ไฟไหม้โรงงานผลิตไวนิลคลอไรด์โมโนเมอร์ (๔) MO Memoir : Wednesday 30 October 2567

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากบทความเรื่อง "Report on the overview of the high pressure gas accident : Explosion and fire at vinyl chloride monomer plant" (https://www.khk.or.jp/english/report.html) ที่เผยแพร่โดย The High Pressure Gas Safety Institute of Japan (KHK) เป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นที่ประเทศญี่ปุ่นเมื่อวันที่ ๑๓ พฤศจิกายน ค.ศ. ๒๐๑๑ (พ.ศ. ๒๕๕๔) ส่งผลให้มีผู้เสียขีวิต ๑ ราย

แต่ก่อนอื่นเรามาลองทำความรู้จักกระบวนการผลิตของโรงงานที่เกิดเหตุกันก่อน (รูปที่ ๑)

รูปที่ ๑ ผังกระบวนการผลิตไวนิลคลอไรด์โมโนเมอร์ของโรงงานที่เกิดเหตุ

ในอุตสาหกรรมผลิตไวนิลคลอไรด์ (vinyl chloride, H₂C=CHCl) ด้วยการนำเอาเอทิลีนไดคลอไรด์ (HClC-CHCl Ethylene dichloride ที่ย่อว่า EDC) มาให้ความร้อนจนโมเลกุลแตกออก จะได้ไวนิลคลอไรด์ร่วมกับไฮโดรเจนคลอไรด์ (HCl hydrogen chloride) ปัญหาของกระบวนการนี้ก็คือจะจัดการ HCl ที่เกิดขึ้นอย่างไรเพราะเป็นผลิตภัณฑ์ที่ไม่ต้องการ และวิธีการที่ใช้กันในปัจจุบันคือใช้กระบวนการที่เรียกว่า Oxychlorination process ที่ใช้ HCl ทำปฏิกิริยากับ O₂ ในบรรยากาศที่มีเอทิลีน (ethylene, H₂C=CH₂) ร่วมอยู่โดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยในการทำปฏิกิริยา HCl จะทำปฏิกิริยากับ O₂ ได้ Cl₂ และ H₂O ออกมา โดย Cl₂ ที่เกิดขึ้นจะทำปฏิกิริยากับเอทิลีนในระบบได้ EDC (ในสภาวะที่มีอุณหภูมิสูงพอจะไม่เกิดการควบแน่นของน้ำ จะหลีกเลี่ยงปัญหาการกัดกร่อนจากการที่ HCl ละลายน้ำกลายเป็นกรดเกลือได้)

หมายเหตุ : Ethylene dichloride มีอยู่ด้วยกัน 2 ไอโซเมอร์คือ 1,1-dichloroethane (HCl₂C-CH₃) และ 1,2-dichlorethane (H₂ClC-CClH₂) แต่ถ้าพูดถึงกระบวนการผลิต VCM จะหมายถึง 1,2-dichlorethane

กระบวนการของโรงงานที่เกิดเหตุนั้น HCl ที่เกิดจากการผลิตไวนิลคลอไรด์จะถูกนำมารวมกับ HCl ใหม่ที่ป้อนเข้ามา และป้อนเข้าสู่ oxychlorination process ร่วมกับออกซิเจนและเอทิลีน โดยมี 2 สายการผลิตด้วยกันคือ A กับ ฺB ผลิตภัณฑ์ที่ได้จาก 2 สายการผลิตนี้จะถูกนำมารวมกันและป้อนเข้าสู่กระบวนการทำให้ EDC บริสุทธิ์ก่อนป้อนเข้าสู่ขั้นตอน cracking ที่เป็นการให้ความร้อนด้วย furnace (ซึ่งมีอยู่ 3 สายการผลิตคือ A, B และ C) เพื่อให้โมเลกุล EDC แตกออกเป็นไวนิลคลอไรด์และ HCl ผลิตภัณฑ์ที่ออกมาจากแต่ละ funace จะถูกป้อนเข้าสู่หน่วยกลั่นแยก HCl และ VCM ออกจากกัน

หมายเหตุ : กระบวนการ cracking ของเฟสแก๊สจะมีจำนวนโมลเพิ่มขึ้น ดังนั้นถ้าอยากให้ปฏิกิริยาเกิดไปข้างหน้าได้ดีขึ้นก็ควรทำปฏิกิริยาที่ความดันต่ำ (เช่นในกระบวนการผลิตเอทิลีนจากไฮโดรคาร์บอน) แต่ด้วยการที่ EDC สามารถควบแน่นเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องได้ภายใต้ความดันที่สูงมากพอ การ cracking EDC จึงทำที่ความดันที่จัดว่าสูง (ประมาณ 20 atm) เพื่อที่จะแยก EDC (ที่มีจุดเดือดสูง) ออกจาก HCl ได้ง่ายขึ้น

รูปที่ ๒ หน่วยแยก EDC, ไวนิลคลอไรด์และ HCl ออกจากกันด้วยการกลั่นแยก โดย HCl จะกลายเป็นไอออกทางยอดหอ ก่อนถูกนำกลับไปใช้ในปฏิกิริยา oxychlorination ส่วน EDC (ที่ทำปฏิกิริยาไม่หมด) และไวนิลคลอไรด์จะเป็นของเหลวออกที่ก้นหอและส่งต่อไปยังหอกลั่นแยกออกจากกันในขั้นตอนต่อไป

รูปที่ ๒ เป็นแผนผังของหน่วยกลั่นแยก EDC, ไวนิลคลอไรด์และ HCl ออกจากกัน HCl จะออกในรูปของไอที่ยอดหอและถูกควบแน่นด้วย propylene refrigerant ที่อุณหภูมิประมาณ -25ºC HCl ที่ควบแน่นจะไหลลงสู่ถังเก็บ (Reflux tank) ที่จะทำการดึงเอาของเหลวบางส่วนป้อนกลับสู่หอกลั่น (เรียกว่าสาย reflux) และส่วนที่เหลือส่งกลับไปยังกระบวนการ oxychlorination และในกรณีที่ระบบมีปัญหาก็สามารถส่ง HCl ไปยัง buffer tank แทนการป้อนทั้งหมดกลับไปยังหอกลั่น

รูปที่ ๓ แสดงสภาวะการทำงานของอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับการระเบิดคือ หอกลั่นแยก (HCl removal column), reflux tank และ HCl buffer tank การควบคุมความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์อาศัยการควบคุมอัตราการไหลของสาย reflux และการให้ร้อนด้วยไอน้ำแก่ของเหลวที่ก้นหอ (ที่ตัว heater) อุณหภูมิการทำงานที่ก้นหอกลั่นอยู่ที่ประมาณ 120ºC

รูปที่ ๓ สภาวะการทำงานของอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับการระเบิด

ต่อไปจะเป็นการไล่ลำดับเหตุการณ์

เวลา 3.39 น วาล์วระบายความดันฉุกเฉิน (ตัว emergency relief valve ในรูปที่ ๑) ที่ระบายแก๊สจาก oxychlorination process สายการผลิต A (ต่อไปจะเรียกว่าหน่วย "Oxy A") ไปยังอุปกรณ์ "detoxification" เกิดความเสียหายและเปิดกระทันหัน ทำให้ความดันในระบบลดลงอย่างรวดเร็ว

เวลากล่าวถึง "วาล์วระบายความดันฉุกเฉิน" หรือ emergency relief valve มักจะหมายถึงวาล์วระบายความดันที่ควบคุมการเปิด-ปิดด้วยโอเปอร์เรเตอร์ ไม่ใช่วาล์วระบายความดันที่ใช้ความดันในระบบเป็นตัวควบคุมการเปิด-ปิด การติดตั้งวาล์วฉุกเฉินตัวนี้จะทำกับอุปกรณ์ที่เห็นว่าอาจมีกรณีที่ทำให้ความดันในระบบเพิ่มสูงขึ้นมากจนวาล์วระบายความดันปรกตินั้นไม่สามารถระบายได้ทัน (เช่นกรณีที่ภาชนะถูกไฟครอก) ถ้าสารนั้นไม่เป็นสารพิษก็อาจปล่อยออกสู่บรรยากาศโดยตรง แต่ถ้าเป็นสารพิษก็ต้องเข้าสู่ระบบกำจัดสารพิษก่อนปล่อยออกสู่บรรยากาศ

เวลา 3.52 น หน่วย Oxy A หยุดการทำงานโดยอัตโนมัติจากการทำงานของระบบ interlock

เวลา 3.53 น cracking furnace series A และ B หยุดการทำงานฉุกเฉิน เพื่อปรับอัตราการผลิตให้รองรับกับการผลิตที่มาจากหน่วย Oxy B

EDC ผลิตจากหน่วย Oxy A และ Oxy B ดังนั้นเมื่อหน่วยอ Oxy A หยุดการทำงาน ปริมาณ EDC ที่ไหลเข้าสู่หน่วยถัดไปก็จะลดลง หน่วยการผลิตชนิดที่มีการไหลเวียนอยู่ภายใน (เช่นหอกลั่น) เมื่อสายป้อนเข้ามามีอัตราการไหลลดลง ก็อาจใช้การลดการดึงสารออกจากหน่วย โดยที่ยังคงการไหลเวียนภายในหน่วยนั้นเอาไว้ โดยไม่จำเป็นต้องหยุดเดินเครื่อง แต่สำหรับหน่วยที่อัตราการไหลนั้นสำคัญเช่น furnace ที่อัตราการไหลผ่านนั้นต้องสัมพันธ์กับปริมาณความร้อนที่ให้ (ถ้าสารที่มารับความร้อนนั้นมีปริมาณน้อยเกินไป ก็อาจทำให้ท่อมีอุณหภูมิสูงเกินไปได้) ก็จำเป็นต้องหยุดการทำงาน อย่างเช่นในเหตุการณ์นี้จึงต้องหยุดการทำงานของ cracking furnace series A และ B เพื่อไม่ให้เกิดผลกระทบต่อการไหลเข้า cracking furnace series C

เวลาประมาณ 4.10 น จากการหยุดทำงานของ cracking furnace series A และ B ทำให้ปริมาณ HCl, ไวนิลคลอไรด์ และ EDC ที่หลงเหลือจากการทำปฏิกิริยา ที่ไหลเข้าหอกลั่นแยก (hydrochloric acid removal column รูปที่ ๒) มีปริมาณลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ทำให้อุณหภูมิของ tray บริเวณตอนกลางของหอ (tray ที่ 18) ลดลงจากอุณหภูมิทำงานปรกติคือ 80ºC เหลือเพียง 57ºC โอเปอร์เรเตอร์จึงตัดสินใจเพิ่มไอน้ำที่ป้อนให้กับ heater และลดอัตราการไหลสาย reflux

การนับจำนวน tray ในหอกลั่นของบทความนี้ นับจากล่างขึ้นบน คือ tray ที่ 1 อยู่ล่างสุด

รูปแบบปรกติของอุณหภูมิในหอกลั่นคือตอนล่างจะสูงสุด (เพราะเป็นจุดให้ความร้อน) และตอนบนจะต่ำสุด (เพราะเป็นจุดดึงความร้อนออก) ของเหลวบนแต่ละ tray จะถูกต้มให้เดือดด้วยไอร้อนที่ระเหยขึ้นมาจาก tray ที่อยู่ถัดลงไป (เพื่อไล่สารที่มีจุดเดือดต่ำให้ระเหยออกมา) และไอที่ระเหยออกมาจะถูกทำให้ควบแน่นด้วยของเหลวที่ไหลลงมาจาก tray ที่อยู่ถัดขึ้นไป (เพื่อควบแน่นสารที่มีจุดเดือดสูงที่ระเหยออกมา)

สายสารผสมที่ป้อนเข้าหอกลั่นเป็นสายที่นำความร้อนเข้าระบบ เมื่ออัตราการไหลสายนี้ลดลงก็จะทำให้ปริมาณความร้อนที่ไหลเข้าหอกลั่นลดลง ถ้าในขณะนั้นอัตราการให้ความร้อนจากตัว heater ทางด้านล่างและอัตราการไหลของสาย reflux (สารที่มีอุณหภูมิต่ำสุด) ยังคงเดิม ก็จะทำให้อุณหภูมิภายในหอกลั่นลดลง ในกรณีเช่นนี้จะทำให้สายที่ออกด้านล่างหอกลั่นมีปริมาณสารที่มีจุดเดือดต่ำปนไปมากขึ้น การแก้ปัญหาทำได้ด้วยการเพิ่มความร้อนที่ให้และ/หรือลดปริมาณ reflux ที่ป้อนกลับเข้าหอ

เวลา 4.10 น อุณหภูมิยอดหอกลั่นแยก HCl (tray ที่ 50 ที่อยู่บนสุด) เพิ่มขึ้นเป็น 38ºC แทนที่จะเป็น -24ºC ซึ่งเป็นอุณหภูมิปรกติของการทำงาน และมีไวนิลคลอไรด์เข้าไปผสมกับ HCl ที่ส่วนบนของหอกลั่นแกย HCl และใน reflux tank

การสอบสวนพบว่าคู่มือการทำงานในสถานการณ์ฉุกเฉินกล่าวไว้ว่า "ให้ปรับปริมาณไอน้ำและอัตราการไหลของสาย reflux ที่ป้อนเข้าสู่หอกลั่นแยก HCl" โดยไม่มีการระบุค่าที่ชัดเจน ซึ่งในกรณีนี้เมื่อโอเปอร์เรเตอร์เพิ่มไอน้ำและลดการไหลของสาย reflux แล้ว อุณหภูมิที่ tray 18 ก็ค่อย ๆ สูงขึ้นเป็น 80ºC ซึ่งเมื่อโอเปอร์เรเตอร์เห็นว่าอุณหภูมิกลับเข้าสู่ค่าเดิมแล้วก็ย้ายไปทำงานอื่นต่อ กล่าวคือไม่มีการเฝ้ามองต่อว่าอุณหภูมิจะหยุดแค่ 80ºC หรือเพิ่มสูงขึ้นไปอีก (ซึ่งถ้าเห็นว่าอุณหภูมิยังเพิ่มสูงขึ้นไปอีกก็ต้องลดปริมาณไอน้ำและเพิ่มอัตราการไหลสาย reflux) จึงทำให้อุณหภูมิในหอกลั่นเพิ่มสูงขึ้นเรื่อย ๆ จน VCM นั้นระเหยออกทางยอดหอออกไปพร้อมกับ HCl ได้

รูปที่ ๔ ภาพความเสียหายของที่เกิดเหตุ

เวลา 5.57 น จากการที่มีไวนิลคลอไรด์ปนเปื้อนเข้าไปใน HCl ใน reflux tank และด้วยการที่ HCl จาก reflux tank นี้จะถูกป้อนกลับไปยังกระบวนการ oxychlorination (ซึ่งในขณะนั้นมีเพียงหน่วย Oxy B เดินเครื่องอยู่) ทำให้ดุลมวลสารของระบบสูญเสียไป กระบวนการผลิตทั้งหมดซึ่งรวมทั้ง Oxy B จึงถูกหยุดการทำงาน

สิ่งที่ตามมาคือโอเปอร์เรเตอร์เริ่มทำการหยุดเดินเครื่องหอกลั่นแยก HCl และหยุดระบบทำความเย็น (propylene refrigerator ในรูปที่ ๒) เมื่อเวลา 8.40 น จากนั้นก็ตัดการเชื่อมต่อ reflux tank (ที่มีระดับของเหลวสูงเกินค่าปรกติ) ออกจากหอกลั่นแยก HCl

ส่วนหนึ่งของของเหลวใน reflux tank ถูกใช้เป็นสาย reflux ป้อนกลับหอกลั่น และส่วนที่เหลือส่งกลับไปทำปฏิกิริยาที่กระบวนการ oxychlorination เมื่อลดอัตราการไหลของสาย reflux และความต้องการที่กระบวนการ oxychlorination ลดลง ก็ทำให้ของเหลวสะสมใน reflux tank มากขึ้น ระดับของเหลวจึงเพิ่มสูงขึ้น

เนื่องจากระดับของเหลวใน reflux tank อยู่ใกล้ระดับ 100% เวลา 11.39 น จึงได้เริ่มทำการถ่ายของเหลวบางส่วนไปยัง HCl buffer tank (ดูรูปที่ ๒) จากนั้นอุณหภูมิและความดันใน reflux tank และ buffer tank ก็ค่อย ๆ เพิ่มขึ้น แต่อัตราการเพิ่มในช่วงแรกนั้นช้ามากจนโอเปอร์เรเตอร์สังเกตไม่เห็นการเปลี่ยนแปลง

เวลาประมาณ 15.00 น พบว่าความดันใน reflux tank และ buffer tank เพิ่มสูงขึ้น จึงได้เริ่มทำการลดความดัน

เวลาประมาณ 15.15 น มีเสียงดังผิดปรกติเกิดขึ้น และสังเกตเห็นกลุ่มควันขาวจากส่วนด้านบนของ HCl buffer tank ในระหว่างกระบวนการลดความดัน

เวลาประมาณ 15.23 น ความดันภายใน reflux tank สูงเกินกว่า 2.0 MPaG. (กว่า 20 bar.g)

เวลา 15.24 น reflux tank เกิดการระเบิด ตามด้วยการเกิดเพลิงไหม้เป็นบริเวณกว้างในหน่วผลิตไวนิลคลอไรด์

VCM ทำปฏิกิริยากับ HCl ได้ง่ายขึ้นถ้ามีตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็น Lewis acid ร่วมอยู่ ซึ่งในเหตุการณ์นี้คือ FeCl₃ ที่เกาะอยู่บนผนัง reflux tank และ buffer tank ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือ 1,1-dichloroethane ปฏิกิริยานี้คายความร้อน

เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาก็จะเพิ่มสูงขึ้นแบบ expnential ในช่วงแรกนั้นอัตราการเพิ่มของปฏิกิริยาเป็นไปอย่างช้า ๆ โอเปอร์เรเตอร์จึงมองไม่เห็นการเปลี่ยนแปลง ในช่วงก่อนการระเบิดนั้นปฏิกิริยาเกิดเร็วมากจนทำให้ถังเก็บเกิดการระเบิดก่อนที่จะสามารถลดความดันลงไป

การเลือกวัสดุสำหรับ Cl2 และ HCl MO Memoir : Sunday 27 October 2562

ช่วงกลางเดือนตุลาคมที่ผ่านมา มีโอกาสได้เข้ารับการอบรมที่ทางสถานฑูตสหรัฐอเมริกาประจำประเทศไทยจัดให้กับเจ้าหน้าที่ของกรมการค้าต่างประเทศ กระทรวงพาณิชย์ และบุคคลากรจากทางมหาวิทยาลัย เกี่ยวกับการพิจารณาสินค้าที่ใช้ได้สองทาง (Dual-used item หรือ DUI) โดยการอบรมครั้งนี้จะเน้นไปที่การพิจารณาตัวผู้รับสินค้าเป็นหลักเสียเป็นส่วนใหญ่ โดยมีเรื่องเกี่ยวกับความสมเหตุสมผลของสินค้า (เช่นราคาต่อหน่วย คุณภาพสินค้ากับงานที่จะนำไปใช้) รวมอยู่บ้าง
    

ในการอบรมดังกล่าวมีสินค้าตัวอย่างชิ้นหนึ่งซึ่งก็คือ "วาล์ว" ที่ถูกยกขึ้นมาเป็นโจทย์ประกอบการพิจารณาว่าเหตุผลที่ทางผู้ซื้อของซื้อนั้นดูสมเหตุสมผลหรือไม่ โดยผู้ซื้ออ้างว่าจะนำไปใช้กับระบบแก๊สคลอรีนที่ใช้ในการปรับปรุงคุณภาพน้ำเสีย 
    

ตัวคลอรีนเองนั้นไม่ได้ปรากฏในรายชื่อสินค้าที่ใช้ได้สองทางที่กระทรวงพาณิชย์เป็นผู้รับผิดชอบ กฎหมายของบ้านเราเองนั้นมันไปปรากฏอยู่ในรายชื่อสารเคมีที่ใช้ในการสงครามเคมีที่กระทรวงกลาโหมเป็นผู้รับผิดชอบ ตามประกาศกระทรวงกลาโหม เรื่อง "กำหนดยุทธภัณฑ์ที่ต้องขออนุญาต ตามพระราชบัญญัติควบคุมยุทธภัณฑ์ พ.ศ. ๒๕๓๐" ลงวันที่ ๓๐ พฤศจิกายน ๒๕๕๐ (ไม่ทราบเหมือนกันว่าขณะนี้มันมีฉบับที่ใหม่กว่านี้หรือเปล่า) โดยที่ตัวแก๊สคลอรีนเองก็เป็นที่รู้กันทั่วไปว่ามันเป็นอาวุธเคมีตัวแรกที่ถูกนำมาใช้ โดยใช้ครั้งแรกในสงครามโลกครั้งที่ ๑

   

รูปที่ ๑ คู่มือการเลือกใช้โลหะผสมในงานที่เกี่ยวข้องกับ แก๊สคลอรีน (Chlorine - Cl₂) แก๊สไฮโดรเจนคลอไรด์ (Hydrogen chloride - HCl) และกรดไฮโดรคลอริก (Hydrochloric acid - HCl_aq) ที่จัดทำโดย Nickel institute เอกสารฉบับนี้ดาวน์โหลดได้ที่ https://www.nickelinstitute.org/media/3795/nickelpub10020_12pgdec03final.pdf
   

แม้ว่าคลอรีนจะเป็นแก๊สพิษตัวแรกที่ถูกนำมาใช้ แต่มันก็ถูกแทนที่อย่างรวดเร็วด้วยตัวอื่นที่มีพิษรุนแรงกว่า แต่ในตัวอย่างที่เขายกมานั้นคงต้องการสื่อถึงการนำเอาสิ่งของที่ใช้กับคลอรีนไปผลิตเป็นอาวุธทำลายล้างสูงตัวอื่น ดังนั้นก่อนที่จะเข้าใจว่าสิ่งของนั้นมันเกี่ยวข้องกับการนำไปผลิตเป็นอาวุธทำลายล้างสูง (ส่วนที่ไม่ใช่อาวุธเคมี) ได้อย่างไร ก็เลยต้องขอทบทวนความรู้ (ของตัวเอง) เกี่ยวกับการผลิตแก๊สคลอรีนและการนำไปใช้งานก่อนเสียหน่อย

    

รูปที่ ๒ ตารางส่วนผสมของโลหะผสมรหัสต่าง ๆ ที่นำมาจากเอกสารในรูปที่ ๑   
     

รูปที่ ๓ ตารางส่วนผสมของโลหะผสมรหัสต่าง ๆ (ต่อจากรูปที่ ๒)
     

คลอรีน (Chlorine - Cl₂) เป็นแก๊สที่เป็นผลพลอยได้จากการผลิตโซดาไฟ (Caustic soda หรือโซเดียมไฮดรอกไซด์ Sodium hydroxide - NaOH) ในกระบวนการผลิตโซดาไฟจะนำเกลือแกง (โซเดียมคลอไรด์ Sodium chloride - NaCl) มาละลายน้ำ (เกลือสินเธาว์จะดีกว่าเกลือทะเลตรงที่เกลือสินเธาว์มีความบริสุทธิ์สูงกว่า) แล้วนำสารละลายที่ได้ไปแยกด้วยไฟฟ้ากระแสตรง จะเกิดแก๊สคลอรีนที่ขั้วบวกและแก๊สไฮโดรเจนที่ขั้วลบ แก๊สที่ออกมาจากขั้วไฟฟ้านี้จะเป็นแก๊สที่มีความชื้นปะปนอยู่อันเป็นผลจากการระเหยของน้ำและอุณหภูมิที่สูงขึ้นของสารละลาย
     

สารที่มีฤทธิ์เป็นกรดที่เมื่อละลายน้ำแล้วแตกตัวให้โปรตอน H⁺ กลายเป็น H₃O⁺ (Hydronium ion) นั้น ตัวที่มีฤทธิ์กัดกร่อนเหล็กก็คือ H₃O⁺ ตัวนี้ ดังนั้นถ้าสารนั้นไม่มีน้ำที่เป็นของเหลวปนอยู่ (คือเป็นของเหลวที่ไม่มีน้ำปนอยู่เลยหรือแก๊สที่ไม่มีโอกาสที่ไอน้ำจะเกิดการควบแน่นเป็นของเหลวได้ในระบบ) มันก็จะไม่กัดกร่อนเหล็ก ตัวอย่างของสารเหล่านี้ได้แก่ กรดกำมะถันเข้มข้น (Sulphuric acid - H₂SO₄) แก๊สไฮโดรเจนคลอไรด์ (Hydrogen chloride - HCl) เป็นต้น แต่ทั้งนี้ก็ต้องระวังเหมือนกันถ้าหากสารนั้นเกิดปฏิกิริยา Autoprotolysis ได้ ปฏิกิริยานี้คือปฏิกิริยาที่โมเลกุลหนึ่งแตกตัวให้ H⁺ ออกมาโดยมีอีกโมเลกุลหนึ่งทำหน้าที่เป็นตัวรับ H⁺ ตัวนั้น ตัวอย่างของสารนี้ได้แก่กรดอะซีติก (Acetic acid - CH₃COOH หรือกรดน้ำส้มสายชู) เพราะกรดตัวนี้แม้ว่าจะเป็นกรดเข้มข้นที่ไม่มีน้ำปนก็ยังสามารถกัดกร่อน carbon steel ได้ง่าย

    

รูปที่ ๔ ขอบเขตอุณหภูมิการใช้งานสำหรับโลหะบางชนิดกับแก๊สคลอรีนที่แห้ง

คลอรีนและฟลูออรีน (Fluorine - F₂) มีการทำปฏิกิริยากับโลหะที่แตกต่างไปจากรูป HX คือแก๊สเหล่านี้เมื่อละลายน้ำแล้วก็จะได้สารละลายกรดที่กัดกร่อนโลหะได้ แต่ในสภาพที่ไม่มีน้ำปนเลยนั้นนั้นก็ใช่ว่ามันจะไม่กัดกร่อน เพราะมันสามารถทำปฏิกิริยากับโลหะบางชนิดกลายเป็นสารประกอบเฮไลด์ของโลหะตัวนั้นได้โดยตรง เช่นกรณีของโลหะไทเทเนียม (Titanium - Ti) ที่เกิดการลุกไหม้ได้เมื่อสัมผัสกับคลอรีนเหลวที่แห้งแม้ว่าจะเป็นที่อุณหภูมิต่ำถึง -18ºC แต่ถ้าเป็นคลอรีนที่มีความชื้นอยู่จะไม่เป็นอะไร เพราะจะเกิดปฏิกิริยาทำให้เกิดชั้นฟิล์มป้องกันบนพื้นผิวโลหะที่หยุดยั้งการกัดกร่อนลึกลงไป ในขณะที่ carbon steel นั้นไม่มีปัญหากับคลอรีนที่แห้ง แต่ถูกกัดกร่อนรุนแรงเมื่อสัมผัสกับคลอรีนที่มีความชื้น
    

แก๊สคลอรีนที่เกิดที่ขั้วไฟฟ้าในระหว่างกระบวนการผลิตโซดาไฟนั้นเป็นแก๊สที่มีความชื้น ดังนั้นระบบท่อตรงนี้ต้องใช้วัสดุที่ทนต่อคลอรีนที่ชื้นได้ แต่เมื่อผ่านกระบวนการกำจัดความชื้นออกไปแล้วก็สามารถเปลี่ยนไปใช้วัสดุที่ไม่ถูกกัดกร่อนด้วยคลอรีนแห้ง ตัวที่มีปัญหาก็คือระบบกำจัดความชื้นออกจากคลอรีน เพราะต้องทนทั้งคลอรีนที่ชื้นและคลอรีนที่แห้ง

   

รูปที่ ๕ ขอบเขตอุณหภูมิการใช้งานสำหรับโลหะบางชนิดกับแก๊สไฮโดรเจนคลอไรด์ที่แห้ง

แก๊สคลอรีนที่ได้จากกระบวนการผลิตอาจถูกนำไปใช้ต่อในรูปของคลอรีนเหลวบรรจุถัง (แบบถังแก๊สหุงต้ม) เพื่อไปใช้ในการฆ่าเชื้อโรคในกระบวนการผลิตน้ำประปาและการบำบัดน้ำเสีย (ฆ่าเชื้อโรคที่เป็นอันตรายก่อนปล่อยน้ำทิ้ง) หรือนำไปใช้ในการผลิตไวนิลคลอไรด์ (Vinyl chloride H₂C=CHCl) ที่เป็นสารตั้งต้นในการผลิตพอลิไวนิลคลอไรด์ (Polyvinylchloride - PVC) หรือนำไปผลิตเป็นโซเดียมไฮโปคลอไรต์ (Sodium hypochlorite - NaOCl) ที่ใช้เป็นผลิตภัณฑ์ฟอกขาว (Bleaching agent เช่นน้ำยาซักผ้าขาว) และฆ่าเชื้อโรค หรือนำไปทำปฏิกิริยากับแก๊สไฮโดรเจนที่เกิดจากขั้วไฟฟ้าอีกขั้วหนึ่งเพื่อผลิตแก๊สไฮโดรเจนคลอไรด์ (Hydrogen chloride - HCl) ก่อนนำไปละลายน้ำให้กลายเป็นกรดเกลือหรือกรดไฮโดรคลอริก (Hydrochloric acid - HCl) อีกทีที่มีการนำไปใช้ในผลิตภัณฑ์หลายอย่าง (เช่นน้ำยาล้างห้องน้ำ)
   

สำหรับคนที่มีความรู้เรื่องเคมีอยู่บ้างอาจรู้สึกเบื่อที่เห็นว่าทำไปต้องวงเล็บชื่อสารเคมีเอาไว้ทั้ง ๆ ที่มันก็เป็นที่รู้จักกันทั่วไป เหตุผลก็เพราะบทความนี้เขียนเผื่อคนที่ไม่ได้มีพื้นฐานเรื่องเคมีเข้ามาอ่านด้วย เพื่อที่พวกเขาจะได้ทำความเข้าใจได้บ้างว่ากำลังพูดถึงเรื่องอะไรอยู่
   

เนื้อหาการเลือกวัสดุสำหรับคลอรีน ไฮโดรเจนคลอไรด์ และกรดไฮโดรคลอริก ที่นำมาเขียนบทความนี้นำมาจากเอกสารคู่มือการเลือกใช้โลหะผสมที่จัดทำโดย Nickel Institute ที่แสดงในรูปที่ ๑ รูปที่ ๒ และ ๓ เป็นตารางชื่อโลหะผสม (อิงตาม Unified Numbering System - UNS ซึ่งจะแตกต่างไปจากชื่อการค้าที่เรียกกันในท้องตลาดอยู่) และอัตราส่วนผสม อัตราการกัดกร่อนของโลหะนั้นจะใช้หน่วยเป็น mm/yr (มิลลิเมตรต่อปี) หรือ in./yr (นิ้วต่อปี) หรือ mil/yr (หน่วย mil ในที่นี้คือ 1/1000 นิ้ว)
   

รูปที่ ๖ กราฟแนะนำการเลือกชนิดโลหะสำหรับใช้กับสารละลายกรดไฮโดรคลอริก

Carbon steel ทนต่อคลอรีนที่แห้งได้ดี (รูปที่ ๔) แต่ทั้งนี้ต้องอยู่ในรูปแบบที่เหมาะสมและอุณหภูมิจะต้องไม่สูงเกินไป ไม่เช่นนั้นจะเกิดการลุกไหม้ได้ (พวกที่เป็นฝอยจะลุกไหม้ได้ง่าย) ด้วยเหตุนี้คลอรีนเหลวที่แห้งจึงสามารถเก็บในถังเหล็กกล้าที่อุณหภูมิห้องได้
    

ความทนทานต่อการกัดกร่อนยังขึ้นอยู่กับความเค้นที่มีอยู่ในเนื้อโลหะด้วย โลหะบางตัวนั้นทนต่อการกัดกร่อนถ้าหากอยู่ในสภาพที่ไม่มีความเค้น (stress) เช่นในสภาพที่แช่อยู่ หรือไม่ได้มีความเค้นสูง ผลของความเค้นที่ทำให้โลหะถูกกัดกร่อนได้ง่ายขึ้นนั้นเรียกว่า stress corrossion cracking อุปกรณ์บางชนิดจะมีบางชิ้นส่วนที่มีความเค้นมากกว่าชิ้นส่วนอื่นในขณะใช้งาน จึงจำเป็นต้องใช้โลหะที่แตกต่างออกไป เช่นในกรณีของ globe valve ตัว disk ที่ใช้ในการปิดช่องทางการไหลด้วยการกดอัดปิดรูที่ตัว seat ตัว stem ที่ใช้ในการเคลื่อนตัว disk ขึ้นลงและทำหน้าที่กดอัดตัว disk ให้ปิดแน่น รวมทั้งตัวสลักเกลียวที่ใช้ยึดส่วน Bonnet และ Body ของวาล์วเข้าด้วยกัน (ซึ่งต้องมีการขันตึงในระดับหนึ่ง และอาจสัมผัสกับ fluid ภายในที่ซึมออกมา) จะมีความเค้นในตัวที่สูงกว่าส่วนอื่น ๆ แม้ว่าจะทำงานที่ความดันเดียวกัน
     

รูปที่ ๕ เป็นกรณีของแก๊ส HCl ที่แห้ง พึงสังเกตว่าเมื่อเทียบกับรูปที่ ๔ แล้ว Carbon steel และ 18-8 Stainless steel ทนต่อ HCl ที่แห้งได้ดีกว่า Cl₂ ที่แห้ง (พิจารณาจากอุณหภูมิใช้งานที่ใช้ได้ที่อุณหภูมิสูงขึ้น) ในขณะที่ Alloy 400 (UNS no. N04400 ในรูปที่ ๒) ทนต่อ Cl₂ ที่แห้งได้ดีกว่า HCl ที่แห้ง
     

หลายคน (รวมทั้งผมด้วย) คงไม่คุ้นกับชื่อ Alloy 400 แต่จะคุ้นกับชือ Monel เสียมากกว่า Monel เป็นชื่อทางการค้าของโลหะผสม Ni-Cu ที่มีสัดส่วนของ Ni อยู่ประมาณ 60% ขึ้นไป ซึ่งถ้าเทียบกับชื่อระบบ UNS แล้วก็จะตรงกับพวก Alloy 400
    

Inconel ก็เป็นชื่อของโลหะผสมของ Ni-Cr-Fe (โดยอาจมี Mo ร่ว
    

สารละลายกรด HCl เป็นตัวที่มีปัญหาในการกัดกร่อนมากกว่าทั้งคลอรีนและแก๊ส HCl ที่แห้ง เรียกว่าไม่สามารถใช้ได้ทั้ง carbon steel และ stainless steel เบอร์ 304 และ 316 (ที่เป็นที่ใช้งานกันทั่วไป) อันที่จริงในกรณีที่ไม่ได้ทำงานที่อุณหภูมิสูง ก็อาจใช้พวกท่อพลาสติกหรือท่อเหล็กที่บุผิวในไว้ด้วยพลาสติกที่เหมาะสมที่ไม่ทำปฏิกิริยากับสารละลาย HCl ก็ได้ โดยไม่จำเป็นต้องเลือกใช้โลหะที่ทนการกัดกร่อนได้ (ที่มักจะมีราคาสูงตามไปด้วย) เช่นท่อ PVC สามารถใช้กับสารละลาย HCl เข้มข้นได้ถึง 30 wt% ที่อุณหภูมิไม่เกิน 60ºC แต่ทั้งนี้การต่อท่อต้องไม่ใช่ต่อด้วยกาวนะ คงต้องใช้การเชื่อม

   

รูปที่ ๗ กราฟแสดงช่วงใช้งานของโลหะกับสารละลายกรด HCl ที่ความเข้มข้นและอุณหภูมิต่าง ๆ (ดูรูปที่ ๘ ประกอบ) 
    

รูปที่ ๘ รายชื่อโลหะที่ใช้งานได้สำหรับแต่ละ Zone ในรูปที่ ๗

ตัววาล์วก็เช่นกัน ในกรณีที่ไม่ได้รับความดันและอุณหภูมิสูง (และไม่คาดคิดว่าจะมีปัญหาไฟไหม้ลุกครอกตัววาล์ว) ก็อาจเลือกใช้พวก diaphragm valve ในการควบคุมการปิดเปิดก็ได้ โดยไม่จำเป็นต้องหันไปใช้วาล์วที่ทำจากโลหะที่ทนการกัดกร่อนสูง

ฉบับนี้คงพอเพียงแค่นี้ก่อน ตอนต่อไปจะเป็นกรณีของฟลูออรีนและไฮโดรเจนฟลูออไรด์บ้าง