ถังปฏิกรณ์ผลิต phenol formaldehyde resin ระเบิดจากปฏิกิริยา runaway MO Memoir : Wednesday 25 December 2567

ความแตกต่างข้อหนึ่งระหว่างวิศวกรเคมีกับนักเคมีคือ อะไรที่นักเคมีดูแล้วไม่เห็นมีปัญหาอะไรกับการทำปฏิกิริยาในห้องปฏิบัติการ สามารถกลายเป็นเรื่องใหญ่ได้สำหรับวิศวกรเคมีเมื่อต้องขยายขนาดการทำปฏิกิริยา ซึ่งส่งผลให้ต้องปรับเปลี่ยนขั้นตอนปฏิบัติในการทำปฏิกิริยา อย่างเช่นการสังเคราะห์ฟีนอลฟอร์มัลดีไฮด์เรซิน

ฟีนอล (Phenol - C₆H₅-OH) และฟอร์มัลดีไฮด์ (Fromaldehdye HC(O)H) สามารถทำปฏิกิริยาควบแน่นเข้าด้วยกันเป็นพอลิเมอร์ที่เรียกว่า Bakelite (หรือ Phenol-Formaldehyde resin) ซึ่งจัดเป็นพลาสติกสังเคราะห์ตัวแรก ปฏิกิริยาจะเกิดได้ดีเมื่อมีกรดแก่ (H⁺) หรือเบสแก่ (OH^-) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา และมีการให้ความร้อนช่วยเร่งอัตราการเกิดปฏิกิริยา แต่ผลิตภัณฑ์ที่ได้จะมีคุณสมบัติแตกต่างกันอยู่ ถ้าใช้กรดจะได้ผลิตภัณฑ์ชื่อว่า Novolak แต่ถ้าใช้เบสจะได้ผลิตภัณฑ์ชื่อ Resol (ต่างกันตรงมีหมู่ -CH₂OH เกาะอยู่หรือไม่)

รูปที่ ๑ การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นกรดหรือเบสในการสังเคราะห์ phenol formaldehyde resin จะได้ผลิตภัณฑ์ที่มีความแตกต่างกันอยู่ การใช้เบสจะใช้สัดส่วนฟอร์มัลดีไฮด์มากกว่าฟีนอล ในขณะที่การใช้กรดจะใช้สัดส่วนฟอร์มัลดีไฮด์น้อยกว่าฟีนอล (รูปนี้นำมาจาก 'Handbook of Thermosetting Foams, Aerogel, and Hydrogels. From Fundamentals to Advanced Applications 2024, Chapter 16 - Phenolic resins: Preparation, structure, properties, and applications, หน้า ๓๘๓-๔๒๐)

หมู่ -OH ของฟีนอลมีฤทธิ์เป็นกรด เมื่อมีเบส OH^- อยู่ ไอออน OH^- นี้จะไปดึงโปรตอนออกจากหมู่ -OH ของฟีนอล ทำให้ฟีนอลกลายเป็น phenoxide ion (C₆H₅-O^-) ที่มีอิเล็กตรอนหนาแน่นมากขึ้นไปอีก อะตอม C ที่มีความเป็นขั้วบวกของฟอร์มัลดีไฮด์จึงเข้ามาสร้างพันธะได้ง่ายขึ้น แต่ในกรณีที่ใช้กรด H⁺ เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ไอออน H⁺ เข้าไปเกาะกับอะตอม O ของหมู่คาร์บอนิลของฟอร์มัลดีไฮด์ ซึ่งจะไปเพิ่มการดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอม C ทำให้ความเป็นขั้วบวกของอะตอม C ของฟอร์มัลดีไฮด์เพิ่มสูงขึ้น สามารถเข้าไปดึงอิเล็กตรอนจากวงแหวนเบนซีนของฟีนอลได้ดีขึ้น

การสลายพันธะเดิมเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อนในขณะที่การสร้างพันธะขึ้นมาใหม่เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ดังนั้นภาพรวมทั้งหมดของการเกิดปฏิกิริยา (ที่ประกอบด้วยการสลายพันธะเดิมและการสร้างพันธะใหม่) จะเป็นปฏิกิริยาดูดหรือคายความร้อนนั้นก็ขึ้นอยู่กับความขั้นตอนไหนมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานมากกว่ากัน สำหรับปฏิกิริยาการเกิดพอลิเมอร์แล้ว ภาพรวมของปฏิกิริยาจะเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน

ที่สำคัญคือปฏิกิริยาคายความร้อนนั้นสามารถเร่งตัวเองได้ถ้าระบายความร้อนออกไปไม่ทัน เพราะความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมาจะไปเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยา ซึ่งจะไปเร่งอัตราการคายความร้อนให้สูงเพิ่มขึ้นไปอีก

รูปที่ ๒ คู่มือการทำการทดลองการสังเคราะห์ phenol-formaldehyde resin สำหรับปฏิบัติการเคมีของสถาบันการศึกษาแห่งหนึ่ง (ดาวน์โหลดมาจากอินเทอร์เน็ต)

รูปที่ ๒ เป็นคู่มือการสังเคราะห์ฟีนอลฟอร์มัลดีไฮด์เรซินที่ใช้กรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา สำหรับนิสิตระดับปริญญาตรีของมหาวิทยาลัยแห่งหนึ่งในต่างประเทศ (ที่ค้นดูพบหลายอัน แต่มีวิธีการทำการทดลองแบบเดียวกัน) โดยมีขั้นตอนดังนี้

1. เติมกรดอะซิติกบริสุทธิ์ (glacial acetic acid) 5 ml และสารละลายฟอร์มัลดีไฮด์เข้มข้น 40% (ในน้ำ) 2.5 ml ในบีกเกอร์ขนาด 100 ml จากนั้นเติมฟีนอล 2 g

ฟอร์มัลดีไฮด์บริสุทธิ์เป็นแก๊สที่อุณหภูมิห้อง ที่เราใช้กันนั้นจะเป็นสารละลายในน้ำ ส่วนฟีนอลนั้นเป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้อง แต่ถ้าอุ่นให้ร้อนสักนิดก็จะกลายเป็นของเหลว ส่วนกรดอะซิติกนั้นทำหน้าที่เป็นตัวทำละลาย

2. หุ้มห่อบีกเกอร์ด้วยผ้าเปียก หรือวางลงในบีกเกอร์ขนาด 250 ml ที่มีน้ำปริมาณเล็กน้อยอยู่ภายใน

เหตุผลคือถ้ามีน้ำมากไป บีกเกอร์ 100 ml มันจะลอยน้ำ น้ำและผ้าเปียกทำหน้าที่เป็นตัวรับความร้อนของปฏิกิริยา

3. เติมกรดไฮโดรคลอริก (HCl) เข้มข้นทีละหยด พร้อมทั้งใช้แท่งแก้วปั่นกวนอย่างรุนแรงจะเกิดสารที่มีลักษณะคล้ายยางสีชมพู

กรดไฮโดรคลอริกที่เป็นกรดแก่นี้ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา การปั่นกวนก็เพื่อทำให้กรดที่หยดลงไปนั้นกระจายไปทั่วถึงทั้งบีกเกอร์ สารตั้งต้นที่อยู่นอกบริเวณที่หยดกรดลงไปจะได้สามารถเกิดปฏิกิริยาได้ ในคู่มือต่าง ๆ ที่สืบค้นได้นั้นไม่ได้ให้รายละเอียดว่าให้หยดกรดลงไปเท่าใด

4. ล้างสารสีชมพูที่ได้นั้นหลายครั้ง เพื่อกำจัดความเป็นกรดให้หมดไป

คู่มือไม่ได้บอกว่าใช้ของเหลวอะไรล้าง แต่ดูแล้วน่าจะเป็นน้ำกลั่น

5. นำผลิตภัณฑ์ที่ได้ไปกรองและชั่งน้ำหนัก แล้วคำนวณหาผลได้ (น้ำหนักผลิตภัณฑ์ที่ได้ต่อน้ำหน้กสารตั้งต้นที่ใช้)

วิธีการทำปฏิกิริยาข้างต้นเหมาะสำหรับการเตรียมในปริมาณน้อย ๆ เพื่อการเรียนการสอนในห้องปฏิบัติการ แต่ไม่เหมาะสำหรับการเตรียมในปริมาณมากตรงประเด็นที่ว่า "ทำการผสมสารตั้งต้นทั้งหมดเข้ากันก่อน แล้วจึงค่อยเติมตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อให้ปฏิกิริยาเกิด"

ปฏิกิริยาคายความร้อนระหว่างสารตั้งต้นสองตัวที่มีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาทำให้ปฏิกิริยาเกิดนั้น สิ่งสำคัญคือต้องสามารถควบคุมอุณหภูมิของระบบได้ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือต้องสามารถระบายความร้อนที่เกิดขึ้นได้ทันเวลาเพื่อป้องกันไม่ให้ปฏิกิริยาเร่งตนเองจนอยู่นอกเหนือการควบคุมที่เรียกกันว่า runaway ซึ่งถ้าปฏิกิริยาเกิดการ runaway เมื่อใด ความร้อนที่คายออกมาจะทำให้สารในถังปฏิกรณ์ (ที่มักเป็นถังปิด) เดือดกลายเป็นไออย่างรวดเร็วหรือเกิดการสลายตัวตามมา ทำให้ความดันในถังปฏิกรณ์นั้นสูงจนถังระเบิดได้

ในกรณีที่ผสมสารตั้งต้นทั้งหมดเข้าด้วยกัน แล้วเติมตัวเร่งปฏิกิริยาลงไปเพื่อให้ปฏิกิริยาเกิดนั้น แม้ว่าจะหยุดการเติมตัวเร่งปฏิกิริยา ปฏิกิริยาก็จะไม่หยุดเพราะตัวเร่งปฏิกิริยาที่เติมไปก่อนหน้าจะยังทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาอยู่ ดังนั้นการควบคุมอัตราการเกิดปฏิกิริยาจะไปตกที่ความสามารถในการระบายความร้อนออกเพียงอย่างเดียว

รูปที่ ๓ ตัวอย่างถังปฏิกรณ์ที่ใช้ในการผลิต phenol formaldehyde resin ที่ใช้ในระดับอุตสาหกรรม (รูปนี้นำมาจากเอกสารเดียวกับรูปที่ ๑)

วิธีการที่ปลอดภัยกว่าที่ใช้กันในอุตสาหกรรมคือ ทำการเติมสารตั้งต้นเพียงตัวใดตัวหนึ่งเข้าไปในถังปฏิกรณ์ก่อน (ถ้ามีการใช้ตัวทำละลายก็มักจะเติมตัวทำละลายเข้าไปก่อน) ทำการเติมตัวเร่งปฏิกิริยา แล้วทำการผสมสารผสมในถังปฏิกรณ์ให้เป็นเนื้อเดียวกัน จากนั้นจึงค่อย ๆ เติมสารตั้งต้นตัวที่สองเข้าไปอย่างช้า ๆ เพื่อให้เกิดความร้อนทีละไม่มากเพื่อที่จะได้สามารถระบายออกได้ทัน ถ้าพบว่าอุณหภูมิมีแนวโน้มจะเพิ่มสูงเกินไป ก็จะหยุดการเติมสารตั้งต้นตัวที่สอง ปฏิกิริยาก็จะหยุด (เว้นแต่ว่าจะมีปฏิกิริยาข้างเคียงเกิด เช่นการสลายตัวของสารที่อยู่ในถัง ซึ่งถ้าเป็บแบบนี้ล่ะก็ แม้ว่าจะหยุดการเติมสารตั้งต้นตัวที่สอง อุณหภูมิในถังก็จะยังเพิ่มสูงขึ้นอยู่ดี)

รูปที่ ๓ เป็นตัวอย่างถังปฏิกรณ์ที่ใช้ในการสังเคราะห์ฟีนอลฟอร์มัลดีไฮด์เรซิน ในการสังเคราะห์แบบกะ (batch process) นั้น จะทำการเติมตัวทำละลายเข้าไปในถังก่อน จากนั้นเติมฟีนอลและตัวเร่งปฏิกิริยา เมื่อผสมสารในถังเป็นเนื้อเดียวกันแล้วก็จะค่อย ๆ เติมฟอร์มัลดีไฮด์ลงไปอย่างช้า ๆ พร้อมกับอุ่นสารในถังให้ร้อนขึ้นด้วยไอน้ำที่ไหลอยู่ใน jacket รอบนอกของถัง ช่วงนี้เป็นช่วงการเพิ่มอุณหภูมิเพื่อให้ปฏิกิริยาเริ่มเกิด และเมื่ออุณหภูมิสูงเพียงพอก็จะทำการเปลี่ยนจากไอน้ำเป็นน้ำหล่อเย็นเพื่อหยุดการเพิ่มอุณหภูมิ ความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมานั้นส่วนหนึ่งระบายออกทางน้ำหล่อเย็นที่ไหลผ่านด้านนอก และอีกส่วนอาศัยการระเหยของตัวทำละลายที่จะไปควบแน่นเป็นของเหลวใหม่ที่เครื่องควบแน่น (conderser) และไหลกลับลงสู่ถังปฏิกรณ์เพื่อมารับความร้อนใหม่

พึงสังเกตว่าเส้นทางตัวทำละลายไหลกลับลงถังปฏิกรณ์ B-A นั้นมีส่วนของท่อที่ขดเป็นรูปตัว U อยู่ ท่อรูปตัว U ตรงตำแหน่งนี้มีไว้เพื่อกักเก็บตัวทำละลายทึ่ควบแน่นเพื่อป้องกันไม่ให้ไอระเหยในถังไหลเข้าสู่เครื่องควบแน่นทางเส้นทางนี้ได้ ดังนั้นไอระเหยของตัวทำละลายจะต้องไหลเข้าเครื่องควบแน่นทางด้านบน และเมื่อควบแน่นเป็นของเหลวแล้วจะไหลลงสู่ด้านล่างกลับเข้าสู่ถังปฏิกรณ์ทางเส้นทาง B-A ขนาดความสูงของท่อรูปตัว U นี้ต้องมากพอที่จะทำให้ความดันที่เกิดจากความสูงของของเหลวในท่อนั้นสูงกว่าความดันในถังปฏิกรณ์ เพราะถ้าความดันตรงนี้ไม่มากพอที่จะป้องกันการไหลของไอระเหยได้ ไอระเหยจะสามารถไหลเข้าสู่เครื่องควบแน่นทางด้านล่าง ทำให้ของเหลวที่ควบแน่นนั้นค้างอยู่ในเครื่องควบแน่น ประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องควบแน่นจะลดต่ำลงมากจนไม่สามารถระบายความร้อนได้ถ้ามีของเหลวท่วมเต็ม (อ่านเรื่องการระเบิดที่เกิดจากของเหลวท่วมเครื่องควบแน่นได้ในบทความเรื่อง "VCE case 2 แก๊สรั่วจากปฏิกิริยา runaway 2549(2006)" ใน Memoir ฉบับวันอาทิตย์ที่ ๖ มกราคม พ.ศ. ๒๕๖๒)

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากบทความเรื่อง "How to Prevent Runaway Reaction. Case Study: Phenol-Fromaldehyde Hazards" จากเอกสาร Chemicla Safety Case Study เผยแพร่ในเดือนสิงหาคม ค.ศ. ๑๙๙๙ (พ.ศ. ๒๕๔๒) จัดทำโดย United States Environmental Protection Agency (EPA) เป็นการระเบิดของโรงงานที่มลรัฐ Ohio ประเทศสหรัฐอเมริกาเมื่อวันที่ ๑๐ กันยายน ค.ศ. ๑๙๙๗ (พ.ศ. ๒๕๔๐) เมื่อเวลาประมาณ ๑๐.๔๒ น

การระเบิดเกิดที่ถังปฏิกรณ์ขนาด 8000 แกลลอน การสอบสวนพบว่าสาเหตุเกิดจากการที่โอเปอร์เรเตอร์ไม่ได้ปฏิบัติตามขั้นตอนการทำงานปรกติ โดยโอเปอร์เรเตอร์ได้ทำการเติมสารตั้งต้นทั้งหมดและตัวเร่งปฏิกิริยาเข้าไปในถังปฏิกรณ์ก่อน จากนั้นจึงให้ความร้อนด้วยไอน้ำ ทำให้เมื่อปฏิกิริยาเกิดขึ้นแล้วนั้น ปริมาณความร้อนที่คายออกมาสูงเกินกว่าความสามารถที่ระบบจะระบายออกไปได้ ความดันในถังเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็วเกินกว่าความสามารถของระบบระบายความดันจะระบายได้ทันเวลา และเมื่อถังไม่สามารถรับความดันได้จึงเกิดการระเบิด ชิ้นส่วนฝาด้านบนของถังนั้นปลิวไปไกลกว่า 400 ฟุต (ก็ประมาณ 120 เมตร หรือข้ามสนามฟุตบอลตามแนวยาวได้)

เรื่องนี้ก็น่าจะจัดเป็นตัวอย่างได้ว่า งานของวิศวกรเคมีที่ต้องออกแบบขั้นตอนการทำงานสำหรับระบบขนาดใหญ่นั้นแตกต่างจากการออกแบบขั้นตอนการทำงานที่ใช้กันในระดับห้องปฏิบัติการอย่างไร

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสำหรับเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ MO Memoir : Friday 20 December 2567

ใน EU List มีการระบุชนิดเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (Heat exchanger) ที่จัดว่าเป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทางไว้หลายที่ แต่เท่าที่สังเกตดูเห็นว่าพอจะจัดออกได้เป็น 3 กลุ่มดังนี้

กลุ่มแรกเป็นพวกที่ใช้กับการแยกไอโซโทปยูเรเนียม เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในกลุ่มนี้จะกระจายอยู่ในหัวข้อหลัก 0B001 คุณลักษณะหลักคือทำจากวัสดุทนการกัดกร่อน การรั่วไหลต่ำ (เพราะทำงานกับสารกัมมันตภาพรังสี และไม่ได้ทำงานที่อุณหภูมิและความดันสูง

กลุ่มที่สองเป็นพวกที่ใช้กับสารเคมีที่มีการกัดกร่อนสูง เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในกลุ่มนี้อยู่ในหัวข้อ 2B350.d คุณลักษณะจะเน้นไปที่การทำจากวัสดุที่ทนการกัดกร่อนสูง (โดยเฉพาะจากแก๊สฟลูออรีนและไฮโดรเจนฟลูออไรด์ที่ใช้ในการผลิตอาวุธเคมี และใช้ในการสกัดไอโซโทปยูเรเนียม) แต่กำหนดขนาดพื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนไว้สูงสุดเพียงแค่ 20 m²

กลุ่มที่สk,เป็นพวกที่ใช้กับเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เช่นในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในกลุ่มนี้อยู่ในหัวข้อ 0A001.i (รูปที่ ๑) เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนกลุ่มนี้จะทำงานที่อุณหภูมิและความดันที่สูง และมีขนาดใหญ่

รูปที่ ๑ คุณลักษณะเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่เป็นสินค้าควบคุมเพราะออกแบบมาเพื่อใช้กับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

Shell and Tube Heat Exchanger เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่สามารถเรียกได้ว่าใช้งานกันมากที่สุดในอุตสาหกรรม เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดนี้ทำหน้าที่ส่งผ่านความร้อนจากของไหล (ของเหลวหรือแก๊ส) ที่มีอุณหภูมิสูง (เพื่อลดอุณหภูมิของมัน) ไปยังของไหล (ของเหลวหรือแก๊ส) ที่มีอุณหภูมิต่ำ (เพื่อเพิ่มอุณหภูมิของมัน) โดยของไหลตัวหนึ่งจะไหลอยู่ในท่อ และมีของไหลอีกตัวหนึ่งไหลผ่านรอบนอกท่อ ส่วนที่ว่าจะให้ของไหลตัวไหนไหลด้านในด้านนอกท่อนั้นก็ขึ้นอยู่กับกระบวนการ เช่นถ้าเป็นการต้มน้ำให้เดือดกลายเป็นไอน้ำ ก็มักจะให้ของไหลที่ร้อนนั้นไหลด้านในท่อ แต่ถ้าเป็นการควบแน่นไอน้ำให้กลายเป็นของเหลว ก็มักจะให้ของไหลที่ร้อนนั้นไหลอยู่ด้านนอกท่อ (ตรงนี้อย่าไปยึดติดว่ามันต้องเป็นอย่างนี้ตลอดนะ เพราะบางทีมันก็สลับกันได้ ต้องดูที่ตัวกระบวนการเป็นหลัก)

ในหัวข้อ 0A001.i (รูปที่ ๑) นั้น มีการกล่าวถึงการใช้งานกับ "primary" กับ "intermediate" coolant circuit ของเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ซึ่งเป็นตัวทำให้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด Shell and Tube ที่ใช้กับเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์นี้แตกต่างไปจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเดียวกันที่ไม่ได้ใช้กับเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ดังนั้นเพื่อที่จะเข้าใจว่าทำไมมันจึงแตกต่างกัน เราจึงควรมาทำความรู้จักกับการผลิตไอน้ำโดยอาศัยความร้อนจากเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์กันก่อนดีกว่า

รูปที่ ๒ แผนผังกระบวนการผลิตไฟฟ้าจากเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ชนิด Pressurized Water Reactor (PWR) ที่ใช้น้ำภายใต้ความดันสูงเป็นตัวระบายความร้อนของเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์

รูปที่ ๒-๔ นำมาจากเอกสารเรื่อง "Heat Exchangers in Nuclear Power Plants" โดย George T. Lewis Jr. และคณะ ตีพิมพ์ในวารสาร Advances in Nuclear Science and Technology, Vol. 2, ปีค.ศ. 1964 sohk 41-106 แม้ว่าเอกสารนี้จะเก่ามากเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีปัจจุบัน แต่มันก็อยู่ในยุคที่การผลิตไฟฟ้าจากเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์อยู่ในช่วงที่กำลังพัฒนา เนื้อหาในบทความจึงทำให้เห็นว่าในระหว่างการพัฒนานั้นมีการประสบและ/หรือเล็งเห็นปัญหาอะไรบ้าง จึงทำให้เกิดกฎเกณฑ์ต่าง ๆ ตามมา ตรงนี้ทำให้แตกต่างจากบทความที่มีการเผยแพร่กันภายหลัง ที่มักจะละสิ่งที่จะอธิบายว่าทำไมต้องมีกฎเกณฑ์เหล่านี้ หรือบอกแต่เพียงว่าว่าต้องทำอย่างนั้นอย่างนี้โดยไม่ได้ให้คำอธิบายว่าทำไม

เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่เราใช้กันอยู่อาศัยปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันทำให้เกิดความร้อน เมื่อเตาปฏิกรณ์ร้อนก็ต้องใช้ของไหลมาระบายความร้อนออกจากเตาปฏิกรณ์เพื่อป้องกันไม่ให้เตาปฏิกรณ์ร้อนจัดจนเกิดความเสียหายได้ ของไหลที่ใช้ก็มีทั้งแก๊สและของเหลว เช่น Air Cooled Nuclear Reactor ที่ใช้อากาศเป็นตัวระบายความร้อน, Pressurized Water Reactor (PWR) ที่ใช้น้ำภายใต้ความดันสูง (เพื่อให้น้ำนั้นคงสถานะเป็นของเหลว) เป็นตัวระบายความร้อน, Liquid Metal Cooled Nuclear Rector (LMR) ที่ใช้โลหะที่มีจุดหลอมเหลวต่ำ (ปรกติก็มักจะเป็นโซเดียม) เป็นตัวระบายความร้อน PWR มีข้อดีคือน้ำเป็นสารที่ไม่อันตราย แต่ต้องใข้ความดันที่สูงในการคุมให้น้ำยังคงมีสถานะเป็นของเหลว ส่วนข้อดีของ LMR คือไม่ต้องใช้ความดันที่สูงในการทำให้โลหะนั้นไม่เดือดกลายเป็นไอ (จุดหลอมเหลวของโซเดียมอยู่ที่ประมาณ 98ºC)

รูปที่ ๒ เป็นแผนผังกระบวนการผลิตไฟฟ้าจากเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ชนิด Pressurized Water Reactor (PWR) เนื่องจากน้ำมีอุณภูมิวิกฤต (critical temperature) ที่ 374ºC ดังนั้นอุณหภูมิของน้ำร้อนจึงถูกจำกัดไว้ไม่เกินค่านี้ (ส่วนที่ว่าจะได้อุณหภูมิสูงเท่าใดนั้นก็ขึ้นอยู่กับว่าใช้ความดันเท่าใด ถ้าต้องการน้ำร้อนอุณหภูมิสูงขึ้นก็ต้องใช้ความดันสูงขึ้นตาม) น้ำร้อนนี้จะไปถ่ายเทความร้อนให้กับ Steam generator เพื่อผลิตไอน้ำไปขับเคลื่อนกังหันไอน้ำ จากนั้นจึงกลับมารับความร้อนที่เครื่องปฏิกรณ์ใหม่ วงรอบการไหลนี้ก็คือ "Primary coolant circuit"

เหตุผลที่ไม่ใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ต้มน้ำให้เดือดเป็นไอแล้วไปขับกังหันไอน้ำโดยตรงก็เพราะ น้ำที่ไหลในวงรอบนี้สัมผัสกับแท่งเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ จึงมีสารกัมมันตภาพรังสีปะปน การจำกัดวงรอบการไหลเวียนจึงเป็นการจำกับบริเวณที่สัมผัสกับสารกัมมันตภาพรังสี

ไอน้ำที่ Steam generator ผลิตขึ้นเป็นไอน้ำอิ่มตัว (saturated steam) mujอาจถูกนำไปใช้ขับเคลื่อนกังหันไอน้ำโดยตรง หรือมีการติดตั้งหน่วยให้ความร้อนเพิ่มเติม (จากพลังงานฟอสซิล) เพื่อทำให้มันเป็นไอร้อนยิ่งยวด (superheated steam) ก่อนขับเคลื่อนกังหันไอน้ำ เมื่อไอน้ำออกจากกังหันไอน้ำแล้วก็ไหลเข้าสู่ Vacuum condenser ที่มีน้ำหล่อเย็นมาระบายความร้อนออก ทำให้ไอน้ำควบแน่นกลายเป็นของเหลวก่อนถูกสูบกลับไปรับความร้อนที่ steam generator ใหม่อีกครั้ง

ถ้าทุกอย่างปรกติ น้ำในวงรอบการไหลนี้ไม่ควรจะมีสารกัมมันภาพรังสีปนเปื้อน เว้นแต่ว่า steam generator เกิดการรั่วไหล ก็จะทำให้น้ำในวงรอบการไหลนี้มีการปนเปื้อนได้ เพราะความดันใน Primary coolant circuit นั้นมีค่าสูงกว่า

รูปที่ ๓ แผนผังกระบวนการผลิตไฟฟ้าจากเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ชนิด Liquid Metal Reactor (LMR) ที่ใช้โลหะโซเดียมหลอมเหลวเป็นตัวระบายความร้อนของเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์

รูปที่ ๓ เป็นแผนผังกระบวนการผลิตไฟฟ้าจากเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ชนิด Liquid Metal Reactor (LMR) ที่ใช้โลหะโซเดียมหลอมเหลวเป็นตัวระบายความร้อนของเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ในรูปแบบนี้ความร้อนที่โซเดียมเหลวรับมาจากเครื่องปฏิกรณ์นั้น (Primary sodium coolant loop) ไม่ได้ถ่ายเทให้กับน้ำโดยตรง แต่จะถ่ายเทให้กับโลหะโซเดียมเหลวใน Secondary sodium coolant loop ซึ่งโลหะโซเดียมเหลวในวงรอบการไหลที่สองนี้จะถ่ายเทความร้อนให้กับน้ำเพื่อผลิตไอน้ำอีกที การที่ต้องมี coolant loop ที่สองเข้ามาก็เพราะโซเดียมกับน้ำทำปฏิกิริยากันรุนแรง ถ้าให้น้ำรับความร้อนจาก primary loop โดยตรง และถ้าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเกิดการรั่วไหล น้ำก็จะไหลเข้าไปทำปฏิกิริยากับโซเดียมเหลวใน primary loop ที่ปนเปื้อนสารกัมมันตภาพรังสี (ความดันฝั่งน้ำจะสูงกว่าฝั่งโลหะโซเดียม)

แต่ไม่ว่าจะเป็นแบบไหนก็ตาม เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้ใน primary coolant loop ควรมีโอกาสที่จะเกิดการรั่วไหลต่ำที่สุดเท่าที่จะทำได้

รูปที่ ๔ เหตุผลที่ว่าทำไมเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด Shell and Tube ที่ใช้ใน Primary coolant จึงมีราคาสูง

การป้องกันเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนไม่ให้เกิดการรั่วไหลขึ้นอยู่กับการประกอบชิ้นส่วนต่าง ๆ เข้าด้วยกัน และการควบคุมคุณภาพของไหลที่ไหลในแต่ละฝั่งที่อาจทำให้เกิดการกัดกร่อนทางเคมีจากสิ่งปนเปื้อนที่อยู่ในของไหลนั้นได้ (คือตัวของไหลเองนั้นไม่มีปัญหาใด ๆ กับวัสดุ (เช่นน้ำกับเหล็กกล้าไร้สนิม) แต่สิ่งที่ปนเปื้อนในของไหล (เช่นไอออนบางชนิดในน้ำ) สามารถทำให้วัสดุที่ของไหลนั้นสัมผัสเกิดการผุกร่อนได้) ในส่วนนี้เป็นส่วนที่การออกแบบทั่วไปมีการคำนึงถึงอยู่แล้ว

แต่ในส่วนของการประกอบชิ้นส่วนต่าง ๆ เข้าด้วยกันนั้น ในกรณีของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้กับของไหลที่มีสารกัมมันตภาพรังสีปนเปื้อน จำเป็นต้องมีมาตรฐานสูงกว่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเดียวกันที่ใช้ในงานอื่นมาก รูปที่ ๔ เป็นส่วนหนึ่งของเหตุผลที่ว่าทำไมเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้กับของไหลที่มีสารกัมมันตภาพรังสีปนเปื้อนจึงมีราคาสูงกว่ามากเมื่อเทียบกับแบบใช้งานทั่วไปที่มีขนาดเท่ากัน อันเป็นผลจากชนิดวัสดุที่ต้องใช้เกรดที่สูงกว่า, ขั้นตอนการประกอบต่าง ๆ (เช่นการเชื่อมโลหะ), การควบคุมคุณภาพการผลิต ฯลฯ ซึ่งต่างต้องเข้มงวดมากกว่า (ที่บทความบอกว่าสูงกว่า 8-9 เท่านั้นเป็นราคาเมื่อ ๖๐ ปีที่แล้ว)

ดังนั้นถ้าสงสัยว่า steam generator นั้นเป็นชนิดที่ออกแบบมาใช้กับของไหลที่มีสารกัมมันตภาพรังสีปนเปื้อนหรือเปล่า ก็คงต้องพิจารณาตรงนี้ประกอบว่า มันใช้มาตรฐานสูงเกินจำเป็นในการสร้างเพื่อใช้งานสำหรับงานทั่วไปหรือไม่

แคลเซียม, แมกนีเซียม และบิสมัท กับการผลิตอาวุธทำลายล้างสูง MO Memoir : Tuesday 17 December 2567

โลหะอัลคาไลน์และอัลคาไลน์เอิร์ธเป็นตัวรีดิวซ์ที่แรง อย่างเช่นโซเดียม (Na) ที่สามารถรีดิวซ์อะตอมไฮโดรเจนในโมเลกุลน้ำให้กลายเป็นแก๊สไฮโดรเจนได้ แมกนีเซียม (Mg) เองก็ถูกใช้เป็นโลหะกัดกร่อนหรือ (เรียกว่า sacrificial anode หรือ galvanic anode) โดยตัวมันเองจะจ่ายอิเล็กตรอนออกไปเพื่อป้องกันไม่ให้เหล็กถูกกัดกร่อน ในอุตสาหกรรมเช่นการถลุงโลหะ (เช่นเหล็ก) ก็มีการใช้แคลเซียม (Ca) ในการรีดิวซ์สารประกอบออกไซด์ของโลหะ เพื่อรีดิวซ์ไอออนโลหะให้กลายเป็นอะตอมโลหะ โดยแคลเซียมจะกลายเป็นสารประกอบออกไซด์แทน

แต่ทั้งแคลเซียมและแมกนีเซียม (ที่มีความบริสุทธิ์สูงมาก) ถูกจัดให้เป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทาง (Dual-Use Item หรือ DUI) โดยอยู่ในหัวข้อ 1C227 และ 1C228 (รูปที่ ๑)

รูปที่ ๑ โลหะแคลเซียม, แมกนีเซียม และบิสมัท ที่มีความบริสุทธิ์สูง ถูกจัดเป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทางในหมวด 1C227, 1C228 และ 1C229 ตามลำดับ

ถ้าดูจากหมวดหมู่ที่โลหะเหล่านี้ถูกจัดเอาไว้ เลข "1" ตัวแรกหมายถึง "Special Materials and Related Equipment" ตัวอักษร "C" ถัดมาหมายถึง Materials และตัวเลข "2" ตัวถัดมาหมายถึงถูกกำหนดโดย Nuclear Supplier Group (NSG) Dual-Used List จึงเป็นจุดที่น่าสนใจคือโลหะแคลเซียมและแมกนีเซียมนี้มันเกี่ยวข้องกับการผลิตอาวุธนิวเคลียร์ได้อย่างไร

²³⁵U เป็นองค์ประกอบสำคัญของระเบิดนิวเคลียร์แบบ Fission แต่ยูเรเนียมส่วนใหญ่ในธรรมชาตินั้นเป็น ²³⁸U โดยมี ²³⁵U เพียงเล็กน้อย อีกธาตุหนึ่งที่สามารถนำมาทำระเบิดนิวเคลียร์ได้ก็คือ ²³⁹Pu ซึ่งเตรียมจากการระดมยิงนิวตรอนให้ ²³⁸U ดูดซับไว้แล้วค่อยสลายตัวกลายเป็น ²³⁹Pu จากนั้นจึงค่อยแยกยูเรเนียมและพลูโตเนียมออกจากกัน แล้วจึงค่อยเปลี่ยนสารประกอบพลูโตเนียมที่ได้ (ที่อาจอยู่ในรูปของ PuO₂ หรือ PuF₄) ให้กลายเป็นโลหะพลูโตเนียมอีกที

การเปลี่ยน Pu⁴⁺ ให้กลายเป็นโลหะพลูโตเนียมมีด้วยกันหลายวิธี แต่ส่วนหนึ่งที่เหมือนกันคือการใช้โลหะแคลเซียมหรือแมกนีเซียมที่มีความบริสุทธิ์สูง (ดูรูปที่ ๑) เป็นตัวรีดิวซ์ โดย Pu⁴⁺ จะถูกรีดิวซ์ให้กลายเป็น Pu⁰ ส่วน Ca และ Mg ก็จะกลายไปเป็น Ca²⁺ และ Mg²⁺ ตัวอย่างของวิธีการรีดิวซ์แสดงไว้ในรูปที่ ๒-๔

 

รูปที่ ๒ กระบวนการรีดิวซ์สารประกอบพลูโนเนียมไดออกไซด์ (PuO₂) ให้กลายเป็นโลหะพลูโตเนียมด้วยการใช้โลหะแคลเซียมเป็นตัวรีดิวซ์ (จากบทความเรื่อง "Plutonium Processing at Los Alamos" เผยแพร่โดย Los Alamos National Laboratory, Actinide Research Quarterly, 3rd Quarter 2008)

ในการเกิดปฏิกิริยา Nuclear fission นั้น นิวตรอนจำนวนหลายตัวที่เกิดจากการแตกตัวของนิวเคลียสของอะตอมตัวแรก อย่างน้อยหนึ่งตัวจะต้องพุ่งเข้าชนนิวเคลียสของอะตอมถัดไป ปฏิกิริยาจึงจะเกิดอย่างต่อเนื่องได้ แต่เนื่องจากนิวเคลียสมีขนาดเล็กกว่าขนาดอะตอมมาก โอกาสที่นิวเคลียสของอะตอมถัดไปจะถูกชนจึงมีไม่มาก เว้นแต่จะเพิ่มจำนวนเชื้อเพลิงที่ล้อมรอบนิวเคลียสที่แตกตัวให้มากขึ้น จำนวนที่น้อยที่สุดที่ทำให้การแตกตัวเกิดอย่างต่อเนื่องได้เรียกว่า "มวลวิกฤต" หรือ critial mass ขนาดของมวลวิกฤตนี้ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของอะตอมที่สามารถแตกตัวได้ ถ้าอะตอมนั้นอยู่ในรูปสารประกอบ มันก็จะอยู่ห่างกัน แต่ถ้าอยู่ในรูปของโลหะ มันก็จะอยู่ใกล้กัน ทำให้โอกาสที่จะรับนิวตรอนที่เกิดจากการแตกตัวจะสูงขึ้น ขนาดของมวลวิกฤตก็จะลดลง ทำให้ปริมาตรของเชื้อเพลิงก็ลดตามไปด้วย ซึ่งสำคัญกับขนาดอาวุธ)

รูปที่ ๓ อีกตัวอย่างหนึ่งของการสังเคราะห์โลหะพลูโตเนียมด้วยการรีดิซซ์ Pu⁴⁺ ในสารประกอบ PuO₂ ด้วยโลหะแคลเซียม (จากบทความเรื่อง "Direct Reduction of ²³⁸PuO₂ and ²³⁹PuO₂ to Metal" โดย L.J. Mullins และ C.L. Foxx, February 1982)

รูปที่ ๔ สิทธิบัตรการรีดิวซ์สารประกอบ PuO₂ ให้แลายเป็นโลหะพลูโดยเนียม ด้วยการใช้โลหะแมกนีเซียมเป็นตัวรีดิวซ์

บิสมัท (Bismuth - Bi) เป็นโลหะอีกตัวหนึ่งที่ถูกระบุว่าเป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทางในหัวข้อ 1C229 (รูปที่ ๑) โลหะบิสมัทความบริสุทธิ์สูงสามารถป้องกันรังสีแกมม่าได้ดี ในขณะที่ยอมให้อนุภาคนิวตรอนผ่านไปได้ (รูปที่ ๕) จึงเหมาะสำหรับงาน Neutron bombardment (การระดมยิงธาตุด้วยนิวตรอน) ที่ต้องการป้องกันการรบกวนจากรังสีแกมม่าโดยที่ยอมให้นิวตรอนผ่านได้

รูปที่ ๕ บิสมัทความบริสุทธิ์สูง 7N5 N ในที่นี้ย่อมาจาก Nine หรือเลข 9 ดังนั้นความหมายของ 7N5 คือมีความบริสุทธิ์ระกับเลข 9 จำนวน 7 ตัวคือ 99.99999 และปิดท้ายด้วยเลข 5 ซึ่งรวมเป็น 99.999995% แต่ในหัวข้อ 1C229 กำหนดความบริสุทธิ์ของบิสมัทไว้เพียงแค่ 99.99% เท่านั้นเอง

การระเบิดจากเบนโซอิลเปอร์ออกไซด์ (Benzoyl peroxide) MO Memoir : Friday 13 December 2567

วันนี้ก็ยังคงอยู่กับยารักษาสิว (เบนโซอิลเปอร์ออกไซด์) เหมือนตอนที่แล้ว

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากเอกสารกรณีศึกษาเรื่อง "Fire and Explosion : Hazards of Benzoyl Peroxide" จัดทำโดย U.S. Chemical Safety and Hazard Investigation Board" เผยแพร่ในเดือนตุลาคม ค.ศ. ๒๐๐๓ (พ.ศ. ๒๕๔๖) เป็นเหตุการณ์การระเบิดของเบนโซอิลเปอร์ออกไซด์ (Benzoyl peroxide - H₅C₆-C(O)-O-O-C(O)-C₆H₅) ที่อยู่ในเครื่องอบแห้งในวันพฤหัสบดีที่ ๒ มกราคม ค.ศ. ๒๐๐๓ หลังจากที่โรงงานหยุดทำงานในวันสิ้นปีและวันขึ้นปีใหม่

รูปที่ ๑ เครื่องอบแห้งตัวที่เกิดเหตุ

ในการผลิตเบนโซอิลเปอร์ออกไซด์ สารตั้งต้นถูกผสมในถังปฏิกรณ์และให้ทำปฏิกิริยากันจนได้เบนโซอิลเปอร์ออกไซด์เข้มข้น 20% จากนั้นจะถูกส่งต่อไปยังเครื่องเหวี่ยงแยก (centrifuge) เพื่อกำจัดน้ำออกไป ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือผงเบนโซอิลเปอร์ออกไซด์เข้มข้น 78% ซึ่งส่วนหนึ่งจะถูกแบ่งบรรจุขายและส่วนที่เหลือจะถูกเข้าสู่กระบวนการผลิตอื่น แบะหนึ่งในกระบวนการนั้นคือการผลิตเบนโซอิลเปอร์ออกไซด์เข้มข้น 98% ด้วยการระเหยเอาน้ำออก

โรงงานที่เกิดเหตุซื้อเบนโซอิลเปอร์ออกไซด์เข้มข้น 75% มาอบแห้งในเครื่องอบสุญญากาศ (รูปที่ ๑) โดยในการอบแห้งจะบรรจุเบนโซอิลเปอร์ออกไซด์ 200 ปอนด์เข้าไปในเครื่อง ให้ความร้อนด้วยน้ำร้อนอุณหภูมิ 82ºC ที่ไหลอยู่ใน jacket ด้านนอกพร้อมกับทำให้ข้างในเป็นสุญญากาศ ตัวเครื่องอบแห้งจะมีการหมุนอย่างช้า ๆ เพื่อให้สารข้างในเกิดการคลุกเคล้าและไม่ทำให้เกิดจุดร้อนจัด

ภายในตัวเครื่องมีอุปกรณ์วัดอุณหภูมิ (temperature probe) และเมื่ออุณหภูมิภายในสูงถึง 42ºC ก็จะทำการปิดวาล์วน้ำเข้าออก (V1 และ V2) และเปิดวาล์ว bypass (V3) เพื่อหยุดการป้อนน้ำร้อน (แต่ยังคงมีน้ำร้อนค้างอยู่ใน Jacket - ขอเน้นตรงนี้นึดนึง เพราะมันมีบทบาทเกี่ยวข้องกับการระเบิด) กระบวนการอบแห้งจากสารตั้งต้นเข้มข้น 75% เป็นผลิตภัณฑ์ที่เข้มข้น 98% ใช้เวลาสองถึงสองวันครึ่ง

เหตุการณ์เริ่มจากเช้าวันศุกร์ที่ ๒๗ ธันวาคม (๖ วันก่อนการระเบิด) โอเปอร์เรเตอร์เติมผงเบนโซอิลเปอร์ออกไซด์เข้มข้น 75% จำนวน 200 ปอนด์เข้าไปในเครื่องอบแห้งและเริ่มทำการอบแห้ง เวลาประมาณ ๑๔.๐๐ น ของวันเดียวกันก็ทำการปิดการไหลของน้ำร้อนและปล่อยให้สารในเครื่องอบแห้งเย็นตัวลง พอถึงเวลาประมาณ ๑๕.๓๐ น ก็หยุดการทำงานเพราะโรงงานไม่ทำงานในช่วงสุดสัปดาห์ โดยระบบเครื่องอบแห้งทั้งหมดถูกปิดค้างไว้เช่นนั้น

ในวันจันทร์ที่ ๓๐ ธันวาคมโรงงานก็กลับมาเดินเครื่องใหม่โดยเริ่มทำงานแบบเดียวกันกับวันที่ ๒๗ เพราะการอบแห้งใช้เวลาสองถึงสองวันครึ่ง โรงงานจึงมองว่าเพิ่งทำการอบแห้งไปได้เพียงแค่ ๑ วัน (คือวันที่ ๒๗) ดังนั้นการอบแห้งในวันนี้ (คือวันที่ ๓๐) จะเป็นการอบแห้งวันที่สอง โดยไม่นับเวลาสองวันในช่วงสุดสัปดาห์ที่ผ่านมา พอถึงตอนเย็นก็หยุดการทำงานเครื่องอบแห้งโดยค้างไว้เช่นเดียวกับวันที่ ๒๗ เพราะหยุดวันสิ้นปีและวันขึ้นปีใหม่อีก ๒ วัน

ในวันที่ ๒ มกราคม ค.ศ. ๒๐๐๓ โอเปอร์เรเตอร์ตัดสินใจที่จะเริ่มทำการอบแห้งอีกครั้งตัวกระบวนการเดิม (เพื่อให้ครบกำหนดสองวันครึ่ง) ช่วงเวลาประมาณ ๘.๐๐ น ได้เก็บตัวอย่างสารในเครื่องอบแห้งส่งไปวิเคราะห์และพบว่าความเข้มข้นสารอยู่ที่ 97% ซึ่งอยู่ในช่วงความเข้มข้นที่คาดการณ์ไว้ จึงได้เริ่มขั้นตอนการอบแห้งอีกครั้ง

เวลาประมาณ ๘.๕๐ น โอเปอร์เรเตอร์ได้ยินเสียงวาล์วน้ำร้อนปิด (การทำงานของระบบควบคุม) ซึ่งแสดงว่าอุณหภูมิภายในเครื่องอบแห้งสูงถึง 42ºC โอเปอร์เรเตอร์จึงได้ทำการปิดวาล์วน้ำร้อนด้วยมือเพื่อให้มั่นใจว่าการไหลของน้ำร้อนจะไม่เกิดขึ้นโดยอัตโนมัติ จากนั้นจึงปล่อยให้เครื่องอบแห้งหมุนต่อไปภายใต้สุญญากาศเพื่อให้สารข้างในเย็นตัวลง และวางแผนที่จะเก็บตัวอย่างหลังพักรับประทานอาหารเที่ยง

รูปที่ ๒ สภาพโรงงานหลังการระเบิด

เวลาประมาณ ๑๑.๓๐ น โอเปอเรเตอร์พักรับประทานอาหารเที่ยง ในระหว่างเวลาดังกล่าวได้ยินเสียงผิดปรกติที่ปั๊มสุญญากาศจึงตั้งใจว่าจะเข้าไปตรวจหลังอาหารเที่ยง แต่พอถึงเวลา ๑๑.๕๕ น เครื่องอบแห้งก็เกิดการระเบิดอย่างกระทันหัน (เรียกว่าโชคดีที่ขณะนั้นโอเปอร์เรเตอร์ไปพักรับประทานอาหารเที่ยงอยู่อีกบริเวณหนึ่ง)

สาเหตุของการระเบิดคาดว่าเกิดจากการสลายตัวของเบนโซอิลเปอร์ออกไซด์ในเครื่องอบแห้งที่ได้รับความร้อนนานเกินไป ความร้อนนั้นได้มาจากน้ำร้อนที่ป้อนเข้า jacket และการเสียดสีที่เกิดการการหมุนของถังอบแห้ง ในการทำงานปรกตินั้นสารในเครื่องอบแห้งจะได้รับความร้อนต่อเนื่องกันเป็นเวลาสองวันครึ่ง จากนั้นจึงปิดน้ำร้อน (ยังมีน้ำร้อนค้างอยู่ใน jacket) โดยที่ถังอบแห้งยังคงหมุนอยู่เพื่อให้สารในถังอบแห้งเย็นตัวลง

แต่ในเหตุการณ์นี้หลังจากการหยุดเครื่องในวันที่ ๒๗ ธันวาคม น้ำร้อนที่ค้างอยู่ใน jacket ก็ยังคงให้ความร้อนแก่สารที่อยู่ภายในต่อไปอีกระยะเวลาหนึ่งซึ่งระยะเวลานี้ไม่ได้ถูกนำมาคิดว่าเป็นระยะเวลาการอบแห้งด้วย เช่นเดียวกันในวันที่ ๓๐ ธันวาคมที่หยุดเดินเครื่อง น้ำร้อนที่ค้างอยู่ใน jacket ก็ยังคงให้ความร้อนแก่สารที่อยู่ภายในต่อไปอีกระยะเวลาหนึ่งเช่นเดิม และระยะเวลานี้ก็ไม่ได้ถูกนำมาคิดเป็นเวลาที่สารได้รับความร้อน ทำให้ในช่วงเวลาดังกล่าวเบนโซอิลเปอร์ออกไซด์มีการสลายตัวอย่างต่อเนื่อง เกิดการสะสมความร้อนมากเกินไปในกองสารที่อยู่ในถังอบแห้งจนนำไปสู่การระเบิด

VCE case 3 แก๊สรั่วจากปฏิกิริยา runaway 2544(2001) MO Memoir : Wednesday 4 December 2567

ยารักษาสิวก็ระเบิดได้แรงพอที่จะทำลายโรงงานได้เหมือนกันนะ

ตอนแรกที่อ่านคำบรรยายเหตุการณ์นี้ ก็คุ้น ๆ เหมือนกับว่าจะเคยเขียนเรื่องทำนองนี้เอาไว้ พอตรวจสอบดูก็พบว่าได้เขียนไว้เมื่อเกือบ ๖ ปีที่แล้วในเรื่อง "VCEcase 2 แก๊สรั่วจากปฏิกิริยาrunaway 2549(2006)" (บทความวันอาทิตย์ที่ ๖ มกราคม ๒๕๖๒) ซึ่งเป็นเรื่องที่เกิดหลังจากเรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้เกือบ ๕ ปี แต่สองเหตุการณ์นี้เหมือนกันมากไม่ว่าจะเป็นรูปแบบและขนาดถังปฏิกรณ์ (reactor), สารเคมีที่เกี่ยวข้อง และต้นตอที่ทำให้เกิดการรั่วไหลจนเกิดการระเบิด

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากบทความเรื่อง "An explosion accident - Causes and safety information management lessons to be learned" โดย Tzou และคณะ เผยแพร่ในเอกสาร Symposium series No. 149 ของ Institute of Chemical Engineer (IChemE) ของประเทศอังกฤษในปีค.ศ. ๒๐๐๓ เนื้อหาในบทความให้ข้อมูลเกี่ยวกับการทำงานต่าง ๆ ก่อนที่จะเกิดการระเบิด และสิ่งที่คาดว่าจะเป็นต้นตอ แต่ผู้เขียนบทความก็บอกไว้เหมือนกันว่าในขณะที่เขียนบทความนั้น ทางกรรมการสอบสวนยังไม่ตกลงกันได้การระเบิดที่เกิดขึ้นรุนแรงนั้นเกิดจากอะไร

เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นในช่วงบ่ายวันที่ ๑๘ พฤษภาคม ค.ศ. ๒๐๐๑ (พ.ศ. ๒๕๔๔) ที่โรงงาน Fu-Kao Chemical Plant ประเทศไต้หวัน หน่วยที่เกิดเหตุเป็นถังปฏิกรณ์ขนาด 6 ตัน (ประมาณ 6 m³ หรือ 1500 US gallon ซึ่งเป็นขนาดเดียวกับเหตุการณ์ที่เล่าไว้ใน VCE case 2) สภาพโรงงานหลังการระเบิดแสดงไว้ในรูปที่ ๑ ข้างล่าง

รูปที่ ๑ สภาพโรงงานหลังการระเบิด

ถังปฏิกรณ์ที่เป็นต้นเรื่องใช้สำหรับผลิตเรซินที่ใช้น้ำเป็นตัวทำละลาย (water-born resin) ที่ทำจากปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์ (polymerisation reaction) กรดอะคริลิกในตัวทำละลาย โดยใช้สารประกอบเปอร์ออกไซด์ (Dibenzoyl peroxide (BPO) H₅C₆-C(O)-O-O-C(O)-C₆H₅) เป็นตัวกระตุ้นให้ปฏิกิริยาเกิด (initiator) ตัวทำละลายที่ใช้เป็นสารผสมระหว่างเมทานอลกับไอโซโพรพานอล

ถังปฏิกรณ์ที่เกิดเหตุมีขนาด 6 ตัน (ปริมาตรก็ประมาณ 6 m³) มีเครื่องควบแน่น (condenser) อยู่ทางด้านบน มีถังป้อนน้ำและปั๊ม และถังน้ำหล่อเย็นฉุกเฉิน ตัวถังปฏิกรณ์มีผนัง jacket หุ้ม โดยสามารถป้อนไอน้ำเพื่อให้ความร้อน (ในกรณีที่ต้องการทำให้ปฏิกิริยาเกิด) หรือป้อนน้ำหล่อเย็น (เพื่อระบายความร้อนของปฏิกิริยา) การตัดสินใจว่าเมื่อใดควรจะเปลี่ยนจากการให้ความร้อนมาเป็นการระบายความร้อน ขึ้นอยู่กับประสบการณ์ของโอเปอร์เรเตอร์ การควบคุมการปิด-เปิดวาล์วทั้งหมดใช้มือ (คือไม่มีระบบควบคุมอัตโนมัติหรือระยะไหล) รูปที่ ๒ ข้างล่างแสดงแผนผังของระบบถังปฏิกรณ์

ในการทำปฏิกิริยานั้น หลังจากใส่สารตั้งต้นและตัวกระตุ้นเข้าไปในถังปฏิกรณ์แล้ว ปฏิกิริยาจะยังไม่เกิดเนื่องจากสารกระตุ้นยังไม่สลายตัวเป็นอนุมูลอิสระ การทำให้สารกระตุ้นสลายตัวต้องใช้ความร้อนซึ่งทำโดยการใช้ไอน้ำ เมื่อปฏิกิริยาเริ่มเกิดแล้วก็จะมีความร้อนคายออกมา ปฏิกิริยาก็จะเกิดมากขึ้นเรื่อย ๆ จนถึงระดับหนึ่งที่ต้องเปลี่ยนจากการให้ความร้อนมาเป็นการระบายความร้อน เพื่อป้องกันไม่ให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มต่อไปอีก

รูปที่ ๒ ถังปฏิกรณ์ที่เกิดการรั่วไหล

ขั้นตอนการทำงานเพื่อผลิตเรซินมีดังนี้

๑. เติมเมทานอล 1393.2 kg และไอโซโพรพานอล 373.3 เข้าไปในถังปฏิกรณ์

๒. เปิดการทำงานใบพัดปั่นกวน

๓. เติมอะคริลิกโมโนเมอร์ต่าง ๆ ได้แก่กรดอะคริลิก 172.8 kg, เมทิลอะคริเลต 1500 kg, กรดเมทาอะคริลิก 32.6 kg และอะคลิโรไนไตรล์ 20 kg เข้าไปในถังปฏิกรณ์ตามลำดับ

๔. เติมน้ำ 2130 kg และเบนโซอิลเปอร์ออกไซดื 5.6 kg

๕. ป้อนไอน้ำเข้าทาง jacket ให้ความร้อนแก่สารผสมจนมีอุณหภูมิ 60-65ºC เพื่อให้ปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์เริ่มเกิด (สารผสมในถังปฏิกรณ์จะอยู่ในสภาวะที่เดือด)

๖. เมื่อปฏิกิริยาเริ่มเกิดแล้ว เปลี่ยนจากไอน้ำเป็นน้ำหล่อเย็น (ควบคุมด้วยมือ) เพื่อให้อุณหภูมิค่อย ๆ เพิ่มจนถึง 70ºC ในเวลา 70 นาที

๗. หยุดการไหลเวียนน้ำหล่อเย็นที่เข้า jacket หยุดการปั่นกวน และคงปฏิกิริยานั้นไว้ประมาณ 4 ชั่วโมง

๘. เมื่อปฏิกิริยาเสร็จสมบูรณ์ ก็ทำการระบายเอาสารในถังปฏิกรณ์ออก

ในระหว่างการทำงาน ความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมาจะทำให้ตัวทำละลายระเหยกลายเป็นไอ โดยไอะเหยจะไปควบแน่นในเครื่องควบแน่นที่อยู่ด้านบน กลายเป็นของเหลวเย็นไหลกลับคืนสู่ถังปฏิกรณ์ ในขั้นตอนการทำงานที่กล่าวมาข้างต้นไม่ไม่มีการกล่าวถึงการทำงานของเครื่องควบแน่น แต่น่าจะทำงานอยู่ตลอดเวลาแม้ว่าจะหยุดการไหลเวียนน้ำหล่อเย็นเข้า jacket แล้วก็ตาม ถังปฏิกรณ์ใบนี้ได้รับการออกแบบมาเมื่อ ๒๐ ปีก่อนหน้าการเกิดอุบัติเหตุ และไม่มีระบบระบายสารในถังทิ้งในกรณีเกิดเหตุฉุกเฉิน

ในวันที่เกิดเหตุ โอเปอร์เรเตอร์เริ่มการทำงานเวลาประมาณ ๘.๐๐ น เริ่มให้ความร้อนแก่สารตั้งต้นที่เวลาประมาณ ๑๐.๐๐ น เวลาประมาณ ๑๒.๑๐ น ออกไปพักรับประทานอาหารและกลับมาประมาณ ๑๒.๔๐ น ระหว่างการพักรับประทานอาหารเที่ยงไม่มีผู้อยู่ดูแลการเกิดปฏิกิริยา เมื่อโอเปอร์เรเตอร์กลับมาพบว่าอุณหภูมสูงถึง 65ºC แล้ว จึงเริ่มหยุดการป้อนไอน้ำและเปลี่ยนมาเป็นป้อนน้ำหล่อเย็นเมื่อเวลา ๑๒.๕๐ น หลังจากนั้นประมาณ ๕ นาทีถัดมาโอเปอร์เรเตอร์พบว่าอุณหภูมิในถังปฏิกรณ์เพิ่มเป็น 80ºC และเริ่มอยู่นอกเหนือการควบคุมจึงได้พยายามเพิ่มน้ำหล่อเย็นเข้าไปอีกแต่ไม่ประสบความสำเร็จ และเมื่อเวลาประมาณ ๑๓.๑๐ น ก็มีสารฉีดพุ่งออกมาทางด้านบนของถังปฏิกรณ์จึงได้มีการแจ้งสัญญาณเตือนภัยเพื่อให้ทำการอพยพทันที ในช่วงเวลาถัดจากนั้นไม่นานก็เกิดการระเบิดขึ้นหลายครั้ง ส่งผลให้มีผู้เสียชีวิต ๑ รายแลบาดเจ็บ ๑๑๒ คน รูปที่ ๓ คือภาพถังปฏิกรณ์หลังการระเบิด

การสอบสวนพบต้นตอที่เกี่ยวข้องกับการเกิดการระเบิดหลายข้อ ไม่ว่าจะเป็นเรื่อง

- การควบคุมอุณหภูมิที่ใช้การทำงานด้วยมือโดยให้โอเปอร์เรเตอร์ตัดสินใจเองเรื่องการควบคุมการเปิด-ปิดวาล์วไอน้ำและน้ำหล่อเย็น ซึ่งถ้ามีความล่าช้าในการตัดสินใจดังกล่าวก็จะทำให้ปฏิกิริยาเร่งตัวเองจนนอกเหนือการควบคุมได้ (ที่เรียกว่าการเกิด runaway)

- การออกแบบกระบวนการที่ให้ทำงานที่อุณหภูมิ 65-70ºC ที่ใกล้กับอุณหภูมิที่ทำให้ปฏิกิริยาเร่งตัวเองจนนอกเหนือการควบคุมได้ (80ºC) ซึ่งถ้าหากโอเปอร์เรเตอร์มีความล่าช้าในการตัดสินใจหรือการทำงาน ก็จะทำให้ปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้นนั้นสูงเกินความสามารถในการระบายความร้อนออกได้

การสอบสวนยังพบว่าก่อนหน้านี้ก็มีโอเปอร์เรเตอร์ได้รายงานเหตุการณ์ที่อุณหภูมิในถังปฏิกรณ์เพิ่มรวดเร็วผิดปรกติ จนสูงเกินอุณหภูมิสูงสุดที่กำหนดไว้ในขั้นตอนการทำงาน แต่ในที่สุดอุณหภูมิก็ค่อย ๆ ลดลงมาอยู่ที่ระดับปรกติ โดยเหตุการณ์นี้ได้เกิดขึ้นหลายครั้ง แต่ทางฝ่ายบริหารก็ไม่ได้มีการสอบสวนสาเหตุของเหตุการณ์เหล่านี้

- ถังปฏิกรณ์ไม่มีการติตดั้งระบบความปลอดภัย ไม่ว่าจะเป็นระบบลดอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว หรือระบบระบายสารในถังปฏิกรณ์ทิ้ง เพื่อหยุดปฏิกิริยาเคมี

รูปที่ ๓ ภาพถังปฏิกรณ์หลังการระเบิด รูปนี้น่าเป็นภาพทางด้านบน โดยมุมขวาบนน่าจะเป็นเครื่องควบแน่น

การสอบสวนพบว่าอุณหภูมิในถังปฏิกรณ์ได้เพิ่มอย่างรวดเร็วจาก 60ºC ไปถึงประมาณ 170-210ºC และอัตราการเพิ่มอุณหภูมิสูงสุดอาจสูงถึง 192ºC ต่อนาที บทความนี้กล่าวว่าสิ่งที่คณะกรรมการสอบสวนยังตกลงกันไม่ได้คือการระเบิดที่รุนแรงสุดนั้นเกิดจากอะไร โดยการระเบิดครั้งแรกนั้นเกิดจากสารในถังปฏิกรณ์ที่รั่วไหลออกมา ซึ่งประมาณแรงระเบิดได้เทียบเท่ากับระเบิด TNT 1000 kg ส่วนการระเบิดครั้งที่สองเกิดจากการเผาไหม้เบนโซอิลเปอร์ออกไซด์ (สารนี้เป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้อง) จำนวน 100 kg ที่จัดเก็บในชั้นวางที่ห่างถังปฏิกรณ์ไป 10 เมตร ซึ่งความร้อนจากการระเบิดครั้งแรกทำให้สารนี้สลายตัวที่อุณหภูมิ 104ºC และระเบิดตามมาหลังจากนั้นในเวลา 0.1-0.3 วินาที แม้ว่าสารนี้จะมีปริมาณไม่มาก แต่ให้การเปลี่ยนแปลงความดันจากการระเบิดสูงมาก (900-1100 bar/sec) ซึ่งสูงกว่าการระเบิดของไอสารอินทรีย์ 2-3 เท่า

ความรุนแรงของการระเบิดขึ้นอยู่กับอัตราการคายพลังงานออกมา ยิ่งอัตราการคายพลังงานสูง ความรุนแรงก็จะสูงตาม เพราะทำให้อัตราการเปลี่ยนแปลงความดันมีค่าสูงมาก ตัวอย่างเช่น TNT ถ้าเผาไหม้สมบูรณ์จะได้พลังงานความร้อนออกมาเพียงแค่ 1 ใน 3 ของน้ำมันเบนซิน แต่ถ้าเกิดการระเบิดจะให้พลังงานออกมาเพียงแค่ไม่ถึงครึ่งของพลังงานที่ได้จากการเผาไหม้สมบูรณ์ แต่ด้วยอัตราการคายพลังงานที่สูงมาก จึงทำให้อำนาจการทำลายล้างสูงกว่า

ถ้าเอาคำ "เบนโซอิลเปอร์ออกไซด์" หรือ "benzoyl peroxide" นี้ไปให้ google ค้นดู รายการแรก ๆ ที่โผล่ขึ้นมาจะเกี่ยวข้องกับการใช้เป็นยารักษาสิว