เมื่อวันศุกร์ที่ผ่านมาได้มีโอกาสไปเยี่ยมชมโรงงานแห่งหนึ่ง โรงงานแห่งนี้ต้องใช้กรดไนตริก (Nitric acid - HNO3) เข้มข้นในการทำปฏิกิริยา (เข้มข้นกว่า 90%) แต่เมื่อทำปฏิกิริยาไปได้ระดับหนึ่งความเข้มข้นก็จะลดลง ทำให้ต้องมีการนำเอากรดไนตริกที่เจือจางนั้นมาทำให้เข้มข้นใหม่เพื่อนำกลับไปใช้ทำปฏิกิริยาใหม่
การผลิตในส่วนนี้ไม่มีโอกาสเข้าไปชม ทราบแต่ว่าใช้เทคโนโลยีของเยอรมัน ก็เลยลองค้นดูว่าเพื่อที่จะกลั่นให้ได้กรดไนตริกเข้มข้นสูงขึ้นนั้นต้องทำอย่างไร ก็ไปพบกับเว็บของบริษัท De Dietrich Process System ที่เห็นว่าให้รายละเอียดกระบวนการในระดับอุตสาหกรรมได้ดี ซึ่งก็ไม่รู้ว่าเป็นเทคโนโลยีเดียวกับที่ทางบริษัทที่ไปเยี่ยมชมใช้หรือเปล่า แต่เห็นคำบรรยายกระบวนการบนหน้าเว็บกับที่ได้รับฟังมานั้นมันคล้ายกัน ก็เลยขอเอามาบันทึกไว้หน่อย รูปที่ ๑ และ ๒ นำมาจาก https://www.dedietrich.com/en/solutions-and-products/mineral-acid-treatment/nitric-acid-treatment/high-concentration-nitric-acid
ที่ความดันบรรยากาศ กรดไนตริกบริสุทธิ์มีจุดเดือดที่ 83ºC ในขณะที่น้ำมีจุดเดือดที่ 100ºC แต่ถ้าเรานำเอาสารละลายกรดไนตริกเจือจางไปต้ม ไอที่ระเหยออกมานั้นจะมีน้ำมากกว่ากรดไนตริก ทำให้ของเหลวที่เหลือมีกรดไนตริกเข้มข้นมากขึ้น จนกระทั่งความเข้มข้นของกรดนั้นสูงถึง 68 wt% ความเข้มข้นของกรดในส่วนที่เป็นไอที่ระเหยออกมานั้นจะเท่ากับส่วนที่ค้างอยู่ในของเหลว ณ ความเข้มข้นนี้การเดือดของสารละลายจะมีพฤติกรรมเหมือนสารบริสุทธิ์ (คือองค์ประกอบที่ระเหยออกมาเหมือนกับที่ยังเป็นของเหลวอยู่) เป็นจุดที่เราเรียกว่าอะซีโอโทรป (azeotrope) (รูปที่ ๑ ซ้าย)
กรดไนตริกเข้มข้นที่ขายกันทั่วไปก็ขายกันที่ความเข้มข้นนี้ การกลั่นเพื่อให้ได้กรดไนตริกความเข้มข้นสูงขึ้นไปอีกทำได้ด้วยการผสมกรดกำมะถัน (Sulphuric aicd - H2SO4) เข้าไป รูปที่ ๑ (ซ้าย) แสดงให้เห็นว่าถ้าผสมกรดกำมะถันเข้าไปถึงระดับ 50 wt% ความเป็นอะซีโอโทรปของสารละลายก็จะหายไป ทำให้สามารถกลั่นกรดไนตริกไปที่ระดับความเข้มข้นแตะ 100% ได้
ปัญหาที่หนึ่งที่พบกันเป็นประจำในงานวิศวกรรมคือการเลือกวัสดุที่ต้องทนต่อการกัดกร่อนของสารเคมีหลายตัวในเวลาเดียวกันและต้องมีความแข็งแรงเชิงกลด้วย (เช่น ความสามารถในการรับน้ำหนัก, ความแข็งแรงในการรับแรงสั่นสะเทือน, การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว) โลหะผสมบางชนิดให้ทั้งความคนทนต่อการกัดกร่อนและความเข็งแรงเชิงกล (และแน่นอนว่าราคาที่สูงด้วย) แต่คำว่า "ทน" ต่อการกัดกร่อนของโลหะนั้นไม่ได้หมายความว่ามันจะไม่ถูกกัดกร่อนเลย แต่ยังหมายความถึงการที่มันถูกกัดกร่อนด้วยอัตราที่ต่ำและยอมรับได้ในช่วงอายุการใช้งานของมันด้วย และก็ต้องพึงระลึกว่าโลหะที่ถูกกัดกร่อนออกไปนั้นจะเข้าไปปนเปื้อนในของเหลวที่มันสัมผัส
แก้วเป็นวัสดุที่ไม่ทนต่อการสั่นสะเทือนและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว แต่มันมีจุดเด่นคือทนต่อสารเคมี (จะยกเว้นก็พวกกรดกัดแก้วและเบสที่แรง) การนำแก้วมาใช้ในงานที่ต้องทนต่อการกัดกร่อนของสารเคมีนั้นมีทั้งการใช้ในรูปของแก้วทั้งชิ้น หรือชิ้นงานโลหะที่มีการเคลือบผิวด้านที่สัมผัสกับสารเคมีด้วยแก้ว (ที่เรียกว่า glass lining)
สารเคมีที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูงบางตัวถูกใช้ในการผลิตอาวุธเคมีและการสกัดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ และอุปกรณ์ที่ใช้กับสารเคมีตัวนั้นก็เป็นอุปกรณ์ชนิดเดียวกันกับที่ใช้กับสารเคมีตัวอื่นที่ไม่ได้เกี่ยวข้องกับการผลิตอาวุธเคมีและการสกัดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ด้วยเหตุนี้จึงทำให้อุปกรณ์การผลิตสารเคมีที่เกี่ยวข้องกับสารที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูงจึงกลายเป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทาง
หอกลั่น (รวมทั้งหอดูดซับ) ที่ทำจากแก้วถูกจัดให้เป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทาง (Dual use item หรือ DUI) ในหมวด 2B350.e.1 (รูปที่ ๓) แต่การทำงานของหอกลั่นต้องควบคู่ไปกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ทำหน้าที่จ่ายความร้อนให้ของเหลวเดือด และควบแน่นไอระเหยให้กลายเป็นของเหลว โดยเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนถูกจัดให้เป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทางในหมวด 2B350.d (รูปที่ ๔)
ถ้าดูชนิดวัสดุที่ใช้ทำเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่เป็นสินค้าควบคุมจะพบว่ามีชนิดวัสดุมากกว่ากรณีของหอกลั่นอยู่ ๒ ชนิดคือ Silicon carbide และ Titanium carbide นั่นก็เป็นเพราะว่าวัสดุสองชนิดนี้นำความร้อนได้ดี จึงเหมาะสำหรับนำมาใช้ทำท่อสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้แลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างของไหลที่ไหลอยู่ภายในและภายนอกท่อ
อีกวิธีการในการผลิตกรดไนตริกเข้มข้นเกิน 68 wt% คือการละลายแก๊ส NO2 เพิ่มลงไปในสารละลายกรดไนตริกที่เป็นสารละลายอะซีโอโทรป กระบวนการนี้เริ่มด้วยการออกซิไดซ์ NH3 ด้วยอากาศที่อุณหภูมิ 810-830ºC จะได้แก๊ส NO และน้ำดังสมการ
4NH3 + 5O2 -----> 4NO + H2O
จากนั้นทำการลดอุณหภูมิแก๊สร้อนนี้เพื่อให้น้ำควบแน่นออกมา แล้วผ่านแก๊ส NO ที่ได้ไปสัมผัสกับสารละลายกรดไนตริก NO จะถูกออกซิไดซ์ไปเป็น NO2 ดังสมการ
NO + 2HNO3 -----> 3NO2 + H2O
แก๊สที่ได้จะถูกอัดให้มีความดันเพิ่มถึง 10 bar ก่อนที่จะถูกส่งไปสัมผัสกับสารละลายกรดไนตริกที่เป็นสารละลายอะซีโอโทรปเพื่อเพิ่มความเช้มข้นของกรดไนตริกให้สูงเกินความเข้มข้นที่อะซีโอโทรป รายละเอียดเพิ่มเติมของกระบวนการหลังนี้อ่านได้จากเว็บ https://espindesa.es/en/
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น