ปัจจัยที่ส่งผลต่อค่า flammability limit (๔) MO Memoir : Thursday 10 August 2560

รูปที่ ๒๔ ข้างล่างเป็นอุปกรณ์ที่ใช้วัดค่า flammabililty limit ที่แสดงในเอกสารของ Coward และ Jones

รูปที่ ๒๔ อุปกรณ์สำหรับใช้วัดค่า flammability limit ที่แสดงในหน้า ๑๐ ในเอกสารของ Coward และ Jones
 

อุปกรณ์ดังกล่าวเป็นท่อแก้วสูง 150 cm จุดระเบิดด้วยประกายไฟฟ้าทางด้านล่าง (y) ส่วนปัจจุบันอุปกรณ์จะมีความสลับซับซ้อนหรือเปลี่ยนแปลงไปจากเดิมมากแค่ไหนผมก็ไม่รู้เหมือนกัน
 

พลังงานที่ได้จากการเผาไหม้นั้นขึ้นอยู่กับปริมาณเชื้อเพลิงที่มีอยู่ สมมุติว่าคุณมีแก๊สผสมที่ประกอบด้วยเชื้อเพลิง 10 ส่วนและอากาศอีก 90 ส่วน (ที่แยกออกได้เป็น O₂ 18.9 ส่วนและ N₂ 71.1 ส่วนและสมมุติว่ามีปริมาณออกซิเจนเพียงพอต่อการเผาไหม้สมบูรณ์) กับแก๊สผสมอีกตัวหนึ่งที่ประกอบด้วยเชื้อเพลิงชนิดเดียวกัน 10 ส่วนและ O₂ บริสุทธิ์ 90 ส่วน เมื่อคุณทำการจุดระเบิดแก๊สผสมทั้งสองชนิดและให้เชื้อเพลิงเผาไหม้สมบูรณ์ คุณจะได้พลังงานออกมาเท่ากัน แต่การเผาไหม้ใน O₂ บริสุทธิ์จะเกิดขึ้นรุนแรงกว่าเนื่องจากมี "อัตราการคายพลังงาน" ที่สูงกว่าการเผาไหม้ในอากาศมาก แต่เราก็พอจะควบคุมการเผาไหม้ในออกซิเจนได้ ด้วยการใช้ออกซิเจนในปริมาณที่พอดีในการทำปฏิกิริยา (คืออย่าใส่ให้มากเกิน)
 

เมื่อเทียบกันต่อหน่วยน้ำหนักแล้ว วัตถุระเบิดจะมีพลังงานในตัวที่ต่ำกว่าเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนอยู่มาก แต่การที่วัตถุระเบิดมีอำนาจการทำลายล้างสูงกว่าก็เพราะมันมีอัตราการคายพลังงานออกจากตัวมันเองที่สูงกว่าปฏิกิริยาการเผาไหม้ไฮโดรคาร์บอนมาก ดังนั้นเชื้อเพลิงใด ๆ ก็ตามที่ดูเหมือนว่าไม่น่าจะมีอันตรายเท่าใดนักเมื่อทำการเผากับอากาศ แต่ถ้าทำการผสมเข้ากับออกซิเจนบริสุทธิ์ จากปฏิกิริยาการเผาไหม้ธรรมดาก็อาจะเปลี่ยนเป็นการระเบิดได้โดยง่าย

รูปที่ ๒๕ ผลของขนาดและวัสดุที่ใช้ทำอุปกรณ์ทดสอบ และทิศทางการจุดระเบิด ที่มีต่อค่า lower limit ของเอทานอลในอากาศ (จากหน้า ๘๕ ในบทความของ Coward และ Jones) คำย่อ "do" ในที่นี้คือ "ditto" หรือเหมือนข้างบน
 

Coward และ Jones กล่าวเอาไว้ว่าผลของการใช้ออกซิเจนบริสุทธิ์แทนการใช้อากาศที่มีต่อค่า flammability limit นั้นไม่ได้มีการศึกษากันอย่างแพร่หลาย ข้อมูลที่บทความนำมาแสดงมีค่อนข้างจำกัด แต่โดยภาพรวมก็คือค่า lower limit ไม่ค่อยได้รับผลกระทบมากนัก แต่ค่า upper limit นั้นเพิ่มสูงขึ้นมาก (ดูตัวอย่างในรูปที่ ๒๗)

รูปที่ ๒๖ ส่วนหนึ่งของข้อความจากบทความของ Coward และ Jones ในส่วนผลของการเผาไหม้ในบรรยากาศออกซิเจน

ในกรณีของเอทานอล (ตัวที่เป็นต้นเรื่องของอุบัติเหตุที่นำมาสู่บทความชุดนี้) ในส่วนผลของอุณหภูมิ บทความของ Coward และ Jone กล่าวถึงการทดลองในภาชนะปิดขนาด 2.5 ลิตร โดยใช้ส่วนผสมระหว่างเอทานอลกับอากาศและทำการจุดระเบิดโดยให้เปลวไฟวิ่งจากบนลงล่างเอาไว้ว่า ค่า lower limit ลดลงจาก 3.80% เหลือ 2.75% เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นจาก 50ºC เป็น 225ºC แต่เพิ่มกลับขึ้นไปเป็น 3.05% เมื่ออุณหภูมิเพิ่มต่อไปเป็น 250ºC ข้อมูลนี้แสดงให้เห็นถึงปัญหาการใช้งานค่า lower limit โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องการผสมเอทานอลกับอากาศและให้ทำปฏิกิริยากันที่อุณหภูมิสูง เพราะข้อมูล lower limit ที่เผยแพร่ทั่วไปนั้นมักจะเป็นข้อมูลที่อุณหภูมิห้อง แต่อุณหภูมิการทำปฏิกิริยานั้นสูงกว่าอุณหภูมิห้อง ตรงประเด็นนี้ก็อาจมีการแย้งว่าใน reactor นั้นมันไม่มีเปลวไฟหรือประกายไฟอยู่แล้ว ดังนั้นถ้าส่วนผสมมันมีอุณหภูมิไม่ถึงอุณหภูมิที่สามารถจุดระเบิดได้ด้วยตนเองหรือ auto ignition temperature (จะเป็นเรื่องในตอนต่อไป) มันก็ไม่น่าจะมีปัญหา แต่จะว่าไปแล้วใน reactor ก็มีสิ่งหนึ่งที่อาจทำหน้าที่เป็นตัวจุดระเบิดได้ สิ่งนั้นก็คือ "ตัวเร่งปฏิกิริยา" ที่ทำหน้าที่เร่งการทำปฏิกิริยาระหว่างเอทานอลกับออกซิเจน ซึ่งอาจนำไปสู่การคายความร้อนอย่างรวดเร็วจนเกิดการระเบิดได้

รูปที่ ๒๗ ค่า flammabilitiy limit ของสารบางตัว (จากหน้า ๑๓๑ ในบทความของ Coward และ Jones) ตัวเลขที่เป็นตัวหนาได้จากการวัดในท่อขนาดใหญ่ ปลายเปิด จุดไฟจากด้านล่างให้เปลวไฟวิ่งขึ้นบน ส่วนตัวเลขที่เป็นตัวอักษรปรกติได้มาจากการทดลองในภาชนะปิดหรือขนาดเล็ก ข้อมูลในตารางแสดงให้เห็นว่าเมื่อเปลี่ยนจากอากาศเป็นออกซิเจน ค่า lower limit ไม่ค่อยได้รับผลกระทบเท่าใดนัก แต่ค่า upper limit เพิ่มขึ้นไปมาก