เพลิงไหม้และการระเบิดที่ BP Oil (Grangemouth) Refinery 2530(1987) Case 2 การระเบิดที่หน่วย Hydrocracker ตอนที่ ๑ MO Memoir : Sunday 4 November 2561

เพิ่งจะกู้ร่างผู้เสียชีวิตรายที่ ๒ จากเหตุการณ์ไฟไหม้ที่ระบบ Flare ได้เพียงแค่สัปดาห์เดียว ศพที่ ๓ ก็ตามมา แถมสถานที่เกิดเหตุก็อยู่ติด ๆ กันซะด้วย
 

การนำน้ำมันหนักมาแปรสภาพเป็นน้ำมันเบา (ระดับเบนซินไปจนถึงดีเซล) เป็นวิธีการหนึ่งในการเพิ่มมูลค่าให้กับผลิตภัณฑ์ และยังช่วยตอบสนองความต้องการน้ำมันเชื้อเพลิงสำหรับยานพาหนะที่มีจำนวนเพิ่มขึ้น การทำให้น้ำมันหนักที่มีโมเลกุลใหญ่นั้นกลายเป็นน้ำมันเบาต้องหาทางทำให้โมเลกุลของน้ำมันหนักนั้นแตกออกเป็นชิ้นเล็กลง และปัจจัยหนึ่งที่สำคัญสำหรับกระบวนการดังกล่าวก็คือความร้อน
 

ความอิ่มตัวของน้ำมันนั้นดูได้จากสัดส่วนระหว่างอะตอม H ต่ออะตอม C ถ้าสัดส่วนอะตอม H ต่ออะตอม C มีค่าสูงก็แสดงว่าเป็นน้ำมันที่มีความอิ่มตัวสูง แต่ถ้าสัดส่วนอะตอม H ต่ออะตอม C มีค่าต่ำก็แสดงว่าเป็นน้ำมันที่มีความไม่อิ่มตัวสูง เช่นอาจประกอบด้วยโครงสร้างที่เป็นวงแหวนอะโรมาติก (aromatic) อยู่เป็นจำนวนมาก

รูปที่ ๑ สถานที่เกิดเหตุหลังเหตุการณ์สงบ ในกรอบสีเหลี่ยมสีเหลืองคือตำแหน่งที่ตั้งของ Low pressure separator V306 ที่เกิดการระเบิดที่เหลือแต่ขาคอนกรีตที่ใช้วาง vessel
 

คำว่า "น้ำมันเบา" และ "น้ำมันหนัก" นั้นมาจากกระบวนการกลั่นน้ำมันในหอกลั่น โดยน้ำมันที่มีจุดเดือดต่ำจะกลายเป็นไอลอยขึ้นบนออกไปทางยอดหอกลั่น ในขณะที่น้ำมันที่มีจุดเดือดสูงจะเป็นของเหลวไหลออกทางด้านล่างของหอกลั่น เขาจึงเรียกน้ำมันที่มีจุดเดือดต่ำว่าน้ำมันเบา (เพราะมันลอยขึ้น) และที่มีจุดเดือดสูงว่าน้ำมันหนัก (เพราะมันไหลลงล่าง)
 

สำหรับน้ำมันหนักที่มีความอิ่มตัวสูง ที่องค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นพวกพาราฟิน (paraffin C_nH_2n+2) หรือแนฟทีน (naphthene C_nH_2n) การทำให้โมเลกุลเหล่านี้แตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลงทำได้ทั้งการใช้ความร้อนเพียงอย่างเดียวด้วยกระบวนการที่เรียกว่า thermal cracking หรือใช้ความร้อนร่วมกับการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เรียกว่ากระบวนการ catalytic cracking (ที่เป็นที่รู้จักและใช้กันมากที่สุดในปัจจุบันคือรูปแบบ fluidised-bed catalytic cracking หรือที่เรียกย่อ ๆ ว่า FCC) ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขื้นจากกระบวนการเหล่านี้จะมีส่วนที่เป็นองค์ประกอบที่ไม่อิ่มตัว (พวกที่มีพันธะ C=C) เกิดขึ้นรวมอยู่ด้วยเสมอ และถ้าโมเลกุลที่เกิดจากการแตกตัวครั้งแรกมีการแตกตัวย่อยลงไปอีก สัดส่วนผลิตภัณฑ์ที่มีความไม่อิ่มตัวนี้ก็จะเพิ่มสูงขึ้นเรื่อย ๆ
 

สำหรับน้ำมันหนักที่มีความไม่อิ่มตัวสูงเช่นพวกที่มีองค์ประกอบเป็น polyaromatic ring (วงแหวนเบนซีนหลายวงต่อเข้าด้วยกัน) การใช้ความร้อนเพียงอย่างเดียวจะยากที่จะทำให้โมเลกุลเหล่านี้แตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลง (ก็มันไม่มีทางที่จะแตกออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลงที่มีไม่อิ่มตัวสูงขึ้นไปอีก) การที่จะทำให้โมเลกุลพวก polyaromatic ring นี้แตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลงจำเป็นต้องมีการเติมไฮโดรเจนให้กับโมเลกุลเหล่านี้ก่อน (เรียกว่าปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจนหรือ hydrogenation) เพื่อให้มันกลายเป็นไฮโดรคาร์บอนที่มีความอิ่มตัวสูงขึ้นก่อน จากนั้นจึงค่อยทำให้โมเลกุลไฮโดรคาร์บอนที่มีความอิ่มตัวสูงขึ้นนี้แตกออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลง โดยใช้ความร้อนร่วมกับการเติมไฮโดรเจน (ที่ป้อนเข้าไปในรูปของแก๊สไฮโดรเจน) และใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วย ปฏิกิริยานี้เรียกว่า hydrocracking
 

แต่น้ำมันหนักมักจะมีสารประกอบอินทรีย์ของกำมะถัน (S) และไนโตรเจน (N) ปะปนมาเสมอ (โดยกำมะถันมักจะเป็นตัวที่มีมากที่สุดและพบเป็นประจำ) และบางทีก็อาจมีสารประกอบอินทรีย์ของออกซิเจน (O) และของโลหะบางชนิดเช่นวาเนเดียม (V) ปะปนมาด้วย ปริมาณของสารอินทรีย์เหล่านี้ขึ้นอยู่กับแหล่งที่มาของน้ำมัน ยิ่งเป็นน้ำมันที่หนักมาก (คือพวกที่มีจุดเดือดสูงมาก) ก็มักจะมีความเข้มข้นของสารอินทรีย์เหล่านี้มากขึ้นตามไปด้วย สารเหล่านี้อาจอยู่ในรูปโมเลกุลที่เป็นเส้น เช่น mercaptan (R-S-R') หรือ dimercaptan (R-S-S-R') หรือในโครงสร้างที่เป็นวงก็ได้ ดังตัวอย่างในรูปที่ ๒ ข้างล่าง

รูปที่ ๒ ตัวอย่างของสารประกอบกำมะถัน ไนโตรเจน และออกซิเจน ที่พบได้ในน้ำมันหนัก
 

น้ำมันที่มีสารประกอบอินทรีย์ของกำมะถันและไนโตรเจน ถ้านำไปเผาไหม้จะก่อให้เกิดแก๊สซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO₂) และไนโตรเจนออกไซด์ (NO_x) แต่อีกเรื่องหนึ่งที่สำคัญคือสารเหล่านี้มีฤทธิ์เป็นเบสที่เป็นพิษต่อตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในกระบวนการปรับสภาพและ/หรือเปลี่ยนแปลงโครงสร้างโมเลกุลของน้ำมันในกระบวนการผลิตขั้นตอนถัดไป ทำให้มีความจำเป็นที่ต้องกำจัดสารเหล่านี้ออก วิธีการกำจัดสารเหล่านี้กระทำได้โดยการให้สารเหล่านี้ทำปฏิกิริยากับแก๊สไฮโดรเจนภายใต้ความดันสูงและอุณหภูมิสูงโดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาช่วย กระบวนการนี้เรียกว่า hydrotreating โดยกำมะถันจะถูกดึงออกไปในรูปของแก๊ส H₂S (ด้วยปฏิกิริยา hydrodesulphurisation หรือย่อว่า HDS) และไนโตรเจนจะถูกดึงออกไปในรูปของแก๊ส NH₃ (ด้วยปฏิกิริยา hydrodenitrogenation หรือ HDN)

ความเป็นเบสของสารประกอบอินทรีย์เหล่านี้คือความเป็นเบสแบบลิวอิส (Lewis base) คืออะตอม S N และ O มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว (lone pair electron) ที่สามารถสะเทินความเป็นกรดของตัวเร่งปฏิกิริยา (ที่อาจอยู่ในรูปของ H⁺ หรือไอออนบวกของโลหะเช่น Al³⁺) ตัวอย่างของหน่วยที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นกรดได้แก่ catalytic cracking

รูปที่ ๓ เป็นแผนผังของหน่วย hydrocracker ของโรงกลั่นน้ำมัน BP Oil Refinery ที่เมือง Grangemouth ที่เกิดการระเบิด หน่วยนี้ประกอบด้วยเครื่องปฏิกรณ์ชนิดเบดนิ่ง (fixed-bed reactor) จำนวน ๔ ตัว ที่แต่ละตัววางตั้งในแนวดิ่ง ทำงานภายใต้บรรยากาศของแก๊สไฮโดรเจนที่ความดัน 155 bar อุณหภูมิ 350ºC น้ำมันจะถูกป้อนมาเก็บไว้ยัง feed surge drum V308 ด้วยอัตราการไหลประมาณ 3500 l/min ก่อนจะป้อนเข้าสู่เครื่องปฏิกรณ์

"surge drum" เป็นถังพักที่ช่วยดูดซับความแปรปรวนของหน่วยหนึ่งไม่ให้ส่งผลกระทบต่อการทำงานของหน่วยที่อยู่ในขั้นตอนติดกัน เช่นหน่วย A อาจมีการทำงานที่ไม่คงที่ แต่หน่วย B ที่อยู่ถัดไปต้องการการทำงานคงที่ หรือในทางกลับกันคือหน่วย A มีการทำงานที่คงที่ แต่หน่วย ฺB ที่อยู่ถัดไปมีการทำงานที่ไม่คงที่ ตัวอย่างเช่นสมมุติว่ากระบวนการ B นั้นต้องการให้เดินเครื่องที่สภาวะคงตัวที่อัตรา 3500 l/min แต่กระบวนการ A ที่อยู่ต้นทางนั้นที่ป้อนวัตถุดิบให้นั้นมีการเดินเครื่องที่เปลี่ยนแปลงในช่วง 2000-5000 l/min ในกรณีเช่นนี้การติดตั้ง surge drum ที่มีความจุที่เหมาะสมที่ทำหน้าที่รองรับวัตถุดิบที่มาจากกระบวนการ A จะช่วยป้องกันไม่ให้อัตราการไหลที่ไม่คงที่ของหน่วย A ส่งผล กระทบต่อการทำงานของหน่วย B ได้ (อย่างน้อยก็เป็นช่วงระยะเวลาหนึ่ง) กล่าวคือถ้าหน่วย A ป้อนสารมาด้วยอัตราที่ต่ำกว่าที่หน่วย B ต้องการ หน่วย B ก็จะดึงสารที่อยู่ใน surge drum มาใช้ และในทางกลับกันถ้าสารที่มาจากหน่วย A สูงเกินกว่าความสามารถของหน่วย B ดึงไปใช้ได้ สารนั้นก็จะถูกสะสมไว้ใน surge drum
 

"fixed-bed reactor" ในที่นี้หมายถึงเครื่องปฏิกรณ์ที่บรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาของแข็งเอาไว้ข้างใน โดยตัวเร่งปฏิกิริยานั้นอยู่กับที่ ไม่มีการเคลื่อนไหวใด ๆ แบบเดียวกับเครื่องกรองน้ำที่มีการบรรจุเรซินหรือสารดูดซับเอาไว้ข้างใน แต่การทำงานของระบบ hydrocracker นี้เป็นการทำงานในระบบ ๓ เฟสด้วยกัน คือตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็ง น้ำมันที่เป็นของเหลว และไฮโดรเจนที่เป็นแก๊ส รูปแบบการทำงานแบบ ๓ เฟสนี้มีชื่อเรียกเฉพาะว่า "trickle bed reactor" ที่จะมีการป้อนของเหลวจากบนลงล่างให้ไหลผ่านชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา ส่วนแก๊สนั้นอาจจะไหลจากบนลงล่างหรือล่างขึ้นบนก็ขึ้นอยู่กับการออกแบบ ระบบนี้แตกต่างจาก fixed-bed reactor ทั่วไปที่ใน fixed-bed reactor นั้นเฟสที่ไหลผ่านชั้นของแข็งนั้นจะเป็นเฟสแก๊สหรือของเหลวเพียงเฟสเดียว

อุณหภูมิของเครื่องปฏิกรณ์จะถูกควบคุมเอาไว้ไม่ให้สูงเกินกว่า 425ºC (ในรายงานเรียกว่าอุณหภูมิ tempetature cut out หรือ TOC) และเมื่ออุณหภูมิสูงถึงระดับนี้ระบบจะหยุดการทำงานด้วยการหยุดการป้อนสารตั้งต้นและระบายความดันออกสูงระบบ flare แต่ยังคงทำการหมุนเวียนแก๊สไฮโดรเจนเพื่อช่วยระบายความร้อนออกจากาเบดตัวเร่งปฏิกิริยา

รูปที่ ๓ ผังการทำงานของหน่วยHydrocracker ที่เกิดการระเบิด ในรายงานไม่ได้กล่าวเอาไว้ว่า hydrotreating ทั้งสองหน่วย (V301 และ V302) ทำหน้าที่อะไร แต่เดาว่าตัวหนึ่งน่าจะเป็นหน่วยกำจัดสารประกอบกำมะถัน และอีกตัวหนึ่งเป็นหน่วยกำจัดสารประกอบไนโตรเจน

น้ำมันที่ออกจากกระบวนการ hydrocracking จะไหลผ่านระบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อนำกลับพลังงานความร้อนไปใช้ประโยชน์ ก่อนที่จะไหลเข้าสู่ถังแยกน้ำมัน-ไฮโดรเจนความดันสูงที่เป็นถังวางตั้งในแนวดิ่ง (V305) ที่อุณหภูมิประมาณ 50ºC ณ ถังแยกนี้แก๊สไฮโดรเจนจะลอยตัวขึ้นบนก่อนถูกคอมเพรสเซอร์ (C301) ดูดเพื่อนำกลับไปใช้ทำปฏิกิริยาใหม่พร้อมกับไฮโดรเจนที่ป้อนเข้ามาเพิ่มเติม ตัวคอมเพรสเซอร์ C301 นี้จะเกิดการสั่นอย่างรุนแรงถ้าหากผลต่างความดันระหว่างด้านขาเข้าและด้านขาออกนั้นมากเกินไป ดังนั้นถ้าพบว่าคอมเพรสเซอร์มีการสั่นมากเกินไปก็จะต้องหยุดการทำงานของคอมเพรสเซอร์เพื่อป้องกันความเสียทาย

centrifugal compressor ใช้การเพิ่มพลังงานจลน์ให้กับแก๊สที่ถูกเหวี่ยงออกไปจากใบพัด แล้วให้พลังงานจลน์ที่แก๊สได้รับไปนั้นเปลี่ยนเป็นความดันอีกทีหนึ่ง (แบบเดียวกันกับปั๊มหอยโข่ง) เนื่องจากความเร็วรอบการหมุนของใบพัดที่หมุนเหวี่ยงแก๊สออกไปนั้นคงที่ (ถ้าใช้ induction motor เป็นตัวขับเคลื่อนคอมเพรสเซอร์ ซึ่งส่วนใหญ่ก็ใช้กัน) ดังนั้นพลังงานจลน์ของแก๊สที่ถูกเหวี่ยงออกไปนั้นจึงขึ้นกับความหนาแน่นของแก๊ส ที่อุณหภูมิและความดันค่าหนึ่งความหนาแน่นของแก๊สจะเพิ่มตามน้ำหนักโมเลกุล แก๊สที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงจะมีพลังงานจลน์ที่สูงกว่าแก๊สที่มีน้ำหนักโมเลกุลที่ต่ำกว่า ดังนั้นถ้าหากออกแบบ centrifugal compressor ให้ทำงานกับแก๊สที่มีน้ำหนักโมเลกุลค่าหนึ่ง ถ้าหากแก๊สที่ไหลเข้ามานั้นมีน้ำหนักโมเลกุลที่ลดต่ำกว่าค่าที่ออกแบบไว้มากเกินไป ก็จะเกิดปัญหาในการทำงานของคอมเพรสเซอร์ตัวนั้นได้เพราะความดันของแก๊สที่ถูกเหวี่ยงออกไปที่ขอบใบพัดนั้นต่ำกว่าความดันด้านขาออก ปรากฏการณ์นี้จะทำให้แก๊สด้านขาออกมีการไหลย้อนเข้ามาในตัวใบพัด ในขณะที่ใบพัดพยายามที่จะเหวี่ยงแก๊สที่ดูดเข้ามานั้นออกไป ผลก็คือจะเกิดการสั่นอย่างรุนแรงขึ้นได้ที่เรียกว่าเกิด surging (ดูรูปที่ ๔ ข้างล่างประกอบ)

รูปที่ ๔ แก๊สไหลเข้า impeller ที่ตำแหน่ง 1 ซึ่งเป็นตำแหน่งที่แก๊สมีพลังงานจลน์ต่ำสุด และในขณะที่แก๊สไหลมาตามตัว impeller (ตำแหน่ง 2) แก๊สจะมีพลังงานจลน์เพิ่มมากขึ้นอันเป็นผลเนื่องจากการหมุนของ impeller และเมื่อไหลมาถึงตำแหน่ง 3 ที่เป็นทางออก แก๊สจะมีพลังงานจลน์มากที่สุด ถ้าหากพลังงานจลน์ของแก๊สที่ตำแหน่ง 3 นี้เมื่อเปลี่ยนเป็นความดันแล้วมีค่าสูงกว่าความดันต้านทานด้านขาออก แก๊สก็จะไหลออกจาก impeller ไปได้ แต่ถ้าพลังงานจลน์ของแก๊สที่ตำแหน่ง 3 นี้เมื่อเปลี่ยนเป็นความดันแล้วมีค่าต่ำกว่าความดันต้านทานด้านขาออก แก๊สด้านขาออกก็จะไหลย้อนเข้ามาในตัว impeller ได้ และเมื่อแก๊สด้านขาออกขยายตัวด้วยการไหลย้อนเข้ามาในตัว impeller ความดันต้านทานด้านขาออกก็จะลดต่ำลง แก๊สใน impeller ก็จะไหลออกไปยังด้านขาออกได้ใหม่ แก๊สด้านขาออกก็จะถูกอัดตัวอีกครั้งทำให้มีความดันสูงขึ้น และถ้าพลังงานจลน์ของแก๊สที่ตำแหน่ง 3 ไม่สามารถเอาชนะความดันด้านขาออกได้ ก็จะเกิดการไหลย้อนเข้ามาในตัว impeller ใหม่อีกครั้ง ถ้าปรากฏการณ์ไหลออก-ไหลย้อนนี้เกิดสลับไปมาเรื่อย ๆ ก็จะทำให้ตัว impeller เกิดการสั่นขึ้น (วาดขึ้นใหม่โดยอิงจาก https://www.enggcyclopedia.com/2012/01/centrifugal-compressor-surge/)

 

ในระหว่างขั้นตอน hydrotreating และ hydrocracking จะมีผลิตภัณฑ์ที่เป็นแก๊สเกิดขึ้นด้วย (ได้แก่ H₂S และไฮโดรคาร์บอนเบา) โดยแก๊สส่วนหนึ่งจะยังคงละลายอยู่ในส่วนที่เป็นของเหลว น้ำมันที่ผ่านการแยกเอาแก๊สออกที่ V305 จะไหลลงสู่ถังแยกน้ำมัน-ไฮโดรเจนความดันต่ำที่เป็นถังวางในแนวนอน (V306) ทำงานที่ความดันประมาณ 9 bar ที่ถังนี้จะมีแก๊สไฮโดรเจนและไฮโดรคาร์บอนเบาระเหยออกมาจากน้ำมันเพิ่มอีกอันเป็นผลจากความดันที่ลดต่ำลง ของเหลวที่ออกจากถังแยก V306 นี้จะถูกส่งเข้าระบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนก่อนป้อนเข้าสู่หน่วยกลั่นแยกเพื่อแยกเอาผลิตภัณฑ์ที่ได้ออก และนำกลับน้ำมันส่วนที่ยังไม่ทำปฏิกิริยามาทำปฏิกิริยาใหม่ ส่วนแก๊สที่ออกจากถังแยก V306 จะถูกส่งต่อไปยังหน่วยกำจัดกำมะถันต่อไป (กำมะถันควรอยู่ในรูปแก๊ส H₂S และใช้สารละลาย amine ที่เป็นเบสดักจับ)

รูปที่ ๕ รายละเอียดของถังแยกแก๊ส-ของเหลว V305 (ถังความดันสูง) และ V306 (ถังความดันต่ำ)

มาถึงจุดนี้ก็หวังว่าคงจะพอมองเห็นภาพการทำงานของหน่วย hydrocracker ของโรงงานนี้กันบ้างแล้ว ตอนต่อไปจะมาดูกันว่าก่อนเกิดการระเบิดนั้นมีเหตุการณ์อะไรเกิดขึ้นบ้าง