ความแตกต่างข้อหนึ่งระหว่างวิศวกรเคมีกับนักเคมีคือ
อะไรที่นักเคมีดูแล้วไม่เห็นมีปัญหาอะไรกับการทำปฏิกิริยาในห้องปฏิบัติการ
สามารถกลายเป็นเรื่องใหญ่ได้สำหรับวิศวกรเคมีเมื่อต้องขยายขนาดการทำปฏิกิริยา
ซึ่งส่งผลให้ต้องปรับเปลี่ยนขั้นตอนปฏิบัติในการทำปฏิกิริยา
อย่างเช่นการสังเคราะห์ฟีนอลฟอร์มัลดีไฮด์เรซิน
ฟีนอล
(Phenol - C6H5-OH)
และฟอร์มัลดีไฮด์
(Fromaldehdye
HC(O)H) สามารถทำปฏิกิริยาควบแน่นเข้าด้วยกันเป็นพอลิเมอร์ที่เรียกว่า
Bakelite (หรือ
Phenol-Formaldehyde
resin) ซึ่งจัดเป็นพลาสติกสังเคราะห์ตัวแรก
ปฏิกิริยาจะเกิดได้ดีเมื่อมีกรดแก่
(H+)
หรือเบสแก่ (OH-)
เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา
และมีการให้ความร้อนช่วยเร่งอัตราการเกิดปฏิกิริยา
แต่ผลิตภัณฑ์ที่ได้จะมีคุณสมบัติแตกต่างกันอยู่
ถ้าใช้กรดจะได้ผลิตภัณฑ์ชื่อว่า
Novolak
แต่ถ้าใช้เบสจะได้ผลิตภัณฑ์ชื่อ
Resol
(ต่างกันตรงมีหมู่
-CH2OH
เกาะอยู่หรือไม่)
รูปที่ ๑
การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นกรดหรือเบสในการสังเคราะห์
phenol formaldehyde
resin จะได้ผลิตภัณฑ์ที่มีความแตกต่างกันอยู่
การใช้เบสจะใช้สัดส่วนฟอร์มัลดีไฮด์มากกว่าฟีนอล
ในขณะที่การใช้กรดจะใช้สัดส่วนฟอร์มัลดีไฮด์น้อยกว่าฟีนอล
(รูปนี้นำมาจาก
'Handbook of
Thermosetting Foams, Aerogel, and Hydrogels. From Fundamentals to
Advanced Applications 2024, Chapter 16 - Phenolic resins:
Preparation, structure, properties, and applications, หน้า
๓๘๓-๔๒๐)
หมู่
-OH
ของฟีนอลมีฤทธิ์เป็นกรด
เมื่อมีเบส OH-
อยู่ ไอออน OH-
นี้จะไปดึงโปรตอนออกจากหมู่
-OH ของฟีนอล
ทำให้ฟีนอลกลายเป็น phenoxide
ion (C6H5-O-)
ที่มีอิเล็กตรอนหนาแน่นมากขึ้นไปอีก
อะตอม C
ที่มีความเป็นขั้วบวกของฟอร์มัลดีไฮด์จึงเข้ามาสร้างพันธะได้ง่ายขึ้น
แต่ในกรณีที่ใช้กรด H+
เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา
ไอออน H+
เข้าไปเกาะกับอะตอม
O
ของหมู่คาร์บอนิลของฟอร์มัลดีไฮด์
ซึ่งจะไปเพิ่มการดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอม
C
ทำให้ความเป็นขั้วบวกของอะตอม
C
ของฟอร์มัลดีไฮด์เพิ่มสูงขึ้น
สามารถเข้าไปดึงอิเล็กตรอนจากวงแหวนเบนซีนของฟีนอลได้ดีขึ้น
การสลายพันธะเดิมเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อนในขณะที่การสร้างพันธะขึ้นมาใหม่เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน
ดังนั้นภาพรวมทั้งหมดของการเกิดปฏิกิริยา
(ที่ประกอบด้วยการสลายพันธะเดิมและการสร้างพันธะใหม่)
จะเป็นปฏิกิริยาดูดหรือคายความร้อนนั้นก็ขึ้นอยู่กับความขั้นตอนไหนมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานมากกว่ากัน
สำหรับปฏิกิริยาการเกิดพอลิเมอร์แล้ว
ภาพรวมของปฏิกิริยาจะเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน
ที่สำคัญคือปฏิกิริยาคายความร้อนนั้นสามารถเร่งตัวเองได้ถ้าระบายความร้อนออกไปไม่ทัน
เพราะความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมาจะไปเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยา
ซึ่งจะไปเร่งอัตราการคายความร้อนให้สูงเพิ่มขึ้นไปอีก
รูปที่ ๒
คู่มือการทำการทดลองการสังเคราะห์
phenol-formaldehyde
resin สำหรับปฏิบัติการเคมีของสถาบันการศึกษาแห่งหนึ่ง
(ดาวน์โหลดมาจากอินเทอร์เน็ต)
รูปที่
๒
เป็นคู่มือการสังเคราะห์ฟีนอลฟอร์มัลดีไฮด์เรซินที่ใช้กรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา
สำหรับนิสิตระดับปริญญาตรีของมหาวิทยาลัยแห่งหนึ่งในต่างประเทศ
(ที่ค้นดูพบหลายอัน
แต่มีวิธีการทำการทดลองแบบเดียวกัน)
โดยมีขั้นตอนดังนี้
1.
เติมกรดอะซิติกบริสุทธิ์
(glacial acetic
acid) 5 ml และสารละลายฟอร์มัลดีไฮด์เข้มข้น
40% (ในน้ำ)
2.5 ml ในบีกเกอร์ขนาด 100
ml จากนั้นเติมฟีนอล 2
g
ฟอร์มัลดีไฮด์บริสุทธิ์เป็นแก๊สที่อุณหภูมิห้อง
ที่เราใช้กันนั้นจะเป็นสารละลายในน้ำ
ส่วนฟีนอลนั้นเป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้อง
แต่ถ้าอุ่นให้ร้อนสักนิดก็จะกลายเป็นของเหลว
ส่วนกรดอะซิติกนั้นทำหน้าที่เป็นตัวทำละลาย
2.
หุ้มห่อบีกเกอร์ด้วยผ้าเปียก
หรือวางลงในบีกเกอร์ขนาด
250 ml
ที่มีน้ำปริมาณเล็กน้อยอยู่ภายใน
เหตุผลคือถ้ามีน้ำมากไป
บีกเกอร์ 100
ml มันจะลอยน้ำ
น้ำและผ้าเปียกทำหน้าที่เป็นตัวรับความร้อนของปฏิกิริยา
3.
เติมกรดไฮโดรคลอริก
(HCl) เข้มข้นทีละหยด
พร้อมทั้งใช้แท่งแก้วปั่นกวนอย่างรุนแรงจะเกิดสารที่มีลักษณะคล้ายยางสีชมพู
กรดไฮโดรคลอริกที่เป็นกรดแก่นี้ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา
การปั่นกวนก็เพื่อทำให้กรดที่หยดลงไปนั้นกระจายไปทั่วถึงทั้งบีกเกอร์
สารตั้งต้นที่อยู่นอกบริเวณที่หยดกรดลงไปจะได้สามารถเกิดปฏิกิริยาได้
ในคู่มือต่าง ๆ
ที่สืบค้นได้นั้นไม่ได้ให้รายละเอียดว่าให้หยดกรดลงไปเท่าใด
4.
ล้างสารสีชมพูที่ได้นั้นหลายครั้ง
เพื่อกำจัดความเป็นกรดให้หมดไป
คู่มือไม่ได้บอกว่าใช้ของเหลวอะไรล้าง
แต่ดูแล้วน่าจะเป็นน้ำกลั่น
5.
นำผลิตภัณฑ์ที่ได้ไปกรองและชั่งน้ำหนัก
แล้วคำนวณหาผลได้
(น้ำหนักผลิตภัณฑ์ที่ได้ต่อน้ำหน้กสารตั้งต้นที่ใช้)
วิธีการทำปฏิกิริยาข้างต้นเหมาะสำหรับการเตรียมในปริมาณน้อย
ๆ เพื่อการเรียนการสอนในห้องปฏิบัติการ
แต่ไม่เหมาะสำหรับการเตรียมในปริมาณมากตรงประเด็นที่ว่า
"ทำการผสมสารตั้งต้นทั้งหมดเข้ากันก่อน
แล้วจึงค่อยเติมตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อให้ปฏิกิริยาเกิด"
ปฏิกิริยาคายความร้อนระหว่างสารตั้งต้นสองตัวที่มีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาทำให้ปฏิกิริยาเกิดนั้น
สิ่งสำคัญคือต้องสามารถควบคุมอุณหภูมิของระบบได้
กล่าวอีกนัยหนึ่งคือต้องสามารถระบายความร้อนที่เกิดขึ้นได้ทันเวลาเพื่อป้องกันไม่ให้ปฏิกิริยาเร่งตนเองจนอยู่นอกเหนือการควบคุมที่เรียกกันว่า
runaway
ซึ่งถ้าปฏิกิริยาเกิดการ
runaway เมื่อใด
ความร้อนที่คายออกมาจะทำให้สารในถังปฏิกรณ์
(ที่มักเป็นถังปิด)
เดือดกลายเป็นไออย่างรวดเร็วหรือเกิดการสลายตัวตามมา
ทำให้ความดันในถังปฏิกรณ์นั้นสูงจนถังระเบิดได้
ในกรณีที่ผสมสารตั้งต้นทั้งหมดเข้าด้วยกัน
แล้วเติมตัวเร่งปฏิกิริยาลงไปเพื่อให้ปฏิกิริยาเกิดนั้น
แม้ว่าจะหยุดการเติมตัวเร่งปฏิกิริยา
ปฏิกิริยาก็จะไม่หยุดเพราะตัวเร่งปฏิกิริยาที่เติมไปก่อนหน้าจะยังทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาอยู่
ดังนั้นการควบคุมอัตราการเกิดปฏิกิริยาจะไปตกที่ความสามารถในการระบายความร้อนออกเพียงอย่างเดียว
รูปที่ ๓
ตัวอย่างถังปฏิกรณ์ที่ใช้ในการผลิต
phenol formaldehyde
resin ที่ใช้ในระดับอุตสาหกรรม
(รูปนี้นำมาจากเอกสารเดียวกับรูปที่
๑)
วิธีการที่ปลอดภัยกว่าที่ใช้กันในอุตสาหกรรมคือ
ทำการเติมสารตั้งต้นเพียงตัวใดตัวหนึ่งเข้าไปในถังปฏิกรณ์ก่อน
(ถ้ามีการใช้ตัวทำละลายก็มักจะเติมตัวทำละลายเข้าไปก่อน)
ทำการเติมตัวเร่งปฏิกิริยา
แล้วทำการผสมสารผสมในถังปฏิกรณ์ให้เป็นเนื้อเดียวกัน
จากนั้นจึงค่อย ๆ
เติมสารตั้งต้นตัวที่สองเข้าไปอย่างช้า
ๆ เพื่อให้เกิดความร้อนทีละไม่มากเพื่อที่จะได้สามารถระบายออกได้ทัน
ถ้าพบว่าอุณหภูมิมีแนวโน้มจะเพิ่มสูงเกินไป
ก็จะหยุดการเติมสารตั้งต้นตัวที่สอง
ปฏิกิริยาก็จะหยุด
(เว้นแต่ว่าจะมีปฏิกิริยาข้างเคียงเกิด
เช่นการสลายตัวของสารที่อยู่ในถัง
ซึ่งถ้าเป็บแบบนี้ล่ะก็
แม้ว่าจะหยุดการเติมสารตั้งต้นตัวที่สอง
อุณหภูมิในถังก็จะยังเพิ่มสูงขึ้นอยู่ดี)
รูปที่
๓
เป็นตัวอย่างถังปฏิกรณ์ที่ใช้ในการสังเคราะห์ฟีนอลฟอร์มัลดีไฮด์เรซิน
ในการสังเคราะห์แบบกะ (batch
process) นั้น
จะทำการเติมตัวทำละลายเข้าไปในถังก่อน
จากนั้นเติมฟีนอลและตัวเร่งปฏิกิริยา
เมื่อผสมสารในถังเป็นเนื้อเดียวกันแล้วก็จะค่อย
ๆ เติมฟอร์มัลดีไฮด์ลงไปอย่างช้า
ๆ พร้อมกับอุ่นสารในถังให้ร้อนขึ้นด้วยไอน้ำที่ไหลอยู่ใน
jacket รอบนอกของถัง
ช่วงนี้เป็นช่วงการเพิ่มอุณหภูมิเพื่อให้ปฏิกิริยาเริ่มเกิด
และเมื่ออุณหภูมิสูงเพียงพอก็จะทำการเปลี่ยนจากไอน้ำเป็นน้ำหล่อเย็นเพื่อหยุดการเพิ่มอุณหภูมิ
ความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมานั้นส่วนหนึ่งระบายออกทางน้ำหล่อเย็นที่ไหลผ่านด้านนอก
และอีกส่วนอาศัยการระเหยของตัวทำละลายที่จะไปควบแน่นเป็นของเหลวใหม่ที่เครื่องควบแน่น
(conderser)
และไหลกลับลงสู่ถังปฏิกรณ์เพื่อมารับความร้อนใหม่
พึงสังเกตว่าเส้นทางตัวทำละลายไหลกลับลงถังปฏิกรณ์
B-A
นั้นมีส่วนของท่อที่ขดเป็นรูปตัว
U อยู่
ท่อรูปตัว U
ตรงตำแหน่งนี้มีไว้เพื่อกักเก็บตัวทำละลายทึ่ควบแน่นเพื่อป้องกันไม่ให้ไอระเหยในถังไหลเข้าสู่เครื่องควบแน่นทางเส้นทางนี้ได้
ดังนั้นไอระเหยของตัวทำละลายจะต้องไหลเข้าเครื่องควบแน่นทางด้านบน
และเมื่อควบแน่นเป็นของเหลวแล้วจะไหลลงสู่ด้านล่างกลับเข้าสู่ถังปฏิกรณ์ทางเส้นทาง
B-A
ขนาดความสูงของท่อรูปตัว
U
นี้ต้องมากพอที่จะทำให้ความดันที่เกิดจากความสูงของของเหลวในท่อนั้นสูงกว่าความดันในถังปฏิกรณ์
เพราะถ้าความดันตรงนี้ไม่มากพอที่จะป้องกันการไหลของไอระเหยได้
ไอระเหยจะสามารถไหลเข้าสู่เครื่องควบแน่นทางด้านล่าง
ทำให้ของเหลวที่ควบแน่นนั้นค้างอยู่ในเครื่องควบแน่น
ประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องควบแน่นจะลดต่ำลงมากจนไม่สามารถระบายความร้อนได้ถ้ามีของเหลวท่วมเต็ม
(อ่านเรื่องการระเบิดที่เกิดจากของเหลวท่วมเครื่องควบแน่นได้ในบทความเรื่อง
"VCE case 2
แก๊สรั่วจากปฏิกิริยา
runaway 2549(2006)"
ใน Memoir
ฉบับวันอาทิตย์ที่
๖ มกราคม พ.ศ.
๒๕๖๒)
เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากบทความเรื่อง
"How to Prevent
Runaway Reaction. Case Study: Phenol-Fromaldehyde Hazards"
จากเอกสาร Chemicla
Safety Case Study เผยแพร่ในเดือนสิงหาคม
ค.ศ.
๑๙๙๙ (พ.ศ.
๒๕๔๒)
จัดทำโดย United
States Environmental Protection Agency (EPA)
เป็นการระเบิดของโรงงานที่มลรัฐ
Ohio
ประเทศสหรัฐอเมริกาเมื่อวันที่
๑๐ กันยายน ค.ศ.
๑๙๙๗ (พ.ศ.
๒๕๔๐)
เมื่อเวลาประมาณ ๑๐.๔๒
น
การระเบิดเกิดที่ถังปฏิกรณ์ขนาด
8000 แกลลอน
การสอบสวนพบว่าสาเหตุเกิดจากการที่โอเปอร์เรเตอร์ไม่ได้ปฏิบัติตามขั้นตอนการทำงานปรกติ
โดยโอเปอร์เรเตอร์ได้ทำการเติมสารตั้งต้นทั้งหมดและตัวเร่งปฏิกิริยาเข้าไปในถังปฏิกรณ์ก่อน
จากนั้นจึงให้ความร้อนด้วยไอน้ำ
ทำให้เมื่อปฏิกิริยาเกิดขึ้นแล้วนั้น
ปริมาณความร้อนที่คายออกมาสูงเกินกว่าความสามารถที่ระบบจะระบายออกไปได้
ความดันในถังเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็วเกินกว่าความสามารถของระบบระบายความดันจะระบายได้ทันเวลา
และเมื่อถังไม่สามารถรับความดันได้จึงเกิดการระเบิด
ชิ้นส่วนฝาด้านบนของถังนั้นปลิวไปไกลกว่า
400 ฟุต
(ก็ประมาณ
120 เมตร
หรือข้ามสนามฟุตบอลตามแนวยาวได้)
เรื่องนี้ก็น่าจะจัดเป็นตัวอย่างได้ว่า
งานของวิศวกรเคมีที่ต้องออกแบบขั้นตอนการทำงานสำหรับระบบขนาดใหญ่นั้นแตกต่างจากการออกแบบขั้นตอนการทำงานที่ใช้กันในระดับห้องปฏิบัติการอย่างไร