสียผลิตภัณฑ์เอทิลีนไป
 

อันที่จริงทั้ง H₂S และ CO ต่างก็เป็น catalyst poison ของตัวเร่งปฏิกิริยา acetylene hydrogenation แต่ตัว CO นั้นถ้ามีในปริมาณที่เหมาะสมจะทำให้การควบคุมการเติมไฮโดรเจนให้กับอะเซทิลีนโดยไม่เกิดการเติมไฮโดรเจนให้กับเอทิลีนนั้นทำได้ง่ายขึ้น ดังนั้นถ้าในแก๊สผสมนั้นมีสารประกอบกำมะถันอยู่ด้วย ก็ต้องกำจัดสารประกอบกำมะถันออกก่อนการกำจัดอะเซทิลีน กำจัดกำมะถันเสร็จก็ต้องกำจัดอะเซทิลีนเพื่อป้องกันไม่ให้มันไปทำปฏิกิริยากับโลหะ Cu ที่ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยากำจัด O₂ และ CO จากนั้นจึงค่อยกำจัด O₂ ที่อุณหภูมิต่ำก่อนกำจัด CO เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิด hot spot ขึ้นในเบด พอกำจัด CO เสร็จก็จะเกิด CO₂ ขึ้นซึ่งต้องมาทำการกำจัดกันต่ออีก CO₂ ในปริมาณต่ำมากเช่นนี้กำจัดได้ด้วยการให้มันทำปฏิกิริยากับเบสที่เป็นของแข็งเช่น KOH (ที่จะเปลี่ยนสภาพไปแบบไม่ผันกลับ และมันก็เป็นเบสที่แรงกว่า NaOH) และเพื่อจะให้กำจัด CO₂ ได้ดีก็ควรต้องมีการเติมน้ำให้กับเบด KOH เล็กน้อย ดังนั้นเอทิลีนที่ผ่านการกำจัด CO₂ แล้วก็จะมีไอน้ำปะปนมา จึงต้องมีหน่วยกำจัดไอน้ำออกอีกโดยอาศัยการดูดซับด้วยสารดูดความชื้น (เช่นพวก molecular sieve ต่าง ๆ) ก่อนที่จะนำเอทิลีนไปใช้ในกระบวนการพอลิเมอร์ไรซ์ต่อไป (รูปที่ ๓)

รูปที่ ๓ ตัวอย่างการจัดวางลำดับหน่วยกำจัดสารปนเปื้อนออกจากเอทิลีน

ที่เล่ามาก็คือเทคโนโลยีทีมีโอกาสได้ไปเรียนรู้มาสมัยจบใหม่ ๆ และทำงานก่อสร้างโรงงาน (ก็เมื่อ ๓๐ ปีที่แล้ว) ถือเสียว่าเป็นบันทึกความทรงจำส่วนตัวว่าเคยได้เรียนรู้อะไรมาบ้าง และเป็นการยกตัวอย่างการออกแบบกระบวนการก็แล้วกันนะครับว่า ถ้าหากมีสารที่ต้องการกำจัดอยู่หลายตัว ควรที่จะเลือกกำจัดสารตัวไหนเรียงลำดับกันอย่างไร และด้วยเหตุผลใด