ในบ้านเรา
ผู้ที่เรียนทางวิศวกรรมเคมีจำนวนไม่น้อย
(อาจจะเป็นส่วนใหญ่ด้วยซ้ำ)
และรวมทั้งอาจารย์ผู้สอนด้วย
มักชอบคิดว่าวิชาเคมีที่เรียนไปนั้นแทบไม่มีการนำไปใช้งานทางปฏิบัติ
การที่มีความคิดเช่นนี้อาจเป็นเพราะว่าไม่ได้ทำการออกแบบกระบวนการผลิตโดยเริ่มจากศูนย์
คำว่าเริ่มจากศูนย์ในที่นี้คือการออกแบบโดยเริ่มจากการที่มีเพียงแค่ปฏิกิริยาเคมี
"ที่ต้องการ"
แล้วต้องมาทำการพิจารณาต่อว่าจะให้มันทำปฏิกิริยากันอย่างไร
ปฏิกิริยาข้างเคียง
"ที่ไม่ต้องการ"
ที่มีสิทธิเกิดมีปฏิกิริยาใดบ้าง
และถ้าเกิดปฏิกิริยาข้างเคียงที่ไม่ต้องการเหล่านั้น
จะจัดการอย่างไรกับผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาข้างเคียงที่เกิดขึ้น
เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการโดยที่สามารถดำเนินการผลิตได้อย่างปลอดภัย
ซึ่งความรู้วิชาเคมีนั้นจำเป็นสำหรับการมองหาปฏิกิริยาที่ไม่ต้องการที่มีสิทธิ์เกิด
และการจัดการกับผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาที่ไม่ต้องการที่เกิดขึ้น
รูปที่ ๑
สารเคมีต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องในเหตุการณ์
เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากรายงานการสอบสวนของ
Health & Safety
Executive (HSE) ของประเทศอังกฤษชื่อเรื่อง
"Release of
chemicals from International Biosynthetics Ltd."
ซึ่งเป็นรายงานสอบสวนเหตุการณ์การรั่วไหลของสารเคมีที่เกิดเมื่อวันที่
๗ ธันวาคม ค.ศ.
๑๙๙๑ (พ.ศ.
๒๕๓๔)
เมื่อเวลาประมาณ ๑๑.๓๐
น โดยมีสารเคมีประมาณ ๓.๕
ตันรั่วไหลออกจากถังปฏิกรณ์
เกิดเป็นไอหมอกควันแพร่ลอยไปตามลมเป็นระยะทาง
๔ กิโลเมตร ส่งผลให้มีผู้ได้รับผลกระทบประมาณ
๖๐ คน
สาเหตุที่ทำให้สารเคมีรั่วไหลเป็นเพราะความดันในถังปฏิกรณ์ที่ใช้ผลิตสารเคมีนั้นเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็วจนระบบระบายความดันที่มีอยู่นั้นไม่สามารถระบายได้ทัน
ทำให้ท่อที่ต่อเข้าเครื่องควบแน่นไอเกิดความเสียหาย
สารเคมีที่บรรจุอยู่ในถังปฏิกรณ์จึงรั่วไหลออกมา
ถังปฏิกรณ์ที่เกิดเหตุนั้น
(ดูรูปที่
๒ ประกอบ)
เป็นชนิดถังปั่นกวน
(stirred tank ขนาด
6.3 m3)
สามารถให้ความร้อนด้วยน้ำร้อนผ่านทางผนัง
(ที่เรียกว่า
jacket)
หรือระบายความร้อนด้วยน้ำหล่อเย็นหรือ
brine water
(อุณหภูมิประมาณ -10ºC)
ไอระเหยของสารเคมีในถังจะลอยเข้าสู่เครื่องควบแน่นด้านบนที่วางตั้งในแนวดิ่ง
(vertical condenser)
ที่จะควบแน่นให้ไอที่ระเหยนั้นเป็นของเหลวไหลกลับเข้าสู่ถังปฏิกรณ์ใหม่
การควบคุมความดันภายในถังอาศัย
Pressure control
valve (PCV) ที่ระบายแก๊สในถังไปยังระบบดักจับสารเคมี
(scrubbing column)
เพื่อกำจัดสารเคมีที่เป็นพิษออกจากแก๊ส
ส่วนการป้องกันความดันสูงเกิดอาศัยวาล์วระบายความดัน
Pressure relief
valve (PRV) ที่ด้านทางเข้านั้นได้รับการปกป้องไว้ด้วย
Bursting disc (หรือ
Rupture disc)
ที่ทำการระบายแก๊สออกไปยังระบบดักจับสารเคมีเช่นกัน
รูปที่ ๒
ถังปฏิกรณ์ที่เกิดเหตุ
น้ำจะแข็งตัวเป็นน้ำแข็งที่อุณหภูมิ
0ºC
แต่ถ้ามีเกลือละลายอยู่
(หรือบางรายก็อาจใช้สารพวก
antifreeze
เช่นพวกไกลคอล
(glycol) ต่าง
ๆ)
ก็จะทำให้จุดเยือกแข็งลดต่ำลง
สามารถนำน้ำนี้มาใช้เป็นน้ำหล่อเย็นที่อุณหภูมิต่ำกว่า
0ºC
ได้ น้ำนี้เรียกว่า
"brine water"
โดยใช้ระบบทำความเย็นลดอุณหภูมิของ
brine water
ให้ต่ำถึงระดับที่ต้องการแล้วจึงนำน้ำเย็นที่ได้ไปใช้เป็นสารหล่อเย็น
bursting
disc หรือ rupture
disc เป็นอุปกรณ์ระบายความดันที่จะฉีกขาดเมื่อความดันถึงค่าที่กำหนด
อุปกรณ์ตัวนี้ระบายความดันได้รวดเร็วกว่าพวกวาล์วระบายความดัน
จึงมักใช้กับระบบที่คาดว่ามีโอกาสที่จะมีความดันขึ้นสูงอย่างรวดเร็ว
แต่เมื่อมันทำงานแล้วจะไม่สามารถปิดตัวเอง
ต้องหยุดเดินเครื่องโรงงานเพื่อเปลี่ยนตัวใหม่
แต่ก็มีการนำมาใช้งานร่วมกับวาล์วระบายความดัน
เพื่อป้องกันตัววาล์วจากสารเคมีที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูงหรือก่อให้เกิดคราบของแข็งเกาะติดได้
การใช้งานเพื่อวัตถุประสงค์นี้จะติดตั้ง
bursting disc
ไว้ทางด้านขาเข้าของวาล์วระบายความดัน
ในช่วงเวลาที่เกิดเหตุ
ถังปฏิกรณ์ดังกล่าวถูกใช้เพื่อผลิตสารมัธยันต์
(intermediate)
เพื่อนำไปใช้ในการผลิตผลิตภัณฑ์ที่ต้องการต่อไป
สารที่ใช้ในการทำปฏิกิริยาประกอบด้วย
โทลูอีน (toluene
C6H5-CH3)
ที่ทำหน้าที่เป็นตัวทำละลาย,
N,N-dimethyl aniline (DMA) ที่เป็นสารตั้งต้น
(เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง)
และแก๊สฟอสจีน (phosgene)
ที่เป็นสารตั้งต้นอีกตัวหนึ่ง
ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือ acid
chloride (รายงานการสอบสวนระบุไว้เพียงแค่นี้
แต่ดูจากปฏิกิริยาที่น่าจะเกิดแล้วคิดว่าน่าจะเป็นตัวที่แสดงไว้ในรูปที่
๑)
โดยในการทำปฏิกิริยานั้นจะทำการเติมโทลูอีนกับฟอสจีนเข้าไปในถังปฏิกรณ์ก่อน
จากนั้นจึงค่อยเติม N,N-dimethyl
aniline ลงไป
โทลูอีนที่ใช้นั้นมีทั้งโทลูอีนใหม่ที่มาจากถังเก็บ
และ recycled
toluene ที่ได้มาจากการแยกเอาผลิตภัณฑ์และสารอื่นออกไป
ปฏิกิริยาที่เกิดนั้นเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน
แต่ปฏิกิริยาจะเริ่มเกิดได้เมื่อระบบมีอุณหภูมิสูงพอ
ด้วยเหตุนี้ทางฝั่งด้าน
jacket
ของถังปฏิกรณ์จึงมีทั้งน้ำร้อนเพิ่มอุณหภูมิเพื่อกระตุ้นให้ปฏิกิริยาเกิด
และน้ำหล่อเย็นเพื่อระบายความร้อนที่ปฏิกิริยาปลดปล่อยออกมา
ลำดับขั้นตอนการทำงานที่ออกแบบไว้ตอนแรกมีดังนี้
(1)
เปิด brine
cooling (อุณหภูมิ -10ºC)
เข้าด้าน jacket
ของถังปฏิกรณ์
(2)
เติม recycled
toluene 1 ตัน เข้าถังปฏิกรณ์
(3)
เติมโทลูอีนใหม่อีก
2 ตัน
(4)
เติมฟอสจีน
20 กิโลกรัม
(5)
เติมฟอสจีน
0.8 ตัน
(6)
ป้อน DMA
1.6 ตัน และคงอุณหภูมิไว้ให้ต่ำกว่า
30ºC
(7)
ให้ความร้อนจนระบบมีอุณหภูมิสูงถึง
65ºC
(8)
คงอุณหภูมิไว้ที่ 65ºC
เป็นเวลา 12
ชั่วโมง
(9)
ถ่ายสารผสมในถังปฏิกรณ์ไปยังกระบวนการถัดไป
เนื่องจากปฏิกิริยาระหว่างฟอสจีนกับน้ำเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน
ทางบริษัทเกรงว่าถ้าในระบบมีน้ำปนเปื้อนมากเกินไปจะเกิดความร้อนสูงเกิน
จึงได้ออกแบบขั้นตอนการทำงานให้มีการเติมฟอสจีนปริมาณไม่มากเข้าไปก่อนคือในขั้นตอนที่
(4)
ถ้าพบว่าอุณหภูมิในระบบเพิ่มสูงเกิน
1.0ºC
ก็แสดงว่ามีน้ำปนเปื้อนอยู่มาก
ก็ต้องมาทำการปรับเพิ่มปริมาณฟอสจีนที่ต้องเติมในขั้นตอนที่
(5)
เนื่องจากปฏิกิริยาเกิดในเฟสของเหลว
อุณหภูมิที่วัดจึงต้องเป็นอุณหภูมิในเฟสของเหลว
ตำแหน่งของตัววัดอุณหภูมิที่ติดตั้งในถังปฏิกรณ์จึงค่อนข้างต่ำ
(ดูรูปที่
๑)
เพื่อให้มั่นใจว่ามันจะจมอยู่ในของเหลว
รายงานไม่ได้กล่าวว่าน้ำปนเปื้อนนั้นมาจากไหน
แต่ดูจากลำดับการทำงานแล้วแสดงว่ามากับโทลูอีน
ปรกติโทลูอีนสามารถละลายในน้ำได้ในปริมาณเล็กน้อย
และน้ำปริมาณเล็กน้อยก็สามารถละลายเข้าไปในโทลูอีนได้เช่นกัน
ที่มาของน้ำมีได้ตั้งแต่เกิดจากปฏิกิริยาข้างเคียง,
การควบแน่นของความชื้นในอากาศ
(ถ้าโทลูอีนในถังเก็บนั้นสัมผัสกับอากาศ)
และจากกระบวนการกลั่นให้โทลูอีนบริสุทธิ์
(เช่นด้วยการฉีดไอน้ำเข้าไปในโทลูอีนโดยตรง
เพื่อไล่องค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่ำกว่าออกไป
หรือถ้าในกรณีที่โทลูอีนเป็นสารที่มีจุดเดือดต่ำสุดในสารผสม
โทลูอีนก็จะระเหยออกมากับไอน้ำที่ถูกฉีดเข้าไป)
ในการออกแบบขั้นตอนการทำงานครั้งแรกนั้น
กำหนดให้ในเติมฟอสจีนในขั้นตอนที่
(4) เพียงแค่
10 กิโลกรัม
และดูว่าอุณหภูมิในระบบเพิ่มสูงเกิน
2.5ºC
หรือไม่ ซึ่งเมื่อเข้าสู่การพิจารณาทบทวน
ก็มีคำถามขึ้นมาว่าปริมาณฟอสจีนเพียงแค่
10
กิโลกรัมนั้นสามารถทำให้เกิดความร้อนมากพอที่จะทำให้อุณหภูมิในระบบ
(คืออุณหภูมิของโทลูอีน
3 ตัน)
สูงขึ้น 2.5ºC
ได้หรือไม่
ทำให้เกิดคำถามว่าจะสามารถใช้เงื่อนไขนี้เป็นตัวบอกว่าในระบบมีน้ำปนเปื้อนมากเกินไปได้หรือไม่
ด้วยเหตุนี้ทางผู้พิจารณาจึงได้มีการเสนอแนะให้พิจารณาการเพิ่มปริมาณฟอสจีนที่เติม
หรือทำการปรับเปลี่ยนขั้นตอนการทำงานให้เหมาะสม
ทางบริษัทจึงได้ทำการปรับเปลี่ยนขั้นตอนที่
(4)
โดยให้เพิ่มปริมาณฟอสจีนเป็น
20 กิโลกรัม
และปรับค่าการเพิ่มของอุณหภูมิให้ลดเหลือ
1ºC
ทางผู้พิจารณากล่าวเอาไว้กลาง
ๆ
ว่าให้ทบทวนว่าขั้นตอนการทดสอบที่ออกแบบไว้นั้นสามารถใช้ทดสอบได้จริง
ซึ่งทางบริษัทก็ได้ทำการแก้ไขขั้นตอนการทำงาน
แต่ไม่ได้ทำการทดสอบว่าขั้นตอนที่แก้ไขแล้วนั้นสามารถใช้ทดสอบได้จริงเนื่องจากมีการเปลี่ยนแปลงผู้ทำงาน
ความเห็นเรื่องการให้ทบทวนวิธีการทำงานจึงถูกเก็บเข้าแฟ้มไว้
และผู้ที่ทำงานอยู่ในช่วงที่เกิดอุบัติเหตุก็ไม่ทราบเรื่องนี้
ประเด็นหนึ่งที่เกิดขึ้นในระหว่างการศึกษา
Hazard and
operability (ที่เรียกกันย่อ
ๆ ว่า HAZOP)
คือจะมีการเติมโทลูอีนเข้าไปในถังปฏิกรณ์น้อยเกินไป
ทำให้ตัวตรวจวัดอุณหภูมินั้นไม่จมอยู่ใต้ผิวของเหลว
ซึ่งถ้าเกิดเหตุการณ์ดังกล่าวจะทำให้ไม่สามารถตรวจพบการเพิ่มของอุณหภูมิได้
จึงได้มีการออกแบบป้องกันด้วยการติดตั้ง
flow meter
เพื่อวัดปริมาณโทลูอีนใหม่ที่ป้อนเข้าถัง
(เพราะโทลูอีนส่วนใหญ่มาจากทางนี้)
เพื่อให้มั่นใจว่าระดับโทลูอีนในถังจะสูงเพียงพอ
แต่ก็ไม่ได้ทำการพิจารณาว่าถ้า
flow meter
ตัวนี้ไม่ทำงานหรือหรือให้ข้อมูลผิดพลาดแบบ
positive reading
(คือบอกว่ามีการไหลแต่ในความเป็นจริงไม่มี)
ซึ่งประเด็นนี้ก็มีบทบาทในอุบัติเหตุที่เกิด
การผลิตเริ่มครั้งแรกในเดือนกรกฎาคม
ค.ศ.
๑๙๙๑ (พ.ศ.
๒๕๓๔)
ซึ่งในครั้งนั้นก็เกิดปัญหาอุณหภูมิในถังปฏิกรณ์เพิ่มสูงเกิน
คือเต็มค่าสูงสุดที่ตัวตรวจวัดอุณหภูมิอ่านได้
(ค่าสูงสุดที่เครื่องวัดแสดงได้คือ
130ºC
แม้ว่าอุณหภูมิจริงจะสูงกว่านี้)
ความดันในระบบสูงจนวาล์วระบายความดันเปิดเพื่อระบายความดัน
ซึ่งในขณะนั้นเชื่อว่าเกิดจากความร้อนของปฏิกิริยาที่ระบายออกมาทั้งหมดในเวลาเพียงแค่ประมาณ
1.5
ชั่วโมงแทนที่จะเป็น
8-16 ชั่วโมง
แต่การผลิตก็ได้ดำเนินต่อไปอีก
77 ครั้ง
โดยในระหว่างนี้มีการพบอุณหภูมิเพิ่มขึ้นสูง
6 ครั้ง
ในการผลิตครั้งหนึ่งนั้นหน้าจอคอมพิวเตอร์แสดงว่ามีโทลูอีนไหลเข้าระบบ
แต่ supervisor
ในกะนั้นพบว่าในความเป็นจริงนั้นวาล์วของท่อป้อนโทลูอีนนั้นปิดอยู่
(คือในความเป็นจริงไม่มีการไหล)
จึงได้ทำการแก้ไขด้วยการเปิดวาล์ว
ปัญหานี้แสดงให้เห็นว่าหน้าจอการแสดงผลนั้นมีความผิดพลาด
แต่ก็ไม่ได้รับการแก้ไข
เนื่องจากไม่มีการรายงาน
จนกระทั้งหลังเกิดการรั่วไหลจึงมีการตรวจพบว่าตัว
flow meter
นั้นมีปัญหา
และสามารถส่งสัญญาณว่ามีการไหลไปยังคอมพิวเตอร์ควบคุมได้ทั้งที่ความจริงนั้นไม่มีการไหล
การผลิตครั้งที่
78
ซึ่งเป็นครั้งที่เกิดเหตุนั้นเริ่มเมื่อเวลาประมาณ
๒๑.๓๐
น ของวันศุกร์ที่ ๖ ธันวาคม
โดยโอเปอร์เรเตอร์ได้ดำเนินการตามขั้นตอน
(1) และ
(2) (เปิด
brine cooling
และเติม recycled
toluene เข้าถังปฏิกรณ์)
จากนั้นก็ปล่อยทิ้งไว้
9
ชั่วโมงเพื่อรอให้
recycled DMA
และโทลูอีนมีพร้อมใช้งาน
ในช่วงเวลานี้มีความเป็นไปได้ที่น้ำที่มีปนเปื้อนอยู่ในระบบนั้นจะกลายเป็นน้ำแข็ง
(brine
cooling มีอุณหภูมิ
-10ºC
และน้ำแข็งที่เกิดขึ้นน่าจะจมลงข้างล่าง)
ช่วงเช้าวันที่
๗ เมื่อมี recycled
DMA พร้อมใช้งาน
โอเปอร์เรเตอร์ก็ดำเนินการตามขั้นตอนที่
(3)
ที่เป็นการเติมโทลูอีนใหม่เข้าถังปฏิกรณ์
แต่สิ่งที่เกิดขึ้นจริงก็คือหน้าจอคอมนั้นแสดงว่ามีโทลูอี่นไหลเข้าระบบ
แต่ในความเป็นจริงนั้นวาล์วของท่อป้อนโทลูอีนใหม่นั้นปิดอยู่
ด้วยเหตุนี้ระดับของเหลวจึงไม่สูงขึ้น
ตัวตรวจวัดอุณหภูมิจึงไม่จุ่มอยู่ใต้ผิวของเหลว
ขั้นตอนที่
(4) และ
(5)
นั้นเกิดขึ้นก่อนการเปลี่ยนกะ
โอเปอร์เรเตอร์กะใหม่จึงดำเนินการต่อในขั้นตอนที่
(6) และ
(7) (คือเติม
DMA
เข้าระบบและให้ความร้อน)
และเมื่ออุณหภูมิในถังปฏิกรณ์เพิ่มสูงถึง
65ºC
อุณหภูมิก็ยังคงเพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่องจนเกิน
100ºC
ภายในเวลา
15 นาที
ในเวลาเดียวกันความดันในระบบก็เพิ่มสูงขึ้นจนวาล์วระบายความดันทำงาน
แต่ก็ยังไม่สามารถระบายความดันได้ทัน
ความดันยังเพิ่มสูงขึ้นต่อเนื่องจนท่อทางเข้า
vertical condenser
เกิดการพัง
สารที่อยู่ในถังปฏิกรณ์จึงรั่วไหลออกมา
สาเหตุของการเกิดอุบัติเหตุที่การสอบสวนค้นพบมีหลายสาเหตุเช่น
-
แม้ว่าฟอสจีนจะทำปฏิกิริยากับน้ำได้รวดเร็ว
แต่ในกรณีของระบบ น้ำ-โทลูอี่น-ฟอสจีน
นั้น ปฏิกิริยาเกิดช้ากว่ามาก
แม้ว่าจะเพิ่มอุณหภูมิจนถึง
50ºC
ไม่ว่าน้ำนั้นจะอยู่ในรูปของหยดน้ำแขวนลอยอยู่ในโทลูอีน
หรือเป็นชั้นน้ำที่จมอยู่ข้างกล่าง
และในกรณีนี้ก็มีความเป็นไปได้ที่น้ำนั้นจะกลายเป็นก้อนน้ำแข็ง
ทำให้น้ำไม่ทำปฏิกิริยากับฟอสจีนหรือทำได้ยาก
ดังนั้นวิธีการตรวจสอบการปนเปื้อนของน้ำด้วยการสังเกตจากอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเมื่อป้อนฟอสจีนเข้าไปนั้น
จึงไม่น่าจะใช้ได้
-
การค้นพบอย่างหนึ่งก็คือ
แม้ว่าฟอสจีนจะทำปฏิกิริยากับน้ำที่ปนเปื้อนอยู่กับโทลูอีนได้ช้า
แต่เมื่อเติม DMA
เข้าไปกลับพบว่าปฏิกิริยาเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว
ซึ่งต่อมาภายหลังก็พบว่าน้ำที่ปนเปื้อนในปริมาณเล็กน้อยนั้นอาจทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาระหว่าง
DMA กับฟอสจีน
ทำให้เกิดการคายความร้อนอย่างรวดเร็ว
-
หลังเกิดอุบัติเหตุพบว่า
acid chloride
ที่เป็นผลิตภัณฑ์นั้นสามารถสลายตัวได้เมื่ออุณหภูมิสูงเกินกว่า
120ºC
และให้ผลิตภัณฑ์ที่เป็นแก๊ส
ซึ่งเป็นการเพิ่มทั้งความร้อนและความดันให้กับระบบ
ในปฏิกิริยานี้
ฟอสจีนเป็นสารอันตราย
(ถูกจัดว่าเป็นอาวุธเคมี
และมีการใช้ตั้งแต่สมัยสงครามโลกครั้งที่
๑)
ดังนั้นการทำปฏิกิริยาจะเกิดด้วยอัตราส่วน
1:1 โดยโมล
แต่เพื่อความปลอดภัยจึงใช้
DMA
ในปริมาณที่มากเกินพอเพื่อให้ฟอสจีนทำปฏิกิริยาหมด
(แต่ก็ต้องมีการแยก
DMA
ที่เหลือจากการทำปฏิกิริยาเพื่อนำกลับมาใช้งานใหม่)
ด้วยเหตุนี้เมื่อมีการรั่วไหลเกิดขึ้นจีงไม่มีฟอสจีนรั่วไหลออกมาด้วยเพราะทำปฏิกิริยาไปจนหมดแล้ว