อุบัติเหตุจาก saturator MO Memoir : Friday 14 October 2554

Saturator เป็นอุปกรณ์หนึ่งที่เราใช้ในการผสมไอสารที่ปรกติเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องเข้ากับแก๊สพาหะ ในการใช้งานนั้นเราจะทำการผ่านแก๊สพาหะลงไปใต้ผิวของเหลวที่ต้องการระเหย การปรับปริมาณ (ความเข้มข้น) ของสารในแก๊สพาหะทำโดยการปรับอุณหภูมิการระเหย ถ้าต้องการความเข้มข้นสูงก็จะใช้อุณหภูมิสูง ถ้าต้องการความเข้มข้นต่ำก็จะใช้อุณหภูมิต่ำ

ในกลุ่มของเรานั้นมี saturator ใช้อยู่สองชนิด ชนิดแรกที่เราใช้กันมากที่สุดคือที่เป็นโลหะที่เราออกแบบทำขึ้นเอง (รูปที่ ๑) ตัวนี้ที่ผ่านมาไม่มีปัญหาใด ๆ ยกเว้นเกิดการรั่วเนื่องจากประเก็นฉีกขาด ซึ่งเราก็ได้แก้ไขด้วยการออกแบบไปแล้ว อีกตัวหนึ่งที่เรามีใช้แต่ไม่ค่อยใช้กัน แต่กลุ่มอื่นใช้กันมากกว่าคือที่ทำจากแก้ว (รูปที่ ๒)

รูปที่ ๑ Saturator แบบโลหะที่กลุ่มเราทำขึ้นใช้เอง ฝาปิดใช้นอตยึดโดยมี o-ring กันการรั่วซึม เดิมใช้ในการระเหย phthalic anhydride และ maleic anhydride แต่ตอนนี้ถูกนำไปใช้ในการระเหยน้ำของระบบ DeNOx

รูปที่ ๒ Saturator แบบแก้วที่สองชิ้นส่วนประกบเข้าด้วยกันด้วยข้อต่อที่เรียกว่า ground joint ตัวนี้ทั้งส่วนท่อนำแก๊สเข้าออกและส่วนลำตัวบรรจุของเหลวไม่มีเงี่ยงสำหรับให้สปริงเกี่ยวยึด

Saturator ที่ทำจากแก้วนั้นมีชิ้นส่วนอยู่ ๒ ชิ้น ชิ้นล่างเป็นส่วนลำตัวที่เป็นที่บรรจุของเหลว ชิ้นบนเป็นฝาปิดที่มีท่อให้แก๊สไหลเข้า (ปลายท่อนี้จุ่มอยู่ใต้ผิวของเหลว) และท่อให้แก๊สไหลออก (ที่ช่องทางออกควรอยู่สูงกว่าผิวเหลว มากพอ เพื่อป้องกันไม่ให้หยดของเหลวที่ลอยขึ้นมาพร้อมกับฟองแก๊ส (ที่เรียกว่าเกิดการ carry over) ไหลออกไปกับแก๊สที่ไหลออกจาก saturator

ชิ้นส่วนทั้งสองชิ้นประกบเข้าด้วยกันด้วยข้อต่อเครื่องแก้วทั่วไป (ที่เรียกว่า ground joint) บริเวณผิวสัมผัสของ ground joint มักจะมีการทาจารบี (หรือ grease ซึ่งต้องเลือกชนิดที่ไม่ทำให้สารที่อยู่ใน saturator เกิดการปนเปื้อนได้ ปรกติที่ใช้กันในแลปเป็นพวก silicone grease) เพื่อให้สามารถทำการสวม-ถอดได้ง่าย และยังเป็นการปิดการรั่วซึมตามพื้นผิวที่ไม่เรียบของเครื่องแก้วด้วย นอกจากนี้ส่วนลำตัวและส่วนฝาปิดอาจมีเงี่ยงอยู่ (รูปที่ ๓) เงี่ยงดังกล่าวมีไว้สำหรับเกี่ยวสปริงยึดเพื่อดึงให้ส่วนลำตัวและส่วนฝาปิดยึดปิดสนิทเข้าด้วยกัน แรงดึงยึดดังกล่าวก็ขึ้นอยู่กับความตึงของสปริงที่ใช้ บางรายก็กลัวว่าสปริงจะคลายตัวทำให้เกิดการรั่วไหลได้ ก็เลยเอาลวดทองแดงพันยึดไว้แทน

รูปที่ ๓ เงี่ยงที่ใช้สำหรับเกี่ยวสปริงเพื่อยึดชิ้นส่วนสองชิ้นเข้าด้วยกัน (ตรงลูกศรสีแดงชี้) รูปนี้ถ่ายมาจาก saturator ของระบบ in situ IR

ตรงนี้ต้องขอกล่าวไว้นิดนึงว่า ปรกติในการใช้งานนั้นเรามักจะสมมุติว่าความดันไอเหนือผิวของเหลวจะเป็นความดันไอสมดุล ณ อุณหภูมิที่ทำการระเหยนั้น ในกรณีที่อัตราการไหลของแก๊สพาหะไม่สูง ความดันไอของของเหลวที่อยู่ในแก๊สที่ไหลออกจาก saturator จะไม่ขึ้นอยู่กับอัตราการไหลของแก๊สพาหะ แต่ถ้าอัตราการไหลของแก๊สพาหะสูงมากเมื่อเทียบกับขนาดของ saturator ความดันไอของของเหลวในแก๊สพาหะก็จะต่ำกว่าความดันไอสมดุล ณ อุณหภูมินั้น ยิ่งแก๊สพาหะไหลเร็วเท่าไร ความแตกต่างระหว่างความดันไอสมดุลกับค่าความดันไอที่ได้จริงก็จะมากขึ้นเรื่อย ๆ

ดังนั้นในกรณีที่คิดว่าจะเกิดปัญหาในย่อหน้าข้างต้น ก็มีการออกแบบโดยการใช้ saturator 2 ตัวต่ออนุกรมกัน (ดูรูปที่ ๔) โดย saturator ตัวแรกจะระเหยสารที่อุณหภูมิที่เท่ากับหรือสูงกว่าอุณหภูมิความดันไอของสารที่ต้องการ และ saturator ตัวที่สองจะระเหยสารที่อุณหภูมิที่เท่ากับอุณหภูมิความดันไอของสารที่ต้องการ ซึ่งการออกแบบเช่นนี้จะช่วยลดความแตกต่างระหว่างค่าความดันไอที่ต้องการและค่าความดันไอ ณ อุณหภูมิที่ทำการระเหย ในกรณีที่ saturator ตัวแรกระเหยสารที่อุณหภูมิที่สูงกว่าอุณหภูมิค่าความดันไอสมดุลที่ต้องการ ความดันไอของสารในแก๊สพาหะที่ออกจาก saturator ตัวแรกอาจจะสูงกว่า/เท่ากับหรือต่ำกว่าค่าความดันไอที่ต้องการ แต่เมื่อแก๊สดังกล่าวไหลเข้า saturator ตัวที่สองที่ทำการระเหยสาร ณ อุณหภูมิที่ให้ความดันไอที่ต้องการ สิ่งที่เกิดขึ้นคือ

(ก) ถ้าแก๊สที่มาจาก saturator ตัวแรกนั้นมีความดันไอสูงกว่าความดันไอที่อุณหภูมิการทำงานของ saturator ตัวที่สอง ไอส่วนเกินก็จะควบแน่นใน saturator ตัวที่สอง ทำให้แก๊สที่ออกจาก saturator ตัวที่สองมีค่าความดันไอที่ลดลงเข้าหาความดันไอสมดุล ณ อุณหภูมิการระเหยของ saturator ตัวที่สอง

(ข) ถ้าแก๊สที่มาจาก saturator ตัวแรกนั้นมีความดันไอเท่ากับความดันไอที่อุณหภูมิการทำงานของ saturator ตัวที่สอง แก๊สที่ออกจาก saturator ตัวที่สองก็จะไม่มีการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นใด ๆ และ

(ค) ถ้าแก๊สที่มาจาก saturator ตัวแรกนั้นมีความดันไอต่ำกว่าความดันไอที่อุณหภูมิการทำงานของ saturator ตัวที่สอง แก๊สที่ออกจาก saturator ตัวที่สองก็จะมีความดันไอเพิ่มสูงขึ้นเข้าหาความดันไอสมดุล ณ อุณหภูมิการทำงานของ saturator ตัวที่สอง

รูปที่ ๔ (ซ้าย) ระบบ saturator เดี่ยว (ขวา) ระบบ saturator คู่ โดยที่ตัว saturator อาจทำการระเหยของเหลวที่บรรจุอยู่ภายในที่อุณหภูมิสูงกว่าหรืออุณหภูมิเดียวกันกับตัวที่สอง

โดยปรกติถ้าจะให้ saturator ทำงานได้ดี ระดับของเหลวที่ใช้เป็นตัวกลางนำความร้อน (ที่ใช้เป็นประจำคือน้ำหรือน้ำมัน) ควรที่จะอยู่สูงกว่าระดับของเหลวใน saturator เพื่อให้อุณหภูมิในส่วนที่เป็นแก๊สเหนือผิวของเหลวใน saturator มีอุณหภูมิเดียวกันกับของเหลวด้วย เพราะด้านบนมักจะมีการสูญเสียความร้อนออกสู่อากาศด้านนอก ดังนั้นถ้าเราไม่ให้แก๊สด้านบนร้อนด้วย ไอระเหยจะควบแน่นตกกลับลงมาใหม่ ทำให้ความเข้มข้นของสารในแก๊สขาออกต่ำกว่าที่ต้องการจริง

เมื่อราวเที่ยงวันจันทร์ที่ผ่านมามีนิสิตรายหนึ่งจากกลุ่มหนึ่ง (ที่ไม่ใช่กลุ่มเรา) โทรมาปรึกษาเรื่อง saturator ที่ใช้ในการทดลองนั้นแตกระหว่างการใช้งานเมื่อวันเสาร์ที่ผ่านมา

ระบบ saturator ที่เขาใช้นั้นเป็นระบบ saturator สองตัวต่ออนุกรมกัน ตัวที่แตกเป็น saturator ตัวแรก แต่อุปกรณ์ที่เขาใช้ทำ saturator นั้นดัดแปลงมาจากฟลาสก์สามคอ (รูปที่ ๕) โดยคอหนึ่งเป็นท่อสำหรับให้แก๊สไหลเข้า อีกสองคอที่เหลือเป็นท่อสำหรับให้แก๊สไหลออกและวาล์วปิด-เปิดระบายแก๊สในฟลาสก์ออก

รูปที่ ๕ ฟลาสก์สามคอชนิดที่นำมาใช้ทำเป็น saturator แล้วเกิดการ "แตก"

สิ่งแรกที่ผมถามเขาเพื่อต้องการความชัดเจนคือ ที่เขาบอกว่า “แตก” นั้น มันเป็น (ก) การแตกหัก หรือการที่ (ข) ส่วนลำตัวและส่วนฝาปิดแยกตัวออกจากกันระหว่างการใช้งาน

ถ้าเป็นกรณี (ข) ก็ต้องกลับไปดูว่าทำไมถึงไม่มีการยึด หรือว่ามีการยึดแล้วแต่ความดันในระบบนั้นสูงเกินกว่าที่แรงยึดจะต้านเอาไว้ได้ แต่ที่ได้รับแจ้งกลับมาคือเป็นกรณี (ก) 

 

ในกรณี (ก) นี้มีประเด็นที่ต้องพิจารณาคือ

๑. การแตกนั้นเกิดที่ความดันใช้งานปรกติ หรือ

๒. การแตกนั้นเกิดที่ความดัน “สูงกว่า” ความดันใช้งานปรกติ

ในกรณีของการแตกที่เกิดขึ้นที่ความดันใช้งานปรกตินั้น ก็ต้องไปดูว่าก่อนการใช้งาน หรือระหว่างการใช้งาน มีอะไรไปกระแทกให้ตัว saturator เกิดรอยร้าวหรือเปล่า แล้วรอยร้าวนั้นขยายตัวจนทำให้ตัวเรือน saturator รับความดันไม่ไหวจึงแตกออก

แต่ถ้าเป็นกรณีที่ความดันใน saturator สูงกว่าความดันใช้งานปรกติ ก็ต้องกลับมาพิจารณาดูสาเหตุที่ทำให้ความดันใน saturator สูงผิดปรกติ ซึ่งอาจเกิดจาก

(ก) ระบบจ่ายความดันให้กับ saturator จ่ายความดันตามปรกติ แต่ทางด้านขาออกเกิดการอุดตัน/ไหลไม่สะดวก ทำให้เกิดความดันสะสมใน saturator และ/หรือ

(ข) ระบบจ่ายความดันให้กับ saturator จ่ายความดันสูงกว่าปรกติ และด้านขาออกระบายความดันดังกล่าวไม่ทัน ทำให้เกิดความดันสะสมใน saturator

การที่ความดันด้านขาออกสูงกว่าปรกติก็ต้องไปดูสาเหตุต่าง ๆ ที่คิดว่าทำให้เกิดได้ เช่นอาจเกิดจาก การไม่ได้เปิดวาล์วด้านขาออก การที่วาล์วขาออกเปิดไม่เต็มที่ การอุดตันในท่อขาออก การที่ความดันของระบบด้านขาออกเพิ่มขึ้นสูงผิดปรกติ เป็นต้น

จากการพูดคุยกับผู้ทำการทดลอง ทำให้ทราบว่าความดันแก๊สที่จ่ายให้กับระบบนั้นน่าจะเป็นความดันปรกติ (ประมาณ 1 barg) และระบบก็ไม่ได้มีการอุดตัน ดังนั้นถ้าความดันในระบบเพิ่มสูงขึ้นผิดปรกติก็ไม่น่าจะมีสาเหตุมาจากแหล่งจ่ายแก๊ส โชคดีที่ว่าส่วนใหญ่ของตัว saturator ตรงที่แตกนั้นอยู่ในน้ำที่ใช้เป็นตัวกลางให้ความร้อน ทำให้ไม่มีเศษแก้วกระเด็นไปไกล

ผมสอบถามเขาว่าตัว saturator ที่นำมาใช้มีรอยร้าวอยู่ก่อนหรือเปล่า ซึ่งเขาบอกว่าไม่มี จึงต้องมาพิจารณาประเด็นถัดไปว่าทำไมความดันใน saturator จึงเพิ่มสูงขึ้นได้

saturator ที่เขาใช้นั้นทำการระเหยเอทานอลที่อุณหภูมิประมาณ 70ºC แก๊สพาหะที่เขาใช้ผ่านลงไปในเอทานอลที่เป็นของเหลวที่บรรจุอยู่ใน saturator นั้นเป็นแก๊สผสมระหว่าง อาร์กอนกับออกซิเจน โดยความเข้มข้นของออกซิเจนในแก๊สผสมที่เขาต้องการนั้นคือ "50%"

explosive limit ของเอทานอลในอากาศ (ออกซิเจนเข้มข้น 21%) คือ 3.3-19% autoignition temperature มีค่าประมาณ 363ºC แต่ถ้าความเข้มข้นของออกซิเจนในแก๊สนั้นสูงเกินกว่า 21% การระเบิดจะเกิดได้ง่ายกว่าในอากาศมาก

แต่ที่แย่ก็คือฐานข้อมูลความง่ายในการระเบิดของสารเมื่อความเข้มข้นออกซิเจนสูงเกินกว่า 21% มักจะไม่มี

ดังนั้นถ้าพิจารณาจากส่วนผสมของแก๊สใน saturator แล้ว โอกาสที่จะเกิดระเบิดใน saturator ที่เขาใช้จึงสูงมากขึ้น (แก๊สผสมที่มีออกซิเจน 50% กับเอทานอลที่เป็นทั้งของเหลวและไอ) แต่ก็ยังมีคำถามบางคำถามที่ยังค้างอยู่โดยที่ผมไม่มีคำตอบ คำถามแรกก็คือที่อุณหภูมิการระเหยเอทานอลที่เขาใช้นั้นมันเพียงพอที่จะทำให้สารระเบิดเองได้หรือเปล่า หรือมีปัจจัยอื่นร่วมด้วย

คำถามที่สองก็คือถ้าสาเหตุที่ทำให้ฟลาสก์แตกออกคือการที่ความดันภายในฟลาสก์สูงมากเกินไป แต่ทำไมตัว saturator ถึงระเบิดออก แทนที่จะเกิดการแยกตัวตรง ground joint ระหว่างส่วนลำตัวกับฝาปิด ทั้ง ๆ ที่บริเวณนี้ควรจะเป็นจุดอ่อนที่สุดถ้าหากความดันในระบบสูงมากเกินไป ground joint ชนิดที่เขาใช้เป็นชนิดที่ไม่มีเงี่ยงสำหรับให้สปริงเกี่ยวยึด สิ่งที่เขาทำหลังการประกอบ ground joint เข้าด้วยกันเอาเทฟลอนพันท่อพันปิดตรงรอยต่อเอาไว้เพื่อป้องกันการรั่วไหล ซึ่งถ้าทำเช่นนี้ก็น่าไม่น่าจะทำให้การยึดกันของข้อต่อแน่นหนามากจนแรงดันแก๊สไม่สามารถดันให้หลุดออกจากกันได้ เว้นแต่ ground joint จะยึดติดแน่นกันด้วยสาเหตุอื่น ซึ่งการที่ ground joint ยึดติดแน่นนั้นอาจเกิดจากอุณหภูมิการใช้งานที่สูงจนทำให้จารบีหล่อลื่นแห้ง หรือการที่ไม่ได้ทาจารบีหล่อลื่น หรือตัวสารเคมีที่ใส่ลงไปในฟลาสก์นั้นทำให้ข้อต่อยึดติดกัน หรือเกิดจากการที่ใช้สปริงหรือวัตถุอื่นยึดตรึงส่วนลำตัวและส่วนฝาปิดเอาไว้แน่นหนาเกินไป 

 

อีกตำแหน่งที่เป็นจุดอ่อนคือข้อต่อท่อแก๊สไหลเข้าและไหลออก โดยปรกติถ้าเป็น saturator ที่ทำจากแก้วเรามักจะใช้ท่อพลาสติกเป็นตัวเชื่อมต่อระหว่างตัว saturator กับระบบท่อหลักของอุปกรณ์ (ซึ่งมักเป็นท่อโลหะ) ในกรณีของเขานั้นเขาใช้เพียงสายยางซิลิโคนสวมเอาไว้เท่านั้น โดยไม่มีการใช้อะไรมารัดสายยางให้ยึดแน่น ตรงจุดต่อท่อสายยางนี้ก็เป็นจุดอ่อนอีกจุดหนึ่งที่น่าจะเกิดการหลุดออกก่อนที่ตัว saturator จะแตก

คำตอบที่คิดว่าอาจเป็นไปได้สำหรับคำถามที่สองก็คือ การเพิ่มความดันนั้นเป็นการเพิ่มแบบกระทันหัน (จากการระเบิด) ไม่ใช่แบบค่อย ๆ เพิ่มสูงมากขึ้น ต้องนี้ต้องขอเตือนความจำเอาไว้หน่อยนะว่า ที่ความหนาของภาชนะเท่ากัน ยิ่งภาชนะมีขนาดใหญ่มากเท่าใดก็จะรับความดันได้ลดลง ท่อขนาดเล็กที่เราใช้ในแลปมีผนังบางกว่าท่อใหญ่ แต่ท่อขนาดเล็กรับความดันได้สูงกว่าท่อใหญ่นะ

แม้ว่าจะยังไม่ทราบสาเหตุที่แน่นอน แต่ผมก็ได้แนะนำให้ผู้ทำการทดลองทำการเปลี่ยนแปลงวิธีการทดลองบางส่วน คือหลีกเลี่ยงการใช้แก๊สที่สามารถทำปฏิกิริยากับของเหลวที่บรรจุใน saturator มาเป็นแก๊สพาหะ ในกรณีของเขาควรใช้แต่เพียงอาร์กอนระเหยเอทานอล จากนั้นจึงค่อยผสมออกซิเจนเข้าไปทีหลัง ซึ่งตอนที่ผสมออกซิเจนเข้ากับแก๊สผสม (อาร์กอน + เอทานอล) นั้นปริมาณเอทานอลจะต่ำกว่าปริมาณที่อยู่ใน saturator มาก

ตอนแรกเขาก็บอกว่าที่ผ่านมาก็ทำมาอย่างนี้ (ทำนองว่าก็ไม่เห็นมันเป็นอะไร) ผมก็อธิบายเขาไปว่าการเกิดอุบัติเหตุนั้นเป็นเรื่องปรกติที่มันรอจังหวะและโอกาสว่าทุกอย่างประจวบเหมาะเมื่อไรก็จะเกิด และสิ่งที่เขาปฏิบัตินั้นมันเหมือนกันทุกครั้งหรือไม่ 

 

มันเหมือนกับบางคนที่ขับรถแซงในที่คับขันในถนนที่ไม่ค่อยมีรถ แล้วไม่เกิดอุบัติเหตุ ทั้งนี้เพราะมันไม่มีรถสวนก็เลยรอดตัวไป หรือไม่ก็มีรถสวนแต่อีกฝ่ายหนึ่งยอมหลบให้ก็เลยไม่เป็นไร แต่ถ้ามีรถสวนเมื่อไรและเขาไม่สามารถหลบให้ได้ก็เป็นเรื่อง อุบัติเหตุที่เกิดขึ้นในแลปเราส่วนใหญ่ก็พูดกันว่าก่อนหน้านี้ก็ทำกันแบบนี้ แต่ก็ไม่เห็นเกิดเรื่องอะไร ทำไมมันเพิ่งจะมาเกิดเอาตอนนี้ หลายครั้งที่พอตรวจสอบวิธีการทำงานกันแล้วปรากฏว่ามันไม่เหมือนเดิม ล่าสุดก็คือกรณีของอุบัติเหตุจาก syringe pump ที่เขียนเล่าไปใน memoir เมื่อสัปดาห์ที่แล้ว ซึ่งจะเห็นว่าขั้นตอนการล้างทำความสะอาด line ด้านขาออกนั้นหายไปจากวิธีปฏิบัติปัจจุบัน

เช่นในกรณีนี้ในการที่จะให้ได้แก๊สผสมที่มีออกซิเจน 50% ถ้าเปิดอาร์กอนก่อน ในฟลาสก์ก็จะเต็มไปด้วยอาร์กอนกับเอทานอล (ปลอดภัยดีอยู่) แต่พอเปิดให้ออกซิเจน 100% ไหลเข้ามา ความเข้มข้นของออกซิเจนในฟลาสก์ก็จะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ (จากปลอดภัยเข้าสู่ระดับอันตราย) แต่ถ้าเปิดให้ออกซิเจนเข้ามาก่อน ในฟลาสก์จะเต็มไปด้วยแก๊สออกซิเจน 100% ร่วมกับไอระเหยของเอทานอล (ระดับอันตรายมาก) ซึ่งความอันตรายนี้จะค่อย ๆ ลดลง (แต่ยังอยู่ในระดับอันตรายอยู่ดี) เมื่อมีอาร์กอนเข้ามาเจือจาง แต่ที่ผ่านมามีการระบุไว้ในวิธีการทดลองหรือไม่ว่า "ต้อง" ทำอย่างไรก่อนหน้าหลัง และห้าม "สลับ" ขั้นตอนการทำงาน

อีกจุดหนึ่งของระบบดังกล่าวที่ผมคิดว่าควรต้องมีการดัดแปลง คือระบบ tubing ของเขานั้นมีการต่อท่อออกซิเจน 100% ร่วมกับท่อไฮโดรเจน (อันที่จริงผมก็ไม่ทราบนะว่าเป็นไปได้หรือไม่ที่การระเบิดจะเกิดจากการที่มีไฮโดรเจนบางส่วนรั่วเข้าไปใน saturator) ในโรงงานที่เคยเดินท่อมานั้น ในเครื่องปฏิกรณ์ที่เขาต้องใช้ทั้งไฮโดรเจนในการรีดิวซ์ตัวเร่งปฏิกิริยาและอากาศในการออกซิไดซ์ทำลายต้วเร่งปฏิกิริยา เวลาจะเอาแก๊สตัวไหนเข้าเครื่องปฏิกรณ์เขาจะใช้วิธีต่อท่อแก๊สตัวนั้นเข้า และปลดท่อแก๊สที่ไม่ต้องใช้ออก ทั้งนี้เพื่อไม่ให้ท่ออากาศและท่อไฮโดรเจนมีการเชื่อมต่อกันทางกายภาพ เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการไหลย้อนกลับในระบบท่อได้ (อย่าไว้วางใช้ check valve ว่ามันทำหน้าที่ป้องกันการไหลย้อนกลับได้ 100% มันทำหน้าที่เพียงแค่ป้องกันไม่ให้เกิดการไหลย้อนกลับ "ในปริมาณมาก" มันไม่ได้รับประกันว่าจะไม่มีการไหลย้อนกลับ "แบบรั่วซึม" เอาไว้จะเขียนเรื่องนี้แยกเป็นเรื่องหนึ่งอีกที)

บันทึกฉบับนี้ไม่ได้สรุปว่าอุบัติเหตุที่เกิดขึ้นเมื่อวันเสาร์ที่ผ่านมานั้นเกิดจากอะไร เพียงแต่ต้องการให้ตัวอย่างแนวทางในการพิจารณาว่าเมื่อเกิดอุบัติเหตุแล้วเราควรมองภาพให้กว้างที่สุดเท่าที่จะได้ อย่างเพิ่งด่วนสรุป เพราะบางครั้งการเกิดนั้นเกิดจากสาเหตุหลายอย่างร่วมกันในเวลาเดียวกัน (ไม่จำเป็นต้องเกิดจากสาเหตุเดียว) และสาเหตุต่าง ๆ ก็ไม่ได้มีจำกัดเพียงแค่ที่ผมเขียน (ผมเขียนในเวลาจำกัดด้วยข้อมูลที่จำกัด) พวกที่คุณที่อ่านอาจมองเห็นความเป็นไปได้อื่นนอกเหนือจากที่ผมเขียนก็ได้ และถ้าหากมีข้อมูลพิจารณาเพิ่มเติมก็อาจทำให้ได้ข้อสรุปที่แตกต่างไปจากนี้ก็ได้ ดังนั้นเวลานำไปปรับใช้กับเหตุการณ์อื่นก็ต้องพิจารณาด้วยว่าสาเหตุไหนที่ไม่น่าจะมีความเป็นไปได้หรือเป็นไปได้เพิ่มเติมด้วย

สาเหตุสุดท้ายที่ผมคุยกับเขาเมื่อวานตอนเย็นก็คือ ถ้าหากเหตุผลทางวิทยาศาสตร์มันไม่สามารถอธิบายได้ ก็คงต้องใช้เหตุผลเหนือวิทยาศาสร์ (ก็คือทางไสยศาสตร์นั่นแหละ) เช่นมีมือที่มองไม่เห็น (ด้วยตาเปล่า) มาทำให้มันแตกหรือเปล่า ดังนั้นจึงควรไปตรวจสอบภาพจากกล้องวงจรปิดดูด้วยว่าในขณะที่เกิดเหตุนั้นแน่ใจหรือเปล่าว่ามีเพียงแต่เขาอยู่ในห้องแลป แม้ว่าเขาจะมั่นใจว่ามีเขาเพียง "คน" เดียวอยู่ในห้องแลป ซึ่งผมก็ไม่เถียงเพราะเขาเป็น "คน" แต่ไม่ได้หมายความว่าในห้องแลปจะมีแต่ "คน" เพราะเรามักเห็นหรือได้ข่าวเป็นประจำเกี่ยวกับบุคคลที่ไม่มีใครมองเห็นแต่ชอบปรากฏตัวในภาพถ่าย จะเรียกว่าพวกเขาเหล่านี้ว่าเป็นพวกบ้ากล้องได้หรือเปล่าเนี่ย ทั้ง ๆ ที่ไม่มีใครเชื่อว่าเขานั้นเป็น "คน"

เผาในเตาแบบไหนดี (Calcination) MO Memoir : Thursday 13 October 2554

คงต้องอำลา font เด็กหญิงมะลิ ป. ๖ แม้ว่าตัวอักษรมันจะดูน่ารักดี เพราะการแสดงผลบนจอไม่ชัดเจนเลย เห็นเป็นเพียงเส้นสีเทาจาง ๆ คราวนี้เลยต้องขอลองเปลี่ยนมาเล่นตัวใหม่ที่เป็นตัวที่แก้ไขมาจาก font มาตรฐานของราชการ ( TH Sarabun PSK) คือ TH Sarabun New

เช้านี้สาวน้อยจากเมืองริมทะเลตะวันออกมาถามผมเรื่องจะเอาสารไปเผาในเตาเผา ว่าควรใช้เตาตัวไหนดี ระหว่างtube furnace (ที่แลปเราใช้เป็นเตา calcineที่วางสารในท่อแก้วที่สอดไว้ในเตาในแนวนอน แล้วให้แก๊สไหลผ่านท่อแก้วนั้น) กับ box furnace (ตัวรูปทรงสี่เหลี่ยมมีประตูเปิด-ปิดอยู่ด้านหน้า ไม่มีการไหลหมุนเวียนอากาศภายในเตา) ซึ่งผมก็ได้อธิบายให้ฟังไปแล้ว ก็เลยถือโอกาสบันทึกแจกจ่ายให้ใหม่กับทุกคนก็แล้วกัน

สิ่งที่ผมถามเขาก่อนก็คือ ในการเผานั้นต้องการให้แก๊สเข้าไปทำปฏิกิริยากับสารที่นำไปเผาหรือไม่ หรือเป็นเพียงแค่การเผาให้สารนั้นสลายตัวเอง 

 

ถ้าเป็นการเผาให้สารนั้นสลายตัวเอง (เช่นการเผาเพื่อไล่น้ำ หรือเปลี่ยนจากโครงสร้างไฮดรอกไซด์ไปเป็นโครงสร้างออกไซด์) จะเผาในเตาแบบไหนก็มักจะพบว่าให้ผลเหมือนกัน (ถ้าคุมอุณหภูมิให้เหมือนกันได้นะ)

แต่ถ้าเป็นการเผาโดยต้องการใช้แก๊สเข้าไปทำปฏิกิริยาด้วย เช่นการเผาเพื่อกำจัดสารอินทรีย์ที่เรามักทำเป็นประจำในการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยา (ตัวอย่างสารอินทรีย์เหล่านี้ได้แก่ template ที่ใช้ในการเตรียมซีโอไลต์ หรือโครงสร้างส่วนที่เป็นสารอินทรีย์เช่น iso-proproxide ที่พวกที่ทำ sol-gel ใช้กัน ไอออนลบที่เป็นสารอินทรีย์เช่น H₃CCOO^- ที่อยู่ในเกลือโลหะบางชนิด ที่เราต้องการให้ออกซิเจนในอากาศเผาสารพวกนี้ให้กลายเป็น CO₂ และไอน้ำ) ความยากง่ายของแก๊สที่จะเข้าไปถึงทุกอนุภาคของสารที่ต้องการเผาจะส่งผลต่อความสมบูรณ์ของการเผา

เพื่อให้เห็นภาพจะขอยกตัวอย่างกรณีของการเผาโมเลกุลส่วนที่เป็นสารอินทรีย์ด้วยอากาศที่กลุ่มเรามักจะทำอยู่เป็นประจำ ลองดูรูปที่ ๑ ข้างล่างประกอบไปด้วยนะ

รูปที่ ๑ รูปแบบการเผาตัวเร่งปฏิกิริยาใน tube furnace

การเผาตัวเร่งปฏิกิริยาใน tube furnace นั้นอาจเป็นการเผาใน tube furnace ที่วางในแนวดิ่งหรือที่วางในแนวนอน

การเผาใน tube furnace ที่วางในแนวดิ่ง (รูปที่ ๑ (ก)) ทางกลุ่มเราไม่ค่อยทำกันเท่าไรนัก มีบ้างในกรณีที่ต้องการทำการเผาและนำตัวเร่งปฏิกิริยาไปใช้เลย ซึ่งก็เป็นการเผาใน fixed-bed reactor นั่นเอง การเผาแบบนี้เป็นแบบที่ดีที่สุดเพราะอากาศจะเข้าไปถึงทุกอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาที่บรรจุอยู่ในเบด ทำให้เผาไหม้ได้สมบูรณ์ถ้าใช้อุณหภูมิที่สูงพอและให้เวลานานพอ

การเผาใน tube furnace ที่วางในแนวนอนเป็นวิธีการที่กลุ่มเราและกลุ่มอื่นใช้กันมากกว่า (เตาเผาตัวนี้คือตัวที่พวกคุณเรียกว่าเตา calcine) ตัวเตาประกอบด้วยท่อควอทซ (quartz) ที่สอดอยู่ใน tube furnace ที่วางนอนอยู่ เวลาที่จะเผาสารจะนำเอาสารที่จะเผาใส่ในถ้วยกระเบื้อง (ที่อาจเป็น boat หรือ crucible) แล้วนำไปวาง ณ ตำแหน่งอุณหภูมิคงที่ของเตา จากนั้นจึงเปิดให้อากาศไหลผ่านและเริ่มทำการเผา

การเผาใน tube furnace ที่วางในแนวนอนนี้จะเผาได้สมบูรณ์หรือไม่สมบูรณ์ขึ้นอยู่กับรูปทรงของภาชนะที่ใช้บรรจุสารที่ต้องการเผา และรูปแบบการใส่สารลงในภาชนะนั้น

จากรูปที่ ๑ (ข) และ (ค) จะเห็นว่าในกรณีของเตาที่วางในแนวนอน อากาศไม่ได้ไหลผ่านเบดของแข็งโดยตรง แต่เป็นการไหลผ่าน "ขอบบนสุด" ของภาชนะที่บรรจุสาร ซึ่งรูปร่างของภาชนะบรรจุ (ได้แก่ระยะห่างระหว่างขอบบนสุดและผิวบนสุดของสารที่บรรจุอยู่ และความกว้าง-ยาวของภาชนะนั้น) ส่งผลถึงโอกาสที่อากาศที่ไหลผ่านขอบด้านบนจะแพร่ไปยังผิวบนสุดของสารที่บรรจุอยู่ ถ้าระยะห่างระหว่างขอบบนสุดของภาชนะบรรจุและผิวบนสุดของสารที่บรรจุอยู่มีค่าไม่มาก (รูปที่ ๑ (ข)) อากาศที่อยู่บริเวณผิวบนสุดก็จะมีการไหลเวียนได้ดี CO₂ ที่เกิดจากการเผาไหม้จะถูกพัดพาออกไป อากาศใหม่จะเข้ามาแทนที่ ทำให้การเผาไหม้เกิดขึ้นได้ดี

แต่ถ้าระยะห่างระหว่างขอบบนสุดของภาชนะบรรจุและผิวบนสุดของสารที่บรรจุอยู่มีค่ามาก (รูปที่ ๑ (ค)) อากาศที่อยู่บริเวณผิวบนสุดก็จะไม่มีการไหลเวียนที่ดี CO₂ ที่เกิดจากการเผาไหม้จะสะสมอยู่เหนือผิวสารที่บรรจุอยู่ แก๊สที่อยู่เหนือผิวสารที่บรรจุอยู่นั้นจะมีความเข้มข้นออกซิเจนต่ำ (หรืออาจไม่มีเลยก็ได้) ทำให้การเผาไหม้เกิดขึ้นไม่สมบูรณ์

อีกปัญหาหนึ่งที่พบกันเป็นประจำจากการเผาในแนวนอนคือ สารที่อยู่บริเวณก้นภาชนะบรรจุเผาไหม้ไม่สมบูรณ์หรือไม่ถูกเผาไหม้ สาเหตุเป็นเพราะอากาศที่อยู่เหนือผิวไม่สามารถแพร่ลงไปถึงสารที่อยู่ด้านล่างได้เนื่องจากสารที่ใส่นั้นมีความหนามากเกินไป

การแก้ปัญหาทำได้โดยการเพิ่มพื้นที่ผิว เช่นพยายามเกลี่ยให้สารที่ใส่ลงไปนั้นกระจายออกไปให้มากที่สุด บางรายเห็นใช้วิธีขีดลงไปบนผิวหน้าของชั้นสารที่บรรจุให้เป็นรอยเส้น (พวกที่ใช้ boat) เพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวด้านบน หรือไม่ก็แบ่งสารใส่ภาชนะบรรจุหลายใบ แทนที่จะใช้เพียงใบเดียว เพื่อให้ชั้นสารในแต่ละภาชนะบรรจุไม่หนามากเกินไป

จะว่าไปแล้วปัญหาเรื่องการบรรจุสารลงภาชนะแล้วนำไปเผาผมเองก็เคยเล่าเอาไว้ใน Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๗๗ วันศุกร์ที่ ๑๓ พฤศจิกายน ๒๕๕๒ เรื่อง "น้ำหนักหายได้อย่างไร" ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเผาสารด้วยเครื่อง Thermogravimetric analysis (TGA) ซึ่งนับถึงตอนวันนี้ก็เกือบ ๒ ปีแล้ว ลองไปหาอ่านย้อนหลังกันเองก็แล้วกัน

box furnace ปรกติที่เราใช้กันนั้นไม่มีการถ่ายเทอากาศจากภายนอกเข้าไปภายใน ดังนั้นจะมีโอกาสสูงกว่าที่จะเกิดปัญหาเรื่องการเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ ผมทำการเผากระดาษกรองที่บรรจุอยู่ใน crucible ด้วย box furnace ที่ 800-850ºC เป็นประจำ สิ่งที่พบคือถ้าไม่ทำให้อากาศใหม่เข้าไปแทนที่ใน crucible และ ใน box furnace แล้วจะไม่สามารถเผาไหม้ได้สมบูรณ์ (เพราะไม่มีออกซิเจนเหลือ) วิธีการช่วยก็คือทำการเปิดประตู box furnace เป็นระยะ ซึ่งการทำเช่นนี้จะทำให้อากาศที่มีออกซิเจนเข้าไปแทนที่อากาศเดิมใน box furnace ที่ออกซิเจนถูกใช้หมดไป และยังใช้ crucible tongs คีบเอา crucible ที่วางอยู่ใน furnace ออกมาข้างนอก แล้ววางกลับเข้าไปใหม่ ซึ่งการทำเช่นนี้ช่วยทำให้อากาศใหม่ที่มีออกซิเจนเข้าไปแทนที่อากาศเดิมที่ค้างอยู่ในถ้วย crucible ที่ไม่มีออกซิเจนเหลือสำหรับการเผาไหม้แล้ว

ผมบอกสาวน้อยจากเมืองริมทะเลตะวันออกไปว่า ในกรณีของเขานั้นถ้าเป็นผม ผมเลือกที่จะเผาใน box furnace มากกว่า เพราะการเผาของเขานั้นใช้เวลาไม่นาน (แค่ 2 ชั่วโมง) อุณหภูมิก็ไม่สูง (แค่ 300-400ºC) ปริมาณออกซิเจนที่ต้องการใช้เพื่อเผาสารอินทรีย์ก็ไม่ได้ต้องการมาก (น้อยกว่ากระดาษกรองที่ผมเคยใช้เยอะ) และก็ไม่ได้มีการควบคุมอัตราการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิด้วย การทำให้สารที่อยู่ก้น crucuble ถูกเผาไหม้ได้สมบูรณ์ก็ทำได้ง่าย เพียงแต่หยิบ crucible ออกมา แล้วเอาแท่งแก้วกวนสารที่อยู่ใน crucible เพื่อคลุกเข้าสารที่อยู่ข้างล่างให้ขึ้นมาอยู่บนผิวบนบ้างก็น่าจะใช้ได้แล้ว แต่ทั้งนี้ทั้งนั้นก็แล้วแต่เขาจะตัดสินใจเอาเองว่าจะทำแบบไหน ที่สำคัญคือต้องเผาไหม้ได้สมบูรณ์

อันที่จริงเขียนเรื่องเกี่ยวกับอุบัติเหตุหนึ่งเอาไว้แล้วที่เกิดขึ้นในช่วงสุดสัปดาห์ที่ผ่านมา แต่บังเอิญต้องขอเลื่อนเรื่องดังกล่าวออกไปชั่วคราว เพื่อรวบรวมข้อมูลเพิ่มเติม และด้วยเหตุผลจำเป็นบางประการ คิดว่าฉบับต่อไปคงเป็นเรื่องนี้ (ที่ได้เกริ่นเอาไว้ในการประชุมกันช่วงบ่ายวันนี้) คอยติดตามอ่านก็แล้วกัน