การบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาลง Multi tubular fixed-bed reactor MO Memoir : Sunday 29 April 2561

เครื่องปฏิกรณ์ชนิดเบดนิ่ง (fixed-bed หรือ packed-bed) เป็นเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม โดยเฉพาะการทำปฏิกิริยาในเฟสแก๊สที่ใช้ของแข็งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา หรือการใช้ของแข็งเป็นสารดูดซับสิ่งปนเปื้อนออกจากแก๊สหรือของเหลว (เช่น การกำจัดน้ำออกจากตัวทำละลาย การกำจัดไอระเหยสารอินทรีย์ออกจากแก๊ส) จุดเด่นของเครื่องปฏิกรณ์ชนิดนี้อยู่ที่การที่อนุภาคของแข็งที่บรรจุอยู่นั้นไม่มีการเคลื่อนไหว จึงไม่เกิดการกระแทกระหว่างอนุภาคของแข็งด้วยกันหรือกับผนังภาชนะที่บรรจุ ทำให้สามารถใช้งานกับอนุภาคของแข็ง (ซึ่งส่วนใหญ่) ไม่ทนต่อการกระแทกได้ระหว่างกันได้ เพราะจะทำให้ตัวมันเองแตกออกเป็นอนุภาคที่เล็กลง จุดเด่นอีกข้อของเครื่องปฏิกรณ์ชนิดเบดนิ่งก็คือสามารถทำงานได้ในช่วงอัตราการไหลที่กว้าง (เมื่อไหลจากบนลงล่างนะ)

(ประเด็นเรื่องการที่อนุภาคของแข็งกระแทกกันเองหรือกับผนังภาชนะบรรจุแล้วแตกออกเป็นอนุภาคที่เล็กลงได้นี้ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งในปฏิกิริยาระหว่างแก๊ส-ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็ง) เป็นสิ่งที่นักทฤษฎีที่ศึกษาการทำปฏิกิริยาในเบดฟลูอิไดซ์ (fluidised-bed) หรือ riser reactor หรือ transport bed reactor มักไม่กล่าวถึง (จะด้วยความไม่รู้หรือด้วยเหตุผลใดก็ตามแต่) ดังนั้นจึงไม่ควรแปลกใจถ้าพบว่าทำไมจึงมีงาน simulation ปฏิกิริยาต่าง ๆ ที่ใช้เบดฟลูอิไดซ์กันมากมาย แต่การนำมาใช้งานจริงมีจำกัดมาก)

ในกรณีของปฏิกิริยาที่มีการเปลี่ยนแปลงพลังงานความร้อนต่ำ ก็มักจะประมาณได้ว่าเครื่องปฏิกรณ์ชนิดเบดนิ่งทำงานในสภาวะที่อุณหภูมิคงที่ (ที่เรียกว่า isothermal) แต่ถ้าการเปลี่ยนแปลงพลังงานความร้อนของปฏิกิริยามีขนาดที่มีนัยสำคัญ ก็มักจะให้เครื่องปฏิกรณ์ชนิดเบดนิ่งทำงานในสภาวะที่ไม่มีการถ่ายเทพลังงานความร้อนกับสิ่งแวดล้อม (หรือที่เรียกว่า adiabatic)

รูปที่ ๑ ในการทำงานแบบ adiabatic ของเครื่องปฏิกรณ์ชนิดเบดนิ่งนั้น ถ้าพบว่าการใช้เบดเดียวไม่สามารถทำให้ได้ค่า conversion ตามต้องการ (จะด้วยอุณหภูมิที่ลดต่ำลงมากจนปฏิกิริยาไม่สามารถดำเนินไปข้างหน้าได้ในกรณีของปฏิกิริยาดูดความร้อน หรือด้วยการที่อุณหภูมิเพิ่มสูงมากเกินไปจนอาจเกิดอันตรายได้ในกรณีของปฏิกิริยาคายความร้อน หรือในกรณีของปฏิกิริยาที่ถูกควบคุมด้วยค่าคงที่สมดุล) ก็จะแยกเบดการทำปฏิกิริยาออกเป็นหลายส่วน โดยมีการติดตั้งเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ที่อาจใช้เพื่อให้ความร้อนหรือระบายความร้อนให้กับแก๊ส ก่อนที่จะไหลเข้าสู่เบดถัดไป
 

ในกรณีของการทำปฏิกิริยาแบบ adiabatic นั้น ถ้าเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน ก็จะให้ความร้อนแก่สารตั้งต้นก่อนไหลเข้าเบดตัวเร่งปฏิกิริยา เมื่อปฏิกิริยาดำเนินไปข้างหน้าเรื่อย ๆ อุณหภูมิของแก๊สก็จะลดลงไปเรื่อย ๆ จนถึงระดับที่เห็นว่าปฏิกิริยาเกิดช้าเกินไป ก็จะทำการให้ความร้อนแก่แก๊สนั้นใหม่ก่อนที่จะให้ไหลเข้าเบดตัวเร่งปฏิกิริยาที่อยู่ถัดไป ในทางกลับกันถ้าเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน เมื่อปฏิกิริยาดำเนินไปข้างหน้ามากขึ้น อุณหภูมิแก๊สในระบบจะเพิ่มสูงขึ้น ซึ่งถ้าปล่อยให้เพิ่มมากเกินไปอาจจะเกิดอันตรายจากการที่ไม่สามารถควบคุมปฏิกิริยาได้ หรือในกรณีของปฏิกิริยาคายความร้อนที่ถูกควบคุมด้วยค่าคงที่สมดุล การที่อุณหภูมิระบบสูงเกินไปก็จะทำให้ปฏิกิริยาไม่สามารถดำเนินไปข้างหน้าได้ ในกรณีเหล่านี้ก็ต้องมีการลดอุณหภูมิแก๊สให้ต่ำลงก่อนที่จะส่งเข้าต่อเบดตัวเร่งปฏิกิริยาที่อยู่ถัดไป (รูปที่ ๑)
 

ในกรณีของปฏิกิริยาคายความร้อนสูงมากนั้น (เช่นพวก partial oxidation ต่าง ๆ) ถ้าให้เบดนิ่งทำงานแบบ adiabatic จะพบว่าอุณหภูมิจะเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็วมากจนไม่เหมาะสมที่จะนำมาใช้งานจริง ในกรณีเช่นนี้ก็จะจัดให้มีการระบายความร้อนออกจากเบดตัวเร่งปฏิกิริยา การทำงานจึงมีรูปแบบที่เรียกว่า non-isothermal non-adiabatic
 

อัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อหน่วยปริมาตรทรงกระบอกนั้นแปรผกผันกับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางทรงกระบอกยกกำลัง 2 กล่าวคือถ้าลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางทรงกระบอกลงเหลือครึ่งหนึ่ง อัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อหน่วยปริมาตรจะเพิ่มขึ้น 4 เท่า ด้วยเหตุนี้ในกรณีของเบดนิ่งที่ใช้กับปฏิกิริยาคายความร้อนสูงนั้น จึงจำเป็นที่ต้องใช้เครื่องปฏิกรณ์ (reactor) ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กลง เพื่อที่จะทำให้การระบายความร้อนจากตัวเบดออกสู่สารหล่อเย็น (coolant) ที่อยู่ภายนอกนั้นได้ดีขึ้น และเพื่อชดเชยพื้นที่หน้าตัดการไหลที่ลดลง จึงจำเป็นต้องมีเบดนิ่งหลายตัวทำงานคู่ขนานกันไปเพื่อที่จะให้ได้กำลังการผลิตตามที่ต้องการ และในปฏิกิริยาเช่นพวก partial oxidation ไฮโดรคาร์บอนไปเป็นสารประกอบ 
oxygenate ต่าง ๆ นั้นพบว่าเพื่อที่จะให้อุณหภูมิในเบดนั้นไม่เพิ่มสูงเกินไป ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางแต่ละเบดนั้นต้องเล็กมาก เช่นในกรณีของการออกซิไดซ์ o-xylene ไปเป็น phthalic anhydride นั้น ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของแต่ละเบดนั้นกว้างเพียง 25 มิลลิเมตร (แต่ยาวประมาณ 3 เมตร) เรียกว่าใช้ tube มาทำเบดตัวเร่งปฏิกิริยาแทนการใช้ vessel ก็ได้ และเพื่อให้ได้กำลังการผลิตตามต้องการจึงต้องมีจำนวน tube ที่มาก (ในระดับ 10,000 tube ก็ไม่ใช่เรื่องแปลก) ลักษณะของเครื่องปฏิกรณ์ชนิดนี้จึงคล้ายกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube ที่วางตั้ง โดยในแต่ละ tube นั้นทำหน้าที่เป็น reactor ที่บรรจุตัวเร่งปฏิกิริยา และมีสารหล่อเย็นนั้นไหลระบายความร้อนอยู่ในส่วน shell ชื่อเรียกของเครื่องปฏิกรณ์ชนิดนี้คือ "Multi tubular fixed-bed reactor"

ปัจจัยเพิ่มเติมที่ส่งผลต่อการระบายความร้อนคืออัตราการไหลของแก๊สที่ไหลผ่านเบดและขนาดอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยา แก๊สที่ไหลผ่านเบดตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยความเร็วสูงนั้นจะดึงเอาความร้อนออกจากอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาได้ดีกว่าเมื่อไหลที่ความเร็วที่ต่ำกว่า และเพื่อที่จะให้แก๊สไหลผ่านด้วยความเร็วที่สูงได้ อนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาจึงต้องมีขนาดใหญ่เพื่อให้เกิดช่วงว่างขนาดใหญ่ภายในเบด นอกจากนี้การที่อนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยามีขนาดใหญ่ยังทำให้การระบายความร้อนจากบริเวณตอนกลางของเบดออกมายังผนังด้านในของ tube นั้นดีขึ้นด้วย อย่างเช่นในกรณีของการออกซิไดซ์ o-xylene ไปเป็น phthalic anhydride นั้นที่ใช้ tube ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 25 มิลลิเมตร อนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาที่บรรจุอยู่อาจมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 8 มิลลิเมตร (รูปที่ ๒) โดยที่ตัวเบดสูงประมาณ 2-3 เมตร โดยระยะเวลาที่แก๊สไหลผ่านเบดนั้นสั้นเพียง 0.2-0.3 วินาที (conversion ประมาณ 100%)
 

แม้ว่าอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาที่บรรจุเข้าไปนั้นจะมีขนาดใหญ่ แต่ส่วนที่เป็นอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาจริง ๆ นั้นอยู่เพียงแค่ชั้นเคลือบบาง ๆ บนผิวแค่นั้น (รูปที่ ๒) แกนกลางข้างในจะเป็นเซรามิกที่ทำหน้าที่เป็นทั้ง heat sink และช่วยส่งผ่านความร้อน เหตุผลที่ทำชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาไว้บางมากก็เพราะปฏิกิริยาเกิดเร็วมาก สารตั้งต้นทำปฏิกิริยาหมดก่อนที่จะสามารถแพร่ซึมลึกเข้าไปข้างในอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาได้ (ตรงนี้ถ้าใครเคยเรียนเรื่อง effectiveness factor ที่อยู่ในส่วนของ internal mass transfer diffusion มาบ้างแล้วก็คงนึกภาพออก)

รูปที่ ๒ ตัวเร่งปฏิกิริยา V₂O₅/TiO₂ เคลือบบน ceramic carrier ใช้ในปฏิกิริยาการออกซิไดซ์ o-xylene ไปเป็น phthalic anhydride ใน multi tubular fixed-bed reactor ตัวเร่งปฏิกิริยามีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 8 มิลลิเมตร ในขณะที่เส้นผ่านศูนย์กลางภายในของแต่ละ tube ที่บรรจุตัวเร่งปฏิกิริยานั้นมีขนาดเพียง 25 มิลลิเมตร ตัวซ้าย (used) คือตัวเร่งปฏิกิริยาที่ผ่านการใช้งานมานาน ตัวกลาง (F1) และตัวขวา (F3) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ยังไม่ถูกใช้งาน ต่างกันเพียงแค่สูตรส่วนผสม จะเห็นว่าชั้นสารที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาจริง ๆ นั้นบางมาก (หนาไม่ถึง 1 มิลลิเมตร ที่เห็นหลุดร่อนออกมา)

เพื่อให้เข้าใจความสำคัญของการบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาลงใน "แต่ละ" tube จะขอยกตัวอย่างกรณีของการออกซิไดซ์ o-xylene ไปเป็น phthalic anhydride (เพราะเคยมีโอกาสได้ไปเห็นการบรรจุของจริง) ในกรณีนี้จะทำการระเหยสารตั้งต้นคือ o-xylene ให้ผสมเป็นเนื้อเดียวกับอากาศก่อนที่จะป้อนเข้าเครื่องปฏิกรณ์ ที่ประกอบด้วย tube ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 25 มิลลิเมตรจำนวนหลายพัน tube หรือถึงระดับหนึ่งหมื่น tube สิ่งที่ผู้ออกแบบคาดหวังก็คือแก๊สที่ป้อนเข้าไปนั้นต้องมีการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอและไหลผ่านแต่ละ tube ด้วยอัตราการไหลเดียวกัน ทั้งนี้เพราะถ้า tube ไหนมีแก๊สไหลเข้ามากเกินไป ค่า conversion ทางด้านขาออกของ tube นั้นจะต่ำ (เพราะเวลาสัมผัสตัวเร่งปฏิกิริยาสั้นเกินไป) ในทางกลับกันถ้า tube ไหนมีแก๊สไหลผ่านน้อยเกินไป อุณหภูมิภายใน tube นั้นจะสูงมากจนทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาเสียหายได้ และยังทำให้ผลิตภัณฑ์ที่ควรจะได้นั้นถูกออกซิไดซ์ต่อกลายเป็น CO₂ ได้
 

ปัจจัยที่ส่งผลต่อการกระจายของแก๊สในการไหลเข้า tube แต่ละ tube ได้แก่รูปแบบท่อป้อนแก๊สผสมตรงทางไหลเข้า reactor และ "ความดันลดคร่อมแต่ละ tube" ในกรณีของรูปแบบท่อป้อนแก๊สเข้า reactor ปรกติก็จะทำการป้อนแก๊สเข้าตรงกลาง reactor เหนือชั้น tube โดยคาดหวังว่าถ้าที่ว่างเหนือ tube นั้นมีมากพอและแต่ละ tube มีแรงต้านการไหลที่มากพอ แก๊สที่ไหลเข้ามาทางท่อนั้นก็จะสามารถกระจายตัวไปได้สม่ำเสมอก่อนที่จะไหลเข้าแต่ละ tube แต่ถึงกระนั้นก็ตามก็พบว่าแม้ว่าตอนเริ่มต้นนั้นจะทำให้ pressure drop คร่อมแต่ละ tube นั้นเท่ากัน แต่เมื่อตัวเร่งปฏิกิริยาหมดอายุการใช้งานกลับพบว่า tube ที่อยู่ตรงบริเวณตอนกลางคืออยู่ใต้ท่อป้อนแก๊สเข้านั้นมี pressure drop เพิ่มขึ้นมาก ทั้งนี้น่าจะเป็นเพราะความเร็วแก๊สที่พุ่งออกมาจากท่อนั้นปะทะเข้ากับ tube เหล่านี้โดยตรง (รูปที่ ๓) แม้ว่า pressure drop ใน tube เหล่านี้จะสามารถป้องกันไม่ให้แก๊สที่พุ่งเข้ามานั้นพุ่งผ่านออกไปได้ทันที แต่แรงกระทำของแก๊สที่พุ่งเข้ามากระทบก็ทำให้เบดตัวเร่งปฏิกิริยาเกิดการอัดตัวแน่นขึ้น ทำให้ pressure drop เพิ่มขึ้น ปรากฏการณ์คล้ายกันนี้ก็เคยพบกับ monolith ที่ใช้ในกรองไอเสียรถยนต์ กล่าวคือผนังของ monolith ที่อยู่ตรงทางเข้าแก๊สไอเสียมีการสึกหรออย่างเห็นได้ชัดเมื่อเทียบกับบริเวณอื่น
  

รูปที่ ๓ การเปลี่ยนแปลงค่าความดันลดในแต่ละ tube ของ muti tubular reactor ∆p₀ คือค่าความดันลดก่อนเริ่มใช้งาน ∆p คือค่าความดันลดหลังสิ้นสุดการใช้งาน t = 0 คือก่อนเริ่มใช้งาน EOR คือหลังสิ้นสุดการใช้งาน รูปนี้นำมาจากรูปที่ ๑๓ ในบทความเรื่อง "Problems of Mathematical Modelling of Industrial Fixed-bed Reactors" โดย Gerhart Eigenberger และ Wilhelm Ruppel ตีพิมพ์ในวารสาร Ger. Chem. Eng. 9 (ปีค.ศ. 1986) หน้า 74-83

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นโลหะออกไซด์นั้นในระหว่างการใช้งานมันก็โดนออกซิเจนความเข้มข้นสูงอยู่ตลอดเวลา ดังนั้นการนำเอามันออกมาจึงไม่ต้องกังวลเรื่องการสัมผัสกับอากาศ เพราะมันจะเฉื่อยต่อออกซิเจนในอากาศที่อุณหภูมิห้องอยู่แล้ว (ตรงนี้ไม่เหมือนกับตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นโลหะที่อาจลุกติดไฟได้ทันทีถ้าหากสัมผัสกับอากาศ) รูปที่ ๔-๖ นั้นนำมาจากเอกสารประชาสัมพันธ์ของบริษัทที่รับทำหน้าที่นำตัวเร่งปฏิกิริยาเก่าออกและบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ให้กับ muti tubular fixed-bed reactor โดยในรูปที่ ๔ นั้นเป็นภาพแสดงการทำงานในช่วงการนำตัวเร่งปฏิกิริยาเก่าออกและทำความสะอาด tube แต่ละ tube
 

ที่เคยเห็นมานั้น ในการเตรียมการเปลี่ยนถ่ายตัวเร่งปฏิกิริยานั้นจะมีการเตรียมฝาพลาสติกหลากสีสำหรับปิดทางเข้าด้านบนของ tube การที่ต้องมีฝาหลากสีก็เพื่อเป็นการแสดงให้เห็นว่า tube ไหนทำความสะอาดแล้ว (ก็จะปิดด้านบนด้วยฝาสีหนึ่ง) tube ไหนบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาแล้ว (ก็จะเปลี่ยนสีฝาที่ปิด) tube ไหนวัด pressure drop แล้วอยู่ในเกณฑ์ (ก็ใช้ฝาปิดอีกสีหนึ่ง) tube ไหนมีค่า pressure drop อยู่นอกเกณฑ์และต้องทำการแก้ไข (ก็จะเปลี่ยนฝาปิดเป็นอีกสีหนึ่ง) ดังนั้นจะเห็นว่าจำนวนฝาปิดที่ต้องเตรียมนั้นมันมีมากไม่ใช่เล่นเหมือนกัน เพราะมันต้องมีครบตามจำนวน tube (จะยกเว้นก็ฝาที่มีสีแสดง tube ที่มีปัญหาที่คงไม่ต้องมีครบเท่าจำนวน tube)
  

รูปที่ ๔ นำมาจากหน้าที่ ๒-๔ ของเอกสาร "Catalyst change out in tubular reactors" ของบริษัท Mourik International B.V. ตามที่อยู่ที่อยู่มุมล่างขวาของรูปที่ ๖ รูปนี้นำมาจากหน้าที่ ๒ ของเอกสารดังกล่าว รูปนี้เป็นขั้นตอนการนำตัวเร่งปฏิกิริยาเก่าออกและทำความสะอาด tube ก่อนเริ่มบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่

รูปที่ ๕ ต่อจากรูปที่ ๔ รูปนี้แสดงขั้นตอนการบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยา

รูปที่ ๖ ขั้นตอนการตรวจสอบ pressure drop (ในเอกสารใช้คำย่อว่า Pd)
 

ที่ผมเคยเห็นนั้นตัวเร่งปฏิกิริยาที่จะทำการบรรจุจะถูกแบ่งใส่ถุงเล็ก ๆ 1 ถุงต่อ 1 tube โดยแต่ละถุงนั้นจะมีตัวเร่งปฏิกิริยาบรรจุอยู่เท่ากัน ทั้งนี้เพื่อให้มั่นใจว่าทุก tube จะมีตัวเร่งปฏิกิริยาบรรจุอยู่เท่ากัน (แต่ในรูปที่ ๕ นั้นดูเหมือนจะใช้เทคโนโลยีเข้าช่วยด้วยการใช้เครื่องบรรจุ เรียกได้ว่าทันสมัยมากขึ้น) แต่แม้ว่าจะใส่ตัวเร่งปฏิกิริยาปริมาณเท่ากันลงในแต่ละ tube ก็ไม่ได้รับรองว่าจะได้ pressure drop ทุก tube เท่ากันเสมอไป เพราะอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีขนาดใหญ่และไหลลงไปต่อเนื่องอย่างรวดเร็วนั้นอาจเกิดการขัดตัวกัน (ทำให้กลายเป็นเบดที่ไม่ต่อเนื่อง มีช่องว่างอยู่ภายใน) หรือมีรูปแบบการเรียงซ้อนที่แตกต่างกัน ทำให้ค่า pressure drop คร่อมแต่ละ tube นั้นแตกต่างกันอยู่ ดังนั้นจึงจำเป็นที่ต้องมีการวัด pressure drop คร่อมแต่ละ tube
 

tube ที่ผ่านการทำความสะอาดและติดตั้ง support รองรับตัวเร่งปฏิกิริยาที่ด้านล่างแล้วก็จะมีฝาปิดสีหนึ่ง พอเทตัวเร่งปฏิกิริยาลงไปก็จะเปลี่ยนฝาปิดเป็นอีกสีหนึ่ง จากนั้นก็จะทำการวัด pressure drop แต่ละ tube การวัด pressure tube ทำได้ด้วยการอัดอากาศให้ไหลผ่านด้วยอัตราการไหลที่กำหนด แล้วดูค่าความดันที่ต้องใช้ ถ้าค่าที่วัดได้นั้นอยู่ในช่วงที่ยอมรับได้ ก็จะปิด tube ด้วยฝาปิดอีกสีหนึ่ง แต่ถ้าวัดแล้วพบว่าค่า pressure drop นั้นอยู่นอกเกณฑ์ ก็จะใช้ฝาปิดสีที่แตกต่างออกไป กล่าวคือถ้าวัดแล้วพบว่า pressure drop สูงเกินไป ก็อาจใช้สุญญากาศดูดเอาตัวเร่งปฏิกิริยาออกมาส่วนหนึ่ง ในทางกลับกันถ้าวัดแล้วพบว่าค่า pressure drop นั้นต่ำเกินไป ก็ใช้การเติมตัวเร่งปฏิกิริยาเพิ่มเติม แต่ถ้าพบว่าค่า pressure drop ที่วัดได้นั้นแตกต่างจากค่าที่ยอมรับได้ไปมาก ก็ต้องรื้อท่อนั้นออกมาบรรจุใหม่
 

ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะออกไซด์ที่ใช้ในบรรยากาศที่มีความเข้มข้นออกซิเจนสูงนี่ดีอยู่อย่าง คือไม่ต้องกังวลเรื่องการทำปฏิกิริยากับออกซิเจนที่มีการคายความร้อนสูงเหมือนในกรณีของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นโลหะ ทำให้การนำตัวเร่งปฏิกิริยาใช้งานแล้วออกจาก reactor นั้นไม่ต้องกังวลเรื่องไฟไหม้ที่อาจเกิดจากการสัมผัสกับอากาศ

ปิดท้ายที่ว่างท้ายหน้าฉบับนี้ด้วยภาพบรรยากาศฝนตกในมหาวิทยาลัยเมื่อเที่ยงวันวานที่ผ่านมาก็แล้วกันครับ

การป้องกันอุปกรณ์วัดจากความร้อนของของไหล MO Memoir : Thursday 24 July 2557

เคยมีอาจารย์ผู้หนึ่งมาปรึกษาเรื่องการประหยัดพลังงานในโรงงานว่า นอกจากจะแนะทำให้ทางโรงงานทำการปรับปรุงระบบฉนวนหุ้มท่อไอน้ำและวาล์วแล้ว และเนื่องจากโรงงานที่เขาไปดูแลนั้นมีบางหน่วยผลิตที่มีการทำงานเฉพาะช่วงเวลาเช้าถึงค่ำ ตอนกลางคือไม่มีการทำงาน ดังนั้นเขาจะเสนอให้ทางโรงงานประหยัดพลังงานด้วยการปิดระบบท่อไอน้ำของหน่วยผลิตนั้นดีไหม
  

ผมก็ให้ความเห็นของผมไปว่าการปิดไอน้ำช่วงเวลากลางคืนมันก็ลดการใช้พลังงานในช่วงเวลากลางคืน แต่การเปิดใช้ระบบท่อไอน้ำนั้นมันใช้เวลา เพราะต้องค่อย ๆ อุ่นระบบท่อให้ร้อนขึ้น ไม่ใช่อยากเปิดก็เปิดวาล์วใช้ได้เลยอย่างระบบไฟฟ้าหรือน้ำประปา และช่วงเวลาที่ต้องอุ่นระบบขึ้นมานี้เป็นช่วงเวลาที่มีการสูญเสีย ไม่ว่าจะเป็นไอน้ำที่ควบแน่นกลายเป็นของเหลว หรือเวลาที่ต้องรอกว่าจะเดินเครื่องได้ ดังนั้นเขาควรนำประเด็นนี้ไปพิจารณาด้วยว่า ระหว่างการยอมสูญเสียไอน้ำในปริมาณน้อยตลอดทั้งคืน แต่เมื่อเริ่มงานตอนเช้าระบบก็พร้อมใช้งานได้ทันที กับการประหยัดการสูญเสียในเวลากลางคืน แต่ต้องมาจ่ายมากขึ้นแทนตอนเช้า แบบไหนที่ประหยัดพลังงานมากกว่ากัน
  

รูปที่ ๑ ระบบท่อไอน้ำที่มีเกจวัดความดันทั้งด้านขาเข้าและขาออก

แต่ก็มีบางตำแหน่งเหมือนกันที่เราจงใจให้มีการรั่วไหลของความร้อน หนึ่งในตำแหน่งนั้นก็คือท่อที่ทำการเชื่อมต่อระหว่างท่อของ process กับอุปกรณ์วัด
  

ปรกติในโรงงานมีอุปกรณ์วัดอยู่หลายแบบอยู่แล้ว แต่ที่เห็นได้ทั่วไปเห็นจะได้แก่อุปกรณ์วัดอุณหภูมิ อุปกรณ์วัดความดัน อุปกรณ์วัดระดับ กับวัดอัตราการไหล แต่การวัดระดับและวัดอัตราการไหลนั้นบ่อยครั้งที่ใช้การวัดความแตกต่างของ "ความดัน" ที่สองตำแหน่ง แล้วค่อยแปลงค่าความแตกต่างนั้นเป็น "ระดับ" หรือ "อัตราการไหล" เช่นการวัดระดับนั้นก็จะวัดความดันในถังส่วนที่อยู่เหนือของเหลว และความดันที่ก้นถัง จากนั้นก็ใช้ค่าความดันที่วัดได้กับความหนาแน่นของของเหลวที่ทำการวัดนั้นมาแปลงเป็นค่าระดับความสูง ส่วนการวัดอัตราการไหลก็ใช้การวัดค่าความดันลดเมื่อของไหลไหลผ่านอุปกรณ์วัด (เช่นแผ่นออริฟิสหรือท่อเวนจูรี) และจึงแปลงค่าความดันที่ลดลงนั้นเป็นอัตราการไหลอีกที

และเจ้าตัวอุปกรณ์วัดความดันนี้แหละ ที่มักจะไม่ค่อยทนต่ออุณหภูมิสูง

รูปที่ ๒ ภาพขยายให้เห็นท่อ syphon สำหรับติดตั้งเกจวัดความดันของระบบท่อในรูปที่ ๑

รูปที่ ๑ เป็นระบบท่อไอน้ำที่มีการใช้วาล์วควบคุมอัตราการไหลควบคุมการจ่ายไอน้ำ ระบบท่อดังกล่าวมีการติดตั้งเกจวัดความดันไว้ทั้งทางด้านขาเข้าและขาออกของวาล์ว เกจวัดความดันในรูปนั้นทำงานด้วยระบบกลไก (จะยกเว้นมีอยู่ตัวหนึ่งที่อยู่ทางด้านซ้ายของรูปที่ ๒ (บน) ที่มีการแปลงสัญญาณความดันเป็นสัญญาณไฟฟ้าส่งต่อไปยังห้องควบคุม) อุปกรณ์พวกนี้มันรับความดันได้ แต่มันทนอุณหภูมิสูงไม่ได้ ดังนั้นเวลาที่จะวัดความดันในท่อเขาจึงต้องใช้ท่อเชื่อมต่อที่ไม่มีการหุ้มฉนวน เพื่อให้ของไหลในระบบท่อที่ต้องการวัดความดันนั้นมีอุณหภูมิลดต่ำลง (ด้วยการสูญเสียความร้อนสู่บรรยากาศรอบ ๆ) ท่อยิ่งยาวก็ยิ่งมีพื้นที่ผิวในการถ่ายเทความร้อนมากขึ้น แต่มันจะเกะกะ เขาก็เลยขดให้มันงอซะ ซึ่งอาจะขดเป็นวงแบบในรูปหรือขดเป็นรูปตัว U หรือรูปร่างอื่นก็ได้ ท่อนี้เขาเรียกว่า "Syphon tube" หรือในกรณีแบบที่ขดเป็นวง (แบบในรูปที่ ๒) บางทีเขาก็เรียกว่าเป็น "Pigtail type syphon tube"
  

สิ่งหนึ่งที่ต้องระวังคือต้องไม่ให้ของไหลที่อยู่ในส่วน syphon tube นั้นกลายเป็นของแข็งอุดตัน syphon tube การเกิดของแข็งอุดตันอาจเกิดได้ถ้าหากของไหลในท่อมีอุณหภูมิต่ำเกินไป เช่นในกรณีของท่อไอน้ำ ไอน้ำร้อนในท่อมีสิทธิที่จะควบแน่นเป็นของเหลวค้างอยู่ใน syphon tube นี้ และถ้าอุณหภูมิข้างนอกไม่เย็นจัดจนทำให้น้ำกลายเป็นน้ำแข็งได้ การวัดความดันก็จะไม่มีปัญหาใด ซึ่งเหตุการณ์นี้ไม่น่าจะเกิดในบ้านเรา แต่ในประเทศที่เป็นเมืองหนาวอาจเกิดขึ้นได้ หรือในกรณีของของเหลวที่เมื่อเย็นตัวลงอาจมีการแยกเฟสเป็นของแข็ง (เช่นน้ำมันที่มี wax ละลายอยู่ หรือสารละลายที่มีพอลิเมอร์ละลายปนอยู่) ของแข็งที่แยกออกมาก็อาจอุดตัน syphon tube นี้ได้ และเมื่อเกิดการอุดตันเมื่อใด ตัวเกจวัดความดันจะไม่สามารถแสดงความดันที่แท้จริงในระบบท่อได้
 

พึงสังเกตด้วยนะว่าจะมีการติดตั้งวาล์วเอาไว้ตัวหนึ่งก่อนต่ออุปกรณ์วัด ทั้งนี้เผื่อต้องมีการถอดเปลี่ยนหรือถอดเอาอุปกรณ์วัดไปซ่อม จะได้ทำการถอดได้โดยไม่ต้องปิดระบบ แต่ตัวที่อยู่ในรูปที่ ๓ ข้างล่างไม่ยักมีการติดตั้งวาล์ว อาจเป็นเพราะว่าเป็นการทำงานแบบ batch ไม่ใช่ระบบต่อเนื่องเหมือนในรูปที่ ๒
 

ที่เอาเรื่องนี้มาเล่าก็เพื่อต้องการให้อย่าเผลอไปคิดว่าจะช่วยโรงงานประหยัดพลังงานด้วยการหุ้มฉนวน syphon tube นี้ หรือแม้แต่เดินอยู่ในโรงงานก็อย่าเผลอไปโดนท่อเข้าโดยนึกว่ามันไม่ร้อน ทางด้านเกจวัดความดันมันไม่ค่อยร้อนหรอก แต่ด้านที่ต่อออกมาจากท่อหลักมันก็มีอุณหภูมิตามของไหลที่ไหลอยู่ในท่อนั้น

รูปที่ ๓ รูปนี้เป็นเกจวัดความดันของหม้ออบไม้ พึงสังเกตว่าเกจวัดความดันมีการบรรจุของเหลว (ตรงลูกศรชี้) เพื่อหน่วงการสั่นของเข็ม และ syphon tube ที่เชื่อมต่อเข้ากับอุปกรณ์ส่งสัญญาณจะมีขดมากกว่าเพื่อลดอุณหภูมิให้ต่ำลงไปอีก

สรุปปัญหาระบบ DeNOx (ภาค ๔) MO Memoir : Thursday 3 October 2556

เนื้อหาในบันทึกนี้เป็นตอนต่อจากงานที่มอบหมายให้กลุ่ม DeNOx ทดสอบที่กล่าวไว้ในบันทึกปีที่ ๖ ฉบับที่ ๖๗๕ วันอังคารที่ ๑ ตุลาคม พ.ศ. ๒๕๕๖ เรื่อง "แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส ๕๕ (ตอนที่ ๑๓)" เป็นบันทึกการแก้ปัญหาพีค SO₂ หายไปที่อุณหภูมิสูง ที่ได้กระทำไปในช่วงวันอังคารที่ ๑ - พฤหัสบดีที่ ๓ ตุลาคมที่ผ่านมา
 

สิ่งที่ผมสงสัยคือมันเกิดปัญหาแบบเดียวกับที่เคยกล่าวไว้ในบันทึกปีที่ ๕ ฉบับที่ ๔๙๔ วันเสาร์ที่ ๑๘ สิงหาคม ๒๕๕๕ เรื่อง "สรุปปัญหาระบบ DeNOx (ภาค ๓)" หรือไม่
 

สิ่งแรกที่ได้ให้ทีม DeNOx ทำก็คือ ทดลองลดปริมาณ TiO₂ จาก 0.10 g เหลือ 0.07 g และเปลี่ยนท่อเชื่อมด้านขาออกของ Mass flow controller ของ SO₂ จากท่อสแตนเลสหัก 90º มาเป็นท่อพลาสติกโค้งดังรูปที่ ๑ ข้างล่าง

รูปที่ ๑ สายท่อพลาสติกที่ใช้ในการเชื่อมต่อด้านขาออกของ Mass flow controller ของ SO₂ เข้าเส้นทางการไหลหลัก
 

จากนั้นให้วัดความเข้มข้น SO₂ ด้านขาออกที่อุณหภูมิ 200ºC และ 450ºC โดยที่อุณหภูมิ 200ºC นั้นไม่ต้องรอจนกระทั่งระบบเข้าสู่สมดุล (ที่อุณหภูมิต่ำ TiO₂ จะดูดซับ SO₂ ได้มากกว่าที่อุณหภูมิสูง) เอาแต่เห็นพีคสูงมากพอก็ใช้ได้ แล้วก็ให้ปรับอุณหภูมิ reactor ไปเป็น 450ºC จากนั้นวัดพีค SO₂ ใหม่ ถ้าเห็นพีค SO₂ ที่ 450ºC มีขนาดเท่ากับหรือใหญ่กว่าพีค SO₂ ที่ 200ºC ก็แสดงว่าการลดขนาดเบด (จาก 0.10 g หรือ 0.07 g) และการปรับแนวท่อ (จากท่อหักฉากมาเป็นท่อโค้ง) สามารถลดความต้านทานด้านขาออก และทำให้ SO₂ ไหลได้สม่ำเสมอตลอดทั้งช่วงอุณหภูมิทำการทดลอง (200-450ºC)
 

จากผลการทดสอบที่แสดงในรูปที่ ๒ ข้างล่างจะเห็นว่าได้พีค SO₂ กลับคืนมาเหมือนเดิมที่ 450ºC (ดูจากการที่พีค SO₂ ที่ 450ºC นั้นไม่ได้มีขนาดเล็กกว่าพีค SO₂ ที่ 200ºC)
 

งานส่วนนี้กระทำไปในวันอังคารที่ ๑ ตุลาคม ๒๕๕๖
 

รูปที่ ๒ พีค SO₂ ที่อุณหภูมิ 200ºC และ 450ºC ผ่านเบดที่บรรจุ TiO₂ 0.07 g ที่เห็นว่าพีคที่ 200ºC นั้นต่ำกว่าพีคที่ 450ºC เป็นเพราะไม่ได้รอให้ระบบเข้าสู่สมดุลที่ 200ºC (ถ้ารอก็คงจะได้พีคสูงกว่านี้)

งานถัดมาที่กระทำในวันที่ ๒ ตุลาคม ๒๕๕๖ เป็นการทดสอบว่าตัวปัญหาหลักอยู่ที่ระบบท่อหรืออยู่ที่เบด โดยในการนี้ได้ให้ทำการต่อท่อเข้าเหมือนเดิม (Old line) โดยยังคงใช้เบดที่บรรจุ TiO₂ เอาไว้ 0.07 g จากการทดสอบพบว่าพีค SO₂ ที่ 450ºC นั้นหายไป (Old line ในรูปที่ ๓ ข้างล่าง) แต่เมื่อทำการเปลี่ยนเป็นท่อพลาสติก ก็ได้พีค SO₂ กลับคืนมา แสดงว่าระบบท่อเดิมด้านขาออกของ Mass flow controller ของ SO₂ นั้นได้รับผลกระทบมากจากความต้านทานการไหลที่เพิ่มขึ้นเมื่อเบดมีอุณหภูมิสูงขึ้น
 

รูปที่ ๓ พีค SO₂ ที่อุณหภูมิ 200ºC และ 450ºC ผ่านเบดที่บรรจุ TiO₂ 0.07 g การทดสอบนี้เป็นการทดสอบว่าปัญหาอยู่ที่ตัวเบดหรืออยู่ที่ข้อต่อ 3 ทาง โดยในการนี้ได้ทดลองต่อท่อกลับคืนเดิม (Old line) พบว่าที่ 200ºC พีคยังปรากฏเหมือนเดิม แต่ที่ 450ºC นั้นพีค SO₂ หายไป แต่พอเปลี่ยนมาเป็นท่อพลาสติก (New line) พบว่าที่ 450ºC ก็ได้พีค SO₂ กลับมาเหมือนเดิม แสดงว่าความต้านทานการไหลของข้อต่อสามทางทางด้านขาออกของ Mass flow controller ของ SO₂ นั้น ส่งผลต่อการไหลของ SO₂ ที่อุณหภูมิสูงอย่างมาก

งานสุดท้ายที่ทำการทดสอบในเช้าวันนี้คือทดลองใช้ท่อพลาสติก (New line) แต่ใช้ปริมาณ TiO₂ เป็น 0.10 g (ปริมาณที่ใช้ในการทดลองต่าง ๆ ก่อนหน้านี้) การทดสอบนี้กระทำเพื่อตรวจสอบว่าความต้านทานการไหลระหว่างตัวท่อกับที่เบดนั้น ที่ไหนมีบทบาทสำคัญในการรบกวนการไหลของ SO₂ จาก Mass flow controller การทดสอบนี้กระทำที่อุณหภูมิเดียวคือ 450ºC 
  

ผลการทดสอบที่แสดงในรูปที่ ๔ ข้างล่างชี้ให้เห็นว่าตัวปัญหาหลักคือตัวท่อ ไม่ใช่ตัวเบด เพราะไม่ว่าจะใช้ TiO₂ 0.07 g หรือ 0.10 g ก็ให้พีคที่เหมือนกัน

รูปที่ ๔ พีค SO₂ ที่อุณหภูมิ 200ºC และ 450ºC ผ่านเบดที่บรรจุ TiO₂ 0.10 g การทดสอบนี้เป็นการทดสอบว่าปัญหาอยู่ที่ตัวเบดหรืออยู่ที่ข้อต่อ 3 ทาง โดยในการนี้ได้ใช้ท่อพลาสติก (New line) แต่ใช้ปริมาณ TiO₂ 0.01 g พบว่าที่ 450ºC ก็ได้พีค SO₂ ที่มีขนาดใกล้เคียงกับพีค SO₂ ที่ได้เมื่อใช้ TiO₂ 0.07 g แสดงว่าที่อุณหภูมิสูง ความดันลดคร่อมเบดไม่ได้ส่งผลต่อการไหลของ SO₂ มากเหมือนผลของของข้อต่อสามทางทางด้านขาออกของ Mass flow controller ของ SO₂

ต่อจากนี้หวังว่าคงไม่มีปัญหาภาค ๕ ตามมาอีกนะ 
  

ว่าแต่ว่าพวกคุณเคยสงสัยไหมว่าทำไมผมจึงคิดว่าปัญหามันน่าจะอยู่ตรงท่อตำแหน่งนั้นตั้งแต่แรก

เมื่อพีคออกซิเจนของระบบ DeNOx หายไป (การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๕๐) MO Memoir : Sunday 22 September 2556

ช่วงสายวันเสาร์ที่ผ่านมาเห็นเขานั่งสับปะหงกอยู่ที่เก้าอี้หน้าระบบ DeNOx ตอนนั้นอุณหภูมิ reactor อยู่ที่ 300ºC เห็นกราฟโครมาโทแกรมหน้าจอคอมพิวเตอร์กำลังแสดงผลการวิเคราะห์ ผมก็เลยไปเอาน้ำใส่กาต้มน้ำเพื่อจะต้มน้ำร้อนชงกาแฟกิน ระหว่างรอน้ำร้อนเดือดก็เดินเล่นไปรอบ ๆ แลป สักพักก็เห็นเขาออกอาการ สาเหตุก็คือโครมาโทแกรมไม่ปรากฎพีคออกซิเจน มีแต่พีค NO (อันที่จริงมีพีคออกซิเจนเล็กมากดังที่เอามาให้ดูในรูปที่ ๑ จากเครื่อง GC-2014 ECD & PDD โดยใช้ ECD วัด) ทั้ง ๆ ที่ก่อนหน้านี้ที่เขาเริ่มทดสอบโดยเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้นเรื่อย ๆ จนถึง 250ºC ทุกอย่างก็ยังปรกติอยู่

เหตุการณ์นี้ซ้ำรอยกับที่เขาประสบมาเมื่อสัปดาห์ก่อนหน้านี้ คราวนั้นเขาถึงกับต้องยุติการทดลอง พอมาทดลองใหม่ในสัปดาห์นี้ตั้งแต่วันศุกร์ที่ผ่านมา เขาก็ลงทุนอดนอน (ดูเหมือนจะได้นอนบ้างช่วงรอเก็บตัวอย่าง) เพื่อที่จะดูว่ามันจะเกิดเหมือนเดิมอีกหรือไม่ (คือพีคออกซิเจนหายไปที่อุณหภูมิ 300ºC) และมันก็เกิดจริง ๆ สนองการรอคอยของเขา

รูปที่ ๑ โครมาโทแกรมเส้นบน (สีม่วง) คือเส้นปรกติ จะเห็นพีคออกซิเจนเป็นพีคที่ใหญ่และสูงมาก (15 vol%) ที่เริ่มออกมาเมื่อเวลาประมาณ 8 นาที โดยมีพีค NO ออกตามหลังมา (ประมาณ 120 ppm) ส่วนเส้นล่าง (สีดำ) เป็นเส้นที่มีปัญหา จะเห็นพีคออกซิเจนเหลือเพียงนิดเดียว

แม้ว่าจะใช้ระบบเดียวกัน แต่วิธีการทดลองของเขาในวันนี้แตกต่างไปที่กลุ่มเราใช้ กล่าวคือเขาไม่ได้ผสมไอน้ำเข้าไปในแก๊สขาเข้า แต่เขายังคงให้แก๊สออกซิเจนไหลผ่าน saturator อยู่ (ตามเส้นสีแดงในรูปที่ ๒) เพียงแต่ไม่เปิด heater เท่านั้นเอง เมื่อวานผมก็เลยให้เขาปรับทิศทางการไหลของแก๊สออกซิเจนด้วยการใช้วาล์ว 3 ทางที่ติดตั้งอยู่ (รูปที่ ๓) ให้แก๊สออกซิเจนไหลผ่านจุดป้อน SO₂ ก่อนไปบรรจบกับเส้นทางการไหลของแก๊สไนโตรเจน (แนวเส้นประสีเขียวในรูปที่ ๒) แต่การทำเช่นนี้จะทำให้แก๊สจากสายไนโตรเจนไหลย้อนเข้า saturator ได้ ดังนั้นควรที่จะปิดวาล์วด้านขาออกจาก saturator ด้วย (ไม่ได้แสดงในรูป)

รูปที่ ๒ แผนผังการไหลของแก๊สของระบบ DeNOx ที่เราใช้ทำการทดลอง

รูปที่ ๓ ในกรอบสี่เหลี่ยมสีแดง คือวาล์วสามทางที่ใช้เปลี่ยนทิศทางการไหลของแก๊สออกซิเจน

หลังจากนั้นก็ให้เขาทดลองวัดองค์ประกอบของแก๊สที่อุณหภูมิ 300ºC ใหม่ ก็พบว่าได้พีคออกซิเจนกลับคืนมาเหมือนเดิมดังแสดงในรูปที่ ๔ ข้างล่าง และจากการติดตามก็พบว่าออกมาเป็นปรกติจนถึงอุณหภูมิ 400ºC

รูปที่ ๔ การกลับมาของพีคออกซิเจน (เส้นสีดำ) เทียบกับข้อมูลเดิม (เส้นสีม่วง) จะเห็นว่าจุดเริ่มต้นเกิดพีคและจุดสิ้นสุดของพีคออกซิเจนของทั้งสองเส้นนั้นอยู่ที่เดียวกัน

อันที่จริงถ้าย้อนหลังกลับไปดูข้อมูลของเขาก่อนหน้านี้ (รูปที่ ๕) จะเห็นปัญหาเกิดกับพีคออกซิเจนตั้งแต่อุณหภูมิ reactor 200ºC แล้ว คือเห็นพีคออกซิเจนแคบลงเล็กน้อย และที่อุณหภูมิ 250ºC ก็เห็นพีคออกซิเจนแคบลงมาก พอเพิ่มอุณหภูมิ reactor สูงถึง 300ºC พีคออกซิเจนก็แทบไม่เหลือเลย ทั้ง ๆ ที่อัตราการไหลของออกซิเจนนั้น (30 ml/min) มากเป็นอันดับสองรองจากไนโตรเจน

รูปที่ ๕ ข้อมูลก่อนหน้าของเขาที่วัดที่อุณหภูมิต่าง ๆ กันจนถึง 300ºC เมื่อทำการเปรียบเทียบข้อมูลจะเห็นว่าพีคออกซิเจนเริ่มมีขนาดแคบลงเล็กน้อยตั้งแต่อุณหภูมิ 200ºC และที่สำคัญก็คือการหายไปของออกซิเจนนั้นเห็นได้ชัดเจนตั้งแต่อุณหภูมิ 250ºC แล้ว

การแก้ปัญหานั้นถ้าเราแก้ด้วยการหาสาเหตุที่เป็นต้นตอของปัญหา เราก็จะหาทางหลีกเลี่ยงมันได้ หรือถ้าเราพบเจอกับมันอีกในอนาคต เราก็จะรู้ว่าควรต้องทำอย่างไรกับมัน แต่ถ้าแก้โดยการลองถูกลองผิด หรือทำตามที่คนอื่นบอกมาโดยที่ไม่รู้ว่าหรือสนใจว่าทำไมต้องทำอย่างนั้น เมื่อพบกับปัญหาใด ๆ ก็จะไม่รู้วิธีการแก้ หรือกว่าจะหาได้ก็คงต้องลองผิดลองถูกไปเยอะ ดังนั้นในกรณีนี้เราจะมาลองพิจารณากันว่าอะไรเป็นต้นตอของเรื่อง

  

สิ่งที่เราต้องพิจารณาคือเกิดอะไรขึ้นเมื่อเพิ่มอุณหภูมิ reactor และการที่แก๊สออกซิเจนไหลผ่าน saturator และไม่ไหลผ่าน saturator นั้นมันแตกต่างกันอย่างไร

เมื่อเราเพิ่มอุณหภูมิของ fixed-bed ให้สูงขึ้น สิ่งที่เราทราบกันอยู่แล้วก็คือความต้านทานการไหลจะสูงขึ้น เพราะเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นแก๊สจะมีความหนืดมากขึ้น และบันทึกของกลุ่มเราหลายเรื่อง (เกี่ยวกับ GC-2014 ECD & PDD และระบบ DeNOx) ก็ได้บันทึกเหตุการณ์ต่าง ๆ และการแก้ปัญหาเอาไว้ แต่ส่วนใหญ่จะเกี่ยวกับแก๊สที่มีอัตราการไหลที่ต่ำมาก (คือ NO NH₃ และ SO₂) เมื่อเทียบกับอัตราการไหลรวมของระบบ

กรณีที่เห็นว่าใกล้เคียงกับเหตุการณ์นี้มากที่สุดเห็นจะเป็นเรื่องที่เคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๗๗ วันเสาร์ที่ ๒๖ มีนาคม พ.ศ. ๒๕๕๔ เรื่อง "สรุปปัญหาระบบ DeNOx (ภาค ๒)" ที่แนบมาด้วย

เมื่อให้แก๊สออกซิเจนไหลผ่าน saturator นั้นจะมีแรงต้านทานการไหลเพิ่มขึ้นจากเมื่อไม่ไหลผ่านคือ "ระดับน้ำที่อยู่ใน saturator" (ความสูง h ในรูปที่ ๒) แต่ถ้าคิดว่ามันเกิดจากระดับน้ำใน saturator มันก็จะเกิดปัญหาตามมาคือ "ทำไมเมื่อสาวน้อยจากเมืองวัดป่ามะม่วงและสาวน้อยโซเฟอร์สิบล้อทำการทดลอง จึงไม่เห็นพีคออกซิเจนหายไป ทุกอย่างออกมาเป็นปรกติ"

ตรงจุดนี้จากประสบการณ์ที่เคยเจอ และเมื่อพิจารณาจากโครงสร้างของอุปกรณ์ พอจะคาดเดาสาเหตุที่เป็นไปได้ ๒ ข้อดังนี้ (คือคิดออกแค่นี้ แต่จะมีมากกว่านี้หรือเปล่าก็ไม่รู้)

(ก) เส้นทางแก๊สไหลผ่าน saturator นั้นมีการรั่วไหลอยู่เล็กน้อย และ/หรือ

(ข) เขาบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาอัดแน่นเกินไป

กรณีมีการรั่วไหลอยู่เล็กน้อยนี้กลุ่มเราเคยพบกับระบบ gas phase partial oxidation ในกรณีที่แก๊สมีทางออกได้สองทางที่มีความต้านทานการไหลแตกต่างกันมาก แก๊สจะเลือกออกทางเส้นทางที่มีความต้านทางการไหลต่ำมากก่อน แต่ถ้าหากเส้นทางที่มีความต้านทานการไหลต่ำนี้มีความต้านทานการไหลเพิ่มสูงขึ้น แก๊สก็จะรั่วออกทางเส้นทางที่มีความต้านทานการไหลสูงกว่าเพิ่มมากขึ้น เราก็จะเห็นแก๊สหายไปจากระบบ

สิ่งแรกที่ผมถามเขาคือเขาได้ไปยุ่งเกี่ยวอะไรกับ saturator หรือเปล่า เขาบอกว่าไม่ได้ไปยุ่งอะไร คนก่อนหน้าที่ทำการทดลองที่มีการเพิ่มน้ำในระบบปล่อยให้ line เส้นนี้อยู่อย่างไรก็ยังคงอยู่อย่างนั้น เขาทำเพียงแค่ไม่เปิด heater เท่านั้นเองเพื่อไม่ให้มีน้ำระเหยเข้าระบบ

ดังนั้นต้นตอของสาเหตุที่น่าจะเป็นไปได้คือเกิดจากการอัดเบดตัวเร่งปฏิกิริยาแน่นเกินไป ซึ่งเรื่องนี้เราเคยประสบมาในกรณีของแก๊ส SO₂ ที่สาวน้อยหน้าบาน (คนใหม่) และสาวน้อยร้อยห้าสิบเซนต์ (คนใหม่) เจอมาเมื่อปีที่แล้ว ที่พบว่าการ อัดเบดตัวเร่งปฏิกิริยาแน่นเกินไปนั้นส่งผลต่อการไหลของแก๊ส (ที่มีอัตราการไหลต่ำมากเมื่อเทียบกับอัตราการไหลรวม) ได้เมื่ออุณหภูมิของ reactor เพิ่มสูงขึ้น แต่ตรงนี้ผมก็ยังไม่สามารถยืนยันได้ว่าการอัดเบดตัวเร่งปฏิกิริยาของเขานั้นเขาอัดแน่นเกินไปหรือไม่เมื่อเทียบกับที่กลุ่มเราใช้อยู่

แต่ถึงกระนั้นก็ตามก็คงต้องขอให้ผู้ที่ทำการทดลองกับระบบ DeNOx นี้คำนึงถึงปัญหานี้เอาไว้ด้วย

อุณหภูมิกับการไหลของแก๊สผ่าน fixed-bed MO Memoir : Wednesday 3 October 2555

เมื่อเช้าวันจันทร์ที่ผ่านมา สาวน้อยผู้แสนเรียบร้อย (จากกลุ่มวิจัยเพื่อนบ้าน) แวะมาถามผมเรื่องปัญหาอัตราการไหลของแก๊สขาออกผ่าน fixed-bed ของเขาที่อุณหภูมิสูง คือเขาวัดอัตราการไหลของแก๊สด้านขาออกจาก reactor (โดยใช้ bubble flow meter) ในขณะที่ระบบยังเย็นอยู่ และพอเพิ่มอุณหภูมิ reactor ไปเป็น 600ºC ก็พบว่าอัตราการไหลลดลงเหลือประมาณครึ่งเดียว คำถามของเขาก็คือสาเหตุเกิดจากอะไร และจะแก้ไขได้อย่างไร

อันที่จริงเรื่องนี้เป็นเรื่องที่เกี่ยวข้องกับ back pressure (หรือความต้านทานการไหล) ที่เปลี่ยนแปลงไป ทำให้อัตราการไหลของแก๊สผ่านเบด (เมื่อเราตั้งความดันแก๊สที่จ่ายจากถังให้คงที่) เปลี่ยนแปลงไปได้

ส่วนสาเหตุที่ทำให้ back pressure เปลี่ยนแปลงไปได้นั้นก็มีได้หลายสาเหตุ ซึ่งสามารถส่งผลทำให้การไหลของแก๊สด้านขาเข้าเปลี่ยนแปลงไป ดังเช่นที่เคยเล่าไว้ใน Memoir ก่อนหน้านี้ เช่น

ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๑๔ วันศุกร์ที่ ๒๒ ตุลาคม ๒๕๕๓ เรื่อง "การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๕ ความดันกับการควบคุมอัตราการไหล" (Memoir ฉบับนี้แจกจ่ายเป็นการภายใน ไม่นำเนื้อหาลง blog)

ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๑๕ วันเสาร์ที่ ๒๓ ตุลาคม ๒๕๕๓ เรื่อง "การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๖ ความดันกับ 6-port sampling valveก"

ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๗๓ วันเสาร์ที่ ๑๙ มีนาคม ๒๕๕๔ เรื่อง "GC-2014 FPD กับระบบ DeNOx ตอนที่ ๕ บันทึกเหตุการณ์วันที่ ๑ มีนาคม" (Memoir ฉบับนี้แจกจ่ายเป็นการภายใน ไม่นำเนื้อหาลง blog)

ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๗๗ วันเสาร์ที่ ๒๖ มีนาคม ๒๕๕๔ เรื่อง "สรุปปัญหาระบบ DeNOx (ภาค ๒)"

ปีที่ ๔ ฉบับที่ ๔๗๒ วันเสาร์ที่ ๓๐ มิถุนายน ๒๕๕๕ เรื่อง "GC-2014 ECD & PDD ตอนที่ ๒๕ ตำแหน่งพีค NO และ N2O (ปรับแต่ง ๒ - ผลของอุณหภูมิ)"

รูปที่ ๑ แผนผังของระบบที่มีการถามคำถาม

ระบบของสาวน้อยผู้แสนเรียบร้อยนั้น ความดันของแก๊สที่ออกจากหัวถังคือ 5 bar จากนั้นจะปรับอัตราการไหลด้วย manual valve แล้วจึงผ่านเข้า reactor ที่เป็นท่อ quartz ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 8 mm ภายในท่อ quartz นั้นบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาและ silicon carbide (SiC) โดย SiC มีขนาดอนุภาคประมาณ 250 mesh ความหนารวมของชั้น fixed-bed คือประมาณ 30 mm (คิดว่าคงไม่รวมชั้น quartz wool ที่ใช้รองรับเบด)

สำหรับสมาชิกในกลุ่มเราที่เคยมีประสบการณ์ทำการทดลองกับ fixed-bed คงจะเห็นปัญหาแล้วว่าเกิดจากอะไร ขนาดอนุภาคที่เขาใช้นั้นละเอียดกว่าขนาดอนุภาคที่เราใช้มาก และเบดของเขาก็มีความสูงมากกว่าเบดที่เราใช้มาก จึงทำให้แม้ว่าจะอยู่ที่อุณหภูมิห้อง ความดันลดคร่อมเบดก็สูงมากอยู่แล้ว พอแก๊สมีอุณหภูมิสูงขึ้น ความหนืดของแก๊สก็จะเพิ่มมากขึ้น ทำให้แก๊สไหลผ่านเบดได้ยากขึ้น

อันที่จริงถ้าความสูงของเบดนั้นไม่มากเกินไป เราจะพบว่าอัตราการไหลของแก๊สด้านขาออกของ reactor นั้นจะประมาณคงเดิม ผมเคยมีประสบการณ์เช่นนี้มาก่อนแล้ว คือเคยพบว่าพออุณหภูมิ reactor เพิ่มสูงขึ้น flow meter ที่วัดอัตราการไหลของแก๊สด้านขาเข้า reactor (ใช้ระบบลูกลอย) บอกว่าอัตราการไหลของแก๊สโดยปริมาตรลดต่ำลง แต่ pressure indicator ที่อยู่ด้านขาเข้าของ reactor บอกว่าความดันด้านขาเข้าเบดสูงขึ้น ดังนั้นเมื่อนำอัตราการไหลและความดันมาปรับค่าให้เป็นที่ความดันเดียวกัน จะพบว่าอัตราการไหลยังคงเดิม

ในกรณีของสาวน้อยผู้แสนเรียบร้อยนั้น แม้ว่าความดันด้านขาออกของแก๊สจากถังแก๊สจะสูงก็ตาม (5 bar ในขณะที่เราใช้ประมาณ 1.5-2 bar เท่านั้นเอง) แต่พอแก๊สไหลผ่านวาล์วปรับอัตราการไหล ความดันก็จะลดลงอีก ดังนั้นความดันของแก๊สที่ไหลผ่านเบดที่อุณหภูมิห้องคงไม่ใช่ 5 bar แต่น่าจะต่ำกว่า (ต่ำกว่ามากน้อยเท่าไรก็ไม่รู้ เพราะไม่รู้ว่าอัตราการไหลของแก๊สที่เขาใช้นั้นเป็นเท่าใด) ผลจากอุณหภูมิการทดลองที่สูงร่วมกับเบดที่มีความแน่นมาก ทำให้อัตราการไหลได้รับผล กระทบจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่รุนแรง นี่คือเหตุผลที่ผมได้ให้เขาไปเมื่อวันจันทร์

เมื่อวานบังเอิญคิดได้ถึงความเป็นไปได้อีกเรื่องหนึ่ง (ส่วนจะเป็นสาเหตุที่แท้จริงหรือเปล่าก็ไม่รู้ เพราะผมคงไม่ได้ไปตรวจสอบ) คือเป็นไปได้หรือไม่ที่จะมีแก๊สรั่วไหลเนื่องจากที่อุณหภูมิสูงจะทำให้ความดันของแก๊สด้านขาเข้าของเบดเพิ่มสูงขึ้น ทำให้เกิดการรั่วไหลตรงบริเวณข้อต่อระหว่างท่อ quartz กับระบบ tube โลหะได้

ความเป็นไปได้นี้มีเหตุผลจากการที่ reactor ที่เขาใช้นั้นเป็น quartz ในขณะที่ระบบ tube ของเขานั้นเป็นโลหะ ระบบ tube โลหะที่เราใช้นั้นเป็นระบบนิ้ว ในขณะที่ท่อ quartz นั้นเรามักจะนำมาจากประเทศญี่ปุ่นซึ่งใช้ระบบมิลลิเมตร โดยปรกติเวลาที่เราจะต่อท่อที่เป็นแก้วหรือ quartz เข้ากับระบบท่อโลหะนั้น จะต้องใช้ ferrule ที่ทำจากแกรไฟต์หรือเทฟลอน ถ้าหากท่อแก้วหรือ quartz ที่ใช้นั้นเป็นระบบนิ้ว (หรือมิลลิเมตร) เช่นเดียวกับระบบท่อโลหะที่เชื่อมต่อเข้า ถ้าต่ออย่างถูกวิธีปัญหาเรื่องการรั่วไหลของแก๊สมักจะไม่มี (เวลาต่อคอลัมน์แก้ว GC เข้ากับท่อ carrier gas ของ GC ก็เป็นเช่นนี้)

แต่ถ้าเราเอาท่อแก้วหรือ quartz ที่เป็นระบบมิลลิเมตรมาต่อเข้ากับท่อโลหะที่เป็นระบบนิ้ว เราจะพบว่าท่อ quartz นั้นจะมีขนาดเล็กกว่าเล็กน้อย ซึ่งสังเกตได้จากการที่ ferrule ระบบนิ้วที่ใช้นั้นจะไม่จับกับตัวท่อเลย (เลื่อนไปมาได้สะดวก) การแก้ปัญหาที่มักกระทำคือเอาเทฟลอนที่ใช้พันเกลียวท่อมาพันตรง ferrule เพื่อให้ ferrule จับกับท่อให้แน่น แต่การทำเช่นนี้ถ้าทำไม่ดีพอก็สามารถทำให้แก๊สรั่วตรงตำแหน่งนี้ได้ง่ายเมื่อความดันในระบบเพิ่มสูงขึ้น

สิ่งที่ผมยังติดใจก็คือ เขาบอกว่าเขาก็ทำการทดลองตามแบบรุ่นพี่ แต่ดูเหมือนว่ารุ่นพี่ของเขาไม่เคยสังเกตเห็นปัญหาดังกล่าว เขาเพิ่งจะมาสังเกตเห็นเอาตอนนี้ แล้วผลการทดลองที่ได้ทำไปก่อนหน้านี้ล่ะ จะเป็นอย่างไร

สรุปปัญหาระบบ DeNOx (ภาค ๓) MO Memoir : Saturday 18 August 2555

ใน Memoir ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๔๗๙ วันศุกร์ที่ ๒๐ กรกฎาคม ๒๕๕๕ เรื่อง "GC-2014 ECD & PDD ตอนที่ ๒๙ พีค NO ที่ 450ºC เมื่อมีไอน้ำร่วม" ผมได้เกริ่นเอาไว้ถึงต้นตอของปัญหาและบอกว่าจะเล่าให้ฟังที่หลัง ซึ่งตอนนี้ก็ได้เวลาที่จะเล่าให้ฟังแล้วว่ามันเป็นอย่างไร

อนึ่งเรื่องระบบเครื่องปฏิกรณ์ DeNOx นี้เคยสรุปปัญหาที่เกิดและการแก้ไขที่ได้กระทำไปเอาไว้ใน Memoir สามฉบับก่อนหน้านี้คือ

ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๕๔ วันอาทิตย์ที่ ๖ กันยายน ๒๕๕๒ เรื่อง "สรุปปัญหาระบบ DeNOx"

ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๗๗ วันเสาร์ที่ ๒๖ มีนาคม ๒๕๕๔ เรื่อง "สรุปปัญหาระบบ DeNOx (ภาค ๒)"

ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๔๗๖ วันเสาร์ที่ ๑๔ กรกฎาคม ๒๕๕๕ เรื่อง "GC-2014 ECD & PDD ตอนที่ ๒๖ การปรับแนวท่อระบบ DeNOx"

รูปที่ ๑ แนวท่อแก๊สที่ต่อขึ้นชั่วคราวด้วยท่อทองแดง (และกำลังจะกลายเป็นระบบท่อถาวร) การที่ดัดท่อดังกล่าวให้โค้งเป็นรัศมีความโค้งกว้างนั้นเป็น "การตั้งใจ" ทำให้เป็นเช่นนั้น ทั้งนี้เพื่อให้การไหลของแก๊ส N₂ ที่ไหลผ่าน จุดบรรจุกับแก๊ส NO เป็นไปอย่างราบเรียบ และเป็นการลดการสูญเสียความดันในระบบท่อแก๊ส N₂ ก่อนที่จะเข้าบรรจบกับท่อแก๊ส O₂ (ที่เป็นตัวพาไอน้ำมา) ก่อนเข้าเครื่องปฏิกรณ์ เส้นประสีแดงคือแนวท่อเดิมที่คนประกอบเก็บดูเรียบร้อย (แต่ก่อปัญหาเยอะ)

จากการยืนมองระบบท่อ ผมได้ตั้งสมมุติฐานว่าปัญหาน่าจะเกิดจากการที่ระบบก่อนเข้า reactor มีความต้านทานเพิ่มขึ้นเมื่อมีการผสมไอน้ำเข้ามา ไอน้ำนั้นมากับแก๊ส O₂ ที่ไหลผ่าน saturator เมื่อมีการผสมไอน้ำ อัตราการไหลของเส้นทางนี้จะเพิ่มขึ้นอีกเท่าตัว และเมื่อไหลเข้ามาบรรจบโดยไหลเข้ามาตั้งฉากกับเส้นทางการไหลหลัก จึงทำให้ความต้านทานการไหลของเส้นทางการไหลหลักเพิ่มขึ้น แม้ว่าอัตราการไหลในเส้นทางการไหลหลักจะสูงมากกว่า แต่ความดันที่ใช้นั้นไม่ได้สูงกว่ามาก จึงทำให้เกิดความดันสะสมที่ย้อนกลับไปยังด้านขาออกของ mass flow controller ได้ 

 

และความดันสะสมนี้เองที่เป็นปัญหาที่ทำให้การไหลของ NO ด้านขาออกจาก mass flow controller มีปัญหา เพราะ mass flow controller ตัวนี้ก็เปิดน้อยอยู่แล้ว (อันที่จริงสงสัยว่าจะเกิดกับ NH₃ ด้วย)

เราได้ทำการทดสอบสมมุติฐานด้วยการทดลองนำท่อทองแดงมาต่อตามที่แสดงในรูปที่ ๑ (ที่ใช้ท่อทองแดงก็เพราะตอนนั้นหาเจอแต่ท่อทองแดง และมันก็ดัดโค้งได้ง่ายด้วย) และก็ทดลองวัดความเข้มข้น NO ใหม่อีกครั้ง ด้วยการดัดแปลงเพียงเท่านี้ก็ทำให้เราเห็นความเข้มข้นของ NO ด้านขาออกได้สม่ำเสมอตลอดทุกช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ 100 ไปจนถึง 450ºC

รูปที่ ๒ วาล์วสามทางที่ใช้ในการเลือกทิศทางการไหลว่าจะให้แก๊สผสมที่ไหลเข้าวาล์ว (ลูกศรสีแดง) ไหลไปยัง reactor (ลูกศรสีเหลือง) หรือไหล bypass (ลูกศรสีเขียว)

การใช้วาล์วสามทางในการเลือกทิศทางการไหลนั้นเหมาะสมในกรณีที่เมื่อเราต้องการให้แก๊สไหลไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่งนั้น จะต้องไม่มีแก๊สไหลไปในอีกทิศทางหนึ่ง หรือในกรณีที่เราต้องการเปลี่ยนทิศทางการไหลอย่างรวดเร็ว แต่การใช้วาล์วสามทางจะมีปัญหาเรื่องความต้านทานการไหลที่สูงกว่าการใช้ข้อต่อตัว T ร่วมกับ block valve สองตัว เพราะรูสำหรับให้แก๊สไหลผ่านลูกบอลของตัววาล์วสามทางนั้นมีขนาดเล็ก

แต่พอสัปดาห์ถัดมาพอเราเริ่มทำการทดลองต่อก็พบว่าปัญหาเดิมเกิดขึ้นอีก แต่คราวนี้เนื่องจากไม่รู้ว่าจะปรับอะไรที่ด้านขาเข้าของ reactor อีกแล้ว ก็เลยตรวจสอบด้านขาออกแทน และก็พบปัญหาจริง ๆ

ปัญหาที่เกิดคือเกิดการอุดตันด้านขาออกจาก reactor

ปัญหานี้ประสบในวันจันทร์ที่ ๒๓ กรกฎาคม คือหลังจากที่เราประสบความสำเร็จในการวัด NO ผ่านเบดที่บรรจุ TiO₂ แล้วก็ได้เริ่มทำการทดลองโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาบรรจุ

สิ่งที่พบคือพีคออกซิเจนออกมาล่าช้ากว่าเดิมและมีขนาดเล็กลง จากนั้นก็ตรวจพบว่าอัตราการไหลของ N₂ ที่ไหลผ่าน Mass flow controller ลดลงกระทันหัน และไม่สามารถปรับเพิ่มขึ้นได้ นอกจากนี้ยังพบว่า Mass flow controller ของแก๊สตัวอื่นก็รวนไปหมด

ดังนั้นจึงได้ทำการถอดระบบท่อทางออกออกมาตรวจสอบและพบว่าบริเวณข้อต่อสามทางที่เป็นจุดเชื่อมต่อระหว่าง thermowell และแก๊สขาออกนั้นมีสิ่งสกปรกอุดตัน (ดูรูปที่ ๓) และในท่อด้านขาออกก็มีสิ่งสกปรกเกาะอยู่บนผนังท่อด้านในด้วย จึงได้ถอดออกมาล้างทำความสะอาด พร้อมกันนั้นก็ได้ปรับปรุงท่อด้านขาออกใหม่ด้วยการปลดวาล์วสามทางที่มีอยู่อีกสองตัวนั้นออกไปด้วย ซึ่งก็ทำให้ระบบนั้นสามารถทำงานได้เรียบร้อยอย่างน้อยก็จนถึงขณะนี้

รูปที่ ๓ ระบบท่อแก๊สด้านขาออกที่เป็นปัญหา วงกลมแดงคือข้อต่อสามทางที่ใช้ในการสอด thermowell ส่วนวงกลมเหลือคือวาล์วสามทางอีกสองตัว

การเรียนภาคปฏิบัตินั้นประกอบด้วย ๓ ขั้นตอนด้วยกัน ขั้นตอนแรกคือการที่ผู้สอนสาธิตให้ผู้เรียนได้เห็น ขั้นตอนที่สองคือการให้ผู้เรียนปฏิบัติภายใต้การกำกับดูแลของผู้สอน และขั้นตอนที่สามคือการให้ผู้เรียนปฏิบัติด้วยตนเองโดยไม่ต้องมีการกำกับดูแล ซึ่งในขณะนี้ผมคิดว่าทั้งสาวน้อยร้อยห้าสิบเซนต์ (คนใหม่) และสาวน้อยหน้าบาน (คนใหม่) ก็ได้ผ่านสองขั้นตอนแรกมาแล้ว

ถ้าจะยกภาพเพื่อให้เห็นความสำคัญของอาจารย์ผู้สอนที่ต้องมาลงมือปฏิบัติทำการทดลองเองนั้น ก็คงเปรียบได้เหมือนหมอผ่าตัด ซึ่งความสามารถในการผ่าตัดจะยังคงอยู่ตราบเท่าที่เขายังคงลงมือผ่าตัดคนไข้อยู่ เมื่อใดก็ตามที่เขาเลิกจับมีดลงมือผ่าตัดหรือแม้แต่จะมาดูการผ่าตัดจริง แม้ว่าเขาจะมีบทความวิชาการตีพิมพ์มากเท่าใด (ซึ่งอาจได้มาจากนักเรียนแพทย์ที่เขียนให้เพื่อให้สำเร็จการศึกษา) เขาก็ไม่ควรเรียกตนเองว่าเป็นหมอผ่าตัดผู้เชี่ยวชาญ

ที่กล่าวมาข้างบนเป็นบทสนทนาระหว่างผมกับอาจารย์ผู้ดำรงตำแหน่งหัวหน้าหน่วยงานท่านหนึ่งเมื่อเดือนที่แล้ว

การเรียนรู้การแก้ปัญหาจริงในการทำการทดลองนั้นเปรียบเสมือนกับการที่หมอฝึกหัดต้องการประสบการณ์ในการรักษาผู้ป่วยที่ป่วยด้วยอาการแตกต่างกันหรือด้วยโรคเฉพาะที่ตนเองต้องการศึกษา หมอนั้นไม่สามารถกำหนดได้ว่าต้องมีผู้ป่วยด้วยอาการใดบ้าง และจำนวนเท่าใดต้องมาพบเขาในเวลาที่เขากำหนด สิ่งที่เขาทำได้ก็คือนั่งรอว่าจะมีผู้ป่วยอาการเช่นใดมาหาบ้าง และมีกี่ราย และเมื่อมีมาหาแล้วก็ต้องลงมือรักษาทันที 

 

การเรียนการแก้ปัญหาในการทดลองก็เช่นเดียวกัน เราไม่สามารถบอกได้ว่าปัญหาจะเกิดขึ้นเมื่อใด รู้แต่ว่าเมื่อปัญหามันเกิดขึ้นเราก็จะรีบลงมือแก้ไขทันที โดยไม่คิดที่จะเรียกให้คนอื่นมารับทราบเรื่องก่อนแล้วค่อยลงมือแก้ไข

และนั่นคือความสำคัญของการที่ต้องมานั่งรอ (ฝากถึงพวกป.โทปี ๑ ด้วยก็แล้วกัน)