ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๑๖ Acetylene removal section MO Memoir : Thursday 29 September 2559

อะเซทิลีน (Acelylene C₂H₂ หรือ Ethyne) เป็นสารประกอบอัลคาย (alkyne) หลักที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการผลิตเอทิลีน อีกตัวที่เกิดร่วม (แต่ในปริมาณที่กว่าต่ำอะเซทิลีนมาก) คือเมทิลอะเซทิลีน (methly acetylene - H₃CCCH หรือ propyne) สารประกอบไฮโดรคาร์บอนพันธะสามเหล่านี้เป็นสารที่มีพลังงานในตัวสูงแต่มีเสถียรภาพต่ำ ด้วยตัวมันเองสามารถสลายตัวพร้อมกับคายพลังงานจำนวนมากออกมาได้ และยังเป็นสารที่มีความว่องไวสูง ดังนั้นจึงจำเป็นที่ต้องทำการกำจัดสารประกอบไฮโดรคาร์บอนพันธะสามเหล่านี้ออกจากเอทิลีนก่อนส่งให้ลูกค้า ความเข้มข้นอะเซลิลีนในผลิตภัณฑ์ C2 ที่แยกออกมาจากหน่วย Deethanization section จะอยู่ที่ประมาณ 1.0 mol% และจำเป็นต้องลดปริมาณให้เหลือน้อยกว่า 5 ppmv (ส่วนต่อล้านส่วนโดยปริมาตร)
 

การกำจัดอะเซทิลีนทำได้ด้วยการใช้ปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจน (hydrogenation) ให้กับอะเซทิลีนโดยมีตัวเร่งปฏิกิริยา (โลหะมีตระกูลพวก Pd บน Al₂O₃) ช่วยในการทำปฏิกิริยา ทั้งอะเซทิลีนและเอทิลีนสามารถเกิดปฏิกิริยาเติมไฮโดรเจนได้ แต่อะเซทิลีนจะเกิดปฏิกิริยาได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าเล็กน้อย ดังนั้นการควบคุมอุณหภูมิของหน่วยนี้จึงเป็นสิ่งสำคัญ เพราะปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจนเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ที่อุณหภูมิต่ำเกินไป ปฏิกิริยาจะไม่เกิด แต่ถ้าอุณหภูมิสูงเกินไปจะทำให้เอทิลีนเข้ามาร่วมทำปฏิกิริยาด้วยกลายเป็นอีเทน ก่อให้เกิดการสูญเสียผลิตภัณฑ์ที่ต้องการคือเอทิลีน สัดส่วนไฮโดรเจนที่ผสมเข้าไปกับแก๊สขึ้นอยู่กับความว่องไวของตัวเร่งปฏิกิริยาและความเข้มข้นของอะเซทิลีน ในกรณีที่ตัวเร่งปฏิกิริยายังมีความว่องไวสูงอยู่นั้นอาจผสมไฮโดรเจนในสัดส่วน 1.0-1.2 เท่าโดยโมลเทียบกับอะเซทิลีน และเมื่อตัวเร่งปฏิกิริยามีความว่องไวลดลงก็อาจเพิ่มอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาให้สูงขึ้นร่วมกับการเพิ่มสัดส่วนไฮโดรเจนเป็น 2 เท่า 
  

สภาวะการทำปฏิกิริยาตรงนี้ขึ้นอยู่กับตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ ที่ยกตัวอย่างในย่อหน้าข้างบนเป็นของตัวเร่งปฏิกิริยาเมื่อ ๓๐ ปีที่แล้ว ระบบที่แสดงในรูปที่ ๑ ประกอบด้วยเบดนิ่ง (fixed-bed) ซ้อนกันอยู่ ๒ ชั้น (จำนวนนี้เปลี่ยนแปลงได้) จากเอกสารที่มีนั้นกล่าวไว้ว่าในช่วงแรกของการใช้งาน (ตัวเร่งปฏิกิริยายังคงใหม่อยู่) อุณหภูมิแก๊สที่เข้าเบดแรกควรอยู่ที่ประมาณ 25ºC และอุณหภูมิแก๊สที่เข้าเบดที่สองควรอยู่ที่ประมาณ 35ºC และเมื่อใกล้สิ้นสุดอายุการใช้งานของตัวเร่งปฏิกิริยา อุณหภูมิแก๊สที่เข้าเบดแรกจะอยู่ที่ประมาณ 115ºC และอุณหภูมิแก๊สที่เข้าเบดที่สองจะอยู่ที่ประมาณ 125ºC แต่ไม่ว่าจะเป็นช่วงขณะใดก็ตามต้องคอยควบคุมไม่ให้อุณหภูมิ ณ ตำแหน่งใดก็ตามในเบดสูงเกินกว่า 180ºC
 

ทั้งอะเซทิลีนและเอทิลีนเป็นสารที่มีค่าพลังงานในตัวสูง (enthalpy of formation มีค่าเป็นบวก) ถ้าปล่อยให้ระบบมีอุณหภูมิสูงมากเกินไป จะเกิดปฏิกิริยาการสลายตัวของเอทิลีนใน reactor ตามด้วยการปลดปล่อยพลังงานความร้อนสูงจนเกิดการระเบิดได้ ในระหว่างการทำงานนั้นถ้าหากอุณหภูมิ ณ ตำแหน่งใดก็ตามในเบดสูงเกินกว่า 350ºC (หรือที่เรียกว่าเกิด hot spot) ตัวเอทิลีนเองจะสามารถเกิดปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์ (polymerisation) และสลายตัว (ethylene decomposition) ซึ่งสองปฏิกิริยานี้ต่างเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ส่งผลให้เกิดความร้อนที่เลี้ยงให้ปฏิกิริยาดำเนินต่อเนื่องไปได้ด้วยตนเองที่ทำให้อุณหภูมิในระบบเพิ่มสูงขึ้นจนไม่สามารถควบคุมได้ (เกิดการ runaway) 
  

สาเหตุหนึ่งที่ทำให้เกิด hot spot ได้ก็คือการมีไฮโดรเจนในระบบมากเกินไป ส่งผลให้เกิดปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจนมากเกินไป และเมื่อเกิด hot spot แล้วแม้ว่าจะลดความเข้มข้นไฮโดรเจนให้ต่ำลง อุณหภูมิของ hot spot ก็จะไม่ลดลงเพราะได้ความร้อนจากปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์และการสลายตัวมาเลี้ยงแทน
 

รูปที่ ๑ ตัวอย่างแผนผังระบบ acetylene converter ที่ประกอบด้วยเบดตัวเร่งปฏิกิริยาซ้อนกัน ๒ เบด (พึงสังเกตว่ามีการติดตั้งตัวตรวจวัดอุณหภูมิในเบดถี่มาก) และหน่วยกำจัด green oil (green oil absorber) ที่ใช้ของเหลวจากหอกลั่นแยกเอทิลีนออกจากอีเทน (ethylene fractionator) เป็นตัวชะล้าง
 

เรื่องการทำปฏิกิริยาของระบบนี้และกรณีตัวอย่างที่เกิดการระเบิดเคยเล่าไว้ใน Memoir ๒ ฉบับก่อนหน้านี้คือ ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๑๙ วันอังคารที่ ๙ พฤศจิกายน ๒๕๕๓ เรื่อง "Acetylene hydrogenation (ตอนที่ ๑)" และ ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๒๐ วันพฤหัสบดีที่ ๑๑ พฤศจิกายน ๒๕๕๓ เรื่อง "Acetylene hydrogenation (ตอนที่ ๒)"
 

เพื่อป้องกันการเกิดหรือเมื่อเกิด hot spot ขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์นั้น ได้มีการให้คำแนะนำไว้ดังนี้
 

๑. ไม่ควรให้ระบบมีความเข้มข้นไฮโดรเจนสูงเกินกว่า 2% และในการเริ่มการเดินเครื่องนั้นควรให้มี C2 ไหลผ่านระบบก่อนที่จะป้อนไฮโดรเจนเข้าระบบ (ดูหมายเหตุ (ก) และ (ข) เพิ่มเติมท้ายบทความ)
 

๒. ถ้าพบว่าอุณหภูมิในเครื่องปฏิกรณ์สูงเกินไปหรือเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ให้ปิดการป้อนไฮโดรเจนและระบายแก๊สในเครื่องปฏิกรณ์ทิ้ง (depressure หรือลดความดันของระบบลง)
 

๓. หลังการลดความดันแล้วให้ทำการ purge (เอาแก๊สอื่นเข้าไปไล่) โอเลฟินส์ที่อยู่ในเครื่องปฏิกรณ์ออก แก๊สที่ใช้อาจเป็นมีเทนหรือไนโตรเจน (แก๊สที่เฉื่อยสำหรับปฏิกิริยาและไม่ทำลายตัวเร่งปฏิกิริยา) ทำขั้นตอนนี้จนกว่าระบบจะเย็นตัวลง (อาจใช้เวลาไม่น้อยกว่า ๒ ชั่วโมง)
 

๔. ไม่ควรป้อนโอเลฟินส์เข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์ที่ยังร้อนอยู่ แม้ว่าจะไม่มีไฮโดรเจนอยู่ภายในก็ตาม และเนื่องจากความเป็นกรดของอะลูมินา (Al₂O₃) หรือ molecular sieve ที่ใช้ในหน่วย dryer ที่อยู่ถัดไปนั้น สามารถทำให้โอเลฟินส์เกิดการพอลิเมอร์ไรซ์หรือสลายตัวได้ ดังนั้นจึงไม่ควรผ่านไอน้ำที่มีความเข้มข้นโอเลฟินส์สูงที่มีอุณหภูมิสูงเกินกว่า 260-315ºC ไปยัง dryer
 

๕. หลังจากที่ควบคุมอุณหภูมิที่สูงเกินให้กลับมาอยู่ที่สภาวะปรกติได้แล้ว ยังไม่ควรป้อนไฮโดรเจนเข้าไปจนกว่าจะทำให้อัตราการไหลของสาร C2 กลับมายังสภาวะปรกติและตรวจไม่พบอุณหภูมิที่สูงเกินในเบด
 

๖. ควรมีการควบคุมและปรับเปลี่ยนอุณหภูมิด้านขาเข้าของ converter อย่างเหมาะสม ซึ่งทำได้ด้วยการใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนหรือการ bypass และไม่ควรใช้การปรับเพิ่มปริมาณไฮโดรเจน (เพื่อให้เกิดปฏิกิริยามากขึ้น) ในการเพิ่มอุณหภูมิการทำงานของเบด
 

ตัวเร่งปฏิกิริยา acetylene hydrogenation ยังทำให้เกิดปฏิกิริยาข้างเคียงที่สำคัญที่ยากจะหลีกเลี่ยงได้อีกปฏิกิริยาหนึ่งคือการทำให้เกิด "green oil" green oil นี้เป็นโอลิโกเมอร์ (oligomer) ที่มีจำนวนอะตอมคาร์บอนประมาณ ๔- ๒๐ อะตอมโดยเกิดจากการต่อโมเลกุลอะเซทิลีนเข้าเป็นบิวทาไดอีนก่อนด้วยกัน และเป็นสิ่งที่พบเสมอสำหรับ hydrogenation reactor พวกที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำนั้นจะระเหยออกมาพร้อมกับแก๊สที่ไหลออกจากเครื่องปฏิกรณ์ได้ แต่พวกที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงจะตกค้างอยู่บนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา วิธีการหนึ่งในการลดการเกิด green oil คือการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มี Ag เป็น promoter
 

การแยก green oil ที่หลุดออกไปกับแก๊สที่ออกจาก converter ทำได้หลายวิธี วิธีการหนึ่งได้แก่ใช้การดูดซับด้วยของเหลว ในแผงผังที่แสดงในรูปที่ ๑ นั้นแก๊สที่ออกจาก acetylene converter จะมุ่งตรงไปยัง green oil absorber เพื่อไปสัมผัสกับของเหลว C2 ที่มาจากหน่วยกลั่นแยกเอทิลีน-อีเทน เทคนิคอื่นที่สามารถใช้ในการแยก green oil ออกมาสามารถอ่านได้จากบทควาเรื่อง "A comparison of separation methods for Green Oil in ethylene production" โดย S. Kurukchi และ Thomas Wines ในวารสาร HYDROCARBON ASIA ฉบับประจำเดือนมกราคม/กุมภาพันธ์ ค.ศ. ๒๐๐๗ (หรือในไฟล์ pdf ที่แนบมา)
 

สำหรับ green oil ที่ตกค้างอยู่บนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาจะทำให้ความสามารถของตัวเร่งปฏิกิริยาในการทำปฏิกิริยา acetylene hydrogeantion ลดลง ทำให้เมื่อใช้งานตัวเร่งปฏิกิริยาไประยะหนึ่งจะมีความจำเป็นที่ต้องกำจัดสิ่งตกค้างเหล่านี้ออกด้วยการผ่านแก๊สที่มีความเข้มข้นออกซิเจนที่เหมาะสมเข้าไปเพื่อทำการเผาสารอินทรีย์ตกค้างเหล่านั้นทิ้ง (เรียกว่าทำการฟื้นสภาพหรือ regeneration) เพื่อให้เห็นภาพวิธีการฟื้นสภาพตัวเร่งปฏิกิริยา จึงจะขอยกตัวอย่างจากข้อมูลที่มีอยู่มาเล่าสู่กันฟังดังนี้ (วิธีการที่เหมาะสมที่แท้จริงนั้น บริษัทผู้ผลิตตัวเร่งปฏิกิริยาจะเป็นผู้กำหนด และขึ้นอยู่กับตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ด้วย)
 

๑. ปิดกั้นระบบ (ทั้งด้านขาเข้าและขาออก) จากนั้นทำการระบายแก๊สไฮโดรคาร์บอนที่อยู่ในระบบทิ้งออกไป
 

๒. ป้อนไอน้ำเข้าระบบด้วยค่า space velocity ที่เหมาะสม (ค่า space velocity นี้คือค่าอัตราการไหลของไอน้ำต่อปริมาตรของเบดตัวเร่งปฏิกิริยา ค่าที่เหมาะสมทางผู้ผลิตตัวเร่งปฏิกิริยาจะเป็นผู้กำหนด) โดยให้ไหลสวนทางกับทิศทางการเข้าของแก๊ส (กล่าวคือในระหว่างการทำงาน แก๊สจะไหลจากบนลงล่าง ดังนั้นในขั้นตอนนี้ไอน้ำจะไหลจากล่างขึ้นบน) และค่อย ๆ เพิ่มอุณหภูมิของเบดตัวเร่งปฏิกิริยาให้สูงถึง 400ºC ขั้นตอนนี้เป็นการไล่แก๊ส C2 เดิมออกจากเครื่องปฏิกรณ์ และไล่ green oil ที่ระเหยได้ออกไปจากพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา
 

๓. ผสมอากาศเข้าไปในไอน้ำ ให้มีความเข้มข้นอากาศ 1 mol% 
  

๔. หลังจากที่อุณหภูมิของระบบเริ่มเข้าที่ ค่อย ๆ เพิ่มความเข้มข้นอากาศขึ้นอย่างช้า ๆ ไปจนถึง 5 mol% ในขณะนี้ต้องคอยเฝ้าระวังไม่ให้อุณหภูมิภายในเบดสูงเกินกว่าที่ทางผู้ผลิตตัวเร่งปฏิกิริยากำหนดไว้
 

ตรงนี้ขออธิบายขั้นตอน ๓. และ ๔. เพิ่มเติมนิดนึง ปฏิกิริยาการเผาไหม้ green oil ที่ยังคงค้างอยู่บนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ถ้าปล่อยให้ปฏิกิริยาเกิดมากเกินไปจะทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาร้อนจัดจนเสื่อมสภาพถาวรได้ ด้วยเหตุนี้จึงจำเป็นต้องทำให้ปฏิกิริยาค่อย ๆ เกิดทีละน้อยด้วยการเผาด้วยออกซิเจนความเข้มข้นต่ำก่อน
 

๕. การฟื้นสภาพตัวเร่งปฏิกิริยาถือว่าเสร็จสมบูรณ์เมื่อพบว่าแก๊สที่ออกมาจากเครื่องปฏิกรณ์นั้นมีความเข้มข้น CO₂ น้อยกว่า 1 mol%
 

๖. ลดอุณหภูมิของเบดตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไอน้ำ (ตัดอากาศออกไปแล้ว) จนเหลือ 150ºC จากนั้นเปลี่ยนจากไอน้ำเป็นแก๊สแห้ง (แก๊สเฉื่อยเช่นไนโตรเจนหรือมีเทน) เพื่อไล่ไอน้ำออกจากเบดที่อุณหภูมิ 150ºC จนไอน้ำหมดไป (จะอยู่ประมาณ ๔-๖ ชั่วโมง) จากนั้นจึงค่อยลดอุณหภูมิเบดเหลืออุณหภูมิห้อง

หมายเหตุ :
  

(ก) ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในปฏิกิริยา acetylene hydrogenation นี้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่อยู่ในรูป "โลหะ" (กล่าวคือเลขออกซิเดชันเป็นศูนย์) โดยปรกติตัวเร่งปฏิกิริยาที่จะใช้งานในรูปที่เป็น "โลหะ" เพื่อความปลอดภัยในการขนถ่าย ("โลหะ" ทำปฏิกิริยารุนแรงกับออกซิเจนในอากาศ เป็นปฏิกิริยาคายความร้อนสูง) ทางผู้ผลิตจะผลิตมาในรูปของสารประกอบ "โลหะออกไซด์" หรือเป็น "โลหะที่มีชั้นออกไซด์บาง ๆ เคลือบผิวอยู่" เพื่อให้สามารถขนถ่ายได้อย่างปลอดภัย ดังนั้นหลังการบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาที่มาในรูป "โลหะออกไซด์" เข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์แล้ว จึงจำเป็นต้องทำการรีดิวซ์ (reduction) "โลหะออกไซด์" นั้นให้กลายสภาพเป็น "โลหะ" ก่อนที่จะใช้งานได้ การรีดิวซ์ทำโดยการผ่านแก๊สไฮโดรเจนเข้าระบบและควบคุมระบบให้มีอุณหภูมิที่เหมาะสม (ในกระบวนการนี้ ไฮโดรเจนจะไปดึงออกซิเจนออกจากโลหะออกไซด์และกลายเป็นไอน้ำ
 

(ข) การฟื้นสภาพตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อกำจัด green oil "โลหะ" ที่ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาจะถูกออกซิไดซ์กลับไปเป็น "โลหะออกไซด์" ด้วยเหตุนี้หลังเสร็จสิ้นกระบวนการฟื้นสภาพตัวเร่งปฏิกิริยาแล้ว จึงจำเป็นต้องมีการรีดิวซ์ตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเปลี่ยนรูปให้กลายเป็นรูป "โลหะ" ใหม่อีกครั้ง

กระบวนการทั้งสองที่กล่าวมาข้างต้นก็เป็นสาเหตุที่ทำให้มีไฮโดรเจนความเข้มข้นสูงตกค้างอยู่ในระบบก่อนการป้อน C2 เข้าทำปฏิกิริยาได้
 

(ค) ตำแหน่งที่ตั้งหน่วย acetylene hydrogenation นี้ไม่จำเป็นต้องอยู่ก่อนการแยกเอทิลีน-อีเทนออกจากกัน ตำแหน่งที่ตั้งที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับการออกแบบกระบวนการและชนิดของวัตถุดิบที่นำมาผลิตโอเลฟินส์

ก่อนจะเลือนหายไปจากความทรงจำ ตอนที่ ๑๕ ท่อแก๊สระบบ acetylene hydrogenation MO Memoir : Saturday 17 February 2555

หลายปีที่แล้วตอนที่ผมยังทำหน้าที่ตรวจเอกสารนิสิตขอสั่งซื้อของ (ป้องกันการสั่งซื้อแบบมั่ว ๆ เอามาใช้ส่วนตัวหรือเอามาทิ้งเล่น) มีนิสิตผู้หนึ่งเอาเอกสารขออนุมัติซื้อวาล์วทองเหลือง (swagelok) มาให้ผมลงนามรับทราบก่อนสั่งซื้อ ครั้งนั้นนึกยังไงก็ไม่รู้พอลงลายมือชื่อเสร็จและส่งเอกสารคืนเขา ผมก็ถามเขาขึ้นมาลอย ๆ ว่าจะเอาไปใช้ทำอะไรเหรอ เขาตอบผมกลับมาว่าเอาไปใช้ใน line "acetylene hydrogenation"

ผมตอบเขากลับไปว่ามันใช้ไม่ได้นะ มันอันตราย อะเซทิลีนห้ามเจอกับ "ทองแดง" คุณต้องใช้วาล์วสแตนเลส

-------------------------------------------------------------

ถ้าใครได้ศึกษาเคมีอินทรีย์ ในเรื่องของสารประกอบ aklyne (-C≡C-) จะพบปฏิกิริยาหนึ่งของสารประกอบ alkyne คือปฏิกิริยา "Replacement of acetylene hydrogen"

ในกรณีของสารประกอบ alkyne ที่มีโครงสร้าง -C≡C-H (พันธะสามอยู่ที่ปลายโซ่) อะตอมไฮโดรเจนของพันธะสามดังกล่าวสามารถทำปฏิกิริยากับโลหะบางชนิด (เช่น Ag และ Cu) กลายเป็นเกลือโลหะ metal acetylide ได้ ดังเช่น

R-C≡C-H + Ag(NH₃)₂NO₃  →  R-C≡C-Ag + NH₄NO₃ + NH₃

R-C≡C-H + Cu(NH₃)₂Cl →  R-C≡C-Cu + NH₄Cl + NH₃

เกลือ acetylide ของสารประกอบโลหะที่ได้ไม่มีความเสถียร ว่องไวต่อแรงกระแทกและเกิดระเบิดได้ง่าย ดังนั้นในระบบท่อที่มีใช้งานกับสารประกอบ alkyne จึงต้องไม่มีชิ้นส่วนที่ทำจากโลหะทองแดงหรือโลหะผสมทองแดงอยู่เพื่อความปลอดภัย (ไม่มีใครนำโลหะเงินมาทำเป็นท่อใช้ในโรงงาน)

alkyneที่พบมากที่สุดในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีก็คืออะเซทิลีน รองลงไปก็คงเป็น methyl acetylene H₃C-C≡C-H หรือที่ในตำราเรียนเขาเรียก propyne แต่ในวงการไม่มีใครเรียก propyne นะ พวกนี้เป็นพวกที่ปนเปื้อนอยู่กับเอทิลีนที่ได้จากโรงโอเลฟินส์ และต้องทำการกำจัดออกก่อนส่งให้ลูกค้า

-------------------------------------------------------------

เขาตอบผมกลับมาว่าอันนี้เป็นระบบเดิมที่รุ่นพี่เขาใช้ เป็นระบบท่อทองแดงทั้งระบบ ก็เห็นรุ่นพี่เขาใช้ได้ ไม่เห็นเป็นอะไรจนเรียนจบไปแล้วด้วย เขาเพียงแค่ซื้อไปเปลี่ยนตัวที่เสียเท่านั้นเอง (หมายเหตุ รุ่นพี่คนนั้นที่เขากล่าวถึงเรียนจบ ป.เอก เรื่องนี้ด้วยนะ)

ผมก็ตอบเขากลับไปว่า ถ้าคุณไปทำการทดลองเองที่บ้านคุณ ไม่มีคนอื่นอยู่ใกล้ ๆ ผมจะแกล้งทำเป็นไม่รู้ไม่เห็นก็ได้ เพราะถ้าเกิดเรื่องอะไรคุณก็เดือดร้อนอยู่คนเดียว แต่นี่คุณทำการทดลองให้ห้องแลป ส่วนกลางที่คนอื่นเขาทำงานอยู่ด้วย ถ้าเกิดเรื่องขึ้นมา คนอื่นที่เขาไม่รู้อิโหน่อิเหน่จะเดือดร้อนไปด้วย เรื่องนี้ผมจะทำเป็นไม่รู้ไม่เห็นไม่ได้ คุณต้องรื้อระบบเดิมของคุณและต้องสร้างขึ้นมาใหม่

เขาจากผมไปโดยไม่พูดอะไร

-------------------------------------------------------------

รูปที่ ๑ Material Safety Data Sheet (MSDS) ของอะเซทิลีน ฉบับนี้จัดทำโดยบริษัทแก๊ส BOC มีการระบุไว้อย่างชัดเจนว่าให้ระวังโลหะทองแดง (ในกรอบสีเหลือง)

-------------------------------------------------------------

เอทิลีนที่ผลิตได้จาก cracker นั้นนอกจากจะมีอะเซทิลีนและเมทิลอะเซทิลีนแล้ว ยังอาจมี CO O₂ และ CO₂ รวมอยู่ด้วย สารเหล่านี้ต่างเป็นสารพิษ (catalyst poison) ต่อตัวเร่งปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรซ์โอเลฟินส์ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการควบคุมหรือกำจัดออกจากเอทิลีนที่ใช้เป็นสารตั้งต้น 

 

การกำจัด CO นั้นทำได้โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นโลหะออกไซด์ CuO ซึ่ง CuO จะถูกรีดิวซ์ด้วย CO กลายเป็น Cu และ CO จะกลายเป็น CO₂ ส่วนการกำจัด O₂ นั้นทำได้โดยการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นโลหะ Cu ซึ่งโลหะ Cu จะถูกออกซิไดซ์ด้วย O₂ กลายเป็น CuO 

 

ดังนั้นเมื่อแก๊สไหลผ่านเบดตัวเร่งปฏิกิริยา Cu และ CuO CO และ O₂ จะหมดไปและมี CO₂ เพิ่มขึ้น จากนั้นจึงทำการกำจัด CO₂ ด้วยการผ่านเบดที่บรรจุเบสเช่น KOH (โดยมีความชื้นอยู่ด้วย) แก๊สที่ผ่านการกำจัด CO₂ แล้วจะมีความชื้นอยู่ และต้องเข้าสู่เบดกำจัดความชื้นก่อนที่จะนำไปทำปฏิกิริยา

เนื่องจากการกำจัด CO และ O₂ นั้นต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ประกอบด้วยโลหะ Cu ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการกำจัดอะเซทิลีนและเมทิลอะเซทิลีนออกจากเอทิลีนก่อนแก๊สตัวอื่น

-------------------------------------------------------------

เวลาที่ระบบการทดลองมีปัญหาและต้องควรต้องทำการดัดแปลง/แก้ไขให้ดีขึ้นนั้น นิสิตส่วนใหญ่มักจะพยามยามหลีกเลี่ยงที่จะไม่ทำการดัดแปลง/แก้ไข เพราะเกรงว่าจะเสียเวลาทำแลปในสัปดาห์นั้น และถ้าไม่มีผลแลปก็จะโดนอาจารย์ที่ปรึกษาดุเอา เพราะทำวิจัยอยู่กับอาจารย์ที่ปรึกษาที่ต้องการผลแลปทุกสัปดาห์ 

 

อีกอย่างก็คือกลัวว่าจะทำให้ผลการทดลองที่ออกมานั้นไม่เหมือนของรุ่นพี่ จะเปรียบเทียบผลการทดลองกันไม่ได้ (อันที่จริงเรื่องนี้ส่วนหนึ่งมันมีสาเหตุมาจากอาจารย์ที่ปรึกษา ที่ชอบคิดว่าผลการทดลองของรุ่นพี่ที่ออกมาดูดีนั้นมันถูกเสมอ พอรุ่นน้องมาทำซ้ำไม่ได้ก็จะโทษรุ่นน้องว่าไม่มีฝีมือ แต่ในความเป็นจริงคือรุ่นพี่มั่วผลแลป เพราะพอขอให้กลับมาสอนรุ่นน้อง ก็มักจะพบว่าหลีกเลี่ยงการติดต่อ) ดังนั้นจึงมักจะยื้อจะใช้ระบบเดิม จนกว่ามันจะไปต่อไปไม่ได้จริง ๆ จึงจะยอมดัดแปลง

-------------------------------------------------------------

รูปที่ ๒ Acetylene hydrogenation line อะเซทิลีนเข้ามาทางด้านขวา แก๊สตัวอื่นเข้ามาทางด้านบนและด้านซ้าย ก่อนที่จะไหลรวมกันลงทางด้านล่าง ดังนั้นท่อที่มีโอกาสสัมผัสกับอะเซทิลีนจึงควรเปลี่ยนเป็นสแตนเลสทั้งหมด ซึ่งรวมไปถึงวาล์วสองตัวที่ปิดกั้นการไหลของแก๊สที่มาทางด้านบนและด้านซ้ายด้วย วาล์วทั้งสองตัวนี้ต้องเป็นวาล์วสแตนเลสด้วย

-------------------------------------------------------------

ไม่กี่วันถัดมา ผมเห็นเขาทำการทดลองปฏิกิริยา acetylene hydrogenation โดยที่ยังใช้ระบบท่อทองแดงอยู่ ผมก็เตือนให้เขาหยุดการทดลองและทำการแก้ไขระบบท่อก่อน แต่เขาก็ไม่เชื่อ ผมก็เลยไปนำ MSDS ของอะเซทิลีนมาให้ดู เขาก็ดูไปอย่างงั้น แต่ก็ยืนยันที่จะทำการทดลองเหมือนเดิม

ผมก็เลยไปพบอาจารย์ที่ปรึกษาของเขาในระหว่างการประชุมกลุ่มของเขา บอกเขาว่ารู้ไหมว่านิสิตของเขาทำการทดลองโดยเอาสารเคมีที่ไม่ควรมาเจอกันให้มาเจอกัน (อะเซทิลีนกับท่อทองแดง) เดี๋ยวก็เกิดเรื่องหรอก

อาจารย์ที่ปรึกษาของเขาตอบผมกลับมาว่า "ไม่เคยรู้มาก่อน" (ว่าอะเซทิลีนห้ามเจอกับทองแดง)

ผมก็เลยบอกเขาไปว่า ควรให้นิสิตอ่าน MSDS สารเคมีที่ใช้บ้าง ไม่ใช่ให้อ่านแต่ paper แล้วก็เดินออกจากห้องประชุม

-------------------------------------------------------------

เมื่อวานและวันนี้มีคนมาถามผมเรื่องการเรียนปริญญาเอก ผมก็บอกเขาว่าเดี๋ยวนี้ผู้บริหารมหาวิทยาลัยนั้นสนแต่การจัดอันดับโดยต่างประเทศ ที่ใช้จำนวนบทความเป็นปัจจัยหลักตัวหนึ่ง ดังนั้นเพื่อให้มหาวิทยาลัยมีบทความเยอะ ๆ เวลาที่ประเมินความดีความชอบให้กับอาจารย์สักคน ก็จะเน้นไปที่นว่ามีกี่บทความตีพิมพ์ โดยไม่สนว่าบทความที่ได้มานั้นได้มาโดยวิธีใด ไม่ได้ดูว่าจำนวนบทความที่ผลิตได้ต่อช่วงเวลานั้นมันสมเหตุสมผลกันหรือไม่ (จำนวนวันที่ใช้ต่อการผลิตบทความ ๑ บทความ) 

 

และที่สำคัญคือในการประเมินนั้นเขาไม่ได้สนใจว่าผู้ที่มาเรียนด้วยนั้นจะจบการศึกษาหรือไม่ เช่นอาจารย์อาจตั้งเกณฑ์ตามความพอใจของตนเองว่าผู้มาเรียนด้วยต้องผลิตบทความอย่างน้อย ๖ บทความไม่เช่นนั้นจะไม่ให้จบ (ทั้ง ๆ ที่มหาวิทยาลัยกำหนดแต่บทความเดียวเท่านั้น) ถ้านิสิตผลิตได้เพียงแค่ ๕ บทความก็ต้องออกจากการศึกษา (เช่นรีไทร์หรือทนทำงานต่อไม่ไหว) นิสิตผู้นั้นก็จะไม่ได้อะไรเลย แต่อาจารย์ผู้สอนเองนั้นสามารถเอาบทความทั้ง ๕ บทความนั้นไปขอความดีความชอบได้

-------------------------------------------------------------

ไม่รู้เหมือนกันว่าคนที่มาถามผมเรื่อง variac เสียเมื่อวันก่อน จะมีโอกาสได้แวะเข้ามาอ่าน Memoir นี้หรือไม่

Acetylene hydrogenation (ตอนที่ ๒) MO Memoir : Thursday 11 November 2553

เหตุการณ์ต่อไปนี้นำมาจากเว็บของประเทศญี่ปุ่น http://shippai.jst.go.jp/en/ ซึ่งเป็นเว็บของ Japan Science and Technology Agency ในส่วนที่เป็น Failure Knowledge Database จากบทความเรื่อง "Explosion of an acetylene hydrogenation section in ethylene plant" เรียบเรียงโดย Hiroshi Koseki และคณะ

เว็บนี้ได้รวบรวมเหตุการณ์อุบัติเหตุและความผิดพลาดทางด้านวิศวกรรมที่สำคัญต่าง ๆ เอาไว้ โดยได้เล่าถึงความเป็นมาของเหตุการณ์ และผลการสอบสวน สิ่งที่น่าสนใจในการสอบสวนเหตุการณ์อุบัติเหตุคือไม่ได้ต้องการหาผู้กระทำผิดเพียงอย่างเดียว แต่ยังมองลึกไปถึงระดับที่ว่าทำไปจึงเปิดโอกาสให้ทำผิดพลาดเช่นนั้นได้ และจะป้องกันได้อย่างไร

Memoir ฉบับนี้เป็นเพียงแค่การสรุปเนื้อหาเหตุการณ์และให้คำอธิบายเพิ่มเติมของคำศัพท์บางคำ (ส่วนที่เป็นสีน้ำตาล) เพื่อให้ผู้ที่ยังไม่มีประสบการณ์กับโรงงานจริง (ทั้งนิสิตปี ๒ และบัณฑิตศึกษา) ได้ทราบว่าสิ่งที่บทความกล่าวถึงนั้นคืออะไร เนื้อหาฉบับเต็มโปรดไปอ่านที่บทความที่ส่งมาพร้อมกับไฟล์แนบ สำหรับผู้ที่พึ่งจะมาเห็น memoir ฉบับนี้ควรไปอ่าน memoir ฉบับก่อนหน้า "MO Memoir : Tuesday 9 November 2553 เรื่อง Acetylene hydrogenation (ตอนที่ ๑)" ก่อน

เวลาประมาณ ๒๒.๑๓ ของคืนวันที่ ๗ กรกฎาคม ปีค.ศ. ๑๙๗๗ (ปีพ.ศ. ๒๕๒๐) ได้เกิดการระเบิดขึ้นที่โรงงานผลิตเอทิลีนของบริษัท Idemitsu Petrochemicals Co., Ltd. ในย่อหน้าสุดท้ายของหน้าที่ ๑ ได้สรุปเหตุการณ์ก่อนที่จะเกิดการระเบิดเอาไว้ดังนี้

๑. มีการเริ่มเดินเครื่องเครื่องปฏิกรณ์ acetylene hydrogenation หลังเกิดเหตุ emergency shutdown และเกิดการป้อนไฮโดรเจนมากเกินไปเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์

[shut down คือการหยุดการเดินเครื่องโรงงาน ถ้าเป็น annual shutdown ก็เป็นการหยุดเดินเครื่องเพื่อทำการซ่อมบำรุงหรือทำการปรับปรุงโรงงาน กรณีนี้ถือว่าเป็นการหยุดเดินเครื่องที่มีการวางแผนไว้ล่วงหน้า ส่วน emergency shutdown เป็นการหยุดเดินเครื่องในกรณีฉุกเฉิน เช่น ไฟฟ้าดับ ระบบสาธารณูปโภคหยุดการทำงาน (น้ำ ไฟฟ้า อากาศความดันสูง ฯลฯ) เกิดไฟไหม้ เกิดการระเบิด]

๒. เอทิลีนที่สะสมอยู่ในเครื่องปฏิกิริยาเกิดปฏิกิริยาเติมไฮโดรเจนกลายเป็นอีเทน (ในความเป็นจริงนั้นควรเกิดเฉพาะกับอะเซทิลีนที่มีอยู่ในปริมาณเล็กน้อยเท่านั้น)

๓. การเติมไฮโดรเจนให้กับเอทิลีนทำให้เกิดการคายพลังงานความร้อนออกมามากเกินไป จนนำไปสู่การสลายตัวของเอทิลีนซึ่งเป็นปฏิกิริยาคายความร้อนเช่นเดียวกัน

กระบวนการผลิตของโรงงาน (ดูรูปที่ ๑) เริ่มจากการนำเอาแนฟทา (ไฮโดรคาร์บอนในช่วงน้ำมันเบนซินและน้ำมันก๊าด) ผสมกับไอน้ำและให้ความร้อนจนโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนแตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลง การแยกพาราฟิน (อีเทนและโพรเพน) ออกจากผลิตภัณฑ์นั้นทำโดยใช้การกลั่นแยก ส่วนการกำจัดอะเซทิลีน โพรพาไดอีน (H₂C=C=CH₂) และเมทิลอะเซทิลีน (หรือโพรพาย) กระทำโดยการเติมไฮโดรเจนเพื่อเปลี่ยนสารเหล่านี้ให้กลายเป็นโมโนโอเลฟินส์ (โอเลฟินส์ที่มีเพียงแค่พันธะคู่พันธะเดียว) โดยตัวระบบเครื่องปฏิกรณ์ประกอบด้วยเครื่องปฏิกรณ์ 3 ตัวต่อเข้าด้วยกัน (ดูรูปที่ ๒) คือตัวบน A ตัวกลาง B และตัวล่าง C อุณหภูมิทำงานปรกติอยู่ในช่วง 55-60 องศาเซลเซียส ภายในเครื่องปฏิกรณ์บรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาตระกูลโลหะพัลลาเดียม (Pd) เอาไว้

รูปที่ ๑ แผนผังกระบวนการผลิตของโรงงาน [cracking - หน่วยให้ความร้อนจนโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนแตกออกเป็นโมเลกุลเล็ก ๆ; quenching - หน่วยลดอุณหภูมิแก๊สร้อนที่มาจากหน่วย cracking กระทำโดยการให้แก๊สร้อนสัมผัสกับน้ำเย็นโดยตรง; หน่วยถัดจาก quenching เป็นหน่วยแยกสารต่าง ๆ ออกจากกัน คำว่า de- ถ้าไปนำหน้าชื่อสารใดก็หมายความว่าเป็นหน่วยที่แยกสารนั้นออกมา เช่นหน่วย de-ethane ในภาพเป็นหน่วยที่แยกอีเทนออกมา]

รูปที่ ๒ หน่วย Acetylene hydrogenation แสดงความดันและอุณหภูมิการทำงานปรกติของหน่วยนี้

ในคืนวันที่ ๗ กรกฎาคมเวลาประมาณ ๑๘.๕๐ น Instrument air (IA) เกิดหยุดไหลกระทันหัน ทำให้อุปกรณ์วัดคุมทุกตัวหยุดทำงานกระทำหัน ทำให้เกิดเหตุการณ์ emergency shutdown ตามด้วยการที่วาล์วควบคุมการไหล (control valve) ต่าง ๆ ปรับตัวไปอยู่ที่ failure position ตามด้วยการระบายแก๊สทิ้งจำนวนมากออกทาง flare stack

[ในโรงงานมักมีการใช้อากาศอัดความดัน (compressed air) เพื่อใช้งานต่าง ๆ เช่น ใช้ในการระบายอากาศในภาชนะปิดหรือบริเวณคับแคบต่าง ๆ ใช้ในการขับเคลื่อนอุปกรณ์ (เช่นประแจขันนอตหรือสว่าน) เป็นต้น บางทีอาจเรียกอากาศอัดความดันนี้ว่า plant air (PA) แต่ในบทความนี้เข้าใจว่าใช้ชื่อ work air (YA) แต่ PA นี้ยังมีความชื้นปนปนอยู่ การนำ PA ไปใช้ในระบบส่งสัญญาณหรือควบคุมการทำงานของอุปกรณ์จึงไม่เหมาะ เพราะไอน้ำที่ปะปนอยู่นั้นอาจเกิดการควบแน่นเป็นน้ำ และถ้าอยู่ในบริเวณที่อากาศหนาวก็อาจเกิดการแข็งตัวและทำให้ระบบท่ออุดตันได้ ดังนั้นถ้าต้องการนำเอาอากาศไปใช้เพื่องานดังกล่าวจึงต้องนำไปกำจัดความชื้นออกก่อน PA ที่ผ่านการกำจัดความชื้นแล้วเรียกว่า instrument air (IA)

วาล์วควบคุม (control valve - CV) เป็นวาล์วที่ทำหน้าที่ควบคุมการไหลว่าจะให้ไหลมากหรือไหลน้อย โดยทั่วไปวาล์วควบคุมจะต่อเข้ากับระบบควบคุมอัตโนมัติ วาล์วควบคุมการไหลส่วนใหญ่นั้นจะทำงานโดยการใช้แรงกดอากาศ (IA) กดต้านแรงสปริง ถ้าไม่มีแรงกดจาก IA วาล์วก็จะไปอยู่ที่ตำแหน่งที่สปริงจะดันไปซึ่งอาจเป็นตำแหน่งเปิดหรือตำแหน่งปิดซึ่งขึ้นอยู่กับการออกแบบ ตำแหน่งวาล์วเมื่อไม่มีแรงกดจาก IA เรียกว่า failure position ถ้าไม่มีแรงกดจาก IA แล้วทำให้สปริงดันวาล์วตัวนั้นไปอยู่ที่ตำแหน่งเปิดก็จะเรียกว่า failure open แต่ถ้าไม่มีแรงกดจาก IA แล้วตัวสปริงดันวาล์วไปอยู่ที่ตำแหน่งปิดก็จะเรียกว่า failure close

Flare stack เป็นระบบเผาแก๊สทิ้งของโรงงานในกรณีฉุกเฉินหรือเมื่อต้องหยุดเดินเครื่องโรงงาน สารเคมีต่าง ๆ ที่เผาไหม้ได้จะถูกส่งออกมาเผาที่ flare stack นี้]

เวลาประมาณ ๑๘.๕๘ น IA กลับมาใช้งานได้ใหม่ จึงได้เริ่มทำการเดินเครื่องระบบใหม่ รายละเอียดเหตุการณ์ตรงนี้อ่านได้ในหัวข้อ "2. Course" ในหน้าที่ ๔ และ ๕ กล่าวโดยสรุปคือพนักงานปฏิบัติการ (หรือที่เรามักเรียกว่า - operator) เริ่มเดินเครื่องระบบใหม่โดยการเปิดวาล์วให้เอทิลีนและไฮโดรเจนไหลเข้าเครื่องปฏิกรณ์ แต่สิ่งที่เกิดขึ้นคือไม่มีเอทิลีนไหลเข้าไหลเครื่องปฏิกรณ์ มีเพียงแต่ไฮโดรเจนเท่านั้น ทำให้เอทิลีนที่ค้างอยู่ในเครื่องปฏิกรณ์เกิดปฏิกิริยาเติมไฮโดรเจนและคายความร้อนออกมา อุณหภูมิการทำงานปรกติอยู่ที่ 60 องศาเซลเซียส แต่เมื่อเวลา ๒๑.๓๐ น operator สังเกตว่าอุณหภูมิในเครื่องปฏิกรณ์เพิ่มสูงถึง 120 องศาเซลเซียส operator จึงได้ตัดสินใจเปิดวาล์วป้อนแก๊สเอทิลีนจากแหล่งอื่นเข้าระบบเพื่อระบายความร้อน แต่เมื่อถึงเวลา ๒๑.๓๘ น operator ยังพบว่าอุณหภูมิยังคงเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว จึงได้ตัดสินใจปิดวาล์วป้อนไฮโดรเจน

[สำหรับ fixed-bed ที่ไม่มีการระบายความร้อนผ่านทางผนังนั้น การระบายความร้อนออกจาก fixed-bed จะอาศัยการไหลของแก๊สผ่าน fixed-bed ในกรณีนี้แม้ว่าจะมีไฮโดรเจนไหลเข้าระบบ แต่ปริมาณการไหลของไฮโดรเจนไม่มากพอที่จะดึงเอาความร้อนออกจากเบด จึงทำให้อุณหภูมิภายในเบดเพิ่มสูงขึ้น ดังนั้นเมื่อ operator สังเกตพบอุณหภูมิภายใน fixed-bed เพิ่มสูงขึ้น จึงเปิดเอทิลีนเข้าเพิ่มเติมเพื่อเพิ่มการไหลของแก๊สผ่านเครื่องปฏิกรณ์ แต่พอพบว่าอุณหภูมิยังคงเพิ่มขึ้น จึงตัดสินใจหยุดการป้อนไฮโดรเจนเพื่อหยุดปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจนซึ่งเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน]

แต่เมื่อเอทิลีนเริ่มไหลเข้าระบบ operator พบว่าอุณหภูมิยังคงเพิ่มสูงขึ้น โดยเมื่อเวลา ๒๑.๔๕ น พบว่าอุณหภูมิในส่วนกลาง (เครื่องปฏิกรณ์ B) สูงถึง 970 องศาเซลเซียส และเมื่อถึงเวลา ๒๒.๐๐ น ก็พบว่าอุณหภูมิที่ส่วนล่างของเครื่องปฏิกรณ์ B เพิ่มขึ้นเกินกว่า 1000 องศาเซลเซียส ทำให้ท่อทางออกจากเครื่องปฏิกรณ์ร้อนแดง และเมื่อถึงเวลา ๒๒.๑๕ น ท่อดังกล่าวก็แตกหัก ทำให้เกิดแก๊สรั่วออกมาและเกิดการระเบิด ทำให้มีผู้เสียชีวิต ๑ ราย

[แม้ว่า operator จะหยุดการป้อนไฮโดรเจนทำให้ปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจน (hydrogenation) หยุดแล้วก็ตาม แต่ตัวเร่งปฏิกิริยาพัลลาเดียม (Pd) ที่อยู่ในเครื่องปฏิกรณ์สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาการสลายตัวของเอทิลีนได้เมื่ออุณหภูมิสูงของระบบสูงกว่า 400 องศาเซลเซียส ดังนั้นเอทิลีนที่ป้อนเข้าไปในขณะที่อุณหภูมิภายในเครื่องปฏิกรณ์นั้นมีค่าสูงจึงไม่ได้เข้าไประบายความร้อนออกจากเครื่องปฏิกรณ์ แต่เป็นการป้อนสารตั้งต้นสำหรับปฏิกิริยาการสลายตัวของเอทิลีนเข้าไปในระบบ ทำให้ไม่สามารถหยุดการเพิ่มอุณหภูมิภายในเครื่องปฏิกรณ์ได้]

สาเหตุที่ทำให้เกิดการระเบิดได้รับการพิจารณาว่าเป็นผลรวมของความผิดพลาดหลายอย่าง เริ่มตั้งแต่การออกแบบตำแหน่งติดตั้งวาล์ว การออกแบบระบบการทำงาน การทำงานและการตัดสินใจของ operator ซึ่งเกี่ยวพันไปถึงการฝึกอบรม operator ด้วย แต่ตัวที่เป็นจุดเริ่มต้นคือตำแหน่งติดตั้งวาล์ว PA และ IA ที่อยู่สูงจากพื้น (ดูรูปที่ ๓ ประกอบ) ซึ่งเป็นตำแหน่งที่เข้าถึงได้ยาก ทำให้ผู้ปฏิบัติงานสามารถทำผิดพลาดได้ง่าย ทั้ง ๆ ที่ในความเป็นจริงแล้วในแต่ละปีจะมีการเปิด-ปิดวาล์ว PA บ่อยครั้งกว่า ดังนั้นจะเป็นการดีกว่าถ้าจะออกแบบการวางท่อให้วาล์ว PA อยู่ในระดับที่ operator ที่ยืนอยู่บนพื้นสามารถปิด-เปิดได้ง่าย

[ท่อในโรงงานนั้นมักวางอยู่บน pipe rack ซึ่งเป็นที่สำหรับวางท่อต่าง ๆ ซ้อนกันเป็นชั้น ๆ อยู่เหนือศีรษะ (อยู่ที่ระดับประมาณ ๕ เมตรสูงจากพื้น) ทั้งนี้เพื่อให้สามารถใช้พื้นที่ด้านล่างในการเดินทางของคนและยานพาหนะต่าง ๆ ได้ วาล์วที่นาน ๆ ครั้งจึงจะมีการใช้งานและใช้เมื่อจำเป็นเท่านั้นก็อาจติดตั้งอยู่ที่ระดับ pipe rack ได้ ส่วนวาล์วที่ต้องมีการใช้งานเปิด-ปิดบ่อย ๆ ก็จะมีการเดินท่อให้ลดระดับลงมาข้างล่างที่ระดับพื้นเพื่อติดตั้งวาล์วไว้ที่ระดับพื้น และค่อยเดินท่อด้านขาออกจากวาล์วนั้นกลับไปที่ระดับ pipe rack ใหม่อีกครั้ง (ดูรูปที่ ๔ ประกอบ)]

รูปที่ ๓ ตำแหน่งที่ตั้งของวาล์วท่อ IA ที่ operator ปิดผิดตัว วาล์วที่ควรจะถูกปิดคือวาล์วของท่อ plant air (วงกลมเขียว) แต่วาล์วที่ถูกปิดคือวาล์วของท่อ instrument air (วงกลมแดง)

รูปที่ ๔ ตัวอย่างตำแหน่งการติดตั้งวาล์วที่ใช้งานเป็นประจำ

สำหรับวาล์วที่ไม่มีการปิด-เปิดบ่อยครั้ง (เช่นใช้เมื่อเริ่มเดินเครื่องหรือหยุดเดินเครื่องโรงงานเท่านั้น) ก็สามารถติดตั้งไว้ให้อยู่เหนือศีรษะได้ แต่สำหรับวาล์วที่ถ้าหากเผลอไปปิดหรือเปิดเข้าโดยไม่ตั้งใจจะทำให้เกิดความเสียหายได้ ก็ต้องมีการป้องกันการไปปิด-เปิดโดยไม่ตั้งใจ เช่นโดยการใช้โซ่พันและคล้องกุญแจเอาไว้ ทาสีให้เห็นเด่นชัดเจน หรือทำการติดป้ายให้เห็นชัดเจนว่าต้องได้รับอนุญาตก่อนจึงจะทำการปิดหรือเปิดได้

บทความนี้ยังได้ให้ข้อสังเกตด้วยว่าทำไม operator จึงรีบพยายามเดินเครื่องระบบกลับคืนสู่สภาพเดิมทันทีที่มี IA กลับมาใช้งานอีกครั้ง ทั้ง ๆ ที่เมื่อระบบเริ่มต้นกระบวนการ emergency shutdown แล้วก็ควรให้กระบวนการนี้ดำเนินไปจนสิ้นสุดก่อน จากนั้นจึงค่อยเริ่มต้นเดินเครื่องระบบใหม่ เพราะในระหว่างระบบดำเนินการ emergency shutdown นั้นมีการระบายความดันออกจากหน่วยต่าง ๆ ในระบบ ทำให้เกิดปัญหาความดันไม่สมดุลและทำให้เกิดการไม่ไหลของแก๊สในระบบได้ ในกรณีนี้คือแก๊สเอทิลีนไม่ไหลเข้า hydrogenation reactor มีแต่แก๊สไฮโดรเจนเท่านั้นที่ไหลเข้า

ทางผู้เขียนบทความได้บันทึกไว้ว่าสาเหตุที่ทางผู้จัดการโรงงานและ operator รีบเดินเครื่องระบบกลับคืนสภาพเดิมทันทีก็เพราะไม่ต้องการสูญเสียเวลา เพราะถ้าปล่อยให้กระบวนการ emergency shutdown ดำเนินการอย่างเสร็จสมบูรณ์และเริ่มต้นเดินเครื่องใหม่นั้นจะต้องใช้เวลาหลายวัน ซึ่งจะมีการสูญเสียถึงหลายสิบล้านเยนต่อวัน (ตรงนี้ดูเหมือนว่าผลกำไรของบริษัทสำคัญกว่าความปลอดภัยในการทำงาน)

Acetylene hydrogenation (ตอนที่ ๑) MO Memoir : Tuesday 9 November 2553

เวลาที่สอนเคมีอินทรีย์ให้กับใครนั้น ผมมักจะย้ำว่าให้มองเนื้อหาเป็นเรื่องของหมู่ฟังก์ชัน (functional group) ต่างๆ มากกว่าการที่จะมองว่าเป็นสารประกอบ (compound) เพราะการที่สารใดจะทำปฏิกิริยาแบบใดได้นั้นมันขึ้นอยู่กับว่าสารนั้นมีหมู่ฟังก์ชันใดบ้าง ไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่าสารนั้นมีชื่อว่าอะไร ตัวอย่างเช่นสไตรีน (C₆H₅CH=CH₂) ซึ่งถ้าดูตามชื่อแล้วมันถูกจัดให้อยู่ในกลุ่มแอโรแมติก และถ้าดูการทำปฏิกิริยาแล้วจะพบว่ามันมีการทำปฏิกิริยาของพันธะ C=C เช่นปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์ (polymerisation) ซึ่งอยู่ในเรื่องอัลคีน หรือในกรณีของโมเลกุลน้ำตาลนั้น การทำปฏิกิริยาจะอยู่ในเรื่องของแอลกอฮอล์ (หมู่ไฮดรอกซิล) และอัลดีไฮด์หรือคีโตน (เพราะน้ำตาลเป็นสารประกอบ polyhydroxy aldehyde หรือ polyhydroxy ketone คือมีทั้งหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) และอัลดีไฮด์/คีโตนในโมเลกุลเดียวกัน)

สัปดาห์ที่แล้วสอนนิสิตปริญญาตรีปี ๒ เรื่องเกี่ยวกับสารประกอบไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัว และได้ยกตัวอย่างปฏิกิริยาหนึ่งขึ้นมาคือปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจน (Hydrogenation) ที่ใช้เปลี่ยนพันธะคู่ระหว่างอะตอมคาร์บอนให้กลายเป็นพันธะเดียว และเปลี่ยนพันธะสามระหว่างอะตอมคาร์บอนให้กลายเป็นพันธะคู่ และใน Memoir ฉบับที่แล้ว (ฉบับที่ ๒๑๘) ก็ได้เกริ่นถึงปฏิกิริยาการกำจัด acetylene ออกจาก ethylene ในกระบวนการที่เรียกว่า acetylene hydrogenation

Memoir ฉบับนี้เลยขอถือโอกาสใช้ปฏิกิริยานี้เป็นตัวอย่างเพื่อแสดงให้เห็นถึงการนำเอาความรู้จากวิชาต่าง ๆ มาประยุกต์ใช้รวมกัน โดยหวังว่าผู้อ่านคงยังไม่ลืมพื้นฐานทางด้านเทอร์โมไดนามิกและเคมีอินทรีย์ที่เรียนกันมา

๑. Enthalpy of formation (deltaH_f) และเสถียรภาพของสาร

เอนทาลปีของสารใดนั้นเปรียบเสมือนพลังงานทั้งหมดที่มีอยู่ในตัวสารนั้น แต่เราไม่สามารถวัดพลังานงานทั้งหมดได้โดยตรง สิ่งที่วัดกันนั้นเป็นการวัดการเปลี่ยนแปลง โดยจะพิจารณาว่าเมื่อสารหนึ่งเปลี่ยนไปเป็นอีกสารหนึ่งนั้นมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานเท่าใด โดยจะกำหนดให้ค่าเอนทาลปีของธาตุมีค่าเป็นศูนย์ และเมื่อธาตุต่าง ๆ มารวมตัวกันเป็นสารประกอบนั้นต้องมีการคายพลังงานหรือดูดกลืนพลังงานเข้าไป ถ้าหากมีการคายพลังงานออกมา สารประกอบที่เกิดขึ้นก็จะมีค่าเอททาลปีการเกิด (Enthalpy of formation หรือ deltaH_f) ติดลบ แต่ถ้าต้องมีการดูดกลืนพลังงานเข้าไป สารประกอบที่เกิดขึ้นก็จะมีค่าเอนทาลปีการเกิดเป็นบวก

ตัวอย่างเช่นถ้าธาตุคาร์บอน (C) และไฮโดรเจน (H) รวมตัวกันเป็นแก๊สเอทิลีน (C₂H₄) จะต้องมีการดูดกลืนพลังงานเข้าไป 52.33 kJ/mol หรือกล่าวได้ว่าเอทิลีนมีค่า deltaH_f = +52.33 kJ/mol

ถ้ารวมกันเป็นแก๊สอะเซทิลีน (C₂H₂) จะต้องมีการดูดกลืนพลังงานเข้าไป 226.88 kJ/mol หรือกล่าวได้ว่าอะเซทิลีนมีค่า deltaH_f = +226.88 kJ/mol ซึ่งสูงกว่าของเอทิลีนประมาณ 4 เท่า

แต่ถ้ารวมตัวกันเป็นแก๊สอีเทน (C₂H₆) จะต้องมีการคายพลังงานออก 84.74 kJ/mol หรือกล่าวได้ว่าอีเทนมีค่า deltaH_f = -84.74 kJ/mol

ถ้ารวมตัวเป็นแก๊สโพรเพน (C₃H₈) จะต้องมีการคายพลังงานออก 103.92 kJ/mol หรือกล่าวได้ว่าโพรเพนมีค่า deltaH_f = -103.92 kJ/mol

แต่ถ้ารวมตัวกันเป็นแก๊สโพรพิลีน (C₃H₆) จะต้องมีการดูดกลืนพลังงานออก 20.43 kJ/mol หรือกล่าวได้ว่าโพรพิลีนมีค่า deltaH_f = +20.43 kJ/mol

ถ้ารวมกันเป็นแก๊สเมทิลอะเซทิลีน (H₃C-CCH) จะต้องมีการดูดกลืนพลังงานเข้าไป 185.56 kJ/mol หรือกล่าวได้ว่าเมทิลอะเซทิลีนมีค่า deltaH_f = +185.56 kJ/mol ซึ่งสูงกว่าของโพรพิลีนประมาณ 9 เท่า

สารที่มีค่าเอนทาลปีการเกิดเป็นบวก (+) มาก ๆ นั้นต้องระวังให้มาก เพราะแสดงว่าตัวสารนั้นโดด ๆ มีโอกาสที่จะสลายตัวกลายเป็นธาตุที่ประกอบเป็นมันขึ้นมาโดยไม่ต้องทำปฏิกิริยากับสารตัวอื่นใดเลย และการสลายตัวนั้นก็จะคายพลังงานความร้อนออกมาด้วย ดังนั้นจากตัวอย่างที่ยกมาจะเห็นได้ว่าอะเซทิลีนและเมทิลอะเซทิลีนจัดว่าเป็นสารที่มีค่าเอนทาลปีการเกิดสูงมาก สารสองตัวนี้จึงมีโอกาสสูงที่จะสลายตัวและให้พลังงานความร้อนออกมาในปริมาณมาก เอทิลีนเองก็สามารถเกิดการสลายตัวได้เช่นเดียวกัน แต่เกิดได้ยากกว่าอะเซทิลีนและยังต้องใช้อุณหภูมิที่สูงกว่าด้วยจึงจะเกิดการสลายตัวได้

(ข้อมูลเอนทาลปีได้มาจากหนังสือ Chemical Engineering vol. 6, "An introduction to chemical engineering design", โดย R.K. Sinnott สำนักพิมพ์ Pergamon Press ปีค.ศ. 1903)

๒. การกำจัดอะเซทิลีน

กระบวนการหลักที่ใช้ในการผลิตเอทิลีนและโพรพิลีนในอุตสาหกรรมคือ thermal cracking ของไฮโดรคาร์บอน ซึ่งไฮโดรคาร์บอนที่ใช้เป็นสารวัตถุดิบก็มีตั้งแต่เอทิลีนไปจนถึงน้ำมันหนักต่าง กระบวนการดังกล่าวนำไฮโดรคาร์บอน (ที่เป็นแก๊สหรือเป็นของเหลว) มาให้ความร้อนสูงพอที่จะทำให้โมเลกุลสารตั้งต้นเดิมแตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลง โอเลฟินส์ที่ได้มาจากกระบวนการ thermal cracking นี้ประกอบไปด้วยโอเลฟินส์หลายชนิดปนกัน และยังมีอะเซทิลีน (C₂H₂) และเมทิลอะเซทิลีน (H₃CCCH) เกิดร่วมด้วย ผลิตภัณฑ์โอเลฟินส์ผสมจะถูกนำไปกลั่นแยกออกเป็นผลิตภัณฑ์โอเลฟินส์ต่าง ๆ ส่วนอะเซทิลีนและเมทิลอะเซทิลีนนั้นจะยังคงมีปนเปื้อนอยู่ในเอทิลีนที่เป็นผลิตภัณฑ์หลักที่ต้องการ การกำจัดสารสองตัวนี้จะกระทำโดยอาศัยปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจน (ปริมาณที่ปนเปื้อนมักอยู่ในระดับ ppm) โดยในที่นี้จะขอกล่าวถึงการกำจัดอะเซทิลีนเป็นตัวหลักเพราะเป็นตัวที่มีมากกว่า

การกำจัดอะเซทิลีน (และเมทิลีอะเซทิลีน) กระทำโดยใช้ปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจน (hydrogenation) เพื่อเปลี่ยนอะเซทิลีนให้เป็นเอทิลีน (และเปลี่ยนเมทิลอะเซทิลีนให้กลายเป็นโพรพิลีนไปพร้อม ๆ กัน) แต่ต้องระวังไม่ให้เกิดการเปลี่ยนเอทิลีนไปเป็นอีเทน ซึ่งถือว่าเป็นการสูญเสียผลิตภัณฑ์ที่สำคัญไป (เราต้องการเอทิลีน ไม่ใช่อีเทน)

ปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจนดังกล่าวเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ในการเปลี่ยนอะเซทิลีนให้เป็นเอทิลีนนั้นจะมีการคายพลังงานความร้อนออกมา 226.88 - 52.33 = 174.55 kJ/mol (เอนทาลปีการเกิดของอะเซทิลีนลบด้วยของเอทิลีน) ส่วนการเปลี่ยนเอทิลีนให้กลายเป็นอีเทนนั้นจะมีการคายความร้อนออกมา 52.33 - (-84.74) = 137.07 kJ/mol

ในกระบวนการกำจัดอะเซทิลีน จะผ่านแก๊สโอเลฟินส์ที่มีอะเซทิลีนปนเปื้อนเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์แบบเบดนิ่ง (fixed-bed) ที่ภายในบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาเอาไว้ (ดูรูปที่ ๑ ข้างล่างประกอบ) ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในปฏิกิริยานี้เป็นสารประกอบของโลหะเช่นพัลลาเดียม (Pd) และ/หรือร่วมกับโลหะตัวอื่นซึ่งขึ้นกับผู้ผลิต

รูปที่ ๑ แบบจำลองระบบเครื่องปฏิกรณ์เบดนิ่ง (fixed-bed reactor) ที่ใช้ในการกำจัดอะเซทิลีน

ตัวเร่งปฏิกิริยานี้สามารถที่จะทำการเติมไฮโดรเจนเพื่อเปลี่ยนอะเซทิลีนให้กลายเป็นเอทิลีน และสามารถเติมไฮโดรเจนเพื่อเปลี่ยนเอทิลีนให้กลายเป็นอีเทนได้ด้วย แต่ปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจนให้กับเอทิลีนนั้นจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิที่สูงกว่าที่ต้องใช้ในการเติมไฮโดรเจนให้กับเอทิลีน ดังนั้นเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการสูญเสียเอทิลีนโดยที่ยังคงสามารถกำจัดอะเซทิลีนได้หมดจึงจำเป็นต้องควบคุมอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาให้เหมาะสม เพราะถ้าใช้อุณหภูมิการทำงานที่ต่ำเกินไปก็จะไม่สามารถกำจัดอะเซทิลีนได้หมด (อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเกิดเร็วขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น) แต่ถ้าใช้อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาสูงเกินไปก็จะไปทำให้เกิดปฏิกิริยาเติมไฮโดรเจนให้กับเอทิลีนซึ่งเราไม่ต้องการให้เกิด ช่วงอุณหภูมิการทำปฏิกิริยานี้เรียกว่า "window" ซึ่งจะกว้างเท่าใดนักจะขึ้นอยู่กับตัวเร่งปฏิกิริยาและรูปแบบการทำงาน (ดูรูปที่ ๒ ประกอบ)

รูปที่ ๒ ความหมายของช่วงอุณหภูมิการทำงานหรือ "window" ของปฏิกิริยา Acetylene hydrogenation

กล่าวคือถ้าเรานำเอาอะเซทิลีนมาทำปฏิกิริยา hydrogenation ที่อุณหภูมิต่าง ๆ ก็จะได้กราฟเส้นสีแดง แต่ถ้านำเอาเอทิลีนมาทำปฏิกิริยาก็จะได้กราฟเส้นสีเขียว ซึ่งเมื่อนำกราฟทั้งสองเส้นมาวางบนสเกลเดียวกันก็จะเห็นว่ากราฟของเอทิลีน (เส้นสีเขียว) จะอยู่ทางขวามือของกราฟอะเซทิลีน (เส้นสีแดง) อยู่เล็กน้อย ช่วง window ของการทำงานคือที่ช่วงที่อยู่ระหว่างเส้นประสีน้ำเงิน ถ้าอุณหภูมิต่ำกว่าเส้นประสีน้ำเงินเส้นซ้าย ปริมาณอะเซทิลีนที่ถูกกำจัดก็จะน้อย แต่ถ้าอุณหภูมิสูงกว่าเส้นสีน้ำเงินเส้นขวา เอทิลีนก็จะสามารถแย่งทำปฏิกิริยากับอะเซทิลีน ทำให้เกิดการสูญเสียเอทิลีนไปเป็นอีเทน

ตัวเร่งปฏิกิริยาในอดีตนั้นช่วงอุณหภูมิ window ค่อนข้างจะแคบ จึงได้มีความพยายามหาทางเพิ่มความกว้างของ window นี้ให้มากคือ วิธีการหนึ่งที่กระทำกันคือเติมแก๊ส CO เข้าไปในระบบ CO จัดเป็น catalyst poison ซึ่งจะไปทำให้ความว่องไวของตัวเร่งปฏิกิริยาลดลง โดยไปทำให้กราฟเส้นสีแดงและเส้นสีเขียวนั้นเลื่อนไปทางขวา (ต้องใช้อุณหภูมิสูงขึ้นในการทำปฏิกิริยา) แต่กราฟเส้นสีเขียว (ของเอทิลีน) นั้นเลื่อนตัวไปทางขวามากกว่ากราฟเส้นสีแดง (ของอะเซทิลีน) จึงทำให้ระยะหว่างระหว่างกราฟทั้งสองเส้นเพิ่มมากขึ้น ซึ่งก็หมายถึงช่วงอุณหภูมิ window ที่กว้างขึ้น

เนื่องจากปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจนเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ดังนั้นเมื่อปฏิกิริยาเกิดมากขึ้นก็จะทำให้อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาสูงขึ้นไปด้วย อัตราการเกิดปฏิกิริยาก็จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่สูงขึ้น ความร้อนก็จะยิ่งคายออกมามากขึ้น ดังนั้นถ้าไม่มีการควบคุมการระบายความร้อนที่ดี จะทำให้ความร้อนที่เกิดขึ้นสะสมในเครื่องปฏิกรณ์และนำไปสู่ปฏิกิริยาการสลายตัวของเอทิลีนได้ ดังนั้นเพื่อป้องกันไม่ให้อุณหภูมิในระบบมีโอกาสเพิ่มสูงขึ้นมากเกินไป จึงต้องทำการควบคุมปริมาณไฮโดรเจนที่เติมเข้าไปในระบบให้เหมาะสม โดยทั่วไปปริมาณไฮโดรเจนที่เติมจะประมาณเท่ากับปริมาณอะเซทิลีนที่ต้องการกำจัด

ฉบับหน้าจะเล่าถึงกรณีเหตุการณ์ความผิดพลาดที่ทำให้เกิดการระเบิดของหน่วย Acetylene hydrogenation