เพลิงไหม้โรงงานผลิตเอทิลีนจากการรั่วของ quench oil MO Memoir : Sunday 26 April 2569

ในวันที่ ๒๑ ธันวาคม ค.ศ. ๒๐๐๗ (พ.ศ. ๒๕๕๐) เกิดเพลิงไหม้ที่โรงงานผลิตเอทิลีนหมายเลข ๒ ที่เมือง Kashima ประเทศญี่ปุ่น ส่งผลให้มีผู้เสียชีวิต ๔ ราย รายงานการสอบสวนมีเผยแพร่ไว้สั้น ๆ ในหน้าเว็บของบริษัท Mitsubishi Chemical Group (https://www.mcgc.com/english/sustainability/mcc/reports/kashima.html) แต่เป็นภาษาญี่ปุ่นที่ผมอ่านไม่ออก ก็เลยต้องไปหาข้อมูลจากแหล่งอื่นที่เป็นภาษาอังกฤษแล้วก็ไปพบที่บทความเรื่อง "Human Design Parameters for Safety of Products and Systems" ที่เผยแพร่ไว้ในการประชุม MATEC Web of Conferences ปีค.ศ. ๒๐๑๘ (https://doi.org/10.1051/matecconf/201822301002)

แต่ก่อนอื่นเราลองมาทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีนกันสักหน่อยดีกว่า จะได้เห็นภาพว่า quench oil มีบทบาทอย่างไรในกระบวนการผลิต (ดูรูปที่ ๑ ประกอบ)

รูปที่ ๑ ตัวอย่างสิทธิบัตรการใช้ quench oil injection เพื่อหยุดปฏิกิริยาการ cracking หมายเลข 62 คือท่อแก๊สร้อนที่ออกมาจาก cracking furnace (12), หมายเลข 16 คือ Transfer line exchanger (TLE) ที่ลดความร้อนของแก๊สด้วยการใช้น้ำความดันสูงรับความร้อน เพื่อผลิตไอน้ำความดันสูง, ส่วนหมายเลข 34 คือตำแหน่งสำหรับการฉีด quench oil เข้าไปในแก๊สร้อนที่ออกมาจาก cracking furnace (12) ในรูปนี้ทำการฉีด quench oil ก่อนเข้า Transfer line exchanger

ในการผลิตเอทิลีนนั้นจะให้ความร้อนแก่ไฮโดรคาร์บอนที่มีความอิ่มตัวสูง (คือไม่มีพันธะคู่) ที่อยู่ในสถานะแก๊ส ให้มีอุณหภูมิสูงมากพอจนโมเลกุลแตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลงจนกลายเป็นเอทิลีน (ethylene H₂C=CH₂) หน่วยให้ความร้อนนี้เรียกว่า cracker อุณหภูมิที่ต้องใช้ขึ้นกับขนาดโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนที่เป็นสารตั้งต้น ถ้าเป็นโมเลกุลเล็กก็จะใช้อุณหภูมิที่สูงกว่าพวกโมเลกุลใหญ่ และอีกปัจจัยคือเวลาที่ใช้ในการทำปฏิกิริยา ที่อุณหภูมิสูงปฏิกิริยาจะเกิดได้รวดเร็วขึ้น ทำให้ใช้เวลาทำปฏิกิริยาสั้น แต่ต้องระวังไม่ให้แก๊สร้อนนั้นมีอุณหภูมิสูงนานเกินไป เพราะจะเกิดการรวมตัวของผลิตภัณฑ์ที่เป็นโมเลกุลเล็กที่เกิดขึ้น กลับมาเป็นโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้นและมีความไม่อิ่มตัวสูง (คือมีโมเลกุลมีพันธะคู่มากขึ้น) เมื่อโมเลกุลมีขนาดโตขึ้นเรื่อย ๆ ก็จะกลายเป็นของเหลวที่มีจุดเดือดสูงที่เรียกว่า tar และถ้าขนาดยังโตขึ้นไปอีกก็จะกลายเป็นของแข็งที่เรียกว่า coke การเกิด tar และ coke ไม่เพียงแต่เป็นการสูญเสียผลิตภัณฑ์ แต่ยังทำให้เกิดคราบสกปรกเกาะติดผนังท่อและอุปกรณ์ต่าง ๆ ในระบบ ส่งผลทำให้การถ่ายเทความร้อนนั้นลดต่ำลง

การออกแบบ cracker นั้นจะหาจุดที่ทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ในปริมาณที่เหมาะสม (จุดสมดุลระหว่างผลิตภัณฑ์ที่ได้กับสารตั้งต้นที่ทำปฏิกิริยาไป โดยสารตั้งต้นที่ยังเหลืออยู่สามารถแยกออกและกลับไปทำปฏิกิริยาใหม่ได้) เมื่อแก๊สร้อนนั้นไหลออกจาก cracker จากนั้นก็ต้องลดอุณหภูมิของแก๊สร้อนนั้นลงอย่างรวดเร็ว ซึ่งวิธีการปรกติที่ทำกันก็คือให้มันถ่ายเทความร้อนให้กับน้ำที่อยู่ภายใต้ความดันสูง น้ำจะเดือดเป็นไอน้ำความดันสูงที่สามารถนำไปใช้ในงานอื่นในโรงงานได้ หน่วยที่ทำหน้าที่แลกเปลี่ยนความร้อนตรงนี้มีชื่อว่า Transfer line exchanger (TLE)

อีกวิธีการหนึ่งที่มีประสิทธิภาพสูงในการลดอุณหภูมิของแก๊สร้อนคือการให้แก๊สร้อนนั้นสัมผัสกับของเหลวโดยตรง ด้วยการที่ของเหลวนั้นมีค่าความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอที่สูง โดยของเหลวที่นำมาใช้นั้นต้องทนต่ออุณหภูมิที่สูง และควรแยกออกจากแก๊สร้อนและผลิตภัณฑ์อื่นที่อยู่ในแก๊สร้อนนั้นได้ง่าย ในกรณีของไฮโดรคาร์บอนนั้นของเหลวที่นิยมใช้กันคือน้ำ และหน่วยที่ทำหน้าที่นี้คือ quench tower

รูปที่ ๒ กระบวนการผลิตที่เกิดเหตุและอุณหภูมิ ณ ตำแหน่งต่าง ๆ รูปนี้นำมาจากรายงานฉบับภาษาญี่ปุ่น ตรงเส้นสีแดงคือเส้นท่อที่เกิดเหตุ สิ่งที่แตกต่างไปจากรูปที่ ๑ คือในโรงงานนี้ทำการฉีด quench oil หลังจากแก๊สไหลออกจาก Transfer line exchanger แล้ว

ในกรณีที่ใช้ไฮโดรคาร์บอนที่เป็นแก๊สเป็นสารตั้งต้นนั้น ปัญหาเรื่องการเกิด tar จะต่ำกว่าการใช้ไฮโดรคาร์บอนเหลว (พวกตั้งแต่แนฟทาขึ้นไป) เป็นสารตั้งต้น จึงจำเป็นต้องหาวิธีการอื่นในการลดอุณหภูมิแก๊สร้อนเพิ่มเติมเข้ามา และหนึ่งในวิธีการนั้นคือการฉีด quench oil เข้าไปผสมกับแก๊สร้อนนั้น โดยตัว quench oil ก็คือไฮโดรคาร์บอนที่มีจุดเดือดสูง ส่วนตำแหน่งที่จะทำการฉีดนั้นก็ขึ้นอยู่กับการออกแบบ เช่นในรูปที่ ๑ นั้นจะทำการฉีดเข้าก่อนแก๊สร้อนไหลเข้า Transfer line exchanger ส่วนกระบวนการผลิตของโรงงานที่เกิดเหตุในรูปที่ ๒ นั้นทำการฉีดหลังจากที่แก๊สร้อนไหลออกจาก Transfer line exchanger แล้ว

รูปที่ ๓ (ซ้าย) คือแผนผังของโรงงานที่เกิดเหตุ (ขวา) คือแผนผังของบริเวณที่เกิดเหตุ spacer คือแผ่นโลหะวงแหวนที่สอดไว้ระหว่างหน้าแปลน หน้าที่ของมันคือทำให้มีที่ว่างสำหรับสอด block plate หรือ blind plate เมื่อต้องทำการตัดแยกระบบ (isolation)

รูปที่ ๔ (ซ้าย) ขั้นตอนการติดตั้ง block plate และการป้องกันที่ออกแบบไว้ (ขวา) การทำงานติดตั้ง block plate ที่ต้องมีการใช้รอกและโซ่ในการยกแผ่น block plate

รูปที่ ๓ และ ๔ นำมาจากบทความฉบับภาษาอังกฤษที่เอ่ยไว้ในช่วงแรก อุบัติเหตุเกิดขึ้นหลังการ decoking (การกำจัด coke ที่เกาะอยู่ในระบบ) และอยู่ระหว่างการเตรียมการเพื่อเริ่มการผลิตใหม่ รูปที่ ๓ (ขวา) คือบริเวณวาล์วที่เกิดเหตุ ท่อ quench oil ตรงนี้มีวาล์วปิด-เปิดสองตัว โดยระหว่างวาล์วสองตัวนี้จะมี space ติดตั้งอยู่ เพื่อใช้สำหรับติดตั้ง block plate เมื่อต้องทำการตัดแยกระบบ

ในรูปที่ ๓ นี้มีบางอย่างที่ทำให้ติดใจคือ ทำไมต้องมีวาล์วควบคุมอัตโนมัติสองตัว โดยตัวหนึ่งนั้นบทความบอกว่าเป็น motor operated valve (MOV) และอีกตัวคือ air operated valve (AOV) โดยส่วนตัวคิดว่า MOV น่าจะเป็น manual operated valve หรือวาล์วใช้มือหมุนมากกว่า เพื่อที่ว่าถ้าหากเกิดปัญหาไฟฟ้าดับหรือไม่มีอากาศความดัน ก็จะยังสามารถปิดท่อนี้ได้

ระบบความปลอดภัยที่มีการออกแบบไว้ก็คือ ในการทำงานเพื่อจะถอด/ติดตั้ง spacer/block plate นั้น จะทำการปิด MOV และ AOV และปิดวาล์วท่ออากาศที่ใช้ในการควบคุมการเปิด-ปิด AOV (air shut off valve ในรูปที่ ๔ (ซ้าย)) และยังมีการใช้การล็อคทางกายภาพ (physical locking) ตัววาล์ว AOV ไว้อีกชั้นเพื่อป้องกันไม่ให้วาล์วขยับตัวได้แม้ว่าจะมีแรงดันอากาศส่งเข้ามาเพื่อเปิดวาล์ว

เหตุเกิดระหว่างการถอด block plate ออกจากท่อ เนื่องด้วยตัว block plate นั้นมีขนาดใหญ่และหนัก จึงจำเป็นต้องใช้ระบบรอกและโซ่ช่วยในการยก อุบัติเหตุเกิดจากการที่ไม่ได้มีการป้องกันการเปิดของ AOV ด้วยการปิดท่ออากาศที่ทำหน้าที่เปิดวาล์วและล็อคตัว AOV เอาไว้ และในระหว่างการยก โซ่ที่ใช้ยก block plate แกว่งไปโดนสวิตช์ควบคุมการเปิด-ปิด AOV ทำให้สวิตช์เปลี่ยนจากตำแหน่งปิดไปเป็นตำแหน่งเปิดวาล์ว quench oil ก็เลยรั่วไหลออกมา ส่วนสาเหตุที่ทำให้น้ำมันที่รั่วออกมานั้นลุกติดไฟไม่สามารถระบุได้แน่ชัด แต่การรั่วนี้ก็ทำให้คนงาน ๒ รายที่ทำหน้าที่ถอด block plate และอีก ๒ รายที่ทำงานอื่นอยู่ข้างล่างนั้นถูกไฟครอกจาก quench oil ที่รั่วไหลออกมา

รูปที่ ๕ สถานที่เกิดเหตุ (รูปจาก https://www.alamy.com/kamisu-japan-a-fire-broke-out-dec-21-at-an-ethylene-plant-of-mitsubishi-image151071863.html)

เมื่อผสมกรดไนตริก (HNO3) กับคีโตน MO Memoir : Sunday 19 April 2569

ในตำราเคมีอินทรีย์มักจะบอกว่าสารประกอบคีโตน (ketone) ไม่ถูกออกซิไดซ์เหมือนพวกอัลดีไฮด์ (aldehyde) แตในความเป็นจริงนั้นถ้าตัวออกซิไดซ์แรงพอก็จะสามารถตัดโมเลกุลคีโตนตรงตำแหน่งหมู่คาร์บอนิล (carbonyl) ได้ และตรงตำแหน่งปลายที่ถูกตัดแยกจากกันนั้นจะกลายเป็นหมู่คาร์บอกซิล (carboxyl)

กรดไนตริก (Nitric acid HNO₃) เป็นทั้งกรดและสารออกซิไดซ์ตัวหนึ่ง โดยเฉพาะเมื่อมีความเข้มข้นสูงและมีกรดแก่บางตัวเช่นกรดกำมะถัน (Sulphuric acid H₂SO₄) ร่วมอยู่ด้วย ปฏิกิริยาที่เกิดนั้นเป็นได้ทั้งปฏิกิริยาการออกซิไดซ์ (oxidation reaction) และปฏิกิริยาเติมหมู่ไนโตร (หมู่ -NO₂) ที่เรียกว่าปฏิกิริยา Nitration) โดยปฏิกิริยาทั้งสองต่างก็เป็นปฏิกิริยาคายความร้อนสูง ดังนั้นในการทำงานที่มีของเสียที่มีทั้งสารอินทรีย์และกรดไนตริก จึงต้องระมัดระวังในการทิ้งสารพวกนี้โดยต้องไม่นำมาทิ้งรวมกันในภาชนะบรรจุเดียวกัน แต่ถึงกระนั้นก็ตามก็ยังมีการระเบิดของภาชนะบรรจุสาร (ที่รอการกำจัด) อันเกิดจากการผสมกรดไนตริกเข้ากับสารอินทรีย์โดยไม่ตั้งใจ ดังเช่น ๒ เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้

เรื่องแรกเป็นเหตุการณ์ที่เกิดในประเทศญี่ปุ่นเมื่อวันที่ ๒๗ มกราคม ค.ศ. ๑๙๙๕ (พ.ศ. ๒๕๓๘) ที่โรงงานอิเล็กทรอนิกส์แห่งหนึ่ง เหตุเกิดจากการที่คนงานนำของเสียที่เป็นสารเคมีที่มีเมทิลเอทิลคีโตน (Methyl ethyl ketone (MEK) H₃CC(O)C₂H₅) เทลงไปในถังเก็บสารเคมีรอการกำจัด แต่เนื่องจากถังบรรจุสารอินทรีย์รอการกำจัดและถังบรรจุกรดรอการกำจัดมีรูปร่างคล้ายคลึงกันทำให้คนงานเทผิด โดยเทเมทิลเอทิลคีโตนลงไปในถังบรรจุกรดที่มีกรดไนตริกอยู่ข้างใน ทำให้เกิดการระเบิดของถังบรรจุดังกล่าวตามมา

รูปที่ ๑ เหตุการณ์ที่เกิดในประเทศญี่ปุ่น นำมาจากเว็บ Failure Knowledge Database ของประเทศญี่ปุ่น ข้อความมีพิมพ์ผิดตรงที่บอกว่า MEK เป็น inorganic solvent ที่ถูกต้องคือมันเป็น organic colvent

เรื่องที่สองเกิดที่ห้องปฏิบัติการเคมีในมหาวิทยาลัยแห่งหนึ่ง (รูปที่ ๒) เป็นเหตุเกิดเมื่อเดือนกันยายน ค.ศ. ๒๐๒๔ (พ.ศ. ๒๕๖๗) ก็เรียกว่าเมื่อไม่นานมานี้ เหตุเกิดจากการระเบิดของขวดทิ้งสารที่มีกรดไนตริกและอะซีโตน (Acetone H₃CC(O)CH₃) อยู่รวมกัน สภาพความเสียหายเป็นอย่างไรก็ดูได้ในภาพข้างล่าง

รูปที่ ๒ ความเสียหายของห้องปฏิบัติการที่เกิดจากการระเบิดของขวดทิ้งสารที่มีการผสมกรดไนตริกเข้ากับอะซีโตน

อันที่จริงถ้าลองค้นข้อมูลอุบัติเหตุที่เกิดจากการผสมกรดไนตริกเข้ากับสารอินทรีย์จะพบว่ามีไม่น้อยเลย และเป็นเหตุที่เกิดขึ้นเรื่อย ๆ ในมหาวิทยาลัยต่าง ๆ ที่มีการเผยแพร่อุบัติเหตุที่เกิดขึ้นเพื่อเป็นการย้ำเตือนไม่ให้ผู้อื่นทำผิดพลาดตามอีก บ่อยครั้งที่การระเบิดเกิดจากความร้อนและผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากปฏิกิริยาที่ทำให้เกิดแก๊สที่ไปเพิ่มความดันในภาชนะบรรจุที่ไม่มีช่องทางให้แก๊สระบายออกไปได้ และเมื่อภาชนะบรรจุนั้นไม่สามารถรับความดันภายในได้ การระเบิดจึงเกิดขึ้นตามมา

เมื่อผู้ส่งออกและภาครัฐมีความเห็นต่างกันเรื่องคุณสมบัติสินค้า DUI MO Memoir : Thursday 9 April 2569

เมื่อต้นสัปดาห์แห่งคนแชร์ข่าวหนึ่งเกี่ยวกับการทำงานของระบบ ตำรวจ, อัยการ และผู้พิพากษา ของประเทศญี่ปุ่น ที่ทำการจับกุมผู้ต้องหาและไม่ให้ประกันตัว โดยอ้างว่าจะไปยุ่งกับหลักฐาน แม้ว่าหนึ่งในผู้ต้องหานั้นจะป่วยหนักจากโรคมะเร็ง จนในที่สุดหนึ่งในผู้ต้องหานั้นก็เสียชีวิตขณะอยู่ภายใต้การควบคุม และอีก ๕ เดือนถัดมา ทางเจ้าหน้าที่ก็ปล่อยตัวผู้ถูกควบคุมตัวทั้งหมด เนื่องจากไม่มีหลักฐานที่ชี้ชัดว่ามีการกระทำความผิดจริง

คดีดังกล่าวเป็นกรณีที่เจ้าหน้าที่ตำรวจญี่ปุ่นเข้าจับกุมผู้บริหารระดับสูงจำนวน ๓ คนของบริษัทแห่งหนึ่ง โดยอ้างว่าบริษัทนั้นกระทำความผิดด้วยการส่งเครื่องอบแห้งแบบพ่นฝอย หรือ spray dryer ที่เป็นสินค้าสองทาง (Dual Use Item - DUI) ไปยังประเทศจีนโดยไม่ขออนุญาต สาเหตุที่ทางบริษัทนั้นไม่ได้ขออนุญาตเพราะทางบริษัทเองพิจารณาแล้วว่าเครื่องที่ส่งออกไปนั้นมันไม่ใช่สินค้าควบคุม

ซึ่งประเด็นเรื่อง "เมื่อผู้ส่งออกและภาครัฐมีความเห็นต่างกัน และนำมาซึ่งความเสียหาย ใครเป็นผู้รับผิดชอบ" นี้ทางผมเคยให้ความเห็นเกี่ยวกับประเด็นนี้ไว้ในบันทึกข้อความที่ส่งให้กับทางกรมฯ หลังเสร็จสิ้น workshop ที่ประเทศญี่ปุ่นเมื่อสิงหาคม ๒๕๖๒ โดยได้เขียนไว้ในเรื่อง "สินค้าที่ใช้ได้สองทาง (Dual-Use Items :DUI) ตอนที่ ๘ MOMemoir : Saturday 21 September 2562" และเมื่อเหตุการณ์ทำนองนี้ได้เกิดขึ้นจริง แม้ว่าจะไม่ใช่ในประเทศไทย แต่ก็เห็นควรว่าควรบันทึกไวัสักหน่อย

สำหรับเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นที่ประเทศญี่ปุ่น ขอสรุปเป็นลำดับเวลาสั้น ๆ ดังนี้

๒๕๖๓ มีนาคม ตำรวจเข้าจับกุมประธานบริษัทและผู้บริหารระดับสูงของบริษัทอีก ๒ คน ข้อหาส่งออกเครื่อง spray dryer ที่ทางการมองว่าเป็นสินค้า DUI ไปยังประเทศจีน โดยไม่ได้ขออนุญาต (คือทางบริษัทเห็นว่ามันไม่ใช่สินค้า DUI) ทั้งสามคนถูกควบคุมตัวโดยไม่ให้ประกันตัว

๒๕๖๓ พฤศจิกายน ตรวจพบว่าประธานบริษัทป่วยเป็นมะเร็ง มีการร้องขอประกันตัวเพื่อออกมารักษาข้างนอก แต่ถูกปฏิเสธ

๒๕๖๔ กุมภาพันธ์ ประธานบริษัทเสียชีวิต (ในขณะที่ยังถูกควบคุมตัว) ข้อหาถูกถอน เนื่องจากผู้ต้องหาเสียชีวิต

๒๕๖๔ กรกฎาคม อัยการถอนฟ้อง ผู้บริหารอีก ๒ คนที่ถูกจับกุมพร้อมกัน (ที่ถูกควบคุมตัวอยู่) เนื่องจากยอมรับว่า

การส่งออกนั้นมีความเป็นไปได้ว่าไม่ผิดกฎหมาย

มีการฟ้องร้องเรียกค่าเสียหายทางแพ่ง

๒๕๖๘ มิถุนายน ทางตำรวจตัดสินใจไม่อุทธรณ์คำสั่งศาล ที่ให้ชดเชยความเสียหายแก่ผู้ถูกจับกุมและครอบครัวเป็นเงิน 166 ล้านเยน

๒๕๖๙ เมษายน ๖ ครอบครัวของผู้ที่เสียชีวิตระหว่างการควบคุม ฟ้องเอาผิดเจ้าหน้าที่รัฐ (รวมผู้พิพากษาด้วย) ที่เกี่ยวข้องกับการจับกุมและไม่ให้ประกันตัวเพื่ออกมารักษาข้างนอก

๔ รูปถัดไปเป็นข่าวที่ปรากฏบนอินเทอร์เน็ตที่ได้จากลิงก์ที่อยู่ใต้รูป

https://www.asahi.com/ajw/articles/15835687

 

https://www.japantimes.co.jp/news/2025/08/07/japan/crime-legal/japan-police-illegal-investigation/

https://www.japantimes.co.jp/news/2026/04/06/japan/crime-legal/bereaved-family-sues-hostage-justice/

 

https://japantoday.com/category/crime/update1-family-of-falsely-accused-sues-state-over-judges%27-role-in-hostage-justice

การระเบิดจากการใช้ไนโตรเจนเหลว MO Memoir : Wednesday 1 April 2569

เวลาพูดถึงอันตรายจากการใช้ไนโตรเจนเหลว (liquid nitrogen) ที่มีอุณหภูมิ -196ºC ส่วนใหญ่ก็มักจะนึกถึงอันตรายจากความเย็นจัดที่สามารถทำให้เนื้อเยื่อที่สัมผันนั้นตายได้ หรือไม่ก็การที่มันเดือดกลายเป็นไอในปริมาณมาก จนทำให้บริเวณนั้นมีออกซิเจนไม่เพียงพอต่อการหายใจ หรือไม่ก็การระเบิดจากการที่เก็บไว้ในภาชนะปิดแล้วปล่อยให้มันเดือด

แต่ยังมีอันตรายอีกรูปแบบหนึ่งที่เป็นที่รู้จักกันแพร่หลายน้อยกว่านั่นคือ ในสถานการณ์ที่เหมาะสม มันสามารถทำให้วัตถุที่ปรกติไม่ติดไฟหรือติดไฟได้ยากหรือไม่น่าจะเกิดการเผาไหม้หรือระเบิดได้นั้น กลับระเบิดได้ง่าย อันเป็นผลจากการควบแน่นของออกซิเจนในอากาศ ตัวอย่างหนึ่งของเหตุการณ์นี้เคยเล่าไว้ในเรื่อง "เมื่อหมูระเบิด (Pork scratchings explosion) MO Memoir : Monday 13 July 2563" และในวันนี้ก็จะเป็นตัวอย่างเพิ่มเติมอีก ๒ ตัวอย่าง

ตัวอย่างแรกแสดงในรูปที่ ๑ ในบางการทดลองในห้องปฏิบัติการนั้นอาจจำเป็นต้องมีการกำจัดสารที่ควบแน่นได้ออกจากแก๊สด้วยการใช้ cold trap ส่วนจะเลือกใช้อะไรเป็นสารทำความเย็นนั้นขึ้นอยู่กับว่าสารที่ต้องการแยกนั้นมีจุดเดือดเท่าใด และต้องการลดให้เหลือความเข้มข้นไม่สูงเกินเท่าใด ซึ่งก็มีทั้งการใช้น้ำหล่อเย็น, น้ำแข็ง, น้ำแข็งแห้ง, ไนโตรเจนเหลว + สารอินทรีย์บางชนิด (เช่นแอลกอฮอล์) หรือไนโตรเจนเหลวเพียงอย่างเดียว

รูปที่ ๑ อันตรายจากการระเบิดเมื่อใช้ไนโตรเจนเหลวดักจับไฮโดรคาร์บอนในแก๊ส

รูปที่ ๑ เป็นตัวอย่างหนึ่งของอันตรายที่อาจเกิดจากการใช้ไนโตรเจนเหลวในการดักจับไฮโดรคาร์บอนในแก๊สด้วย cold trap ที่ใช้ไนโตรเจนเหลวลดอุณหภูมิ สารอินทรีย์ที่ดักจับไว้ได้จะค้างอยู่ใน cold trap โดยจะมีอุณหภูมิเท่ากับไนโตรเจนเหลว อันตรายจะเกิดเมื่อทำการเปิด cold trap ในขณะที่มันยังเย็นจัดอยู่ เพราะออกซิเจนในอากาศนั้นมีจุดเดือดที่ประมาณ -183ºC ซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิจุดเดือดของไนโตรเจนเหลว ดังนั้นถ้าหากเปิดให้อากาศเข้าไปใน cold trap (เช่นเวลาที่ต้องการนำเอาสารที่ดักเอาไว้ได้ออกมา) ในขณะที่ตัว cold trap นั้นยังมีอุณหภูมิต่ำกว่า -183ºC ออกซิเจนในอากาศก็จะเกิดการควบแน่น ทำให้ความเข้มข้นของออกซิเจนบนผิวของสารที่ดักเอาไว้ได้นั้นสูงมาก การระเบิดจะเกิดได้ง่ายมากแม้ว่าสารนั้นจะยังเย็นจัดอยู่ก็ตาม วิธีการที่ปลอดภัยคือต้องรอให้ตัว cold trap อุ่นขึ้นจนออกซิเจนในอากาศนั้นไม่เกิดการควบแน่น แล้วจึงค่อยเปิด cold trap

เรื่องที่สองนำมาจากบทความเรื่อง "Explosion of benzene caused due to liquefied oxygen in surrounding air at a low temperature with liquid nitrogen" ที่เผยแพร่ในเว็บ Failure Knowledge Database ของประเทศญี่ปุ่น (รูปที่ ๒) และยังมีการนำไปเผยแพร่ต่อในบทความเรื่อง "Fire and explosion hazards caused by oxygen cylinders" ในวารสาร "Safety and Security Engineering VII" (รูปที่ ๓)

รูปที่ ๒ เหตุการณ์การระเบิดจากเบนซีนที่ใช้เป็นตัวทำละลายอันเกิดจากการควบแน่นของออกซิเจน

เหตุการณ์เกิดขึ้นเมื่อวันที่ ๑๗ มกราคม ค.ศ. ๑๙๙๑ (พ.ศ. ๒๕๔๔) ณ โรงงานผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แห่งหนึ่งในประเทศญี่ปุ่น เหตุเกิดระหว่างการเตรียมเซรามิกชนิดใหม่ด้วยการบดส่วนผสมต่าง ๆ โดยมีเบนซีน (Benzene C₆H₆) เป็นตัวทำละลาย ขั้นตอนต่อไปคือการทำส่วนผสมให้แห้งด้วยกระบวนการ "freeze-dried" โดยในกระบวนการนี้จะทำการฉีดไนโตรเจนเหลว (อุณหภูมิ -196ºC) เข้าไปในส่วนผสมซึ่งจะทำให้ส่วนผสมแข็งตัว จากนั้นก็เป็นกระบวนการทำด้วยมือคือคนงานจะทำการใช้พลั่ว (ทำจากเหล็กกล้าไร้สนิม) ตักเอาส่วมผสมที่แข็งตัวนั้นใส่ถัง (butt) เพื่อนำไปใส่ในเครื่องอบแห้ง (dryer) การระเบิดเกิดขึ้นขณะที่คนงานเริ่มทำการใช้พลั่วตักส่วนผสมที่แข็งตัว ส่งผลให้คนงานเสียชีวิต ๒ รายและบาดเจ็บ ๑ ราย

สาเหตุของการระเบิดเกิดจากอากาศที่สัมผัสกับสารผสมที่ยังเย็นจัดอยู่ ทำให้ออกซิเจนในอากาศควบแน่นบนผิวสารผสม (ที่มีเบนซีนเป็นเชื้อเพลิง) ด้วยความเข้มข้นออกซิเจนที่สูงทำให้เบนซีนสามารถระเบิดได้แม้ว่าจะมีอุณหภูมิต่ำมากก็ตาม ต้นตอของการจุดระเบิดเชื่อว่าเกิดจากประกายไฟเมื่อพลั่วกระทบกับถังผสม

หมายเหตุ : ที่ความดันบรรยากาศ อุณหภูมิจุดหลอมเหลวของเบนซีนอยู่ที่ประมาณ 5.5ºC (คือต่ำกว่านี้จะกลายเป็นของแข็ง) แต่มีอุณหภูมิจุดวาบไฟ (flash point) อยู่ที่ประมาณ -11.6ºC ซึ่งต่ำกว่าอุณหภูมิจุดเยือกแข็ง สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าเบนซีนที่เป็นของแข็งนั้นสามารถระเหิดกลายเป็นไอได้

รูปที่ ๓ เหตุการณ์เดียวกับในรูปที่ ๒ แต่ให้รายละเอียดบางส่วนมากกว่า

ถังระเบิดจากการผสมกรดไนตริกเข้ากับไตรเอทานอลเอมีน MO Memoir : Thursday 26 March 2569

ในตำราเคมีอินทรีย์นั้น มักจะเขียนเอาไว้ว่าหมู่ฟังก์ชันไหนสามารถทำปฏิกิริยาอะไรได้บ้างกับอีกหมู่ฟังก์ชันอื่น โดยเรียนกันเป็นคู่ ๆ ไป แต่พอมาถึงการสังเคราะห์จริงนั้น เป็นเรื่องปรกติที่สารที่เราสนใจนั้นมีหมู่ฟังก์ชันมากกว่า ๑ หมู่ แถมแต่ละหมู่ยังสามารถทำปฏิกิริยากับสารอีกตัวหนึ่งได้ มันก็เลยเกิดคำถามว่าถ้าเราเอาสารสองตัวนั้นผสมเข้าด้วยกัน ผลิตภัณฑ์ที่ได้จะมีอะไรบ้าง ซึ่งประเด็นว่าจะได้ผลิตภัณฑ์อะไรบ้างนั้นเป็นสิ่งสำคัญในการออกแบบกระบวนการ เพื่อที่จะได้ออกแบบขั้นตอนการผลิตให้สามารถแยกผลิตภัณฑ์แต่ละตัวออกจากกันได้

ไตรเอทานอลเอมีน (Triethanolamine) มีหมู่ฟังก์ชันที่แสดงคุณสมบัติเป็น Lewis base ได้สองหมู่ฟังก์ชันคือ อะตอมN และอะตอม O ของหมู่ OH แต่เนื่องด้วยอะตอม N เป็นเบสที่แรงกว่า ดังนั้นเวลาที่ผสมกับกรดไนตริก (Nitric acid) H⁺ ก็จะเข้าไปทำปฏิกิริยากับอะตอม N ได้สารประกอบที่มีชื่อว่า "ไตรเอทานอลแอมโมเนียมไนเทรต" (Triethanolammonium nitrate - รูปที่ ๑) สารตัวนี้มีการศึกษาเพื่อนำไปใช้เป็นส่วนผสมในดินขับเหลว (liquid propellant) สำหรับกระสุนปืนใหญ่

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยาระหว่างกรดไนตริกกับไตรเอทานอลเอมีนกับกรดไนตริก

การสังเคราะห์ไตรเอทานอลแอมโมเนียมไนเทรตทำได้ด้วยการผสมกรดไนตริกกับไตรเอทานอลแอมโมเนียมไนเทรตเข้าด้วยกัน ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นก็เป็นเหมือนปฏิกิริยาการสะเทินกรดเบสทั่วไป แต่ด้วยการที่ปฏิกิริยานี้คายความร้อนและสารที่เกี่ยวข้องก็อาจจะสลายตัวได้ ดังนั้นการผสมจึงต้องใช้การค่อย ๆ เติมสารหนึ่งลงไปในอีกสารหนึ่ง พร้อมทั้งการควบคุมอุณหภูมิไม่ให้สูงเกินไปไปพร้อมกัน ตัวอย่างเช่นวิธีการที่เปิดเผยไว้ในสิทธิบัตรประเทศญี่ปุ่น (รูปที่ ๒) จะใช้การค่อย ๆ หยดกรดลงไปในไตรเอทานอลเอมีน และต้องคอยควบคุมอุณหภูมิไว้ไม่ให้เกิน 40ºC

รูปที่ ๒ สิทธิบัตรประเทศญี่ปุ่นเกี่ยวกับวิธีการสังเคราะห์

หมู่ -OH สามารถเกิดปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันกับกรดอนินทรีย์ได้ ในกรณีของกรดไนตริกนั้นต้องมีกรดกำมะถัน (Sulphuric acid) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาช่วย ด้วยการที่กรดกำมะถันเป็นกรดที่แก่กว่ากรดไนตริก จึงสามารถเติม H⁺ เข้าไปที่อะตอม O ของหมู่ -OH ของกรดไนตริกได้ และดึงหมู่นี้ออกมาในรูปโมเลกุลน้ำ (H₂O) โดยโครงสร้างส่วนที่เหลือของกรดไนตริกจะกลายเป็นไนโตรเนียมไอออน (nitronium ion - O=N⁺=O) และหมู่ไนโตรเนียมไอออนนี้จะเข้าไปแทนที่อะตอม H ที่หมู่ -OH ของไตรเอทานอลเอมีน เพื่อเปลี่ยนหมู่ -OH ให้กลายเป็น -ONO₂ (รูปที่ ๑) ถ้าหากหมู่ -OH ของไตรเอทานอลเอมีนทำปฏิกิริยาจนครบทุกหมู่ ผลิตภัณฑ์ที่ได้ก็จะเป็นไตรเอทานอลเอมีนไตรไนเทรต (triethanolamine trinitrate) หรือ Trolnitrate รูปที่ ๓ ให้รายละเอียดคร่าว ๆ เกี่ยวกับวิธีการสังเคราะห์ไตรเอทานอลเอมีนไตรไนเทรต

รูปที่ ๓ การสังเคราะห์ Trolnitrate หรือ

เรื่องที่ตั้งใจจะเล่าในวันนี้ไม่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์สารสองตัวที่ผ่านมา แต่เกี่ยวข้องกับการผสมกรดไนตริกกับไตรเอทานอลเอมีนโดยไม่ตั้งใจ ซึ่งเกิดระหว่างการถ่ายกรดไนตริกจากรถบรรทุกเข้าถังเก็บ โดยนำมาจากบทความเรื่อง "Rupture of a triethanolamine tank caused due to an erroneous injection of nitric acid" ที่นำมาจากเว็บ Failure Knowledge Database ของประเทศญี่ปุ่น (รูปที่ ๔)

รูปที่ ๔ รายละเอียดเหตุการณ์ที่เกิด

ในเหตุการณ์นี้ พนักขับรถส่งกรดไนตริกพึ่งจะมาส่งสารที่โรงงานนี้เป็นครั้งแรก เมื่อมาถึงก็ได้รับแจ้งว่าข้อต่อท่อสำหรับถังกรดไนตริกคือตัวที่สองจากซ้าย แต่ด้วยการที่เขามีความเชื่อผิด ๆ ว่าข้อต่อท่อสำหรับกรดไนตริกต้องทำจากสแตนเลสสตีล เมื่อเห็นว่าข้อต่อตัวที่สองจากซ้ายทำจากพีวีซี ในขณะที่ข้อต่อตัวแรกนั้นทำจากสแตลเลสสตีล จึงได้ทำการต่อท่อจากรถบรรทุกเข้ากับข้อต่อตัวแรกนั้นทำจากสแตลเลสสตีล (อันที่จริงความผิดพลาดนี้พอจะป้องกันได้ด้วยการใช้ข้อต่อที่แตกต่างกัน (เช่นตัวผู้/ตัวเมียหรือขนาดต่างกัน) แต่นั่นก็ทำให้เกิดปัญหากับรถที่มาส่งที่ท่อสำหรับต่อนั้นมีข้อต่อเพียงชนิดเดียวและขนาดเดียว ซึ่งต้องไปแก้ไขต่อด้วยการหาตัวแปลงข้อต่อ)

เมื่อพนักงานขับรถต่อท่อเสร็จก็แจ้งให้ทางเจ้าหน้าที่ของโรงงานรับทราบ เจ้าหน้าที่ของโรงงานจึงสั่งเปิดโซลีนอยด์วาล์วของถังเก็บกรด จากนั้นพนักงานขับรถก็เริ่มถ่ายกรดจากรถเข้าถัง (แสดงว่าเจ้าหน้าที่ของโรงงานไม่ได้อยู่หน้างาน)

เมื่อทำการถ่ายกรดไปสักพัก พนักงานขับรถก็พบว่าระดับของเหลวในถังเก็บไตรเอทานอลเอมีนเพิ่มสูงขึ้น ในขณะที่ระดับของเหลวในถังเก็บกรดไนตริกไม่เปลี่ยนแปลง จึงได้แจ้งให้ทางเจ้าหน้าที่โรงงานรับทราบ และทำการต่อท่อใหม่พร้อมทั้งระบายกรดที่ค้างอยู่ในท่อจ่ายสารเข้าถังเก็บไตรเอทานอลเอมีน (ท่อที่ต่อผิด) ออก แล้วก็เริ่มการจ่ายกรดไนตริกจากรถเข้าถังเก็บกรดไนตริกใหม่

พนักงานของโรงงานคิดว่าการต่อผิดไม่น่าจะทำให้เกิดปัญหา เพราะโซลีนอยด์วาล์วของท่อรับไตรเอทานอลเอมีนนั้นปิดอยู่ แต่ในความเป็นจริงนั้น bypass วาล์วของโซลีนอยด์วาล์วถูกเปิดทิ้งไว้ ทำให้ตอนแรกที่ต่อท่อผิดนั้น มีการป้อนกรดไนตริกส่วนหนึ่งเข้าไปในถังเก็บไตรเอทานอลเอมีน (ที่น่าสนใจคือพนักงานขับรถเห็นว่าระดับของเหลวในถังเก็บไตรเอทานอลเอมีนเพิ่มขึ้น แสดงว่ามีของเหลวเพิ่มเข้าไปในถัง แต่พนักงานของโรงงานกลับไม่ทราบประเด็นนี้ สาเหตุหนึ่งเป็นเพราะไม่มีพนักงานของโรงงานอยู่ร่วมกับพนักงานขับรถในระหว่างการรับสารเคมี)

ในระหว่างที่ทำการถ่ายกรดจากรถเข้าถังเก็บนั้น ก็พบเห็นมีควันพวยพุ่งออกมาจากถังเก็บไตรเอทานอลเอมีน ก่อนที่ถังจะระเบิดเนื่องจากความดันในอีกประมาณ ๕ นาทีถัดมา

สาเหตุที่ทำให้ถังระเบิดเพราะความร้อนที่ปฏิกิริยาระหว่างกรดไนตริกกับไตรเอทานอลเอมีนคายออกมา ทำให้อุณหภูมิในถังสูงขึ้นจนกรดเกิดการสลายตัวให้แก๊สไนโตรเจนออกไซด์ออกมาในปริมาณมากจนทำให้ถังระเบิด

API 2000 Venting Atmospheric and Low-Pressure Storage Tanks (ตอนที่ ๒๗) MO Memoir : Wednesday 18 March 2569

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

วันนี้เป็นการขึ้นหัวข้อ D.5 อัตราการไหลทางทฤษฏี (รูปที่ ๑) โดยหัวข้อ D.5.1 แสดงการจัดรูปแบบสมการ (D.9) ใหม่เพื่อให้มีรูปแบบที่ดูเรียบง่ายขึ้น โดยเริ่มจากสมการ (D.10) และไปสิ้นสุดที่สมการ (D.14) โดยในที่นี้ G คือค่าฟลักซ์ของมวลสาร (อัตราการไหลโดยมวลต่อหน่วยพื้นที่ - ดูตอนที่ ๒๕)

สมการ (D.14) นี้ยังคงต้องใช้ค่าปริมาตรจำเพาะ (v) ในการคำนวณ ส่วนการคำนวณค่าฟลักซ์ G สุดท้ายที่อยู่ในสมการ (D.17) และ (D.18) นั้นจะแปลงค่าปริมาตรจำเพาะให้เป็นค่า compressibility factor (Z) แทน

รูปที่ ๑ การจัดรูปแบบสมการ (D.9) ใหม่ เพื่อให้มีรูปแบบที่เรียบง่ายขึ้น

รูปที่ ๒ เป็นหัวข้อ D.5.2 เนื่องจากโดยทั่วไปนั้นมักจะมีค่าอุณหภูมิและ compressibility factor สำหรับไอและแก๊สอยู่แล้ว (ไม่ใช่ตัวปริมาตรจำเพาะ) ดังนั้นจึงอาจแทนค่าปริมาตรจำเพาะสำหรับแก๊สจริง (สมการ (D.15)) ลงไปในสมการ (D.14) ซึ่งจะได้สมการ (D.16) ออกมา และเมื่อหารากของสมการ (D.16) ก็จะเป็นสมการ (D.17)

โดยในสมการ (D.15) นั้น p_i คือความดัน v คือปริมาตรจำเพาะ, Z_i คือ compressibility factor, คือค่าคงที่ของแก๊ส, T_i คืออุณหภูมิของของไหล และ M คือมวลโมเลกุลสัมพัทธ์ของแก๊ส

รูปที่ ๒ หัวข้อ D.5.2 การใช้ค่า compressibility factor แทนค่าปริมาตรจำเพาะ

แล้วการใช้ค่า compressiblity factor (Z) นั้นดีกว่าการใช้ค่าปริมาตรจำเพาะ (v) อย่างไร ตรงนี้ขอให้ดูกราฟ compressibility factor chart ของแก๊สชนิดต่าง ๆ ในรูปที่ ๓ สำหรับแก๊สใด ๆ นั้นข้อมูลที่เรามีคือค่าอุณหภูมิที่จุดวิกฤต (critical temperature - T_c) และความดันที่จุดวิกฤต (critical pressure - p_c) สำหรับแก๊สที่อุณหภูมิ T และความดัน p เราสามารถคำนวณค่า reduced temperature T_R ได้จากค่า T/T_c และ reduced pressure p_R ได้จากค่า p/p_c จากนั้นก็ไปอ่านค่า Z จากกราฟในรูปที่ ๓ ข้อมูลของกราฟในรูปที่ ๓ เป็นข้อมูลที่ได้จากการทดลองที่ค่าอุณหภูมิและความดันต่าง ๆ จะเห็นว่าไม่ว่าเป็นแก๊สชนิดใด ที่ค่า T_R และ p_R เดียวกัน แก๊สทุกตัวจะมีค่า Z ใกล้เคียงกัน ซึ่งข้อมูลตรงนี้ทำให้เราไม่จำเป็นต้องทดลองหาค่าปริมาตรจำเพาะ (v) ของสารแต่ละตัวที่ค่าอุณหภูมิและความดันต่าง ๆ

หัวข้อ D.5.3 (รูปที่ ๔) เป็นการเปลี่ยนหน่วยของสมการ (D.17) จากมวลต่อหน่วยพื้นที่ต่อหน่วยเวลาเป็นมวลต่อหน่วยเวลาด้วยการคูณพื้นที่หน้าตัดการไหล (A_eff) เข้าไป ก็จะได้สมการ (D.18)

รูปที่ ๓ Compressibility factor chart สำหรับไฮโดรคาร์บอนและแก๊สบางชนิดที่ค่า Reduced pressure (p_R) และ Reduced temperature (T_R) ต่าง ๆ จะเห็นว่าที่ค่า p_R และ T_R เดียวกัน แก๊สแต่ละชนิดจะมีค่า Z ใกล้เคียงกัน (รูปจาก https://www.linkedin.com/pulse/generalized-compressibility-chart-thermodynamics-lady-dayanti-jlkmc)

หัวข้อ D.5.4 (รูปที่ ๔) เป็นการเปลี่ยนหน่วยจากอัตราการไหลโดยมวลเป็นอัตราการไหลโดยโมล ดังแสดงในสมการ (D.19) ถึง (D.21)

หัวข้อ D.5.5 (รูปที่ ๕) เป็นการเปลี่ยนหน่วยอัตราการไหลให้กลายเป็นอัตราการไหลโดยปริมาตร ณ สภาวะที่กำหนด สมการ (D.22) ได้จากการนำค่า โมลต่อหน่วยปริมาตร (x) ที่ standard หรือ normal condition คูณเข้ากับสมการ (D.21) ที่เป็นอัตราการไหลโดยปริมาตร

สมการ (D.23) ในหัวข้อ D.5.6 (รูปที่ ๕) ต่างจากสมการ (D.22) ตรงที่ การประมาณค่า isentropic expansion coefficient ใช้อัตราส่วนค่าความจุความร้อนของแก๊สอุดมคติ คือเปลี่ยนจาก n เป็น k

สำหรับตอนนี้คงจบเพียงแค่นี้

รูปที่ ๔ หัวข้อ D.5.3 และ D.5.4

รูปที่ ๕ หัวข้อ D.5.5 และ D.5.6

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