วันอังคารที่ 23 กรกฎาคม พ.ศ. 2562

ถังปฏิกรณ์ไม่อันตรายที่อันตราย MO Memoir : Tuesday 23 July 2562

ช่วงนี้อาจจะเห็นว่างเว้นการเขียน blog หน่อย อย่างแรกเป็นเพราะไม่ค่อยมีอะไรจะเขียน เพราะวิชาการความรู้ที่มีอยู่ก็เขียนไปเยอะแล้วตั้ง ๑๑ ปี อย่างที่สองเป็นเพราะมันมีอะไรต่อมิอะไรก็ไม่รู้ให้ทำเต็มไปหมด แม้ว่าจะยังไม่เปิดเรียนก็ตาม แต่ยังไงก็จะพยายามเขียนให้ได้สัปดาห์ละเรื่อง
 
อย่างเช่นเรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้มันเริ่มจากเมื่อสัปดาห์ที่แล้วผมได้มีโอกาสเข้าไปร่วมในอนุกรรมการพิจารณาร่างกฎหมายฉบับหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับงานของวิศวกรรมเคมี ร่างฉบับนี้มีการแบ่ง chemical reactor หรือที่กฎหมายไทยใช้คำว่า "ถังปฏิกรณ์" ออกเป็น ๓ แบบ คือ ถังปฏิกรณ์ทั่วไป ถังปฏิกรณ์อันตราย และถังปฏิกรณ์อันตรายสูง
 
คำว่า "ถังปฏิกรณ์" ในที่นี้ไม่ได้หมายเพียงแค่ถังปั่นกวน แต่ยังรวม "เครื่องปฏิกรณ์เคมี" ทุกรูปแบบรวมไปถึงรูปแบบที่เป็นท่อหรือ tubular reactor ด้วย ซึ่งตรงนี้มันจะถูกกำหนดไว้ในนิยามของคำว่า "ถังปฏิกรณ์" ที่อยู่ในข้อแรกของร่างกฎหมายว่าหมายถึงอะไร

รูปที่ ๑ ตัวอย่างรูปแบบการระบายความร้อน/ให้ความร้อนแก่เครื่องปฏิกรณ์ (ซ้าย) fixed-bed reactor หรือเบดนิ่ง (ขวา) multi-tubular reactor

ประเด็นที่เป็นที่ถกเถียงกันก็คือ จะใช้เกณฑ์อะไรเป็นตัวกำหนดว่าถังปฏิกรณ์ชนิดไหนเป็นถังปฏิกรณ์ธรรมดาหรือเป็นถังปฏิกรณ์อันตราย และเกณฑ์หนึ่งที่มีการตั้งเป็นตุ๊กตาขึ้นมาก่อนหน้านี้ก็คือพิจารณาจากความร้อนของปฏิกิริยา ว่าเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อนหรือปฏิกิริยาคายความร้อน โดยกำหนดว่าถ้าเป็นปฏิกิริยา "ดูดความร้อน" จะจัดให้เป็นถังปฏิกรณ์ธรรมดา แต่ถ้าเป็นปฏิกิริยา "คายความร้อน" จะจัดให้เป็นถังปฏิกรณ์อันตรายหรืออันตรายสูง ซึ่งขึ้นอยู่กับปริมาณความร้อนที่คายออกมา
 
ความเห็นแย้งของผมในที่ประชุมวันนั้นก็คือ การกำหนดว่าถ้าเป็นปฏิกิริยา "ดูดความร้อน" ก็จะเป็นถังปฏิกรณ์ไม่อันตราย ซึ่งผมเห็นว่าที่ถูกคือควรมีการนิยามคำว่า "อันตราย" ก่อนว่ามันคืออะไร
 
อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่สูงขึ้น (โดยไม่สนว่าเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อนหรือคายความร้อน) โดยแต่ละปฏิกิริยานั้นจำเป็นต้องมีอุณหภูมิขั้นต่ำขั้นหนึ่ง ปฏิกิริยาจึงจะเริ่มเกิดได้ รูปที่ ๑ เป็นตัวอย่างการจัดการความร้อนที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยา รูปซ้ายเป็นตัวอย่างหนึ่งของกรณี fixed-bed ที่ไม่มีการถ่ายเทความร้อนที่ตัว fixed-bed โดยตรง สารตั้งต้นจะถูกอุ่นให้ร้อนจนมีอุณหภูมิที่พอเหมาะที่สามารถเริ่มทำปฏิกิริยาได้ จากนั้นจึงไหลเข้าทำปฏิกิริยาใน fixed-bed ถ้าหากปฏิกิริยานั้นเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน เมื่อปฏิกิริยาดำเนินไปข้างหน้าเรื่อย ๆ อุณหภูมิก็จะลดต่ำลง จนปฏิกิริยาเกิดช้าหรือหยุดเกิด แต่ถ้าหากยังไม่ได้ค่า conversion ของสารตั้งต้นดังต้องการ ก็จะเอาเบดแรกนั้นมาอุ่นให้ร้อนใหม่ก่อนป้อนเข้าสู่เบดถัดไป ทำอย่างนี้ไปเรื่อย ๆ จนได้ค่า conversion สารตั้งต้นตามต้องการ
 
แต่ถ้าเป็นปฏิกิริยาคายความร้อนนั้น เมื่อปฏิกิริยาดำเนินไปข้างหน้า อุณหภูมิภายในเบดจะเพิ่มสูงขึ้น ทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น (แม้ว่าความเข้มข้นสารตั้งต้นจะลดลง) ถ้าอุณหภูมิในเบดสูงเกินไปก็อาจทำให้อัตราเร็วในการเกิดปฏิกิริยาอยู่นอกเหนือการควบคุม (ที่เรียกว่า runaway) ในกรณีนี้จะปล่อยให้สารตั้งต้นทำปฏิกิริยาจนอุณหภูมิเบดเพิ่มสูงถึงระดับหนึ่ง จากนั้นก็จะนำมาผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อดึงเอาความร้อนออก ก่อนจะป้อนเข้าสู่เบดถัดไปเพื่อให้ได้ค่า conversion สารตั้งต้นดังต้องการ
 
แต่ถ้าเป็นปฏิกิริยาที่คายความร้อนสูงมาก (เช่นปฏิกิริยา gas phase partial oxidation สารไฮโดรคาร์บอนไปเป็น oxygenate) รูปแบบที่กล่าวมาข้างต้นนั้นจะไม่สามารถระบายความร้อนได้ทัน ในกรณีนี้จำเป็นต้องมีการดึงเอาความร้อนออกจากตัวเบดโดยตรงเพื่อไม่ให้อุณหภูมิของตัวเบดสูงเกินไป รูปขวาในรูปที่ ๑ เป็นตัวอย่างกรณีของ multi-tubular reactor ที่มีลักษณะเหมือน shell and tube heatexchanger ขนาดใหญ่ โดย tube ต่าง ๆ ก็คือ fixed-bed ส่วนด้าน shell นั้นจะเป็นด้านของของเหลวระบายความร้อน

รูปที่ ๒ ปฏิกิริยาที่ต้องการพลังงานกระตุ้นมากหรือดูดความร้อนมาก เช่นปฏิกิริยา steam reforming หรือ thermal cracking ต่าง ๆ จะให้ความร้อนแก่สารตั้งต้นด้วยการใช้เปลวไฟ โดยสารตั้งต้นจะไหลอยู่ในท่อที่มีเปลวไฟให้ความร้อนอยู่ภายนอก (แต่ต้องระวังไม่ให้เปลวไฟสัมผัสกับท่อนั้นโดยตรง)

ในกรณีของปฏิกิริยาที่ต้องการพลังงานกระตุ้นสูงหรือดูดความร้อนมากนั้น การให้ความร้อนด้วย heating media จะทำไม่ได้เนื่องจากมีอุณหภูมิไม่สูงพอ ในกรณีเช่นนี้ก็จะใช้การให้ความร้อนด้วยเปลวไฟ โดยสารตั้งต้นจะไหลอยู่ในท่อที่ติดตั้งอยู่ใน furnace และมีเปลวไฟให้ความร้อนอยู่ภายนอกท่อ ปฏิกิริยารูปแบบนี้อาจมีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาก็ได้ (เช่นปฏิกิริยา steam reforming) หรือไม่มีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา (เช่นพวก thermal cracking ต่าง ๆ) อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาอยู่ได้ในช่วงตั้งแต่ระดับ 400 ไปจนถึงระดับ 1000ºC
 
อันตรายหนึ่งที่สำคัญของเครื่องปฏิกรณ์รูปแบบนี้คือเฟสที่ไหลอยู่ในท่อนั้นเป็น "แก๊ส" ไม่ใช่ "ของเหลว" แก๊สนั้นรับความร้อนได้แย่กว่าของเหลวมาก ตรงนี้ลองนึกภาพถ้าคุณเอาหม้อเคลือบเทฟลอนใส่น้ำไปต้มบนเตาแก๊ส ไม่ว่าคุณจะเปิดแก๊สให้ความร้อนที่ก้นหม้อแรงเท่าใด เทฟลอนที่เคลือบผิวหม้อนั้นจะไม่เป็นอะไร เพราะมันจะมีอุณหภูมิที่จุดเดือดของน้ำ แต่ถ้าน้ำแห้งเมื่อใด เทฟลอนจะไหม้ได้ ด้วยเหตุนี้เครื่องปฏิกรณ์ในรูปแบบนี้จึงต้องระวังไม่ให้เปลวไฟสัมผัสกับผิวท่อโดยตรง เพราะจะทำให้โลหะตรงจุดนั้นร้อนจัด จนอาจเกิดการฉีกขาดตามมาได้
 
และเมื่อสารตั้งต้นที่ไหลอยู่ในท่อนั้นเป็นสารที่ติดไฟได้ เมื่อรั่วออกมาเจอกับเปลวไฟที่อยู่ข้างนอก ก็คงจะจินตนาการได้ไม่ยากว่าจะเกิดอะไรขึ้นตามมา
 
ด้วยเหตุนี้ผมจึงเสนอความเห็นแย้งในที่ประชุมวันนั้นว่า การมองแต่เพียงว่าปฏิกิริยาดูดความร้อนนั้นมันมีแนวโน้มที่จะหยุดตนเอง ดังนั้นเครื่องปฏิกรณ์ที่เกิดปฏิกิริยาดูดความร้อนนั้นจัดเป็นเครื่องปฏิกรณ์ธรรมดาที่ไม่อันตราย จึงเป็นสิ่งที่ไม่ถูกต้อง สิ่งสำคัญกว่าก็คือรูปแบบการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์นั้นว่ามันมี "อันตราย" สูงหรือไม่ ซึ่งตรงนี้การจำแนกประเภทนั้นจึงควรพิจารณานิยามของคำว่า "อันตราย" ก่อนว่าจะให้ครอบคลุมแค่ไหน จะพิจารณาในแง่ ความเสี่ยงที่จะเกิดการรั่วไหล (โดยไม่พิจารณาถึงสารที่อยู่ข้างใน) อันตรายที่อาจเกิดขึ้นถ้าหากเกิดการรั่วไหล ความเสี่ยงที่จะเกิดการ runaway ฯลฯ เพราะจากตัวอย่างที่ยกมานี้ก็เห็นได้ชัดว่าเครื่องปฏิกรณ์ปฏิกิริยาดูดความร้อนนั้นใฃ่ว่าจะไม่อันตรายเสมอไป

อันที่จริงแล้วยังมีประเด็นอื่นอีกที่ผมเห็นว่าไม่เหมาะสมที่จะนำมาใช้เป็นเกณฑ์ในการจำแนกความอันตรายของถังปฏิกิริยา ถ้าหากมีโอกาสก็จะนำมาเล่าให้ฟัง 
  
กฎหมายฉบับนี้ขณะนี้อยู่ในระหว่างการร่างและปรับแก้ สุดท้ายแล้วจะออกมาอย่างไรนั้นก็คงต้องคอยดูกันต่อไป ที่ผมแปลกใจอย่างหนึ่งเกี่ยวกับร่างกฎหมายฉบับนี้ก็คือ ดูเหมือนตามกฎหมายเดิมนั้นคนทำงานเขาก็ทำงานกันได้โดยไม่มีปัญหาอะไร แล้วอยู่ดี ๆ มีการนำเสนอร่างกฎหมายใหม่มาเพื่อให้เขาทำงานได้ยากขึ้น แถมไปเชิญเขามาร่วมเขียนอีก ผมจึงไม่แปลกใจที่จะเห็นคนทำงานนั้นเขาไม่ค่อยอยากจะให้ความร่วมมือในการออกร่างกฎหมายฉบับนี้เท่าใดนั้น

ไม่มีความคิดเห็น: