API 2000 Venting Atmospheric and Low-Pressure Storage Tanks (ตอนที่ ๒๖) MO Memoir : Sunday 15 March 2569

หมายเหตุ : เนื้อหาในบทความชุดนี้อิงจากมาตราฐาน API 2000 7th Edition, March 2014. Reaffirmed, April 2020 โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นพื้นฐานในการทำความเข้าใจ ดังนั้นถ้าจะนำไปใช้งานจริงควรต้องตรวจสอบกับมาตรฐานฉบับล่าสุดที่ใช้ในช่วงเวลานั้นก่อน

ฉบับนี้เป็นการเริ่มต้นหัวข้อ D.4 (รูปที่ ๑) ที่เกี่ยวข้องกับการคำนวณการขยายตัวของแก๊สที่ระบายออกมา แต่ก่อนอื่นมาทบทวนความหมายของคำศัพท์บางคำกันก่อนดีกว่า

นิยามหนึ่งที่บอกความแตกต่างระหว่าง "ไอ" หรือ "vapor (US), vapour (UK)" กับ "แก๊ส" (gas) หรือ "ก๊าซ" (แล้วแต่สำเนียงการออกเสียง) คือถ้าสารนั้นอยู่ในสถานะแก๊สที่มีอุณหภูมิ "ต่ำ" กว่าอุณหภูมิวิกฤตของสารนั้นจะเรียกว่า "ไอ" แต่ถ้าเป็นสารที่อยู่ในสถานะแก๊สที่มีอุณหภูมิ "สูง" กว่าอุณหภูมิวิกฤตของสารนั้นจะเรียกว่า "แก๊ส" ส่วนอีกนิยามหนึ่งจะใช้จุดเดือดของสารเป็นหลัก กว่าคือถ้าสารนั้นอยู่ในสถานะแก๊สที่มีอุณหภูมิ "ต่ำ" กว่าอุณหภูมิจุดเดือดจะเรียกว่า "ไอ" แต่ถ้าเป็นสารที่อยู่ในสถานะแก๊สที่มีอุณหภูมิ "สูง" กว่าอุณหภูมิจุดเดือดจะเรียกว่า "แก๊ส"

การเปลี่ยนแปลงแบบ isentropic เป็นการเปลี่ยนแปลงที่ไม่มีการรับหรือถ่ายเทพลังงานเข้า-ออกจากระบบ (หรือกระบวนการ adiabatic) และไม่มีการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปี (entropy) แก๊สที่ระบายออกมาจากอุปกรณ์ระบายความดันจะเป็นการเปลี่ยนแปลงจากแก๊สความดันสูงมาเป็นแก๊สความดันต่ำ ทำให้แก๊สนั้นเกิดการขยายตัว (หรือเปลี่ยนแปลงปริมาตร) ซึ่งถ้าเป็นการระบายเข้าสู่ระบบท่อระบายแก๊สทิ้ง การเพิ่มขึ้นของปริมาตรแก๊สก็จะส่งผลต่อความเร็วของการไหลในท่อ สมการ (D.6) ในหัวข้อ D.4.1 เป็นสมการใช้สำหรับการคำนวณการเปลี่ยนแปลงปริมาตรแก๊สสำหรับแก๊สที่มีค่า "isentropic expansion coefficient" คงที่

รูปที่ ๑ เริ่มต้นหัวข้อ D.4

สำหรับแก๊สอุดมคติ ค่า "isentropic expansion coefficient" คือค่าอัตราส่วนระหว่าง ค่าความจุความร้อนของแก๊สนั้นที่ความดันคงที่ (c_p) ต่อค่าความจุความร้อนของแก๊สนั้นที่ปริมาตรคงที่ (c_v) (คือเท่ากับ c_p/c_v) ค่าความจุความร้อนที่ความดันคงที่คือปริมาณความร้อนที่ทำให้แก๊สนั้นมีอุณหภูมิเปลี่ยนไป 1ºC ที่ความดันคงที่ (คือยอมให้แก๊สมีการเปลี่ยนปริมาตร) ส่วนค่าความจุความร้อนที่ปริมาตรคงที่คือความร้อนที่ทำให้แก๊สนั้นมีอุณหภูมิเปลี่ยนไป 1ºC ที่ปริมาตรคงที่ (คือยอมให้มีการเปลี่ยนแปลงความดัน)

ในสมการ (D.6) นั้น p คือความดัน, v คือปริมาตรจำเพาะ และ n คือ isentropic expansion coefficient ค่าทางด้านซ้ายของเครื่องหมายเท่ากับ (=) p_flvⁿ คือค่าผลคูณทางด้านขาเข้า และค่าทางด้านขวาของเครื่องหมายเท่ากับ p_iv_iⁿ คือผลคูณทางด้านขาออก

รูปที่ ๒ หัวข้อ D.4.2

หัวข้อ D.4.2 (รูปที่ ๒) กล่าวว่าการระบุค่า isentropic expansion coefficient สำหรับแก๊สจริงนั้นอาจจะซับซ้อนเนื่องจากเป็นฟังก์ชันของทั้งความดันและอุณหภูมิ และแม้ว่าในกรณีส่วนมากนั้นค่าจะค่อนข้างคงที่ และก็อาจเปลี่ยนแปลงได้ในระหว่างกระบวนการขยายตัว โดยทั่วไปจะหาค่าสัมประสิทธิ์ได้จากสมการสภาวะที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่าง ความดัน-ปริมาตร ตามเส้นทางเทอร์โมไดนามิกส์ แต่ก็จำกัดเฉพาะเส้นทางการขยายตัวแบบ isentropic เท่านั้น ในกรณีที่ค่า isentropic expansion coefficient นั้นคงที่ จะสามารถคำนวณหาค่า isentropic expansion coefficient, n, ในรูปของตัวแปรที่เป็นสภาวะทางเทอร์โมไดนามิกส์ได้จากสมการ (D.7)

โดยในสมการ (D.7) นั้น v คือปริมาตรจำเพาะ, p_fl คือความดัน, ตัวห้อย T ตรงวงเล็บของอนุพันธ์ย่อยนั้นหมายถึงที่อุณหภูมิคงที่, c_p คือค่าความจุความร้อนที่ความดันคงที่, และ c_v คือค่าความจุความร้อนที่ปริมาตรคงที่

ห้วข้อ D.4.3 (รูปที่ ๓) กล่าวว่าสามารถทำการหาค่าตัวแปรต่าง ๆ ณ จุดใดก็ได้บนเส้นทาง isentropic อย่างไรก็ตามค่าที่ตำแหน่งทางเข้า (อุปกรณ์ระบายความดัน) จะเป็นค่าที่สะดวกที่สุดเนื่องจากทราบค่าอุณหภูมิ ณ จุดนี้ และสามารถหาค่าความจุความร้อนจำเพาะได้ง่าย

ห้วข้อ D.4.4 (ยังอยู่ในรูปที่ ๓) กล่าวว่า สำหรับไอและแก๊สที่สามารถพิจารณาได้ว่าเป็นแก๊สอุดมคติ (กล่าวคือมีคุณสมบัติเป็นไปตามคุณสมบัติของแก๊สอุดมคติ) จะสามารถลดรูปสมการสำหรับคำนวณค่า isentropic expansion coefficient โดยการคำนวณค่าอนุพันธ์ย่อยของความดันเทียบกับปริมาตรจำเพาะที่อุณหภูมิคงที่สำหรับแก๊สอุดมคติ ค่า isentropic expansion coefficient สำหรับแก๊สอุดมคติจะมีค่าคงที่และอัตราส่วนของค่า c_p/c_v ของแก๊สอุดมคตินั้นคงที่ ทำให้ได้ค่า isentropic expansion coefficient ของแก๊สอุดมคติ (k) เท่ากับ c_p/c_v ดังแสดงในสมการ (D.8)

รูปที่ ๓ หัวข้อ D.4.3 และ D.4.4

ในสมการ (D.8) นี้ k คือ isentropic expansion coefficient ของแก๊สอุดมคติ, p_fl คือความดัน, v คือปริมาตรจำเพาะ, c_p คือค่าความจุความร้อนที่ความดันคงที่, c_v คือค่าความจุความร้อนที่ปริมาตรคงที่ และตัวยก (*) หมายถึงค่าของแก๊สอุดมคติ

และเช่นกัน สมการ (D.8) นี้สามารถใช้หาค่า ณ ตำแหน่งใดก็ได้บนเส้นทาง isentropic อย่างไรก็ตามค่าที่ตำแหน่งทางเข้า (อุปกรณ์ระบายความดัน) จะเป็นค่าที่สะดวกที่สุดเนื่องจากทราบค่าอุณหภูมิ ณ จุดนี้ และสามารถหาค่าความจุความร้อนจำเพาะได้ง่าย พึงกล่าวไว้ ณ ที่นี้ว่าค่าอัตราส่วนค่าความจุความร้อนจำเพาะ (c_p/c_v) ของแก๊สอุดมคติ ไม่ได้ขึ้นกับอุณหภูมิอย่างมีนัยสำคัญ (และไม่ขึ้นอยู่กับความดันเลย) ดังนั้นอาจใช้ค่าอัตราส่วนค่าความจุความร้อนจำเพาะของแก๊สอุดมคติที่สภาวะมาตรฐานเป็นค่าประมาณที่ดีในกรณีที่ไม่มีข้อมูลอื่นให้

หัวข้อ D.4.5 (รูปที่ ๕) กล่าวว่าสำหรับไอและแก๊สที่การขยายตัวเป็นไปตามสมการ isentropic expansion ที่คงที่ จะสามารถแก้สมการคำนวณค่าฟลักซ์ (สมการ (D.4)) ด้วยวิธีเชิงวิเคราะห์ (คือ analytical โดยไม่ต้องใช้วิธีเชิงตัวเลขหรือ numerical) ซึ่งจะได้สมการออกมาในรูปสมการ (D.9) ซึ่งสามารถใช้ได้กับการไหลในช่วงต่ำกว่าวิกฤต (subcriitcal) หรือที่สภาวะวิกฤต (critical) ถ้าหากว่ามีค่าความดัน ณ ตำแหน่งที่แคบที่สุดของการไหล (throat) ที่ถูกต้อง (การไหลที่สภาวะวิกฤตหรือ critical flow คือเมื่อความเร็วการไหลเท่ากับความเร็วเสียง ซึ่ง ณ จุดนี้แม้ว่าจะลดความดันด้านขาออกให้ต่ำลงไปอีก ก็ไม่สามารถเพิ่มฟลักซ์การไหลได้)

รูปที่ ๕ หัวข้อ D.4.5

โดยในสมการ (D.9) นี้ n คือ isentropic expansion coefficient, v คือปริมาตรจำเพาะ, p_fl คือความดัน, ตัวห้อย i คือสภาวะที่ทางเข้าของ nozzle และตัวห้อย o คือสภาวะที่ตำแหน่ง throat ของ nozzle ซึ่งเท่ากับสภาวะ choking ถ้าหากเป็นการไหลแบบวิกฤต หรือค่าที่ทางออกถ้าหากเป็นการไหลแบบต่ำกว่าวิกฤต

เพลิงไหม้จากแนฟทารั่วออกทางท่อระบายไอน้ำทิ้งออกสู่บรรยากาศ MO Memoir : Saturday 7 March 2569

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากบทความเรื่อง "Fire in Atmospheric Vacuum Unit (AVU)" เผยแพร่ในเว็บ Oil Industry Safety Directorate ของประเทศอินเดีย (https://www.oisd.gov.in/en-in/CaseStudies) เมื่อ ๑๔ เมษายน ค.ศ. ๒๐๒๕ (พ.ศ ๒๕๖๘) เป็นเหตุการณ์เพลิงไหม้ที่เกิดจากแนฟทารั่วออกมาทางท่อระบายไอน้ำทิ้งออกสู่บรรยากาศ บทความไม่ได้บอกว่าเหตุการณ์เกิดขึ้นเมื่อใด แต่ในส่วนการสอบสวนมีการกล่าวถึงคู่มือการ Shutdown หน่ว AVU ฉบับปีค.ศ. ๒๐๒๔ แสดงว่าน่าจะเกิดในช่วงเวลาปีค.ศ. ๒๐๒๔ ถึงต้นปีค.ศ. ๒๐๒๕

ชื่อเรื่องบทความบอกว่าเกี่ยวกับหน่วย Atmospheric Vacuum Unit ซึ่งถ้าแปลออกมาตรง ๆ ก็คงจะงงว่าตกลงว่าเป็นหน่วยทำงานที่ความดันบรรยากาศหรือสุญญากาศ แต่ด้วยเนื้อหานี้เกี่ยวข้องกับกระบวนการกลั่นน้ำมันดิบ หน่วยนี้จึงควรเป็นหน่วยกลั่นน้ำมันดิบที่ปรกติจะประกอบด้วยหอกลั่นสองหอ โดยหอกลั่นหอแรกจะทำการกลั่นที่ความดันบรรยากาศ (atmospheric tower) จากนั้นจึงนำพวกจุดเดือดสูงที่ได้จากหอกลั่นแรกไปกลั่นต่อในหอกลั่นที่สองที่มีการทำสุญญากาศ (Vacuum tower) การที่ใช้สุญญากาศช่วยในการกลั่นก็เพื่อทำให้น้ำมันหนักที่มีจุดเดือดสูงที่ได้จากหอกลั่นความดันบรรยากาศ ระเหยได้ง่ายขึ้นโดยใช้อุณหภูมิที่ต่ำลง รูปที่ ๑ ข้างล่างเป็นแผนผังของหน่วยผลิต superheated steams หรือไอน้ำร้อนยวดยิ่งที่จะเอาไปใช้ในกระบวนการกลั่น

รูปที่ ๑ แผนผังของหน่วยผลิตที่เกิดเหตุ

รูปที่ ๒ เป็นเริ่มคำบรรยายเหตุการณ์ก่อนเกิดเหตุ ประโยคแรกเล่าว่าหอกลั่นอยู่ระหว่างการเริ่มเดินเครื่องใหม่ (startup) หลังการหยุดเดินเครื่องเพื่อการซ่อมบำรุงและตรวจสอบ ในระหว่างนี้หอกลั่นอยู่ในขั้นตอน "hot circulation" โดยรับน้ำมันดิบจาก furnace หรือเตาเผาจำนวน 4 เตาที่อัตราการไหลรวม 700 m³/hr โดยอุณหภูมิน้ำมันที่ออกจากเตา (coil outlet temperature) คือ 320ºC

รูปที่ ๒ คำบรรยายการทำงานก่อนเกิดเหตุ

ในการเริ่มเดินเครื่องหอกลั่นนั้น หลังจากที่ไล่อากาศออกไปจนหมดแล้ว ก็จะเริ่มจากการให้ความร้อนแก่น้ำมันที่ป้อนเข้ามา ส่วนของน้ำมันที่ระเหยกลายเป็นไอก็จะลอยขึ้นสู่ด้านบนไปยังเครื่องควบแน่น (conderser) ที่จะควบแน่นไอให้เป็นของเหลว แล้วส่งของเหลวที่ควบแน่นทั้งหมดกลับเข้าสู่หอกลั่นใหม่ ส่วนของน้ำมันที่เป็นของเหลวก็จะตกลงสู่เบื้องล่างลงไปยังหม้อต้มซ้ำ (reboiler) ที่จะให้ความร้อนแก่ของเหลวดังกล่าวให้เดือดกลายเป็นไอลอยขึ้นไปข้างบน ในระหว่างกระบวนการนี้จะไม่มีการดึงเอาของเหลว (ที่เครื่องควบแน่นหรือที่หม้อต้มซ้ำ) ออกจากระบบ เรียกว่าทำ total reflux เป็นขั้นตอนที่ทำให้ภายในหอกลั่นมีของเหลวและไออยู่ในสภาวะสมดุลก่อน แล้วจึงค่อยดึงเอาผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการกลั่นออกจากหอกลั่น

ประโยคที่สองเล่าว่า มีการนำไอน้ำความดันปานกลางเข้ามาทาง "battery limit" โดยผ่านไปที่ส่วน "convection" ของตัวเตาเผาก่อน เพื่อให้กลายเป็นไอน้ำร้อนยวดยิ่ง ก่อนจะนำไปใช้เป็น "stripping steam'

รูปที่ ๓ ตัวอย่างหนึ่งของ furnace หัวเตาจะอยู่ทางด้านล่าง ท่อที่มองเห็นเปลวไฟและสามารถรับรังสีจากการแผ่รังสีคือท่อที่อยู่ที่ผนังด้านข้างและสองแถวแรกของปล่องระบายแก๊สร้อนออก ท่อที่อยู่สูงจากนี้ขึ้นไปจะเป็นส่วน convection คือรับความร้อนจากแก๊สร้อนที่ไหลผ่าน (นำมาจากบทความเรื่อง "ทำความรู้จัก Fired process heater (ตอนที่ ๑) MO Memoir : Friday 29 January 2559"

"battery limit" ในที่นี้คือเส้นแบ่งขอบเขตความรับผิดชอบ ไม่ได้เกี่ยวข้องอะไรกับแบตเตอรี่ไฟฟ้า ตัวอย่างเช่นถ้าเป็นบ้านเรือน การไฟฟ้าก็รับผิดชอบเดินสายไฟมาถึงตรงมิเตอร์ไฟ เจ้าของบ้านก็รับผิดชอบตั้งแต่สายไฟขาออกจากมิเตอร์ ถ้าเป็นน้ำประปาก็เช่นเดียวกัน การประปาก็รับผิดชอบแค่วาล์วขาออกจากมิเตอร์ ท่อน้ำจากนั้นเข้าไปในบ้านเจ้าของบ้านก็เป็นคนรับผิดชอบ

พวกเตาเผาหรือ furnace นั้นจะให้ความร้อนด้วยหัวเตาที่มีการจุดไฟลุกเป็นเปลวไฟ ด้วยอุณหภูมิที่สูงของเปลวไฟ พลังงานของการแผ่รังสีความร้อนจะมีค่าสูง (ค่าพลังงานนี้เป็นไปตาม Stefan–Boltzmann law ที่แปรผันตามอุณหภูมิยกกำลัง 4) ดังนั้นการรับความร้อนของท่อในบริเวณนี้ (ซึ่งต้องมองเห็นเปลวไฟ) จะเป็นการรับความร้อนจากการแผ่รังสี พื้นที่บริเวณนี้จะเรียกว่า ส่วน "radiation" ส่วนแก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้นั้นจะลอยออกไปทางปล่อย แต่ด้วยอุณหภูมิแก๊สที่ยังสูงอยู่จึงสามารถดึงเอาความร้อนของแก๊สมาใช้งานได้ ดังนั้นทางปล่อยระบายแก๊สก็จะมีท่อของสารที่ต้องการเพิ่มอุณหภูมิขวางอยู่ในเส้นทางการไหลของแก๊สร้อน ท่อในบริเวณนี้มองไม่เห็นเปลวไฟ การรับความร้อนจึงเป็นการแลกเปลี่ยนความร้อนกับแก๊สร้อนโดยตรง ส่วนนี้เรียกว่าส่วน "convection" อุณหภูมิในส่วนนี้จะต่ำกว่าส่วน "radiation" ตรงนี้ดูรูปที่ ๓ เพิ่มเติมได้เพื่อจะได้เห็นภาพ

การควบคุมคุณภาพผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการกลั่นในกรณีที่พบว่า ของเหลวที่ต้องการนั้นมีองค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่ำนั้นปะปนอยู่มากเกินไปก็จะใช้การให้ความร้อนแก่ของเหลวนั้นเพื่อให้องค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่ำระเหยออกไป เช่นในกรณีที่เราต้องการน้ำมันก๊าด (ช่วงแนฟทาหนัก) แล้วพบว่ามันมีน้ำมันเบนซิน (ช่วงแนฟทาเบา) ปนอยู่มากเกินไป ก็จะใช้การฉีดไอน้ำเข้าไปในน้ำมันก๊าดที่กลั่นได้โดยตรง เพื่อระเหยเอาส่วนที่เป็นน้ำมันเบนซินกลับเข้าไปในหอกลั่นใหม่ หน่วยที่ทำหน้าที่นี้คือ stripping column หรือหอ stripper รูปที่ ๔ เป็นตัวอย่างการใช้งานหอ stripper ไอน้ำจะถูกฉีดเข้าทางด้านล่างหอโดยตรง โดยจุดฉีดจะอยู่ "เหนือ" ระดับน้ำมันที่รวมกันอยู่ด้านล่าง และประเด็นนี้มีบทบาทสำคัญกับอุบัติเหตุที่เกิด

รูปที่ ๔ การทำงานของหอ stripper รูปนี้นำมาจากบทความเรื่อง "ถังความดัน หอ stripper และการลดอุณหภูมิเนื่องจากการระเหยของของเหลว" เผยแพร่ใน blog เมื่อวันอาทิตย์ที่ ๓๐ มิถุนายน ๒๕๕๖

กลับมาต่อกับคำบรรยายในรูปที่ ๒ เมื่อไอน้ำออกจากเตาเผาก็จะกลายเป็นไอน้ำร้อนยวดยิ่ง ในช่วงแรกไอน้ำส่วนนี้จะถูกระบายทิ้งออกสู่บรรยากาศผ่านทางวาล์ว 8 (ในรูปที่ ๑) โดยที่วาล์ว 9 ยังปิดอยู่ ก่อนออกสู่บรรยากาศจะมีอุปกรณ์เก็บเสียง (silencer) เพื่อลดเสียงดัง (แบบเดียวกับที่ท่อไอเสียรถยนต์และมอเตอร์ไซค์ต้องมี) ตำแหน่งของวาล์ว 8 และ 9 นั้นอยู่บน platform ที่สูงจากพื้นประมาณ 8.5 เมตร และปลายท่อระบายไอน้ำทิ้งออกสู่บรรยากาศก็อยู่สูงจากระดับนี้ไปอีก หลังจากขั้นตอนนี้ก็จะเป็นการส่งไอน้ำต่อไปยังหอกลั่นและหอ stripper

จากวาล์ว 8 ไปยังหอกลั่นและหอ stripper นั้น (ดูรูปที่ ๑) ไอน้ำต้องผ่านระบบวาล์วควบคุม (วาล์ว 6, 5 และ 4 ซึ่งวาล์วควบคุม 5 ควรอยู่ในตำแหน่งปิด) หรือวาล์ว bypass ระบบวาล์วควบคุม (วาล์ว 7) จากนั้นจะไหลผ่านวาล์วกันการไหลย้อนกลับ (วาล์ว 3) ก่อนเข้าสู่หอกลั่นและหอ stripper (วาล์ว 1) โดยวาล์ว 2 เป็นวาล์วสำหรับระบายของเหลวที่ตกค้างอยู่ในท่อ (เช่นระบายไอน้ำที่ควบแน่นทิ้งในขณะที่ทำการอุ่นท่อให้ร้อน) ดังนั้นในช่วงแรกของการ startup นี้ วาล์วทุกตัว (ควรอยู่ในตำแหน่ง "ปิด"

รูปที่ ๕ คำบรรยายเหตุการณ์ก่อนนำไปสู่การรั่วไหลและเกิดเพลิงไหม้

รูปที่ ๕ เป็นคำบรรยายการทำงานก่อนที่จะเกิดการรั่วไหลและเพลิงไหม้ตามมา โดยเริ่มจากโอเปอร์เรเตอร์จะเปลี่ยนเส้นทางการไหลของไอน้ำจากระบายทิ้งเป็นไปยังหอกลั่นและหอ stripper โดยในจังหวะนี้โอเปอร์เรเตอร์ (ซึ่งน่าจะมีมากกว่าหนึ่งคนและทำงานหลายอย่างพร้อมกันในเวลาเดียวกัน ซึ่งข้อความในรูปที่ ๕ ก็บอกว่ามีคนทำงานได้รับบาดเจ็บรวม ๙ คน) ได้ทำการปิดวาล์ว 8 และ "crack open" วาล์ว 9 (ข้อมูลที่ว่าโอเปอร์เรเตอร์ทำการ "crack open" วาล์ว 9 อยู่ในรูปที่ ๖) ก็เกิด flash fire ที่ปลายท่อทางออกของจุดระบายไอน้ำ ซึ่งตรงนี้แสดงว่าในขณะที่ทำการ "crack open" วาล์ว 9 นั้น วาล์ว 8 ยังอยู่ระหว่างการปิด

รูปที่ ๖ ผลการสอบสวนว่าแนฟทาไหลเข้ามาในระบบท่อไอน้ำได้อย่างไร

การเปิดให้ไอน้ำไหลเข้าท่อที่มีอุณหภูมิต่ำกว่านั้น ต้องค่อย ๆ เปิดให้ไอน้ำไหลเข้าทีละน้อย ๆ เพราะในช่วงที่ท่อเย็น ไอน้ำจะควบแน่นเป็นของเหลวได้ง่าย ถ้าให้ไอน้ำไหลเข้ามากเกินไป ก็จะเกิดน้ำจำนวนมากในท่อ ซึ่งเมื่อน้ำที่ควบแน่นนี้เคลื่อนตัวไปกระแทกท่อ (เช่นตรงข้องอหรือข้อต่อ) จะทำให้เกิดแรงกระแทกอย่างรุนแรงที่เรียกว่า water hammer ซึ่งอาจทำให้ท่อเสียหายได้ ในทางปฏิบัติเปิดวาล์วแบบที่เรียกว่า "crack open" คือเปิดเพียงแค่พอรู้สึกว่าวาล์วเปิดแล้ว (เช่นได้ยินเสียงของไหลไหลผ่านวาล์ว) ก็จะหยุดการเปิด ในช่วงแรกอาจได้ยินเสียง water hammer เกิดขึ้นบ้าง พอท่อร้อนขึ้นเสียงดังกล่าวก็จะหายไป ในช่วงเวลานี้ถ้าหากมีจุดระบายของเหลวทิ้งก็จะเปิดวาล์วนั้นไว้ (เช่นวาล์ว 2 ในรูปที่ 1) พอสิ่งที่รั่วออกมานั้นเป็นไอน้ำไม่ได้เป็นน้ำที่เป็นของเหลว ก็แสดงว่าท่อร้อนขึ้นแล้ว ก็จะค่อย ๆ เปิดวาล์วทีละน้อย ๆ แล้วฟังดูว่าเกิด water hammer หรือไม่ ถ้าพบว่าเริ่มเกิดใหม่ก็จะหยุดเปิด รอจนเสียงดังกล่าวหายไปก่อนจึงค่อยเปิดเพิ่มอีก ทำอย่างนี้ไปเรื่อย ๆ จนกว่าจะเปิดวาล์วได้เต็มที่

ประเด็นที่เป็นคำถามคือแนฟทามาปรากฏตรงตำแหน่งวาล์ว 9 ได้อย่างไร

การตรวจสอบข้อมูลย้อนหลังพบว่าระดับของเหลวทั้งที่ก้นหอกลั่นและหอ stripper อยู่ที่ระดับสูงเกิน 100% คือบอกไม่ได้ว่าสูงเกินไปเท่าไร แต่น่าจะสูงเกินมากพอจนทำให้แนฟทานั้นสามารถไหลล้นเข้าไปในท่อไอน้ำได้

การที่แนฟทามาปรากฏที่วาล์ว 9 ได้แสดงว่ามีการรั่วไหลผ่านวาล์ว 1 (ขนาด 6 นิ้ว), วาล์วกันการไหลย้อนกลับ 3 (ขนาด 6 นิ้ว) และวาล์ว 4 ที่เป็นวาล์ว bypass วาล์วควบคุม (ขนาด 4 นิ้ว)

และด้วยการที่จุดฉีดไอน้ำเข้าหอ stripper นั้นอยู่สูงกว่าระดับวาล์ว 8 และ 9 ประมาณ 2 เมตร (ประมาณว่าอยู่ที่ระดับเดียวกันกับจุดระบายไอน้ำทิ้งออกสู่บรรยากาศ) จึงทำให้ด้านขาออกของวาล์ว 9 นั้นมีความดันเนื่องจากความสูงของแนฟทาอยู่ และด้วยการที่วาล์ว 8 ยังเปิดอยู่ ทำให้ความดันด้านขาเข้าของวาล์ว 9 ต่ำกว่าด้านขาออก (ที่มีแนฟทาอยู่)

พอทำการ "crack open" วาล์ว 9 โดยที่วาล์ว 8 ยังเปิดอยู่ ไอน้ำร้อนก็เลยทำให้แนฟทากลายเป็นไอรั่วไหลออกมาทางจุดระบายไอน้ำทิ้งออกสู่บรรยากาศ ด้วยการที่แนฟทามี autoignition temperature 287.7ºC และไอน้ำมีอุณหูมิ 320ºC ซึ่งสูงกว่า autoignition temperature ของแนฟทา เมื่อแนฟทารั่วออกมาเจอบรรยากาศ ก็เกิดการลุกติดไฟทันที

ดาวน์โหลดบทความต้นฉบับได้ที่

https://www.oisd.gov.in/public/assets/upload/CaseStudies/1737028120_3ae6477feb90f1c5c607.pdf

API 2000 Venting Atmospheric and Low-Pressure Storage Tanks (ตอนที่ ๒๕) MO Memoir : Tuesday 24 February 2569

หมายเหตุ : เนื้อหาในบทความชุดนี้อิงจากมาตราฐาน API 2000 7th Edition, March 2014. Reaffirmed, April 2020 โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นพื้นฐานในการทำความเข้าใจ ดังนั้นถ้าจะนำไปใช้งานจริงควรต้องตรวจสอบกับมาตรฐานฉบับล่าสุดที่ใช้ในช่วงเวลานั้นก่อน

ตอนที่ ๒๕ นี้เป็นการเริ่มภาคผนวก D ซึ่งเป็นเรื่องเกี่ยวกับเกณฑ์ต่าง ๆ ของสมการที่ใช้ในการกำหนดขนาดของอุปกรณ์ระบายความดัน (รูปที่ ๑) โดยหัวข้อ D.1 ขอบเขตกล่าวว่า ภาคผนวกนี้ได้ให้เกณฑ์สำหรับสมการที่ใช้ในการกำหนดขนาดของอุปกรณ์ระบายความดันบางสมการ ที่ใช้ในมาตรฐานนี้

รูปที่ ๑ เริ่มต้นภาคผนวก D

หัวข้อ D.2 (รูปที่ ๒) เป็นนิยามของสภาวะ "Standard" และ "Normal" ของอุณหภูมิและความดัน ซึ่งตรงนี้มีความสำคัญที่ต้องทำความเข้าใจให้ตรงกันก่อน เพราะมันต่างจากที่สอนกันอยู่ในโรงเรียนในบ้านเรา

รูปที่ ๒ นิยามของสภาวะมาตรฐาน

ย่อหน้าแรกของหัวข้อ D.2 กล่าวว่า ในการคำนวณหลายอย่างในมาตรฐานนี้ มีการใช้สภาวะอ้างอิง "หลายสภาวะ" ในการคำนวณอัตราการไหลโดยปริมาตรของแก๊สอุดมคติ สภาวะอ้างอิง "normal condition" และ "standard condition" นิยามที่ค่าอุณหภูมิและความดันดังต่อไปนี้

"normal condition" นิยามที่ความดันบรรยากาศ 101.325 kPa (คือ 1 atm หรือ 14.696 psia) และอุณหภูมิ 0ºC (32ºF) จะใช้กับค่าต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับหน่วย SI ที่สภาวะนี้ปริมาตรโดยโมลของแก๊สอุดมคติคือ 22.414 m³/kmol

"standard condition" นิยามที่ความดันบรรยากาศ 101.325 kPa (คือ 1 atm หรือ 14.696 psia) และอุณหภูมิ 15.56ºC (60ºF) จะใช้กับค่าต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับหน่วย USC ที่สภาวะนี้ปริมาตรโดยโมลของแก๊สอุดมคติคือ 379.46 ft³/lb.mol

ย่อหน้าที่สี่กล่าวว่าเป็นสิ่งสำคัญที่ควรต้องกล่าวไว้ในที่นี้ว่าอุณหภูมิอ้างอิงของ "normal condition" (0ºC หรือ 32ºF) ไม่ตรงกับอุณหภูมิอ้างอิงของ "standard condition" (15.56ºC หรือ 60ºF) การเปลี่ยนหน่วยระหว่างสภาวะ normal และ standard ได้ถูกรวมไว้ในที่นี้เมื่อมีการรายงานผลลัพธ์ด้วยหน่วยที่แตกต่างกัน ผู้ใช้พึงควรระวังว่าอัตราการไหลโดยปริมาตรในหน่วยที่แตกต่างกันกันอาจไม่เท่ากันพอดีเนื่องจากการใช้อุณหภูมอ้างอิงที่แตกต่างกัน

ที่สอนกันในบ้างเราจะบอกว่า Stand Temperature and Pressure (STP) และ Normal Temperature and Pressure (NTP) คือสภาวะเดียวกัน และนิยามที่ 1 atm และ 0ºC แต่ในมาตรฐาน API นี้ "normal condition" และ "standard condition" เป็นคนละสภาวะกัน และนิยามของ "normal condition" จะตรงกับ STP ที่สอนกันในบ้านเรา

รูปที่ ๓ หัวข้อ D.2ต่อ

ย่อหน้าถัดมาของหัวข้อ D.2 (รูปที่ ๓) กล่าวว่า ควรใช้อัตราส่วนของอุณหภูมิสัมบูรณ์ในการเปลี่ยนค่าระหว่างอัตราการไหลโดยปริมาตรของแก๊สอิสระ (กล่าวคือ เมื่อต้องการเปลี่ยนอัตราการไหลโดยมวลหรือโดยโมลไปเป็นอัตราการไหลโดยปริมาตรที่เทียบเท่า) ที่สภาวะมาตรฐานสภาวะใดสภาวะหนึ่ง ดังเช่นสมการ (D.1)

ในสมการ (D.1) นี้ q_normal คืออัตราการไหลโดยปริมาตรที่ "normal condition" หน่วยเป็น normal m³/hr ส่วน q_standard คืออัตราการไหลโดยปริมาตรที่ "standard condition" หน่วยเป็น standard ft³/hr หรือ SCF (ºR คือหน่วยอุณหภูมิสัมบูรณ์ Rankine โดยช่วง 1ºR = 1ºF และ 0ºC = 491.67ºR)

โดยมีหมายเหตุกล่าวว่าสมการ (D.1) นี้เทียบเท่ากับการเปลี่ยนระหว่างอัตราการไหลโดยโมลของแก๊สอุดมคติที่ "normal condition" และ "standard condition" ดังแสดงในสมการที่ (D.2)

และเมื่อใดก็ตามที่ต้องการแสดงค่าความต้องการในการระบายในรูปของอัตราการไหลโดยปริมาตรของอากาศที่เทียบเท่าที่สภาวะอ้างอิงสภาวะหนึ่ง ควรใช้ "อัตราส่วนของรากที่สองของอุณหภูมิสัมบูรณ์" ในการเปลี่ยนค่าระหว่างสภาวะอ้างอิง (สมการที่ (D.3)) ตรงนี้ขอให้ดูหัวข้อ D.10 เพิ่มเติม (ในสมการที่ (D.3) นั้น R_g คือค่าคงที่ของแก๊สหรือ gas constant)

รูปที่ ๔ เริ่มหัวข้อ D.3

หัวข้อ D.3 (รูปที่ ๔) เป็นการคำนวณค่าอัตราการไหลทางทฤษฎีสำหรับวิธีการ Coefficient of Discharge โดยหัวข้อ D.3.1 เป็นพื้นฐานทางทฤษฎี

หัวข้อ D.3.1.1 กล่าวว่าอัตราการไหลทางทฤษฎีสำหรับวิธีการ Coefficient of Discharge ที่ใช้ในการทดสอบอุปกรณ์ระบายความดัน มีพื้นฐานบนข้อสมมุติต่าง ๆ ดังนี้

a) ชิ้นส่วนที่เป็นตัวจำกัดการไหลของช่องระบายความดันที่เปิดเต็มที่คือตัว nozzle ที่อยู่ในส่วนลำตัวของช่องระบายความดัน ที่อยู่ระหว่างช่องทางเข้าและพื้นผิว seating (คือพื้นผิวที่ตัว seat plate หรือ plug ปิดช่องระบาย) และ

b) เส้นทางการเปลี่ยนแปลงทางเทอร์โมไดนามิกส์สำหรับการระบุค่าอัตราการไหลสูงสุดทางทฤษฎีผ่านทาง nozzle คือเป็นกระบวนการ adiabatic (ไม่มีความร้อนเข้าออก) และ reversible (ผันกลับได้) หรือเป็นกระบวนการที่เรียกว่า isentropic ซึ่งเป็นข้อสมมุติทั่วไปที่ได้มาจากหลักฐานที่ได้จากการทดลองต่าง ๆ สำหรับ nozzle ที่ผ่านการขึ้นรูปมาอย่างดี

หัวข้อ D.3.1.2 (รูปที่ ๕) กล่าวว่าข้อสมมุติที่ว่าการไหลผ่าน nozzle เป็นแบบ isentropic ได้ให้กรอบทฤษฎีมาตรฐานสำหรับสมการคำนวณค่าทางทฤษฎี ดุลพลังงานทั่วไปสำหรับการไหลผ่าน nozzle แบบ isentropic สำหรับของไหลที่มีความเป็นเนื้อเดียวกันเป็นตัวสร้างเกณฑ์สำหรับการคำนวณฟลักซ์ของมวลสาร (อัตราการไหลต่อหน่วยพื้นที่), G, ที่ไหลผ่าน nozzle ค่าสำหรับหน่วย SI (kg/m²) แสดงไว้ในสมการที่ (D.4) และค่าที่แสดงในหน่วย USC (lb/ft²) แสดงไว้ในสมการที่ (D.5) โดยที่

v คือปริมาตรจำเพาะของของไหลในหน่วย m³/kg หรือ ft³/lb

ρ คือความหนาแน่นของของไหลในหน่วย kg/m³ หรือ lb/ft³

p_st คือ "ความดันหยุดนิ่ง (stagnation pressure)" ของของไหลในหน่วย N/m² หรือ lb/in² (ความดันสัมบูรณ์) (ดูหมายเหตุ ๑ ตอนท้ายเพิ่มเติม)

ตัวห้อย i หมายถึงสภาวะของของไหลที่ทางเข้า nozzle

ตัวห้อย th หมายถึงสภาวะของของไหลที่ส่วนคอของ nozzle ที่เป็นบริเวณที่พื้นที่การไหลเล็กที่สุด

ตัวห้อย max หมายถึงค่าสูงสุดของการคำนวณนี้ ซึ่งรวมเอาโอกาสที่จะเกิด choking ของของไหลเอาไว้ด้วย (ดูหมายเหตุ ๒ ตอนท้ายเพิ่มเติม)

รูปที่ ๕ หัวข้อ D.3.1.2

หมายเหตุ

๑. ความดันหยุดนิ่งหรือ Stagnation pressure คือผลรวมพลังงานทางกลทั้งหมดของของไหลเมื่อของไหลนั้นหยุดนิ่งแบบ isentropic พลังงานจลน์ของของไหลจะเปลี่ยนไปเป็นความดัน ดังนั้นความดัน ณ ตำแหน่งที่ของไหลหยุดนิ่งนั้นจะเป็นผลรวมของความดันสถิต (Static pressure) และพลังงานจลน์

รูปที่ ๖ เมื่อของไหลไหลในท่อ ท่อซ้ายเป็นการความดันที่วัดที่ผิวท่อ (ความเร็วการไหลเป็นศูนย์) ค่าที่วัดได้คือ static pressure ท่อขวาคือ pitot tube ที่ปลายท่อวัดความดันจะยื่นไปตรงกลางท่อและหันเข้าหาด้านที่ของไหลไหลมา ความดันที่วัดได้จะเป็นผลรวมของ static pressure กับความดันที่เกิดจากพลังงานจลน์ของการไหลที่เปลี่ยนไปเป็นความดัน ความดันนี้คือ stagnation pressure (รูปจาก https://www.dubai-sensor.com/product_images/uploaded_images/fig-1.-different-pressure-scale.png)

๒. ปรกติเวลาที่ของไหลไหลผ่านช่องทางการไหลที่มีพื้นที่หน้าตัดเล็กลงนั้น ความดันจะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ทำให้ความเร็วในการไหลเพิ่มขึ้น อัตราการไหลจะขึ้นอยู่กับความดันด้านขาออกด้วย ถ้าความดันด้านขาออกลดต่ำลง (หรือแรงต้านด้านขาออกลดลง) อัตราการไหลก็จะเพิ่มขึ้น แต่จะเพิ่มได้ถึงระดับหนึ่งเท่านั้น (ที่ความเร็วในการไหลเข้าใกล้ความเร็วเสียง) ที่ระดับความเร็วนี้แม้ว่าจะลดความดันด้านขาออกลงไปอีก อัตราการไหลก็ไม่เพิ่มขึ้น เป็นการไหลที่เรียกว่าการไหลติดขัดหรือ choked flow

API 2000 Venting Atmospheric and Low-Pressure Storage Tanks (ตอนที่ ๒๔) MO Memoir : Thursday 19 February 2569

หมายเหตุ : เนื้อหาในบทความชุดนี้อิงจากมาตราฐาน API 2000 7th Edition, March 2014. Reaffirmed, April 2020 โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นพื้นฐานในการทำความเข้าใจ ดังนั้นถ้าจะนำไปใช้งานจริงควรต้องตรวจสอบกับมาตรฐานฉบับล่าสุดที่ใช้ในช่วงเวลานั้นก่อน

สำหรับตอนนี้ก็จะเป็นส่วนที่เหลือของ Annex ฺC (informative) โดยเกี่ยวข้องกับ Pilot operated relief valve แต่ก่อนที่จะเข้าเรื่องนี้ ลองมาทำความรู้จักกับ Pilot operated relief valve (หรือ Pilot operated vent valve) กันสักหน่อยก่อนดีกว่า ว่ามันแตกต่างจากวาล์วระบายความดัน (Safety valve หรือ Relief valve) ก่อนหน้านี้อย่างไร

อุปกรณ์ระบายความดันก่อนหน้านี้จะใช้น้ำหนักหรือแรงกดจากสปริง กดชิ้นส่วนที่ทำหน้าที่ปิดกั้นช่องทางการระบาย (เช่นอาจเป็นแผ่น disc หรือ piston) ต้านกับความดันภายในถัง แต่ Pilot operated relief valve จะใช้ความดันภายในถังเองเป็นตัวกดชิ้นส่วนที่ทำหน้าที่ปิดกั้นช่องทางการระบายให้ปิด เพื่อให้เห็นภาพลองดูรูปที่ ๑ ข้างล่างประกอบ

ในขณะที่วาล์วปิด (รูปที่ ๑ ซ้าย) ความดันในถัง (สีเขียว) จะพยายามดัน (จากทางด้านล่าง) ให้ตัว piston ยกตัวขึ้นจาก valve seat แต่ fluid ในถังส่วนหนึ่งจะไหลไปตามท่อ (สีเขียว) ผ่านตัว pilot (ที่อยู่ทางด้านขวา) เข้าไปในตัว dome และกดตัว piston (จากทางด้านบน) ลงล่าง แม้ว่าความดันทางด้านบนและด้านล่างของตัว piston จะเท่ากัน แต่พื้นที่ด้านบนนั้นจะมากกว่าด้านล่าง ทำให้แรงกดจากทางด้านบนสูงกว่าทางด้านล่าง piston ก็เลยอยู่ในตำแหน่งปิด (แรงกดเท่ากับผลคูณระหว่างความดันกับพื้นที่ที่ความดันนั้นกระทำ)

รูปที่ ๑ การทำงานของ Pilot operated relief valve รูปซ้ายเป็นขณะเมื่อวาล์วปิด รูปขวาเป็นขณะเมื่อวาล์วเปิด

ตัว pilot (ที่อยู่ทางด้านขวาบน) จะใช้แรงสปริงกดให้ piston ของตัว pilot (สีฟ้า) ปิดช่อง blowdown เอาไว้ ถ้าความดันในถังเพิ่มขึ้นจนถึงจุดที่เอาชนะแรงกดจากสปริงของตัว pilot ได้ ตัว piston ของตัว pilot ก็จะยกตัวขึ้นเพื่อเปิดช่อง blowdown และในขณะเดียวกันก็จะปิดช่องทางไม่ให้ความดันในถังเข้าไปกดตัว piston ของวาล์วระบายความดันจากทางด้านบนได้ ทำให้ความดันที่กดอยู่ทางด้านบนของตัว piston ของวาล์วระบายความดันระบายออกสู่บรรยากาศผ่านทางช่อง pilot discharge แรงกดจากทางด้านบนก็จะลดลง ความดันในถังก็จะสามารถดันให้ตัว piston ของวาล์วระบายความดันยกตัวขึ้นจาก valve seat ซึ่งเป็นการเปิดช่องทางให้ความดันในถังนั้นระบายออกไป และเมื่อความดันในถังลดลงจนตัว piston ของตัว pilot ปิดช่อง blowdown ก็จะเปิดช่องทางให้ความดันในถังสามารถไหลเข้าไปกดตัว piston ของวาล์วระบายความดันได้ การระบายความดันก็จะยุติ

รูปที่ ๒ เริ่มหัวข้อ C.3 เรื่องของ Pilot operated relief valve

รูปที่ ๓ โครงสร้างของ Pilot operated relief valve ที่ป้องกันทั้งความดันสูงเกินและการเกิดสุญญากาศในถังเก็บ

หัวข้อ C.3 (รูปที่ ๒) เป็นเรื่องเกี่ยวกับวาล์วระบายความดันชนิด Pilot operated โดยหัวข้อ C.3.1 ที่เป็นคำบรรยายเริ่มต้นกล่าวกว่าวาล์วระบายความดันชนิด Pilot operated มีทั้งชนิดที่ใช้ระบายความดันสูงเกิน, ป้องกันการเกิดสุญญากาศในถัง และทำได้ทั้งสองหน้าที่ และด้านขาออกของวาล์วชนิดนี้บางรูปแบบจะมีหน้าแปลน เพื่อไว้สำหรับต่อท่อเพื่อระบายไอที่ระบายออกมานั้นให้ระบายออกไปไกล ๆ สิ่งที่ไม่เหมือน direct acting vent valve (คือพวกใช้สปริงกดหรือใช้น้ำหนักกด) คือวาล์วชนิด Pilot operated นี้ใช้ช่องทางระบายเดียวกันในการระบายความดันออก (เพื่อป้องกันความดันในถังสูงเกิน) และยอมให้อากาศไหลเข้า (เพื่อป้องกันความดันในถังต่ำเกิน) และอ้างอิงไปยังรูป C.6 (รูปที่ ๓ หมายเหตุ : ในเนื้อหานั้นมีการอ้างถีงรูป C.6 ก่อน C.5)

รูปที่ ๔ หัวข้อ C.3.2

หัวข้อ C.3.2 (รูปที่ ๔) กล่าวถึงหลักการทำงาน โดยย่อหน้าแรกกล่าวว่า Pilot operated vent valve สำหรับใช้ระบายความดันนั้นใช้ความดันภายในถัง ไม่ใช่น้ำหนักหรือสปริง ในการกดให้ช่องระบายความดันปิด ตัว seat plateจะถูกปิดด้วยความดันภายในถังที่กระทำต่อไดอะแฟรมที่มีพื้นที่มาก (เลข 6 ในรูปที่ ๓) ความดันภายในถังจะกดลงบนพื้นที่ที่ใหญ่กว่าพื้นที่ปิดกั้นของตัว seat plate ทำให้แรงรวมอยู่ในทิศทางที่ทำให้วาล์วปิด ปริมาตรเหนือแผ่นไดอะแฟรมเรียกว่าโดม (ที่ว่างเหนือแผ่นไดอะแฟรม 6 ในรูปที่ ๓) ถ้าตัวแผ่นไดอะแฟรมได้รับความเสียหาย ความดันภายในโดมจะลดลง วาล์วก็จะเปิด

ย่อหน้าที่สองกล่าวว่า pilot คือวาล์วควบคุมขนาดเล็กที่ทำหน้าที่ตรวจวัดความดันในถังตลอดเวลา เมื่อความดันในถังสูงถึงค่าที่ตั้งไว้ pilot ก็จะทำงานเพื่อลดความดันของปริมาตรที่ว่างในโดม แรงที่กดให้ seat plate ปิดนั้นก็จะลดลง ทำให้แผ่น seat plate ยกตัวขึ้นเพื่อยอมให้ความดันในถังระบายผ่านวาล์วระบาย เมื่อความดันในถังลดลง pilot ก็จะปิดตัว ความดันของปริมาตรที่ว่างในโดมก็จะเพิ่มขึ้น ตัว seat plate ก็จะปิดเข้ากับ seat อีกครั้ง pilot ที่ใช้งานกันอยู่นั้นมีรูปแบบการทำงานสองรูปแบบคือ "modulating" และ "snap" รูปแบบ moderating นั้นตัววาล์วระบายความดันจะค่อย ๆ เปิดมากขึ้นตามความดันในถังที่เพิ่มสูงขึ้นจนถึงอัตราการระบายสูงสุดที่ค่าความดันระบายที่กำหนดไว้ วาล์วชนิด modulating นั้นจะปิดตัวที่ความดันใกล้เคียงกับค่าความดันระบายที่กำหนดไว้ ในกรณีของวาล์วแบบ snap นั้น วาล์วจะเปิดอย่างรวดเร็วที่ค่าความดันที่ตั้งไว้และให้อัตราการระบายสูงถึงค่าที่กำหนดที่ค่าความดันระบายที่กำหนดไว้

ย่อหน้าที่สามกล่าวว่า Pilot operated relief valve จะเปิดเต็มที่ที่ค่าความดันสูงเกินหรือต่ำกว่าค่านี้ 10% (ดู Figure C.5 หรือรูปที่ ๕) รูปแบบการยกตัวแบบนี้ทำให้การป้องกันความดันสูงเกินสามารถทำได้ด้วยการใช้อุปกรณ์ระบายความดันที่มีขนาดเล็กกว่าหรือด้วยจำนวนที่น้อยกว่า นอกจากนี้เมื่อเทียบกับวาล์วชนิด direct acting แล้ว Pilot operated relief valve สามารถทำให้ถังเก็บทำงานที่ความดันใกล้เคียงกับค่าความดันที่ตั้งไว้

หมายเหตุ : ในกรณีที่วาล์วระบายความดันเพียงตัวเดียวไม่สามารถระบายได้ทัน (คือถ้าจะใช้วาล์วเพียงตัวเดียวระบายความดันได้ทัน วาล์วต้องมีขนาดใหญ่มาก) ก็จะใช้การติดตั้งวาล์วระบายความดันหลายตัวโดยให้ค่อย ๆ เปิดทีละตัวเป็นลำดับเมื่อความดันในถังเพิ่มสูงขึ้น และด้วยการที่การระบายความดันเป็นการทำให้สารที่บรรจุอยู่ในถังรั่วไหลออกสู่บรรยากาศ การที่ถังสามารถทำงานที่ความดันใกล้เคียงกับค่าความดันที่ตั้งไว้ก็จะช่วยลดการสูญเสียตรงนี้

รูปที่ ๕ Pilot operated relief valve ที่มีไดอะแฟรมเพียงแผ่นเดียว

ย่อหน้าที่สี่กล่าวว่า Pilot operated relief valve สำหรับการป้องกันสุญญากาศในถังจะใช้ความดันบรรยากาศกดให้ seat plate ปิดเข้ากับตัว seat แรงที่กดให้ seat plate ปิดนั้นจะเท่ากับพื้นที่ของตัวแผ่น disc คูณกับผลต่างความดันที่กระทำต่อตัว seat plate ผลต่างความดันนี้เท่ากับความดันบรรยากาศบวกกับความดันสุญญากาศภายในถัง เมื่อความดันในถังเท่ากับค่าความดันที่ตั้งไว้ของ pilot ตัว pilot ก็จะเปิดเพื่อให้ปริมาตรที่ว่างขนาดใหญ่เหนือแผ่นไดอะแฟรมนั้นมีความดันเท่ากับความดันสุญญากาศในถัง ความดันบรรยากาศที่กระทำทางด้านล่างของแผ่นไดอะแฟรมก็จะทำให้แผ่นไดอะแฟรมยกตัวขึ้น ทำให้ seat plate ยกตัวขึ้นจาก seat และ seat plate และไม่จำเป็นต้องให้ความเป็นสุญญากาศในถังเพิ่มขึ้นอีกเพียงเล็กน้อยหรือไม่ก็อยู่ที่ค่าความดันสุญญากาศที่ตั้งไว้เพื่อให้ seat plate ยกตัวจาก seat เต็มที่ และเมื่อความเป็นสุญญากาศลดต่ำลง ตัว pilot ก็จะปิดและยอมให้ความดันบรรยากาศเข้าไปในโดมเพื่อกด seat plate ให้ปิด

ย่อหน้าที่ห้าของหัวข้อ C.3.32 กล่าวว่าในกรณีที่แผ่นไดอะแฟรมได้รับความเสียหาย ความดันบรรยากาศจะเข้าไปในตัวโดมและป้องกันไม่ให้ความดันสุญญากาศในถังสร้างผลต่างของแรกที่จะไปยกตัว seat plate ในท้องตลาดมีวาล์วระบายความดันที่มีไดอะแฟรมสองชิ้นที่สามารถป้องกันความเสียหายดังกล่าว (รูป C.6 หรือรูปที่ ๓) โดยไดอะแฟรมตัวหนึ่งทำหน้าที่ป้องกันความดันสูงเกินและไดอะแฟรมอีกตัวหนึ่งทำหน้าที่ป้องกันความดันสุญญากาศ ไดอะแฟรมแต่ละชิ้นจะอยู่แยกจากกันและได้รับการป้องกันจากการไหลของ fluid และได้รับการรองรับไว้เต็มที่เพื่อลดความเค้นให้เหลือน้อยสุด แผ่นไดอะแฟรมสำหรับการป้องกันสุญญากาศนั้นจะเคลื่อนตัวก็ต่อเมื่อต้องทำหน้าที่ป้องกันความดันสุญญากาศ ซึ่งเป็นการยืดอายุการทำงานของแผ่นไดอะแฟรม

รูปที่ ๖ หัวข้อ C.3.3 และ C.3.4

หัวข้อ C.3.3 (รูปที่ ๖) เป็นเรื่องของการปิดสนิทและการระบายความดัน ย่อหน้าแรกกล่าวว่า Pilot operated relief valve ที่ใช้งานที่ความดันต่ำนั้นตัว seat จะทำจากวัสดุที่มีความอ่อนเพื่อให้สามารถมั่นใจว่าปิดได้สนิท สิ่งที่ไม่เหมือนกับวาล์วระบายความดันชนิด direct acting คือ การปิดแน่นของ Pilot operated relief valve จะเพิ่มขึ้นตามความดันที่เพิ่มขึ้น แรงกดนี้จะเพิ่มสูงสุดจนถึงขณะก่อนที่วาล์วจะเปิด ทำให้ไม่เกิดการรั่วไหลแม้ว่าความดันภายในถังจะเพิ่มขึ้นหรือเมื่อความดันในถังถูกรักษาไว้ให้ใกล้เคียงกับค่าความดันที่จะให้วาล์วระบายความดันทำงาน แรงที่กระทำเพื่อให้วาล์วเปิดก็จะมีค่าสูงสุดเนื่องจากแรงที่กดให้วาล์วปิดนั้นถูกกำจัดให้หมดไปหรือลดน้อยลงไปเมื่อค่าความดันเพิ่มสูงถึงค่าที่ต้องการให้วาล์วเปิด แรงที่กระทำนั้นจะเท่ากับผลคูณของพื้นที่ของ seat plate (ที่ความดันกระทำ) คูณกับค่าความดันภายในถังที่กระทำต่อพื้นที่ดังกล่าว

หมายเหตุ : วาล์วระบายความดันชนิด direct acting จะใช้แรงสปริงกดให้วาล์วปิด ซึ่งแรงกดของสปริงนี้ไม่ขึ้นกับค่าความดันในถัง เมื่อความดันในถังเพิ่มสูงขึ้น ผลต่างระหว่างแรงกดของสปริงกับค่าความดันในถังก็จะลดลง และเมื่อวาล์วเริ่มเปิด สปริงจะมีการหดตัว แรงต้านจะสูงขึ้น ทำให้การดันให้วาล์วเปิดมากขึ้นต้องใช้แรงมากขึ้น

หมายเหตุ : วัสดุที่มีความอ่อนในที่นี้ไม่จำเป็นต้องเป็นวัสดุพวกอิลาสโตเมอร์ อาจเป็นโลหะที่มีความแข็งน้อยกว่าตัว seat plate ก็ได้

ย่อหน้าที่สองของหัวข้อ C.3.3 กล่าวว่าการระบายออกของ Pilot operated relief valve จะน้อยกว่าวาล์วชนิด direct acting (การระบายออกหรือ blowdown ในที่นี้คือช่วงเวลาตั้งแต่ความดันในถังลดต่ำลงถึงค่าความดันที่ตั้งให้วาล์วเปิด จนถึงค่าความดันในถังเมื่อวาล์วปิด ซึ่งค่าความดันในถังเมื่อวาล์วปิดนั้นจะต่ำกว่าค่าความดันที่ตั้งให้วาล์วเปิด) สำหรับวาล์วชนิด snap action โดยทั่วไปค่าความดันที่วาล์วปิดจะต่ำกว่าค่าที่ตั้งไว้ประมาณ 7% และในกรณีของวาล์วชนิด modulating ก็จะมีค่าน้อยกว่านี้

หัวข้อ C.3.4 (รูปที่ ๖) เป็นเรื่องของการหาขนาดและการตั้งค่าความดัน หัวข้อนี้กล่าวว่าขนาดของ Pilot operated relief valve ที่ใช้งานที่ความดันต่ำโดยทั่วไปจะมีขนาดอยู่ระหว่าง 50 mm (2") ถึงประมาณ 600 mm (24") ช่วงค่าความดันที่สามารถตั้งให้เปิดมีตั้งแต่ 103.4 kPa (gauge) (15 psig) ถึง -101.3 kPa (gauge) (-14.7 psig) (ความดันติดลบในที่นี้คือความดันสุญญากาศ ค่าติดลบบ่งบอกว่าต่ำกว่าความดันบรรยากาศมากน้อยเท่าใด) โดยทั่วไปความดันต่ำสุดที่ทำให้วาล์วเปิดจะอยู่ในช่วง 0.5 kPa (gauge) (2 in. H₂O) ถึง -0.5 kPa (gauge) (-2 in. H₂O ) (ความดันสุญญากาศ)

รูปที่ ๗ หัวข้อ C.3.5

รูปที่ ๗ เป็นตัวข้อ C.3.5 ซึ่งเป็นหัวข้อสุดท้ายของ Annex C เป็นเรื่องของตัวเลือกเพิ่มเติม โดยย่อหน้าแรกกว่าว่าเพื่อทดสอบยืนยันค่าความดันที่ตั้งเอาไว้ อาจมีจุดเชื่อมต่อสำหรับการทดสอบหน้างานที่ยอมให้สามารถทำการตรวจสอบค่าความดันที่ตั้งไว้ โดยที่วาล์วระบายความดันยังคงติดตั้งอยู่ในตำแหน่งและทำการให้ความดัน

ย่อหน้าที่สองกล่าวว่าอาจมีการติดตั้งวาล์วสำหรับทำให้ Pilot operated relief valve ที่ใช้เป็นอุปกรณ์ระบายความดันทำงาน ถ้าต้องการระบายความดันภายในถัง วาล์วนี้อาจทำงานด้วยมือที่ตัววาล์วระบายความดัน หรือด้วยการสั่งการควบคุมระยะไกลจากห้องควบคุม

สำหรับการติดตั้งที่ทำให้การสูญเสียความดันในท่อด้านขาเข้าอาจส่งผลให้วาล์วนั้นมีการปิดเปิดอย่างรวดเร็วเป็นวงรอบ (เช่นในกรณีที่ต้องเดินท่อเพื่อยกตัววาล์วให้สูงขึ้นจากตัวถังที่ต้องการระบายความดัน) ในกรณีนี้ก็อาจให้ตัว pilot รับความดันจากตำแหน่งด้านขาเข้าของท่อที่ต่อมายังตัววาล์ว (คือด้านที่อยู่ใกล้ถัง ไม่ใช่ด้านที่อยู่ใกล้วาล์ว) วิธีการนี้ช่วยลดโอกาสที่วาล์วจะเกิดการปิดเปิดอย่างรวดเร็วเป็นวงรอบ แต่ก็จะทำให้ความสามารถในการระบายลดลงเพราะความสามารถในการระบายขึ้นกับค่าความดันที่ทางเข้าตัววาล์ว

หมายเหตุ : ในบางกรณีอาจต้องต่อท่อเพื่อยกตัววาล์วระบายความดันใหัสูงขึ้น เพื่อให้ไอระเหยที่ระบายออกมานั้นฟุ้งกระจายออกไปอย่างปลอดภัย เมื่อวาล์วระบายความดันเปิด ความดันด้านขาเข้าของท่อหรือด้านที่ติดกับถังเก็บจะมีค่าสูงกว่าความดันด้านปลายท่อหรือด้านขาเข้าของวาล์วระบายความดัน จึงทำให้วาล์วระบายความดันอาจปิดเร็วกว่าเมื่อเทียบกับการติดตั้งวาล์วระบายความดันเข้ากับถังเก็บโดยตรง

ย่อหน้าที่กล่าวว่าในกรณีทีฝุ่นผงในถังอาจก่อให้เกิดปัญหาได้ ก็อาจติดตั้งไส้กรองละเอียดภายนอกให้กับท่อตรวจวัดความดัน และในกรณีที่ไอระเหยของสารในถังเก็บสามารถเกิดการพอลิเมอร์ไรซ์เป็นของแข็งได้ ก็อาจใช้แก๊สเฉื่อย purge ไล่เข้าไปในท่อตรวจวัดความดัน เพื่อป้องกันไม่ให้ไอระเหยของสารในถังเก็บเข้ามาในท่อตรวจวัดความดันได้

ย่อหน้าสุดท้ายของหัวข้อ C.3.5 กล่าวว่าอาจมีการติดตั้งคานสำหรับยกตัว pilot ให้เปิด (ดูรูปที่ ๘ ประกอบ) และอุปกรณ์ระบุตำแหน่ง (ว่าวาล์วเปิดหรือปิด) ให้กับตัว Pilot operated relief valve ตัวคานสำหรับยกนั้นทำให้สามารถทำการตรวจด้วยมือว่าวาล์วระบายความดันยังสามารถทำงานได้อย่างอิสระหรือไม่ การทำงานของคานนี้จะไปเปิดตัววาล์วหลักถ้าหากในถังเก็บมีความดัน ส่วนตัวระบุตำแหน่งเป็นสวิตช์วัดผลต่างความดันที่สามารถส่งสัญญาณให้ห้องควบคุมทราบว่าวาล์วเปิดหรือปิดอยู่

สำหรับ Annex C ก็จบลงเพียงแค่นี้

รูปที่ ๘ วาล์วระบายความดันที่มีคาน (ลูกศรสีแดงชี้) ซึ่งเมื่อทำการดึงคานนี้วาล์วก็จะเปิด

Platinum catalyst, Trickle bed reactor และการผลิต Heavy water MO Memoir : Tuesday 17 February 2569

จะว่าไปศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับเรื่องนี้ไม่ว่าจะเป็นเรื่องตัวเร่งปฏิกิริยาหรือเครื่องปฏิกรณ์เคมีก็ตรงกับที่ได้ร่ำเรียนมาและทำวิจัย เรียกว่าตรงกับสายงานวิศวกรรมเคมีเลยก็ได้

หลายปีก่อนหน้านี้มีศิษย์เก่าคนหนึ่งที่ทำงานอยู่สถาบันวิจัยของบริษัทแห่งหนึ่งมาปรึกษาเรื่องการออกแบบ reactor หรือเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ในการกำจัดกำมะถันออกจากน้ำมัน (ปฏิกิริยามีชื่อว่า Hydrodesulphurisation) โดยในปฏิกิริยานี้จะผ่านน้ำมัน (เฟสของเหลว) ที่มีสารประกอบกำมะถันอินทรีย์ปนเปื้อนอยู่ผ่านเบดตัวเร่งปฏิกิริยา (เฟสของแข็ง) และใช้แก๊สไฮโดรเจน (เฟสแก๊ส) เข้าไปดึงอะตอม S ออกมาในรูปแก๊ส H₂S reactor รูปแบบนี้มีชื่อเรียกว่า Trickle bed reactor

อุปกรณ์ทดลองที่เขาออกแบบเขาให้ทั้งน้ำมันและแก๊สไฮโดรเจนไหลเข้าทางด้านล่างของเบดและออกไปทางด้านบน คำถามที่เขาถามผมก็คือการทดลองของเขาสามารถจำลอง reactor ของจริงได้ไหม ผมก็ถามกลับไปว่า reactor ของจริงนั้นน้ำมันกับแก๊สไฮโดรเจนเข้าทางด้านไหน เขาก็บอกว่าน้ำมันไหลจากบนลงล่าง ส่วนแก๊สไฮโดรเจนไหลจากล่างขึ้นบน

คำตอบที่ผมให้เขาไปก็คือพฤติกรรมการไหลในอุปกรณ์ทดลองของเขากับ reactor ของจริงนั้นมันแตกต่างกัน ต้องระวังเรื่องการแปลผลให้มาก เพราะในกรณีของอุปกรณ์ทดลองที่เขาสร้างขึ้น เฟสของเหลวจะเป็นเฟสที่ต่อเนื่อง แต่กรณีของ reactor ของจริงนั้นเฟสแก๊สเป็นเฟสที่ต่อเนื่อง ซึ่งรูปแบบการไหลที่แตกต่างกันนี้มันส่งผลต่อความเข้มข้นของสารตั้งต้นแต่ละตัว (น้ำมันกับแก๊สไฮโดรเจน) บนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งส่งผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา ซึ่งตรงนี้ก็ต้องไปพิจารณาเรื่องค่าการละลายของแก๊สในของเหลว และพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาว่าของเหลวนั้นสามารถเปียก (คือเกาะติด) พื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาได้ดีแค่ไหน

รูปที่ ๑ Trickle bed reactor ที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนอะตอม H กับ D ระหว่างแก๊สไฮโดรเจนกับน้ำ ที่เปิดเผยไว้ในสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ 3,891,976 (รูปที่ ๒)

บนพื้นผิวโลหะทรานซิชันหลายตัว เมื่อโมเลกุล H₂ ลงไปเกาะบนพื้นผิว (หรือที่เรียกว่าการดูดซับ) โมเลกุล H₂ จะแตกออกเป็นอะตอม H เนื่องจากอะตอม H มันขาดอิเล็กตรอนอยู่ 1 ตัว มันก็จำเป็นต้องมองหาอะตอมอื่นมาแบ่งปันอิเล็กตรอน ถ้าหากอะตอม H นั้นจับเข้ากับอะตอม H ตัวอื่นที่อยู่ข้างเคียงกับ มันก็จะกลับคืนเป็นโมเลกุล H₂ เหมือนเดิม แต่ถ้ามันจับเข้ากับอะตอมอื่นหรือโมเลกุลอื่น ก็จะเป็นการเกิดปฏิกิริยาเคมีที่ได้ผลิตภัณฑ์ตัวใหม่ออกมา ปรากฏการณ์ตรงนี้เป็นความรู้พื้นฐานของผู้ศึกษาทางด้านตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธ์ (heterogeneous catalyst)

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีโลหะแพลทินัมทำหน้าที่เป็น active species หรือตัวที่เร่งการเกิดปฏิกิริยานั้นมีการใช้งานกันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเช่นในกระบวนการเปลี่ยนไฮโดรคาร์บอนโซ่ตรงเป็นวงแหวนอะโรมาติก (platinum reforming), การดึงอะตอม H ออกจากโมเลกุลโพรเพน (C₃H₈) ในกระบวนการผลิตโพรพิลีน (C₃H₈) ด้วยปฏิกิริยา dehydrogenation และที่ใกล้เคียงกับชีวิตประจำวันของเราก็คือกรองไอเสียรถยนต์หรือ catalytic converter ที่โลหะแพลทินัมทำหน้าที่ออกซิไดซ์ไฮโดรคาร์บอนและ CO ให้กลายเป็นน้ำและ CO₂

รูปที่ ๒ สิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ 3,891,976 ในสิทธิบัตรนี้ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะแพลทินัม (Pt) หรือโรเดียม (Rh) หรือนิเกิล (Ni) เคลือบอยู่บน solid support จากนั้นจึงนำตัวเร่งปฏิกิริยาที่เคลือบอยู่บน solid suport นั้นไปเคลือบบน organic polymer หรือ resin ที่พื้นผิวไม่ชอบน้ำ (คือน้ำมันเกาะติดพื้นผิวหรือพื้นผิวไม่เปียกน้ำ)

ด้วยการที่เมื่อโมเลกุลแก๊สไฮโดรเจนลงมาเกาะบนพื้นผิวโลหะ Pt จะเกิดการแตกตัวออกเป็นอะตอม H และอะตอม H นี้ก็สามารถทำปฏิกิริยากับโมเลกุลอื่นที่ผ่านมาเข้า ด้วยเหตุนี้จึงมีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะ Pt ในการผลิต heavy water ด้วยการแลกเปลี่ยนไอโซโทประหว่างอะตอม H กับโมเลกุลน้ำ กล่าวคือถ้าโมเลกุลไฮโดรเจนนั้นคือ HD (D คือ deuterium) โมเลกุลแก๊สก็จะแตกออกเป็นอะตอม H และ D และถ้าอะตอม D นั้นทำปฏิกิริยากับน้ำหรือ H₂O ก็จะเกิดการแลกเปลี่ยนไอโซโทปขึ้น โดยโมเลกุลน้ำจะกลายเป็น HDO ส่วนอะตอม H ที่ถูกแทนที่ก็จะจับเข้ากับอะตอม H อีกอะตอมบนพื้นผิวและหลุดออกไปในรูปโมเลกุลแก๊ส H₂

แต่ถ้าจะให้ปฏิกิริยาดำเนินไปข้างหน้าได้ดีนั้น พื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาควรที่จะให้เฉพาะโมเลกุล H₂ และ HD ลงมาเกาะบนพื้นผิวได้ และไม่ควรให้โมเลกุลน้ำ (ไม่ว่าจะเป็น H₂O หรือ HDO) ลงมาเกาะ เพื่อที่จะได้ไม่เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ และด้วยการที่การทำปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนไอโซโทปนี้เกิดขึ้นในสภาวะที่ ไฮโดรเจนและน้ำบางส่วนเป็นเฟสแก๊ส, น้ำส่วนที่เหลือเป็นเฟสของเหลว ในขณะที่ตัวเร่งปฏิกิริยานั้นเป็นเฟสของแข็ง reactor ที่ใช้ในการทำปฏิกิริยาจึงมีลักษณะเป็น trickle bed reactor ดังตัวอย่างที่นำมาแสดงในรูปที่ ๑ และเพื่อไม่ให้โมเลกุลน้ำเกาะติดพื้นผิวได้ง่าย จึงต้องนำตัวเร่งปฏิกิริยา Pr ที่เคลือบบน support นั้นไปเคลือบต่อบน support อีกตัว (ที่เป็นอนุภาคขนาดใหญ่) ที่มีพื้นผิวไม่ชอบน้ำ ดังตัวอย่างที่มีการจดสิทธิบัตรเอาไว้ในรูปที่ ๒ และ ๓

สาเหตุที่ต้องเลือกตัว support ที่มีพื้นผิวที่ไม่ชอบน้ำก็เป็นเพราะไฮโดรเจนละลายน้ำได้น้อยมาก (ไฮโดรเจนละลายในไฮโดรคาร์บอนได้ดีกว่าละลายในน้ำ) ถ้าน้ำเปียกพื้นผิว support เอาไว้หมด ปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนไอโซโทปก็ยากที่จะเกิด

รูปที่ ๓ สิทธิบัตรประเทศแคนาดาเลขที่ CA 2 469 537 จดทะเบียนตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัมสำหรับช่วยในการเกิดปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนไอโซโทประหว่างแก๊สไฮโดรเจนกับน้ำ

ดังนั้นเมื่อนำน้ำที่ผ่านการแลกเปลี่ยนไอโซโทปกับแก๊สไฮโดรเจนมาทำการแลกเปลี่ยนไอโซโทปซ้ำอีก สัดส่วนอะตอม D ในน้ำก็จะเพิ่มสูงขึ้นเรื่อย ๆ จนได้ heavy water ถ้ามองในแง่ที่ว่า nuclear ractor ชนิดที่ใช้ heavy water เป็น neutron modulator นั้นสามารถใช้ยูเรีเนียมธรรมชาติเป็นเชื้อเพลิงได้ ทำให้ไม่จำเป็นต้องมีโรงงานเพิ่มความเข้มข้น U-235 ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ และการที่ nuclear reactor ชนิดนี้สามารถใช้ผลิต Pu-239 ได้ และการแยก Pu-239 ออกจากยูเรเนียมนั้นก็สามารถใช้กระบวนการทางเคมี ซึ่งทำได้ง่ายกว่าการแยกไอโซโทปของธาตุชนิดเดียวกันออกจากกัน ทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะแพลทินัมที่เคลือบบน support ที่มีพื้นผิวที่ไม่ชอบน้ำ และถูกออกแบบมาเพื่อการแลกเปลี่ยนไอโซโทประหว่างแก๊สไฮโดรเจนกับน้ำ ถูกจัดเป็นสินค้าที่ใข้ได้สองทาง (DUI) ในหมวด 1A225 (รูปที่ ๔)

รูปที่ ๔ ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะแพลทินัมที่เคลือบบน solid support ที่น้ำไม่เปียกพื้นผิว จัดว่าเป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทาง (DUI) ตัวหนึ่งในหมวด 1A225 แต่ตรงนี้มีการระบุไว้นิดนึงว่าต้องเป็นชนิดที่ออกแบบมาเพื่อช่วยในการแลกเปลี่ยนไอโซโทปของไฮโดรเจน ดังนั้นตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัมที่ไม่ได้ออกแบบมาเพื่อการแลกเปลี่ยนไอโซโทปไฮโดรเจนจะไม่เข้าเกณฑ์นี้

บิสมัทกับการสกัดพลูโตเนียม MO Memoir : Tuesday 10 February 2569

ช่วงเดือนมีนาคม ๒๕๖๘ ทางการจีนได้ประกาศควบคุมการส่งออกแร่หายากเพื่อตอบโต้มาตรการกีดกันทางการค้าที่โดนกระทำ และหนึ่งในแร่ที่มีการควบคุมแม้ว่าจะไม่ใช่แร่หายากก็คือบิสมัท (Bismuth - Bi)

เรื่องของบิสมัสเคยเขียนไว้ในบทความเรื่อง "แคลเซียม, แมกนีเซียม และบิสมัท กับการผลิตอาวุธทำลายล้างสูง" เมื่อวันอังคารที่ ๑๗ ธันวาคม พ.ศ. ๒๕๖๗ โดยเป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทางในหมวด 1C229 โดยตอนนั้นได้กล่าวไว้ว่าบทบาทของบิสมัทคือสามารถป้องกันรังสีแกมม่าได้ดีในขณะที่ยอมให้นิวตรอนผ่านไปได้ แต่จะว่าไปบทบาทที่สำคัญเริ่มแรกของบิสมัทคือใช้ในกระบวนการทางเคมีเพื่อสกัดพลูโตเนียมออกจากเชื้อเพลิงยูเรเนียม โดยกระบวนการดังกล่าวมีชื่อว่า "Bismuth Phosphate" ที่คิดค้นโดย S.G. Thompson และ G.T. Seaborg (รูปที่ ๑)

รูปที่ ๑ สิทธิบัตรวิธีการสกัดพลูโตเนียมออกจากยูเรเนียม พึงสังเกตว่ายื่นจดในปีค.ศ. ๑๙๔๔ ซึ่งเป็นเวลาก่อนที่สงครามโลกครั้งที่ ๒ จะสิ้นสุด (สิ้นสุดค.ศ. ๑๙๔๕) แต่มาได้สิทธิบัตรในอีก ๑๓ ปีถัดมา (ค.ศ. ๑๙๕๗)

การแยกสารประกอบของโลหะหลายตัวที่ผสมกันอยู่ที่เป็นของแข็งมีด้วยกันหลายวิธี เช่นใช้เทคนิคการละลาย (dissolution) ที่เลือกสภาวะและตัวทำละลายที่เหมาะสม เพื่อให้สารบางตัวละลายออกมาและบางตัวไม่ละลายออกมา การแยกสารละลายที่ประกอบด้วยโลหะหลายตัวละลายรวมกันอยู่ก็สามารถใช้เทคนิคการตกตะกอน (precipitation) ที่ใช้การปรับสภาพสารละลายเพื่อให้สารบางตัวนั้นตกตะกอนออกมาโดยที่สารตัวอื่นยังคงค้างอยู่ในรูปสารละลาย

กระบวนการ Bismuth phosphate เริ่มจากการนำเอาเชื้อเพลิง U-238 ที่ผ่านการฉายรังสีนิวตรอนมาละลายด้วยกรดไนตริก (HNO₃) เชื้อเพลิง U-238 ที่ผ่านการฉายรังสีจะประกอบไปด้วย U-235 ที่ยังไม่แตกตัว, U-238 ที่ยังไม่เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ใด ๆ, ผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการแตกตัวของ U-235 และ Pu-239 ที่เกิดจากการดูดซับนิวตรอนของ U-238

หลังจากที่ได้สารละลายแล้วก็จะทำการเติมกรดกำมะถัน (H₂SO₄) เพื่อป้องกันการตกตะกอนของยูเรเนียม จากนั้นเติมสาร BiONO₃ (Bismuth oxynitrate ที่เตรียมได้จากการละลายโลหะบิสมัทด้วยกรดไนตริก), กรดไนตริก จากนั้นจึงค่อย ๆ หยดกรดฟอสฟอริก (H₃PO₄) ลงไปในสารละลาย ในขณะนี้พลูโตเนียมในสารละลายจะเป็น Pu⁴⁺ ซึ่งจะทำให้พลูโตเนียมตกตะกอนร่วมลงมากับ Bismuth phosphate จากนั้นจึงแยกเอาตะกอนไปละลายซ้ำอีกครั้งด้วยกรดไนตริก และทำการออกซิไดซ์พลูโตเนียมจาก 4+ ให้กลายเป็น 6+ ซึ่ง Pu⁶⁺ จะค้างอยู่ในสารละลายร่วมกับไอออนโลหะตัวอื่น (รวมทั้งบิสมัสด้วย) แต่สัดส่วนของพลูโตเนียมในสารละลายจะเพิ่มขึ้น จากนั้นก็จะทำการรีดิวซ์ Pu⁶⁺ ให้กลายเป็น Pu⁴⁺ ใหม่เพื่อให้ตกตะกอน แล้วก็ทำการละลายตะกอนนั้นใหม่ ทำการตกตะกอนสารละลายที่ได้ซ้ำอีก และเมื่อทำซ้ำไปหลาย ๆ ครั้งก็จะได้สารละลายที่มีพลูโตเนียมความเข้มข้นสูงและความบริสุทธิ์สูง รายละเอียดวิธีการสามารถอ่านได้ในสิทธิบัตรที่นำมาแสดงในรูปที่ ๑ หรือจากแผนผังสรุปที่นำมาแสดงในรูปที่ ๒ - ๔

รูปที่ ๒ แผนผังกระบวนการ Bismuth phosphate

รูปที่ ๓ แผนผังกระบวนการ Bismuth phosphate ที่เผยแพร่ไว้ในสิทธิบัตรที่นำมาแสดงในรูปที่ ๑ จะเห็นว่ามีการตกตะกอน, การละลายซ้ำ และการตกตะกอนใหม่หลายครั้ง

เตาปฏิกรณ์บางชนิด (เช่นชนิดใช้ heavy water เป็น neutron moderator) สามารถใช้แร่ยูเรเนียมธรรมชาติที่มี U-235 อยู่ประมาณ 0.7% เป็นเชื้อเพลิงได้โดยไม่จำเป็นต้องเพิ่มความเข้มข้น (หรือที่เรียกว่าเพิ่มสมรรถนะ) ของ U-235 ให้สูงขึ้น (วิธีการหลักในปัจจุบันคือการใช้เทคนิค gas centrifuge) นอกจากนี้เตาปฏิกรณ์ชนิดนี้ยังสามารถใช้เป็นแหล่งผลิต Pu-239 ได้ และการแยกธาตุที่แตกต่างกันด้วยกรรมวิธีทางเคมีนั้นมันง่ายกว่าการแยกไอโซโทปของธาตุเดียวกันออกจากกัน เส้นทางนี้จึงเป็นอีกเส้นทางหนึ่งในการได้มาซึ่ง Pu-239 สำหรับผลิตอาวุธนิวเคลียร์โดยไม่ต้องมีหน่วยเพิ่มสมรรถนะยูเรเนียม

รูปที่ ๔ แผนผังกระบวนการ Bismuth phosphate ที่ลดขนาดเพื่อทำการทดลองในห้องปฏิบัติการ (จากเอกสาร "Contaminants of the Bismuth Phosphate Process as Signifiers of Nuclear Reprocessing History", FY-2010 Final Report โดย J.M. Schwantes และ L.E. Sweet)