A-Level เคมี ปี ๖๘ ข้อการแยกสารด้วยการกลั่น MO Memoir : Sunday 7 August 2568

ในฐานะวิศวกรเคมี ก็เลยมองคำตอบของโจทย์ข้อนี้แตกต่างออกไป

ข้างล่างเป็นโจทย์ข้อสอบ A-Level วิชาเคมี ปีพ.ศ. ๒๕๖๘ ข้อ ๑๐ ที่มีคำถามและตัวเลือกดังนี้

นักวิทยาศาสตร์นำสาร P และ Q มาทำปฏิกิริยาได้สาร R และ S ดังสมการ (สมการไม่ได้ดุล)

เมื่อปฏิกิริยาสมบูรณ์พบว่าสาร P ถูกใช้ไปจนหมด ได้ของผสมของสาร Q R และ S หากต้องการแยกของผสมที่ได้ให้บริสุทธิ์ด้วยวิธีการกลั่น สารชนิดใดจะกลั่นออกมาเป็นลำดับแรก และลำดับสุดท้ายตามลำดับ

1. สาร Q และสาร R (ข้อสอบเฉลยข้อนี้)

2. สาร Q และสาร P

3. สาร R และสาร Q

4. สาร S และสาร Q

5. สาร S และสาร R

ก่อนอื่นเรามาทำความรู้จักสารแต่ละตัวและปฏิกิริยาที่เกิดกันก่อนดีกว่า

สาร P เป็นแอลกอฮอล์ C5 (2-pentanol) ที่ความดันบรรยากาศ สารตัวนี้เป็น "ของเหลว" ที่อุณหภูมิห้อง

สาร Q เป็นโอเลฟินส์ C4 (ก็คืออัลคีนนั่นแหละ ตัวนี้ก็คือ isobutene หรือ isobutylene) ที่ความดันบรรยากาศ สารตัวนี้เป็น "แก๊ส" ที่อุณหภูมิห้อง แต่เราสามารถทำให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องได้ด้วยการเพิ่มความดัน

สาร R เป็นอีเทอร์ C9 (tert-butyl 2-pentyl ether) ที่ความดันบรรยากาศสารตัวนี้เป็น "ของเหลว" ที่อุณหภูมิห้อง (ตัวนี้หาจุดเดือดไม่เจอ แต่ตัวที่มีโครงสร้างใกล้กันคือ tert-butyl pentyl ether มีจุดเดือดที่ประมาณ 148ºC)

สาร S เป็นโอเลฟินส์ C5 (2-pentene) ที่ความดันบรรยากาศ สารตัวนี้เป็น "ของเหลว" ที่อุณหภูมิห้องได้ถ้าอุณหภูมิห้องไม่สูงเกินไป เพราะมันมีจุดเดือดประมาณ 36-37ºC แต่ถ้าอุณหภูมิห้องอยู่ที่ราว ๆ 30ºC มันก็สามารถระเหยกลายเป็นไอได้อย่างรวดเร็ว

ทีนี้มาดูปฏิกิริยาที่เกิด สาร R เกิดจากปฏิกิริยาระหว่าง P และ Q เกิดเป็นสารประกอบอีเทอร์ ส่วน S (2-pentene) นั้นเกิดจากปฏิกิริยา hydration (กำจัดน้ำ) ของสาร P (ดังนั้นผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นจาการทำปฏิกิริยาควรต้องมี H₂O อยู่ด้วย) โดยทั้งสองปฏิกิริยาจะใช้ "กรด" เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (เป็นปฏิกิริยาที่เกิดคู่ขนานกัน) จากที่โจทย์กำหนดสารตั้งต้นมาสองตัว แสดงผลิตภัณฑ์หลักที่ต้องการคือ R โดย S (2-pentene) เป็นผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากปฏิกิริยาข้างเคียง

เพื่อที่จะให้ปฏิกิริยาเกิดได้ดีนั้น ควรต้องผสม P และ Q ให้เป็นเฟสเดียวกัน จากนั้นจึงสารผสมไปผ่านตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งทำให้ให้ P และ Q ผสมเป็นเฟสเดียวกันนั้นอาจทำโดย

(ก) ใช้การเพิ่มความดันเพื่อเปลี่ยนให้ Q เป็นของเหลว ดังนั้นปฏิกิริยาจะเกิดในเฟสของเหลว หรือ

(ข) ใช้การเพิ่มอุณหภูมิเพื่อเปลี่ยนให้ P เป็นแก๊ส ดังนั้นปฏิกิริยาจะเกิดในเฟสของแก๊ส

สำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นกรดนั้น ในอุตสาหกรรมจะนิยมใช้กรดที่เป็นของแข็ง (เช่น acidic ion-exchange resin) แล้วให้สารผสมของสารตั้งต้นไหลผ่านอนุภาคของแข็งที่มีความเป็นกรดเหล่านั้น จากนั้นจึงนำสารผสมที่ไหลผ่านตัวเร่งปฏิกิริยาไปแยกเอา สารตั้งต้นที่เหลือ, ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ และผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาข้างเคียง ออกจากกัน

โจทย์บอกว่าในการทำปฏิกิริยานั้น P ถูกใช้จนหมด สารผสมที่ได้จากการทำปฏิกิริยามีเพียง Q, R และ S

การกลั่นเป็นการแยกสารผสมเนื้อเดียวด้วยการใช้จุดเดือดที่แตกต่างกันของสารแต่ละตัวในสารผสมนั้น โดยทั่วไปเมื่อพูดถึงการกลั่น คนมักจะนึกถึงของเหลวเนื้อเดียวที่มีสารหลายชนิดละลายปนกันอยู่

ทีนี้ลองมาดูโจทย์ที่บอกว่าสารผสมที่ได้จากการทำปฏิกิริยามีเพียง Q, R และ S ถ้าสารผสมนี้เป็นของเหลว ก็แสดงว่าเป็นของเหลวภายใต้ความดัน

ถ้าเป็นแบบนี้ก็จะสามารถแยกสารได้โดยเริ่มจากการลดความดันก่อน เพื่อให้ Q (isobutene) ระเหยกลายเป็นไอออกมา จากนั้นจึงค่อยนำของเหลวที่เหลือที่ประกอบด้วย R และ S ไปกลั่นแยก ซึ่งก็จะได้ S (2-pentene) ระเหยกลายเป็นไอออกมา โดยเหลือ R เป็นของเหลวที่มี H₂O ละลายปนอยู่

แต่ถ้าสารผสมของสายผลิตภัณฑ์เป็นไอ การแยกก็จะทำได้ด้วยการค่อย ๆ ลดอุณหภูมิลง เพื่อควบแน่น R (อีเทอร์) ให้กลายเป็นของเหลวก่อน และเมื่อลดอุณหภูมิให้ต่ำลงไปอีกตัว H₂O และ S (2-pentene) ก็จะควบแน่นออกมา โดยเหลือ Q อยู่ในเฟสไอ ที่สามารถควบแน่นให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องได้ด้วยการเพิ่มความดัน

สำหรับคนที่เรียนทางวิศวกรรมเคมีแล้ว การเขียนสมการในรูปข้างล่างจะเห็นภาพการเกิดปฏิกิริยาได้ถูกต้องกว่า เพราะเป็นการแยกระหว่างผลิตภัณฑ์หลักที่ต้องการ (R) และผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากปฏิกิริยาข้างเคียง (S)

 

การกลั่นแยกน้ำออกจากเฮกเซน MO Memoir : Sunday 26 May 2567

ค่ำวันศุกร์ ระหว่างนั่งละเลียดฟองเครื่องดื่มอยู่ระหว่างรับประทานอาหารค่ำ พอเปิด facebook ดูก็พบว่ามีข้อความจากศิษย์เก่าทักเข้ามาตั้งแต่เช้า แต่ด้วยบรรยากาศขณะนั้น ก็เลยตอบคำถามเขาไปสั้น ๆ ก่อน ก่อนที่จะอธิบายเพิ่มเติมในวันรุ่งขึ้น ส่วนที่ว่าเขาทักมาเรื่องอะไร ก็ลองอ่านเล่นจากรูปข้างล่างก่อนนะครับ

รูปที่ ๑ ข้อความที่ทักมาตั้งแต่เช้า

ผมทักกลับไปว่าเขาทำงานอยู่บริษัทไหน แต่ไม่ได้รับคำตอบ แต่โจทย์อย่างนี้ที่เคยเจอ มันเหมือนกับหน่วยหนึ่งของโรงงานผลิต HDPE ด้วย slurry phase และไหน ๆ ก็ตอบเขาไปแล้ว ก็ขอเขียนบันทึกนี้ขึ้นมาเพื่อเป็นการเอาสิ่งที่บอกเขาไปมาขยายความให้ละเอียด โดยจะขอเล่าเป็นข้อ ๆ ไปก็แล้วกัน

๑. ในวิชาเคมี เราจะเรียนกันว่าไฮโดรคาร์บอน (เป็นโมเลกุลที่ไม่มีขั้ว) กับน้ำ (ที่เป็นโมเลกุลมีขั้ว) จะไม่ละลายเข้าด้วยกัน ในการทำการทดลองเมื่อเราหยดไฮโดรคาร์บอนลงไปบนน้ำ มันจะลอยอยู่เหนือผิวหน้าน้ำ แต่ในความเป็นจริงนั้นน้ำสามารถละลายเข้าไปในเฟสไฮโดรคาร์บอนได้เล็กน้อย และไฮโดรคาร์บอนก็สามารถละลายเข้าไปในเฟสน้ำได้เล็กน้อยเช่นกัน ส่วนจะละลายเป็นเฟสเดียวกันได้มากน้อยเท่าใดก็ขึ้นอยู่กับขนาดและรูปร่างโมเลกุลของไฮโดรคาร์บอน และอุณหภูมิ (รูปที่ ๒) โดยอุณหภูมิที่สูงขึ้นจะทำให้ไฮโดรคาร์บอนละลายเข้าไปในเฟสน้ำได้ดีขึ้น และในทำนองเดียวกันน้ำก็ละลายเข้าไปในเฟสไฮโดรคาร์บอนได้ดีขึ้น ทั้งนี้เป็นเพราะแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลตัวทำละลายลดลง และอยู่ห่างกันมากขึ้น ก็เลยทำให้ตัวถูกละลายแทรกเข้าไปอยู่ระหว่างตัวทำละลายได้ง่ายขึ้น

รูปที่ ๒ สมการสำหรับคำนวณค่าการละลายของน้ำในไฮโดรคาร์บอนบางตัวในช่วงอุณหภูมิที่กำหนด

(ข้อมูลจาก https://petrowiki.spe.org/Equilibrium_of_water_and_hydrocarbon_systems_without_hydrates)

๒. การเกิดพอลิเมอร์ในตัวทำละลายนั้น โมโนเมอร์ที่เป็นแก๊สจะละลายเข้าไปในตัวทำละลายและเกิดการต่อโมเลกุลเข้าด้วยกันเป็นสายโซ่ที่ยาวขึ้นเรื่อย ๆ โดยที่ยังละลายได้ในตัวทำละลาย แต่เมื่อสายโซ่ยาวถึงระดับหนึ่งก็จะแยกตัวเป็นของแข็งแขวนลอยอยู่ในตัวทำละลาย (สายโซ่ที่ยาวขึ้นจะมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างกันมากขึ้นจนเกาะรวมกันเป็นกลุ่มใหญ่) กลายเป็นเฟสที่เราเรียกว่า "slurry" สายโซ่พอลิเมอร์ที่ยาวจนแยกตัวออกมาเป็นของแข็งนี้เราเรียกว่าเป็น "polymer" ในขณะที่ส่วนที่ยังละลายอยู่ในตัวทำละลายเราเรียกว่าเป็น "oligomer"

๓. โอลิโกเมอร์เป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้อง แต่ไม่สามารถนำไปขึ้นรูปเป็นชิ้นงาน เช่น ขวด ฟิลม์ ภาชนะพลาสติก ฯลฯ (ทำนองเดียวกับเทียนไขที่เป็นโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนขนาดใหญ่ เราทำได้แค่หล่อให้มันเป็นรูปร่างต่าง ๆ) ถ้าจะให้โอลิโกเมอร์ไหลไปตามท่อได้ ก็ต้องทำให้มันมีอุณหภูมิสูงพอจนหลอมเหลว แต่ถ้ามันละลายอยู่ในเฮกเซน ก็จะทำให้มันไหลได้ง่ายขึ้น แต่ถ้าจะให้มันละลายได้ดีก็ต้องใช้อุณหภูมิที่สูง แต่เฮกเซนนั้นมีจุดเดือดต่ำ จึงต้องมีการใช้ความดันช่วยกดเพื่อให้เฮกเซนยังเป็นของเหลวอยู่

๔. ตัวเร่งปฏิกิริยาตระกูล Ziegler-Natta หรือ Metallocene ที่ใช้ในการผลิตพอลิโอเลฟินส์นั้นถูกทำลายได้ง่ายด้วยน้ำ ดังนั้นตัวทำละลาย (เช่นเฮกเซน) ที่จะนำมาใช้ในกระบวนการจึงต้องผ่านการกำจัดน้ำปนเปื้อนอยู่ออกไปก่อน ที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศ ความเข้มข้นอิ่มตัวของน้ำในเฮกเซนสูงได้ถึงหลายร้อย ppm ซึ่งตรงนี้ขึ้นอยู่กับว่าเฮกเซนที่ได้มานั้นผ่านอะไรมาบ้าง ความเข้มข้นน้ำปนเปื้อนในเฮกเซนในระดับหลักร้อย ppm นี้ถือว่าสูงมากเกินไป จำเป็นต้องทำการกำจัดออกก่อน

๕. เฮกเซนที่ผ่านการแยกเอาพอลิเมอร์ที่เป็นของแข็งออกไปแล้ว จะมีโอลิโกเมอร์ละลายอยู่ และยังมีสิ่งปนเปื้อนอื่นเช่นสารประกอบโลหะที่มาจากตัวเร่งปฏิกิริยา ดังนั้นเพื่อที่จะเอาตัวทำละลายกลับมาใช้งานใหม่ ก็ต้องแยกเอาเฮกเซนและโอลิโกเมอร์ออกจากกัน รวมทั้งกำจัดเอาสารปนเปื้อนนั้นออกจากเฮกเซนด้วย

๖. ลดความดันหรือเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น ก็จะทำให้เฮกเซนระเหยแยกออกมาจากโอลิโกเมอร์ (แน่นอนว่ายังมีเฮกเซนบางส่วนตกค้างอยู่กับโอลิโกมเมอร์) ส่วนอุณหภูมิจะสูงเท่าไรนั้น ก็ควรสูงพอที่จะทำให้โอลิโกเมอร์ยังเป็นของเหลวอยู่ จะได้ปั๊มส่งไปตามท่อได้

การให้ความร้อนนั้นทำได้หลายวิธี เช่นใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนหรือการฉีดไอน้ำเข้าไปโดยตรง ในกรณีที่ใช้การฉีดไอน้ำเข้าไปโดยตรง เมื่อไอระเหยของเฮกเซน + น้ำ ควบแน่น ก็จะแยกตัวเป็นสองเฟส คือเฟสน้ำที่มีเฮกเซนและสิ่งปนเปื้อนที่ละลายนำได้ละลายปนอยู่อยู่ชั้นล่าง และเฟสเฮกเซนที่มีน้ำละลายปนอยู่อยู่ชั้นบน โดยเฟสเฮกเซนที่มีน้ำละลายปนอยู่นี้ สามารถนำไปรวมกับเฮกเซนที่ป้อนเข้ามาใหม่ (ที่มีน้ำปนอยู่เช่นกัน) และส่งไปยังหน่วยกำจัดน้ำออกจากเฮกเซน

๗. การกำจัดน้ำที่ละลายอยู่ในเฮกเซนทำได้หลายวิธี แต่ละวิธีก็เหมาะกับความเข้มข้นเริ่มต้นและความเข้มข้นสุดท้ายของน้ำที่ต้องการ ปริมาณเฮกเซนที่ต้องทำการกำจัดน้ำ ค่าใช้จ่ายในนการทำงาน ฯลฯ

๘. การใส่สารบางตัวเข้าไปทำปฏิกิริยากับน้ำที่ปนเปื้อนอยู่นั้นเป็นวิธีการที่เหมาะสมในกรณีที่ต้องการให้มีน้ำหลงเหลืออยู่ในปริมาณน้อยมาก แต่ไม่เหมาะกับกรณีที่ความเข้มข้นเริ่มต้นของน้ำนั้นสูง ตัวอย่างวิธีการนี้คือการใช้ใส่โลหะโซเดียมลงไปในตัวทำละลายไฮโดรคาร์บอน โลหะโซเดียมจะทำปฏิกิริยากับน้ำกลายเป็นโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) แยกตัวเป็นของแข็งออกมา วิธีการนี้เป็นวิธีการหนึ่งที่ใช้ในห้องปฏิบัติการ

๙. การใช้สารดูดความชื้นดูดจับน้ำเอาไว้เหมาะกับการดักจับน้ำในปริมาณไม่มาก เพราะเมื่อสารดูดความชื้นจับน้ำจนอิ่มตัว ก็ต้องมีการไล่น้ำออกเพื่อนำกลับมาใช้งานใหม่ (ปรกติก็จะใช้แก๊สเฉื่อยที่ร้อนเข้าไปเป่าไล่) ระยะเวลาตั้งแต่เริ่มใช้งานจนสารดูดความชื้อดูดซับน้ำจนอิ่มตัว และระยะเวลาที่ต้องใช้ในการไล่น้ำออกจากสารดูดความชื้นเพื่อจะนำมันกลับมาใช้งานใหม่ จะเป็นต้วบอกว่าเทคนิคนี้เหมาะสมหรือไม่

ความเข้มข้นสุดท้ายของน้ำที่หลงเหลืออยู่จะขึ้นกับชนิดสารดูดซับที่ใช้ สารดูดความชื้นที่สามารถลดความเข้มข้นของน้ำได้ต่ำมากได้ ก็ต้องใช้ความร้อนที่สูงมากขึ้นในการไล่น้ำออกจากสารดูดความชื้นนั้น

๑๐. การกลั่นเป็นอีกวิธีการหนึ่งที่สามารถนำมาใช้ได้ ส่วนจะเป็นการกลั่นแบบ batch หรือแบบต่อเนื่องก็ขึ้นอยู่กับปริมาณเฮกเซนที่ต้องนำมาผ่านกำจัดน้ำ ถ้ามีปริมาณมาก็จะใช้กระบวนการกลั่นแยกแบบต่อเนื่อง

แต่การต้มให้สารส่วนใหญ่กลายเป็นไอออกทางยอดหอ โดยมีเพียงเล็กน้อยที่เป็้นของเหลวออกทางก้นหอนั้นไม่ดีแน่ เพราะต้องใช้พลังงานที่มากในการระเหย และใช้น้ำหล่อเย็นในปริมาณมากเพื่อควบแน่นไอระเหย

๑๑. แต่สารละลายเฮกเซน + น้ำ มันมี azeotrope อยู่ (รูปที่ ๓ และ ๕) แบบเดียวกับ เอทานอล + น้ำ หรือไอโซโพรพานอล + น้ำ ทำให้เมื่อนำเฮกเซนที่มีน้ำละลายปนอยู่เล็กน้อยไปกลั่นแยก ไอระเหยที่ออกทางด้านบนของหอจะมีความเข้มข้นของน้ำ "สูงกว่า" ของเหลวที่ออกทางก้นหอ (แม้ว่าน้ำจะมีจุดเดือดที่สูงกว่าเฮกเซน) ดังนั้นเฮกเซนที่ออกทางก้นหอจะมีความเข้มข้นของน้ำลดต่ำลง ที่คุ้มค่าที่จะกำจัดด้วยวิธีการอื่น เช่นการใช้สารดูดซับ หรือใส่สารบางตัวเข้าไปทำปฏิกิริยาทำลาย (เช่นเพิ่มปริมาณ alkyl aluminium ที่ใช้ ในกรณีของระบบตัวเร่งปฏิกิริยา Ziegler-Natta)

รูปที่ ๓ ข้อมูล azeotropic ของระบบน้ำกับไฮโดรคาร์บอนบางตัว

รูปที่ ๔ Vapour-Liquid equiligria ระหวางน้ำกับนอร์มัลเฮกเซน

ไม่รู้เหมือนกันว่าพอจะช่วยเขาได้หรือเปล่า แต่คำถามที่ศิษย์เก่ามักถามผมมา มักจะอยู่ในวิชาที่ผมไม่ได้สอน :) :) :)

Hydroxylamine explosion : เมื่อข้อมูลจาก pilot plant ไม่ถูกส่งต่อให้ฝ่าย process design MO Memoir : Sunday 17 January 2564

สำหรับคนที่ทำการทดลองนั้นจะรู้ดีว่า การขยายขนาดการทำปฏิกิริยาจากเครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็กมาเป็นขนาดใหญ่ขึ้นนั้น นอกจากมันจะมีอะไรต่อมิอะไรหลายต่อหลายอย่างที่ไม่เป็นดังคาด มันยังมีอันตรายที่เพิ่มมากขึ้นตามมาอีก ในทำนองเดียวกันเมื่อขยายขนาดจากเครื่องปฏิกรณ์ขนาดใหญ่มาเป็นระดับ pilot plant (ที่ภาษาไทยแปลว่าโรงประลอง) ก็ยิ่งมีความซับซ้อนขึ้นไปอีก ไม่ว่าจะเป็นชนิดอุปกรณ์และวัสดุที่ใช้ ขั้นตอนการทำงานที่ต้องมีการวางแผนที่ดีและระมัดระวังมากขึ้น การเตรียมรับมือกับอุบัติเหตุที่มีความรุนแรงมากขึ้น (ถ้าเกิด) ฯลฯ และปัญหาต่าง ๆ เหล่านี้ก็ยังคงอยู่เมื่อทำการขยายขนาดจากระดับ pilot plant มาเป็น commercial scale (กำลังการผลิตเชิงพาณิชย์)

เพื่อให้เห็นภาพจะขอยกตัวอย่าง สมมุติว่าคุณศึกษาปฏิกิริยา sulphonation ของเบนซีน (benzene C₆H₆) กับกรดกำมะถัน (sulphuric acid H₂SO₄) การทดลองเล็ก ๆ ในระดับการเรียนการสอนเราทำได้โดยการเทเบนซีนจากขวดลงในบีกเกอร์ด้วยการทำในตู้ควัน (fume hood) แล้วเราก็เทกรดกำมะถันเข้มข้นจากขวดลงในบีกเกอร์อีกใบหนึ่ง จากนั้นก็ใช้หลอดหยดดูดเอากรดกำมะถันเข้มข้นแล้วค่อย ๆ หยดลงในเบนซีน ให้ความร้อนพร้อมทำการกวนด้วยแท่งแก้ว

แต่ในระดับการผลิตนั้น สิ่งแรกที่พยายามหลีกเลี่ยงกันก่อนเลยก็คือการใช้อุปกรณ์ที่เป็นเครื่องแก้ว เพราะมันแตกหักง่าย (ไม่ว่าจะมีแรงกระแทกหรือการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่รวดเร็วเกินไป) จากนั้นก็ต้องพิจารณาการทำงานในแต่ละขั้นตอน เช่นขั้นตอนการถ่ายเบนซีนจากถังเก็บเข้าสู่ภาชนะที่ใช้ทำปฏิกิริยา คำถามก็มีตั้งแต่จะถ่ายเบนซีนจากถังเก็บเข้าสู่ภาชนะที่ใช้ทำปฏิกิริยาด้วยวิธีการไหน ควบคุมการถ่ายเทอย่างไร จำเป็นไหมต้องมีการไล่อากาศออกจากระบบด้วยแก๊สเฉื่อยก่อนป้อนเบนซีน อันตรายจากประกาศไฟฟ้าที่เกิดจากการสะสมของไฟฟ้าสถิตย์ การจัดการกับไอระเหยของเบนซีน ฯลฯ พอมาถึงขั้นตอนการป้อนสารละลายกรดเข้มข้นก็จะเจอคำถามในทำนองเดียวกัน และยังมีในส่วนของการให้ความร้อนว่าจะให้ความร้อนด้วยวิธีไหน (ที่แน่ ๆ คือไม่ใช้ hot plate) การปั่นกวนสารผสมจะทำอย่างไร ฯลฯ อีกเยอะแยะไปหมด

ดังนั้นการพิจารณากระบวนการใดก็ตามที่มีการคิดค้นขึ้นมาใหม่ว่าดีหรือไม่ หรือเหมาะสมหรือไม่อย่างไรนั้น โดยอิงจาก simulation เพียงอย่างเดียวจึงควรต้องใช้ความระมัดระวังอย่างยิ่ง เพราะมันมีหลายสิ่งหลายอย่างที่ไม่ปรากฏอยู่ในการทำ simulation นั้น เช่นพวกชนิดวัสดุ และระบบสาธารณูปโภคต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้ยังคงเกี่ยวข้องกับการระเบิดที่เกิดจาก hydroxylamine อันที่จริงเหตุการณ์นี้เกิดก่อนเหตุการณ์ที่เกิดที่ประเทศญี่ปุ่นที่เล่าไปในตอนที่แล้ว โดยครั้งนี้เป็นการเกิดในประเทศสหรัฐอเมริกาในวันพฤหัสบดีที่ ๑๙ กุมภาพันธ์ ค.ศ. ๑๙๙๙ (พ.ศ. ๒๕๔๒) ทำให้มีผู้เสียชีวิตทั้งสิ้น ๕ ราย รายละเอียดเหตุการณ์นี้นำมาจากเอกสาร Case study ที่จัดทำโดย U.S. Chemical Safety and Hazard Investigation Board (CSB) ในหัวข้อเรื่อง The Explosion at Concept Sciences : Hazards of Hydroxylamine เผยแพร่ในเดือนมีนาคม พ.ศ. ๒๕๔๕

Hydroxylamine (H₂N-OH) เป็นสารเคมีตัวหนึ่งที่มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่าง ๆ เช่นอุตสาหกรรมการผลิตสารกึ่งตัวนำ ปัญหาหลักของการนำสารนี้มาใช้งานมีอยู่ ๒ ประการคือ ประการแรกคือการที่สารนี้สลายตัวได้ง่าย ในสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ 3,145,082 กล่าวไว้ว่าการวางทิ้งเอาไว้เพียงแค่ ๒ วันก็ทำให้สารนี้สลายตัวเป็น NH₃ และน้ำได้จนหมด ปัญหาประการที่สองคือในรูปที่เป็นสารบริสุทธิ์ (ของแข็ง) สารนี้ระเบิดได้ง่าย โดยมีความรุนแรงของการระเบิดอยู่ในระดับเดียวกับ TNT (2,4,6-Trinitrotoluene) พูดง่าย ๆ ก็คือ hydroxylamine ที่มีน้ำหนักเท่าใด ก็ให้แรงระเบิดประมาณเท่ากับ TNT ที่หนักเท่ากัน

รูปที่ ๑ ภาพถ่ายโรงงานที่เป็นศูนย์กลางของการระเบิด
(รูปจาก https://www.trbimg.com/img-5c65e8a7/turbine/mc-1550182563-96yatbr2lk-snap-image)

ปฏิกิริยาระหว่าง hydroxylamine กับกรดกำมะถันจะได้สารประกอบ hydroxylamine sulfate ((H₃N-OH)₂SO₄) ที่มีเสถียรภาพมากกว่าและมีความปลอดภัยในการเก็บรักษามากกว่า hydroxylamine sulfate สามารถเปลี่ยนกลับไปเป็น hydroxylamine ได้ด้วยการทำปฏิกิริยากับเบสแก่เช่น KOH ที่ละลายอยู่ในแอลกอฮอล์ โดย K₂SO₄ ที่เกิดขึ้นจะตกผลึกเป็นของแข็งในแอลกอฮอล์ (K₂SO₄ ละลายในน้ำได้ดี แต่ไม่ละลายในแอลกอฮอล์) แต่การทำเช่นนี้ก็หมายความว่าผู้ที่ต้องการใช้ hydroxylamine ต้องทำการสังเคราะห์ขึ้นใช้เองจากเกลือ hydroxylamine sulfate แต่ในปีค.ศ. ๑๙๘๒ (พ.ศ. ๒๕๒๕) บริษัท Nissin ของประเทศญี่ปุ่น (โรงงานที่เกิดการระเบิดที่เล่าไปในตอนที่แล้ว) ก็สามารถผลิตสารละลาย hydroxylamine เข้มข้น 50% ความบริสุทธิ์สูงได้ ด้วยการเติม chelating agent บางชนิดเข้าไปในสารละลาย hydroxylamine ที่ผลิตได้

บริษัท Nissin เป็นผู้ผลิตสารละลาย hydroxylamine เข้มข้น 50% ความบริสุทธิ์สูงรายใหญ่เพียงรายเดียวของโลกมาจนถึงต้นปีค.ศ. ๑๙๙๙ (พ.ศ. ๒๕๔๒) จึงมีการตั้งโรงงานที่สองในประเทศเยอรมันนีโดย BASF ในช่วงเวลาเดียวกันนั้นบริษัท Concept Sciences, Inc. ของประเทศสหรัฐอเมริกาก็ได้ทำการวิจัยเพื่อหาวิธีการผลิตสารละลาย hydroxylamine เข้มข้น 50% ความบริสุทธิ์สูง จากระดับห้องปฏิบัติการ โรงประลอง จนออกมาเป็นโรงงานเพื่อการผลิตเชิงพาณิชย์ที่จะเริ่มเดินเครื่องการผลิตจริงในช่วงต้นปีค.ศ. ๑๙๙๙ (พ.ศ. ๒๕๔๒)

แต่ท้ายสุดการระเบิดก็ทำลายโรงงานนี้ในขณะที่กำลังพยายามผลิต hydroxylamine ความบริสุทธิ์สูง batch แรก

กระบวนการผลิตของบริษัท Concept Sciences, Inc. เริ่มจากการนำเอาเกลือ hydroxylamine sulfate มาเปลี่ยนเป็นสารละลาย hydroxylamine ก่อน จากนั้นจึงนำสารละลายที่ได้เข้าสู่กระบวนการกลั่น (แบบ batch ซึ่งแตกต่างไปจากของบริษัท Nissin ที่เป็นกระบวนการกลั่นแบบต่อเนื่อง) เพื่อให้ได้สารละลายบริสุทธิ์ที่มีความเข้มข้นตามที่ต้องการ จากนั้นจึงนำไปทำการแลกเปลี่ยนไอออนอีกทีเพื่อกำจัดไอออนที่ไม่พึงประสงค์

กระบวนการกลั่นที่ใช้มีขั้นตอนการทำงาน ๒ ขั้นตอน (ดูรูปที่ ๒ ประกอบ) โดยเริ่มจากการบรรจุสารละลาย hydroxylamine เข้มข้น 30% ลงใน charge tank ก่อน จากนั้นจึงป้อนสารละลายดังกล่าวเข้าสู่ heater coluum (ลักษณะเป็นแบบ shell and tube heat exchanger ที่วางตั้ง โดยท่อนั้นเป็นท่อแก้ว) ไอที่เกิดขึ้นจะถูกแยกออกและส่งไปที่เครื่องควบแน่น ในขณะที่สารละลายที่เหลือจะไหลกลับลงสู่ charge tank และถูกป้อนเวียนรอบกลับไปใหม่

รูปที่ ๒ กระบวนการผลิตสารละลาย hydroxylamine เข้มข้น 50% ในน้ำของบริษัท Concept Sciences, Inc. ที่เกิดเหตุ

ไอที่เกิดขึ้นจะมีน้ำเป็นองค์ประกอบหลัก ดังนั้นในช่วงแรก ไอระเหยที่ควบแน่นได้นั้นจะถูกส่งไปยัง forerun tank จนกระทั่งความเข้มข้นของ hydroxylamine ใน forerun tank เพิ่มถึง 10% ก็จะเปลี่ยนให้ของเหลวที่ควบแน่นได้นั้นไหลไปสู่ final product tank แทน การกลั่นนี้จะดำเนินไปเรื่อย ๆ จนกว่าความเข้มข้นของ hydroxylamine ใน charge tankเพิ่มเป็น 80-90% ก็จะหยุดการกลั่นช่วงแรก จากนั้นก็จะทำการล้าง charge tank และ heater column ด้วยสารละลาย hydroxylamine เข้มข้น 30% และตัด charge tank ออกจากขั้นตอนการกลั่นขั้นตอนที่สอง เวลาที่ต้องใช้ในการกลั่นครั้งแรกนี้ประมาณไว้ว่าอยู่ที่ ๓๐ ชั่วโมง

ในขั้นตอนการกลั่นขั้นตอนที่สองจะนำเอาสารละลาย hydroxylamine เข้มข้น 45% ที่ได้จากการกลั่นครั้งแรกที่อยู่ใน final product tank นั้นมาทำการกลั่นใหม่ด้วยการป้อนสารละลายดังกล่าวกลับไปยัง heater column และทำการดึงน้ำออกก่อนที่ของเหลวที่เหลืออยู่จะไหลวนกลับมาที่ final product tank ก่อนจะถูกป้อนเวียนกลับไปที่ heater column ใหม่ (ในขั้นตอนนี้รายงานการสอบสวนไม่ได้บอกว่าการดึงน้ำออกนั้นกระทำตรงจุดไหน) การกลั่นนี้จะดำเนินไปเรื่อย ๆ จนกระทั่งความเข้มข้น hydroxylamine ใน final product tank เพิ่มเป็น 50% (ความเข้มข้นในที่นี้หน่วยเป็น wt% ทั้งหมด) การให้ความร้อนนั้นใช้น้ำร้อนเป็นตัวให้ความร้อน

เมื่อได้สารละลาย hydroxlamine เข้มข้น 50% แล้วก็จะนำไปกำจัดสิ่งปนเปื้อนในขั้นตอนต่อไปด้วยกระบวนการแลกเปลี่ยนไอออน

อุบัติเหตุเกิดขึ้นเมื่อโรงงานเริ่มเดินเครื่องครั้งแรก โดยเริ่มจากการเติมสารละลาย hydroxylamine 30% เข้าสู่ charge tank ในบ่ายวันจันทร์ที่ ๑๕ พอตกเย็นวันอังคารก็จำเป็นต้องหยุดเดินเครื่องเนื่องจากพบว่าท่อแก้วที่อยู่ใน heater column นั้นมีความเสียหาย จึงทำให้มีน้ำรั่วเข้าไปผสมกับสารละลายใน charge tank การซ่อมแซมกระทำเสร็จในวันพฤหัสบดีและพอช่วงบ่ายวันเดียวกันก็เริ่มต้นกระบวนการกลั่นต่อจนกระทั่งถึงเวลาประมาณ ๒๓.๓๐ น

จากนั้นทางโรงงานได้ทำการเปลี่ยนท่อป้อนสารเข้าสู่ heater column จากเดิม 1.5 นิ้วเป็น 2นิ้ว (ขณะนี้เวลาเข้าสู่วันศุกร์แล้ว) ก่อนที่จะเริ่มการกลั่นต่อในช่วงเช้า ณ เวลานี้ความเข้มข้นของ hydroxylamine ใน charge tank อยู่ที่ประมาณ 57% และเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ตลอดเวลา เมื่อการกลั่นไปสิ้นสุดที่เวลาประมาณ ๑๙.๔๕ น ความเข้มข้นของ hydroxylamine ใน charge tank ที่บันทึกไว้ได้คือ 86%

เมื่อขั้นตอนการกลั่นขั้นตอนแรกสิ้นสุด การทำงานจึงเข้าสู่การเตรียมการเพื่อเข้าสู่ขั้นตอนการกลั่นที่สอง เริ่มด้วยการล้างระบบด้วยสารละลาย hydroxylamine เข้มข้น 30% แต่ในระหว่างกระบวนการนี้ก็ได้เกิดระเบิดขึ้นก่อน ณ เวลา ๒๐.๑๔ น โดยจุดที่เชื่อว่าเป็นต้นตอของการระเบิดก็คือ charge tank ในเอกสารของ CSB กล่าวว่าไม่สามารถบุได้แน่ชัดว่าเกิดอะไรขึ้นบ้างในช่วงเวลาก่อนการระเบิด

แต่สิ่งหนึ่งที่รายงานการสอบสวนกล่าวเอาไว้ก็คือ จากการทดลองกลั่นแยกในระดับห้องทดลอง มีข้อมูลที่ทราบอยู่แล้วว่าเมื่อความเข้มข้นของสารละลาย hydroxylamine สูงเกินกว่า 80% จะมีโอกาสที่ hydroxylamine จะกลายเป็นผลึกของแข็งขึ้น และผลึกของแข็งนี้เป็นสารที่ไม่เสถียรและมีความเป็นไปได้ที่จะเกิดการระเบิด และข้อมูลนี้ก็มีการระบุไว้ใน MSDS (Material safety data sheet) ของบริษัทว่า "มีอันตรายที่จะเกิดไฟไหม้และการระเบิดถ้ามีการกำจัดน้ำออกและความเข้มข้น hydroxylamine สูงในระดับที่เกินกว่า 70%) ข้อมูลนี้เป็นที่รับรู้กันในช่วงที่ทำ pilot scale แต่กลับไม่ถูกส่งผ่านต่อไปยังช่วงที่ทำ การออกแบบกระบวนการ, การเขียนคู่มือปฏิบัติงาน, การเตรียมมาตรการบรรเทาสาธารณภัย หรือข้อควรระวังสำหรับโอเปอร์เรเตอร์

ดังนั้นสิ่งที่เกิดขึ้นคือในขั้นตอนการผลิต จึงมีการปล่อยให้ความเข้มข้นสารละลาย hydroxylamine ใน charge tank เพิ่มไปจนถึง 86%

ส่วนสาเหตุที่ทำให้เกิดการจุดระเบิดนั้นในรายงานการสอบสวนกล่าวแต่เพียงความเป็นไปได้ต่าง ๆ เช่น การให้ความร้อนที่มากเกินไปในกระบวนการกลั่น การเกิดการกระแทกอันเป็นผลจากอุปกรณ์ที่ทำจากแก้วเกิดการแตกหักและตกลงล่าง หรือการมีสิ่งปนเปื้อนปนเข้าไปในระบบ ไปจนถึงความร้อนที่เกิดจากความเสียดทานเมื่อของเหลวไหลผ่านปั๊ม แต่ก็ไม่สามารถระบุได้ว่าเกิดจากสาเหตุใด

เมื่อเทียบกับการระเบิดของบริษัท Nissin แล้วผมเห็นว่ามีบางประเด็นที่เอกสารของ CSB ฉบับนี้ไม่ได้กล่าวถึง เช่น

- การเติมสารยับยั้งเพื่อป้องกันการสลายตัวของ hydroxylamine ที่ในกรณีของประเทศญี่ปุ่นมีการตรวจสอบว่าความเข้มข้นของสาร chelate ที่เติมเพื่อยับยั้งการสลายตัวของ hydroxylamine นั้นอยู่ในระดับที่เหมาะสมหรือไม่ ซึ่งในกรณีของประเทศญี่ปุ่นนั้นแม้ไม่ได้ระบุไว้ในบทความอย่างชัดเจน แต่ก็บ่งบอกเป็นนัยว่ามันควรต้องมีอยู่ในสารละลายที่อยู่ในกระบวนการกลั่นด้วย

- การปนเปื้อนไอออนที่เร่งการสลายตัวของ hydroxylamine ที่อาจหลุดเข้าไปในระบบพร้อมกับน้ำที่ใช้ให้ความร้อนในการกลั่นเมื่อท่อแก้วที่ใช้ทำเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนนั้นแตก (น้ำที่ใช้ให้ความร้อนมีอะไรละลายปนอยู่บ้าง) ซึ่งบทความของ CSB ฉบับนี้ไม่ได้พูดถึงประเด็นนี้

- ทำไมจึงเลือกใช้อุปกรณ์ที่ทำจากแก้วที่มีความเสี่ยงที่จะแตกหักสูงทั้ง ๆ ที่สามารถใช้โลหะแทนได้ (ในกรณีของบริษัท Nissin นั้นใช้เหล็กกล้าไร้สนิม)

- การทำงานที่มีลักษณะเป็น batch คือมีการหยุดการเดินเครื่องเพื่อเปลี่ยนสภาวะการทำงานนั้น เปิดโอกาสให้มีอากาศรั่วไหลเข้าไปในระบบได้หรือไม่ เพราะ hydroxylamine ที่เป็นของแข็งนั้นสลายตัวได้ง่ายขึ้นเมื่ออยู่ในอากาศ แม้ว่าระบบจะใช้ปั๊มสุญญากาศเพื่อทำสุญญากาศในระบบ ถ้าหากมีอากาศรั่วไหลเข้าไป ต้องใช้เวลานานเท่าใดปั๊มจึงจะสามารถดึงเอาอากาศที่รั่วไหลเข้าไปนี้ออกไปได้หมด

อุบัติเหตุแบบเดียวกัน เกิดคนละประเทศกัน สอบสวนด้วยทีมสอบสวนแตกต่างกัน ข้อมูลที่ทีมสอบสวนมีประกอบการสอบสวน มุมมองในการพิจาณาปัญหา และข้อสรุปที่ได้จึงแตกต่างกันไปด้วย