ในบ้านเรา ผู้ที่เรียนทางวิศวกรรมเคมีจำนวนไม่น้อย (อาจจะเป็นส่วนใหญ่ด้วยซ้ำ) และรวมทั้งอาจารย์ผู้สอนด้วย มักชอบคิดว่าวิชาเคมีที่เรียนไปนั้นแทบไม่มีการนำไปใช้งานทางปฏิบัติ
การที่มีความคิดเช่นนี้อาจเป็นเพราะว่าไม่ได้ทำการออกแบบกระบวนการผลิตโดยเริ่มจากศูนย์ คำว่าเริ่มจากศูนย์ในที่นี้คือการออกแบบโดยเริ่มจากการที่มีเพียงแค่ปฏิกิริยาเคมี "ที่ต้องการ" แล้วต้องมาทำการพิจารณาต่อว่าจะให้มันทำปฏิกิริยากันอย่างไร ปฏิกิริยาข้างเคียง "ที่ไม่ต้องการ" ที่มีสิทธิเกิดมีปฏิกิริยาใดบ้าง และถ้าเกิดปฏิกิริยาข้างเคียงที่ไม่ต้องการเหล่านั้น จะจัดการอย่างไรกับผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาข้างเคียงที่เกิดขึ้น เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการโดยที่สามารถดำเนินการผลิตได้อย่างปลอดภัย ซึ่งความรู้วิชาเคมีนั้นจำเป็นสำหรับการมองหาปฏิกิริยาที่ไม่ต้องการที่มีสิทธิ์เกิด และการจัดการกับผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาที่ไม่ต้องการที่เกิดขึ้น
เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากรายงานการสอบสวนของ Health & Safety Executive (HSE) ของประเทศอังกฤษชื่อเรื่อง "Release of chemicals from International Biosynthetics Ltd." ซึ่งเป็นรายงานสอบสวนเหตุการณ์การรั่วไหลของสารเคมีที่เกิดเมื่อวันที่ ๗ ธันวาคม ค.ศ. ๑๙๙๑ (พ.ศ. ๒๕๓๔) เมื่อเวลาประมาณ ๑๑.๓๐ น โดยมีสารเคมีประมาณ ๓.๕ ตันรั่วไหลออกจากถังปฏิกรณ์ เกิดเป็นไอหมอกควันแพร่ลอยไปตามลมเป็นระยะทาง ๔ กิโลเมตร ส่งผลให้มีผู้ได้รับผลกระทบประมาณ ๖๐ คน
สาเหตุที่ทำให้สารเคมีรั่วไหลเป็นเพราะความดันในถังปฏิกรณ์ที่ใช้ผลิตสารเคมีนั้นเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็วจนระบบระบายความดันที่มีอยู่นั้นไม่สามารถระบายได้ทัน ทำให้ท่อที่ต่อเข้าเครื่องควบแน่นไอเกิดความเสียหาย สารเคมีที่บรรจุอยู่ในถังปฏิกรณ์จึงรั่วไหลออกมา
ถังปฏิกรณ์ที่เกิดเหตุนั้น (ดูรูปที่ ๒ ประกอบ) เป็นชนิดถังปั่นกวน (stirred tank ขนาด 6.3 m3) สามารถให้ความร้อนด้วยน้ำร้อนผ่านทางผนัง (ที่เรียกว่า jacket) หรือระบายความร้อนด้วยน้ำหล่อเย็นหรือ brine water (อุณหภูมิประมาณ -10ºC) ไอระเหยของสารเคมีในถังจะลอยเข้าสู่เครื่องควบแน่นด้านบนที่วางตั้งในแนวดิ่ง (vertical condenser) ที่จะควบแน่นให้ไอที่ระเหยนั้นเป็นของเหลวไหลกลับเข้าสู่ถังปฏิกรณ์ใหม่ การควบคุมความดันภายในถังอาศัย Pressure control valve (PCV) ที่ระบายแก๊สในถังไปยังระบบดักจับสารเคมี (scrubbing column) เพื่อกำจัดสารเคมีที่เป็นพิษออกจากแก๊ส ส่วนการป้องกันความดันสูงเกิดอาศัยวาล์วระบายความดัน Pressure relief valve (PRV) ที่ด้านทางเข้านั้นได้รับการปกป้องไว้ด้วย Bursting disc (หรือ Rupture disc) ที่ทำการระบายแก๊สออกไปยังระบบดักจับสารเคมีเช่นกัน
น้ำจะแข็งตัวเป็นน้ำแข็งที่อุณหภูมิ 0ºC แต่ถ้ามีเกลือละลายอยู่ (หรือบางรายก็อาจใช้สารพวก antifreeze เช่นพวกไกลคอล (glycol) ต่าง ๆ) ก็จะทำให้จุดเยือกแข็งลดต่ำลง สามารถนำน้ำนี้มาใช้เป็นน้ำหล่อเย็นที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0ºC ได้ น้ำนี้เรียกว่า "brine water" โดยใช้ระบบทำความเย็นลดอุณหภูมิของ brine water ให้ต่ำถึงระดับที่ต้องการแล้วจึงนำน้ำเย็นที่ได้ไปใช้เป็นสารหล่อเย็น
bursting disc หรือ rupture disc เป็นอุปกรณ์ระบายความดันที่จะฉีกขาดเมื่อความดันถึงค่าที่กำหนด อุปกรณ์ตัวนี้ระบายความดันได้รวดเร็วกว่าพวกวาล์วระบายความดัน จึงมักใช้กับระบบที่คาดว่ามีโอกาสที่จะมีความดันขึ้นสูงอย่างรวดเร็ว แต่เมื่อมันทำงานแล้วจะไม่สามารถปิดตัวเอง ต้องหยุดเดินเครื่องโรงงานเพื่อเปลี่ยนตัวใหม่ แต่ก็มีการนำมาใช้งานร่วมกับวาล์วระบายความดัน เพื่อป้องกันตัววาล์วจากสารเคมีที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูงหรือก่อให้เกิดคราบของแข็งเกาะติดได้ การใช้งานเพื่อวัตถุประสงค์นี้จะติดตั้ง bursting disc ไว้ทางด้านขาเข้าของวาล์วระบายความดัน
ในช่วงเวลาที่เกิดเหตุ ถังปฏิกรณ์ดังกล่าวถูกใช้เพื่อผลิตสารมัธยันต์ (intermediate) เพื่อนำไปใช้ในการผลิตผลิตภัณฑ์ที่ต้องการต่อไป สารที่ใช้ในการทำปฏิกิริยาประกอบด้วย โทลูอีน (toluene C6H5-CH3) ที่ทำหน้าที่เป็นตัวทำละลาย, N,N-dimethyl aniline (DMA) ที่เป็นสารตั้งต้น (เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง) และแก๊สฟอสจีน (phosgene) ที่เป็นสารตั้งต้นอีกตัวหนึ่ง ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือ acid chloride (รายงานการสอบสวนระบุไว้เพียงแค่นี้ แต่ดูจากปฏิกิริยาที่น่าจะเกิดแล้วคิดว่าน่าจะเป็นตัวที่แสดงไว้ในรูปที่ ๑) โดยในการทำปฏิกิริยานั้นจะทำการเติมโทลูอีนกับฟอสจีนเข้าไปในถังปฏิกรณ์ก่อน จากนั้นจึงค่อยเติม N,N-dimethyl aniline ลงไป โทลูอีนที่ใช้นั้นมีทั้งโทลูอีนใหม่ที่มาจากถังเก็บ และ recycled toluene ที่ได้มาจากการแยกเอาผลิตภัณฑ์และสารอื่นออกไป
ปฏิกิริยาที่เกิดนั้นเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน แต่ปฏิกิริยาจะเริ่มเกิดได้เมื่อระบบมีอุณหภูมิสูงพอ ด้วยเหตุนี้ทางฝั่งด้าน jacket ของถังปฏิกรณ์จึงมีทั้งน้ำร้อนเพิ่มอุณหภูมิเพื่อกระตุ้นให้ปฏิกิริยาเกิด และน้ำหล่อเย็นเพื่อระบายความร้อนที่ปฏิกิริยาปลดปล่อยออกมา ลำดับขั้นตอนการทำงานที่ออกแบบไว้ตอนแรกมีดังนี้
(1) เปิด brine cooling (อุณหภูมิ -10ºC) เข้าด้าน jacket ของถังปฏิกรณ์
(2) เติม recycled toluene 1 ตัน เข้าถังปฏิกรณ์
(3) เติมโทลูอีนใหม่อีก 2 ตัน
(4) เติมฟอสจีน 20 กิโลกรัม
(5) เติมฟอสจีน 0.8 ตัน
(6) ป้อน DMA 1.6 ตัน และคงอุณหภูมิไว้ให้ต่ำกว่า 30ºC
(7) ให้ความร้อนจนระบบมีอุณหภูมิสูงถึง 65ºC
(8) คงอุณหภูมิไว้ที่ 65ºC เป็นเวลา 12 ชั่วโมง
(9) ถ่ายสารผสมในถังปฏิกรณ์ไปยังกระบวนการถัดไป
เนื่องจากปฏิกิริยาระหว่างฟอสจีนกับน้ำเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ทางบริษัทเกรงว่าถ้าในระบบมีน้ำปนเปื้อนมากเกินไปจะเกิดความร้อนสูงเกิน จึงได้ออกแบบขั้นตอนการทำงานให้มีการเติมฟอสจีนปริมาณไม่มากเข้าไปก่อนคือในขั้นตอนที่ (4) ถ้าพบว่าอุณหภูมิในระบบเพิ่มสูงเกิน 1.0ºC ก็แสดงว่ามีน้ำปนเปื้อนอยู่มาก ก็ต้องมาทำการปรับเพิ่มปริมาณฟอสจีนที่ต้องเติมในขั้นตอนที่ (5) เนื่องจากปฏิกิริยาเกิดในเฟสของเหลว อุณหภูมิที่วัดจึงต้องเป็นอุณหภูมิในเฟสของเหลว ตำแหน่งของตัววัดอุณหภูมิที่ติดตั้งในถังปฏิกรณ์จึงค่อนข้างต่ำ (ดูรูปที่ ๑) เพื่อให้มั่นใจว่ามันจะจมอยู่ในของเหลว
รายงานไม่ได้กล่าวว่าน้ำปนเปื้อนนั้นมาจากไหน แต่ดูจากลำดับการทำงานแล้วแสดงว่ามากับโทลูอีน ปรกติโทลูอีนสามารถละลายในน้ำได้ในปริมาณเล็กน้อย และน้ำปริมาณเล็กน้อยก็สามารถละลายเข้าไปในโทลูอีนได้เช่นกัน ที่มาของน้ำมีได้ตั้งแต่เกิดจากปฏิกิริยาข้างเคียง, การควบแน่นของความชื้นในอากาศ (ถ้าโทลูอีนในถังเก็บนั้นสัมผัสกับอากาศ) และจากกระบวนการกลั่นให้โทลูอีนบริสุทธิ์ (เช่นด้วยการฉีดไอน้ำเข้าไปในโทลูอีนโดยตรง เพื่อไล่องค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่ำกว่าออกไป หรือถ้าในกรณีที่โทลูอีนเป็นสารที่มีจุดเดือดต่ำสุดในสารผสม โทลูอีนก็จะระเหยออกมากับไอน้ำที่ถูกฉีดเข้าไป)
ในการออกแบบขั้นตอนการทำงานครั้งแรกนั้น กำหนดให้ในเติมฟอสจีนในขั้นตอนที่ (4) เพียงแค่ 10 กิโลกรัม และดูว่าอุณหภูมิในระบบเพิ่มสูงเกิน 2.5ºC หรือไม่ ซึ่งเมื่อเข้าสู่การพิจารณาทบทวน ก็มีคำถามขึ้นมาว่าปริมาณฟอสจีนเพียงแค่ 10 กิโลกรัมนั้นสามารถทำให้เกิดความร้อนมากพอที่จะทำให้อุณหภูมิในระบบ (คืออุณหภูมิของโทลูอีน 3 ตัน) สูงขึ้น 2.5ºC ได้หรือไม่ ทำให้เกิดคำถามว่าจะสามารถใช้เงื่อนไขนี้เป็นตัวบอกว่าในระบบมีน้ำปนเปื้อนมากเกินไปได้หรือไม่ ด้วยเหตุนี้ทางผู้พิจารณาจึงได้มีการเสนอแนะให้พิจารณาการเพิ่มปริมาณฟอสจีนที่เติม หรือทำการปรับเปลี่ยนขั้นตอนการทำงานให้เหมาะสม ทางบริษัทจึงได้ทำการปรับเปลี่ยนขั้นตอนที่ (4) โดยให้เพิ่มปริมาณฟอสจีนเป็น 20 กิโลกรัม และปรับค่าการเพิ่มของอุณหภูมิให้ลดเหลือ 1ºC
ทางผู้พิจารณากล่าวเอาไว้กลาง ๆ ว่าให้ทบทวนว่าขั้นตอนการทดสอบที่ออกแบบไว้นั้นสามารถใช้ทดสอบได้จริง ซึ่งทางบริษัทก็ได้ทำการแก้ไขขั้นตอนการทำงาน แต่ไม่ได้ทำการทดสอบว่าขั้นตอนที่แก้ไขแล้วนั้นสามารถใช้ทดสอบได้จริงเนื่องจากมีการเปลี่ยนแปลงผู้ทำงาน ความเห็นเรื่องการให้ทบทวนวิธีการทำงานจึงถูกเก็บเข้าแฟ้มไว้ และผู้ที่ทำงานอยู่ในช่วงที่เกิดอุบัติเหตุก็ไม่ทราบเรื่องนี้
ประเด็นหนึ่งที่เกิดขึ้นในระหว่างการศึกษา Hazard and operability (ที่เรียกกันย่อ ๆ ว่า HAZOP) คือจะมีการเติมโทลูอีนเข้าไปในถังปฏิกรณ์น้อยเกินไป ทำให้ตัวตรวจวัดอุณหภูมินั้นไม่จมอยู่ใต้ผิวของเหลว ซึ่งถ้าเกิดเหตุการณ์ดังกล่าวจะทำให้ไม่สามารถตรวจพบการเพิ่มของอุณหภูมิได้ จึงได้มีการออกแบบป้องกันด้วยการติดตั้ง flow meter เพื่อวัดปริมาณโทลูอีนใหม่ที่ป้อนเข้าถัง (เพราะโทลูอีนส่วนใหญ่มาจากทางนี้) เพื่อให้มั่นใจว่าระดับโทลูอีนในถังจะสูงเพียงพอ
แต่ก็ไม่ได้ทำการพิจารณาว่าถ้า flow meter ตัวนี้ไม่ทำงานหรือหรือให้ข้อมูลผิดพลาดแบบ positive reading (คือบอกว่ามีการไหลแต่ในความเป็นจริงไม่มี) ซึ่งประเด็นนี้ก็มีบทบาทในอุบัติเหตุที่เกิด
การผลิตเริ่มครั้งแรกในเดือนกรกฎาคม ค.ศ. ๑๙๙๑ (พ.ศ. ๒๕๓๔) ซึ่งในครั้งนั้นก็เกิดปัญหาอุณหภูมิในถังปฏิกรณ์เพิ่มสูงเกิน คือเต็มค่าสูงสุดที่ตัวตรวจวัดอุณหภูมิอ่านได้ (ค่าสูงสุดที่เครื่องวัดแสดงได้คือ 130ºC แม้ว่าอุณหภูมิจริงจะสูงกว่านี้) ความดันในระบบสูงจนวาล์วระบายความดันเปิดเพื่อระบายความดัน ซึ่งในขณะนั้นเชื่อว่าเกิดจากความร้อนของปฏิกิริยาที่ระบายออกมาทั้งหมดในเวลาเพียงแค่ประมาณ 1.5 ชั่วโมงแทนที่จะเป็น 8-16 ชั่วโมง แต่การผลิตก็ได้ดำเนินต่อไปอีก 77 ครั้ง โดยในระหว่างนี้มีการพบอุณหภูมิเพิ่มขึ้นสูง 6 ครั้ง
ในการผลิตครั้งหนึ่งนั้นหน้าจอคอมพิวเตอร์แสดงว่ามีโทลูอีนไหลเข้าระบบ แต่ supervisor ในกะนั้นพบว่าในความเป็นจริงนั้นวาล์วของท่อป้อนโทลูอีนนั้นปิดอยู่ (คือในความเป็นจริงไม่มีการไหล) จึงได้ทำการแก้ไขด้วยการเปิดวาล์ว ปัญหานี้แสดงให้เห็นว่าหน้าจอการแสดงผลนั้นมีความผิดพลาด แต่ก็ไม่ได้รับการแก้ไข เนื่องจากไม่มีการรายงาน จนกระทั้งหลังเกิดการรั่วไหลจึงมีการตรวจพบว่าตัว flow meter นั้นมีปัญหา และสามารถส่งสัญญาณว่ามีการไหลไปยังคอมพิวเตอร์ควบคุมได้ทั้งที่ความจริงนั้นไม่มีการไหล
การผลิตครั้งที่ 78 ซึ่งเป็นครั้งที่เกิดเหตุนั้นเริ่มเมื่อเวลาประมาณ ๒๑.๓๐ น ของวันศุกร์ที่ ๖ ธันวาคม โดยโอเปอร์เรเตอร์ได้ดำเนินการตามขั้นตอน (1) และ (2) (เปิด brine cooling และเติม recycled toluene เข้าถังปฏิกรณ์) จากนั้นก็ปล่อยทิ้งไว้ 9 ชั่วโมงเพื่อรอให้ recycled DMA และโทลูอีนมีพร้อมใช้งาน ในช่วงเวลานี้มีความเป็นไปได้ที่น้ำที่มีปนเปื้อนอยู่ในระบบนั้นจะกลายเป็นน้ำแข็ง (brine cooling มีอุณหภูมิ -10ºC และน้ำแข็งที่เกิดขึ้นน่าจะจมลงข้างล่าง)
ช่วงเช้าวันที่ ๗ เมื่อมี recycled DMA พร้อมใช้งาน โอเปอร์เรเตอร์ก็ดำเนินการตามขั้นตอนที่ (3) ที่เป็นการเติมโทลูอีนใหม่เข้าถังปฏิกรณ์ แต่สิ่งที่เกิดขึ้นจริงก็คือหน้าจอคอมนั้นแสดงว่ามีโทลูอี่นไหลเข้าระบบ แต่ในความเป็นจริงนั้นวาล์วของท่อป้อนโทลูอีนใหม่นั้นปิดอยู่ ด้วยเหตุนี้ระดับของเหลวจึงไม่สูงขึ้น ตัวตรวจวัดอุณหภูมิจึงไม่จุ่มอยู่ใต้ผิวของเหลว
ขั้นตอนที่ (4) และ (5) นั้นเกิดขึ้นก่อนการเปลี่ยนกะ โอเปอร์เรเตอร์กะใหม่จึงดำเนินการต่อในขั้นตอนที่ (6) และ (7) (คือเติม DMA เข้าระบบและให้ความร้อน) และเมื่ออุณหภูมิในถังปฏิกรณ์เพิ่มสูงถึง 65ºC อุณหภูมิก็ยังคงเพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่องจนเกิน 100ºC ภายในเวลา 15 นาที ในเวลาเดียวกันความดันในระบบก็เพิ่มสูงขึ้นจนวาล์วระบายความดันทำงาน แต่ก็ยังไม่สามารถระบายความดันได้ทัน ความดันยังเพิ่มสูงขึ้นต่อเนื่องจนท่อทางเข้า vertical condenser เกิดการพัง สารที่อยู่ในถังปฏิกรณ์จึงรั่วไหลออกมา
สาเหตุของการเกิดอุบัติเหตุที่การสอบสวนค้นพบมีหลายสาเหตุเช่น
- แม้ว่าฟอสจีนจะทำปฏิกิริยากับน้ำได้รวดเร็ว แต่ในกรณีของระบบ น้ำ-โทลูอี่น-ฟอสจีน นั้น ปฏิกิริยาเกิดช้ากว่ามาก แม้ว่าจะเพิ่มอุณหภูมิจนถึง 50ºC ไม่ว่าน้ำนั้นจะอยู่ในรูปของหยดน้ำแขวนลอยอยู่ในโทลูอีน หรือเป็นชั้นน้ำที่จมอยู่ข้างกล่าง และในกรณีนี้ก็มีความเป็นไปได้ที่น้ำนั้นจะกลายเป็นก้อนน้ำแข็ง ทำให้น้ำไม่ทำปฏิกิริยากับฟอสจีนหรือทำได้ยาก ดังนั้นวิธีการตรวจสอบการปนเปื้อนของน้ำด้วยการสังเกตจากอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเมื่อป้อนฟอสจีนเข้าไปนั้น จึงไม่น่าจะใช้ได้
- การค้นพบอย่างหนึ่งก็คือ แม้ว่าฟอสจีนจะทำปฏิกิริยากับน้ำที่ปนเปื้อนอยู่กับโทลูอีนได้ช้า แต่เมื่อเติม DMA เข้าไปกลับพบว่าปฏิกิริยาเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่งต่อมาภายหลังก็พบว่าน้ำที่ปนเปื้อนในปริมาณเล็กน้อยนั้นอาจทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาระหว่าง DMA กับฟอสจีน ทำให้เกิดการคายความร้อนอย่างรวดเร็ว
- หลังเกิดอุบัติเหตุพบว่า acid chloride ที่เป็นผลิตภัณฑ์นั้นสามารถสลายตัวได้เมื่ออุณหภูมิสูงเกินกว่า 120ºC และให้ผลิตภัณฑ์ที่เป็นแก๊ส ซึ่งเป็นการเพิ่มทั้งความร้อนและความดันให้กับระบบ
ในปฏิกิริยานี้ ฟอสจีนเป็นสารอันตราย (ถูกจัดว่าเป็นอาวุธเคมี และมีการใช้ตั้งแต่สมัยสงครามโลกครั้งที่ ๑) ดังนั้นการทำปฏิกิริยาจะเกิดด้วยอัตราส่วน 1:1 โดยโมล แต่เพื่อความปลอดภัยจึงใช้ DMA ในปริมาณที่มากเกินพอเพื่อให้ฟอสจีนทำปฏิกิริยาหมด (แต่ก็ต้องมีการแยก DMA ที่เหลือจากการทำปฏิกิริยาเพื่อนำกลับมาใช้งานใหม่) ด้วยเหตุนี้เมื่อมีการรั่วไหลเกิดขึ้นจีงไม่มีฟอสจีนรั่วไหลออกมาด้วยเพราะทำปฏิกิริยาไปจนหมดแล้ว
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น