เมื่อสิ่งที่ Instrument วัดจริง กับสิ่งที่เครื่องบอกว่า Instrument วัดอะไรอยู่ เป็นคนละสิ่งกัน MO Memoir : Sunday 29 November 2563

ช่วงที่ผ่านมาพอจะมีเวลาอ่านรายงานการสอบสวนการระเบิดที่โรงกลั่นน้ำมันแห่งหนึ่งในประเทศอังกฤษเมื่อ ๒๖ ปีที่แล้ว ความน่าสนใจของเหตุการณ์นั้นอยู่ตรงที่ สิ่งที่ Instrument วัดจริงกับสิ่งที่จอแสดงผลให้ห้องควบคุมบอกกับโอเปอร์เรเตอร์นั้น ในความเป็นจริงมันเป็นคนละสิ่งกัน แต่ในสภาพที่อุปกรณ์ไม่มีความบกพร่องนั้น มันจะสามารถอ้างอิงถึงกันได้

แต่ก่อนจะเข้าสู่เรื่องดังกล่าว (ซึ่งคงจะออกมาเร็ว ๆ นี้) ก็ขอนำเอาเรื่องราวทำนองเดียวกันที่เคยอ่านเจอ และสิ่งที่เคยประสบกับตัวเอง (ที่บางเรื่องก็เคยเล่าไปแล้ว) มาเล่าสู่กันฟังก่อน

๑. ในความเป็นจริงคือบอกว่าส่งสัญญาณเปิด "วาล์วระบายอากาศ" ออกไปแล้ว ไม่ได้บอกว่าวาล์วปิดแล้ว

เรื่องแรกนำมาจากบทที่ ๒๔ ของหนังสือ "What Went Wrong? Case Histories of Process Plant Disasters" ที่เขียนโดย T.A. Kletz เป็นเรื่องเกี่ยวกับอุบัติเหตุที่เกิดขึ้นในโรงงานผลิตเอทิลีนออกไซด์ (Ethylene oxide)

เอทิลีนออกไซด์ผลิตจากปฏิกิริยาระหว่างเอทิลีน (Ethylene) กับออกซิเจน ปฏิกิริยาเป็นปฏิกิริยาคายความร้อนที่เกิดในเฟสแก๊สโดยอาศัยตัวเร่งปฏิกิริยาช่วย ความร้อนของปฏิกิริยาจะถูกระบายออกไปด้วยของเหลวที่ไหลอยู่รอบ ๆ tube ที่บรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาและ "แก๊สที่ไหลผ่าน catalyst bed" ที่บรรจุอยู่ใน tube

เหตุการณ์เขึ้นเมื่อโรงงานเกิด "trip" (ทำนองว่าเครื่องดับกระทันหัน เช่นเกิดไฟฟ้าดับชั่วขณะแล้วกลับคืนมาใหม่) แล้วจำเป็นต้องกลับมาเริ่มเดินเครื่องใหม่ทันที แต่เมื่อเกิด "trip" นั้น ระบบการทำงานต่าง ๆ จะต้องปรับตัวไปอยู่ยังตำแหน่งที่ปลอดภัย (หลัก ๆ ก็คือ maximum cooling และ minimum heating) และในกรณีนี้สิ่งหนึ่งที่ระบบป้องกันออกแบบไว้ก็คือให้ปิดวาล์วที่ป้อนออกซิเจนเข้าระบบ

วาล์วคุมการปิด-เปิดออกซิเจนเข้าระบบนั้นใช้ความดันอากาศเป็นตัวคุมให้วาล์วอยู่ในตำแหน่งเปิด ถ้าเมื่อใดที่ความดันอากาศหายไปวาล์วก็จะเข้าสู่ตำแหน่งปิด ระบบป้องกันที่ออกแบบไว้คือจะมี Solenoid valve ตัวหนึ่งเป็นตัวควบคุมความดันอากาศ ถ้าเมื่อใดที่ Solenoid valve นี้หมุนไปยังตำแหน่งที่ระบายอากาศทิ้ง ความดันอากาศที่เข้าไปเปิดวาล์วคุมการไหลของออกซิเจนก็จะหายไป วาล์วคุมการไหลของออกซิเจนก็จะปิดตัว (รูปที่ ๑)

รูปที่ ๑ แผนผังการควบคุมวาล์วเปิด-ปิดการไหลของออกซิเจนเข้า reactor (วาดขึ้นมาใหม่จากรูปในหนังสือ)

ในเหตุการณ์นี้เมื่อโรงงานเกิด "trip" ไฟสัญญาณเตือนที่ห้องควบคุมก็บอกว่าวาล์วคุมการไหลของออกซิเจนนั้นอยู่ที่ตำแหน่ง "ปิด" แต่ก่อนที่จะได้เริ่มเดินเครื่องโรงงานใหม่ ก็เกิดการระเบิดขึ้นเสียก่อน การตรวจสอบพบว่าในความเป็นจริงนั้นวาล์วคุมการไหลของออกซิเจนนั้นอยู่ที่ตำแหน่ง "เปิด"

การที่วาล์วคุมการไหลของออกซิเจนไม่ปิดนั้นอาจมีสาเหตุมาจาก

(ก) Solenoid valve ไม่ทำงาน (คือได้รับคำสั่งให้ระบายอากาศทิ้ง แต่ไม่ทำงานตามคำสั่ง)

(ข) ไม่มีการระบายอากาศทิ้งออกไป (เช่น เส้นทางระบายอากาศอุดตัน) และ/หรือ

(ค) วาล์วคุมการไหลของออกซิเจนไม่ทำงาน (คือ มีการระบายอากาศกดให้วาล์วเปิดทิ้งแล้ว แต่วาล์วไม่ขยับตัว)

จากการตรวจสอบพบว่าในเหตุการณ์นี้สาเหตุก็คือไม่มีการระบายอากาศทิ้งออกไป (ข้อ (ข)) เนื่องจากมีตัวต่อไปทำรังอุดรูระบายอากาศ ส่วนไฟที่แสดงที่ห้องควบคุมนั้น บอกแต่เพียงว่ามีสัญญาณส่งไปยัง Solenoid valve เพื่อให้ระบายอากาศทิ้ง ไม่ได้ทำการวัดตำแหน่งของวาล์วควบคุมการไหลของออกซิเจนโดยตรง

๒. ในความเป็นจริงคือวัด "ความดัน" ไม่ใช่ "ระดับความสูง"

วิธีการหนึ่งที่ใช้บอกระดับความสูงของของเหลวในถังเก็บคือการวัดความดันที่ก้นถังบรรจุของเหลว กล่าวคือความดันที่ก้นถังจะเปลี่ยนแปลงตามความสูงของของเหลว แต่วิธีการนี้จะให้ผลที่ถูกต้องก็ต่อเมื่อ

(ก) ความหนาแน่นของของเหลวนั้นคงที่ (หรือเปลี่ยนน้อยมากเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยน) และ

(ข) ต้องนำความดันที่อยู่เหนือผิวของเหลวนั้นมาหักล้างด้วย (ความดันที่ก้นถังเป็นผลรวมของความดันที่เกิดจากระดับความสูงของของเหลว กับความดันที่อยู่เหนือผิวของเหลว)

เรื่องแรกเป็นคำถามที่มาจากวิศวกรของโรงงานแห่งหนึ่งตอนที่ผมไปบรรยายเรื่องพื้นฐานตัวเร่งปฏิกิริยาให้หน่วยงานนั้น เขาถามว่าทำไมพอเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาแล้วจึงทำให้ระดับของเหลวในถังเปลี่ยน ซึ่งผมก็ได้แนะนำเขาไปว่า เนื่องจากถังปฏิกรณ์ของเขาคุมระดับของเหลวด้วยการให้ของเหลวไหลล้นออก ดังนั้นในความเป็นจริงระดับของเหลวใน reactor ควรจะคงที่ (ถ้าท่อไหลล้นไม่อุดตันนะ) แต่สิ่งที่เขาวัดจริงคือผลต่างความดัน (ความดันดันที่ก้นถังลบด้วยความดันเหนือผิวของเหลว) ดังนั้นสิ่งที่น่าจะเป็นไปได้คือความหนาแน่นของของเหลวในถึงเปลี่ยนไป ทั้งนี้เพราะการเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยา จะทำให้ได้พอลิเมอร์ที่มีความหนาแน่นที่เปลี่ยนแปลงไป เรื่องนี้เคยเล่าไว้เมื่อวันพุธที่ ๒ พฤษภาคม พ.ศ. ๒๕๕๕ เรื่อง "เมื่อระดับตัวทำละลายใน polymerisation reactor เพิ่มสูงขึ้น"

รูปที่ ๒ ถังเก็บของเหลวบริสุทธิ์จุดเดือดต่ำ (ตั้งอยู่กลางแจ้ง) ที่ใช้การวัดความดันที่ก้นถังเพียงจุดเดียวบอกระดับความสูงของของเหลวในถัง

เรื่องที่สองมาจากโรงงานแหน่งหนึ่งไปมีโอกาสไปช่วยเขาตรวจสอบการก่อสร้าง วันหนึ่งได้ยินผู้ดูแลหน่วยงาน (ที่ไม่ใช่วิศวกร) บ่นว่ามีปัญหาเรื่องของเหลวในถังที่อ่านค่าจากอุปกรณ์วัดกับพอเปิดดูระดับที่มีอยู่จริงในถังนั้นมันไม่ตรงกัน เขาก็คิดว่าอุปกรณ์ที่ผู้ก่อสร้างโรงงานติดตั้งให้นั้นมันมีปัญหา และควรต้องมีการร้องขอให้เปลี่ยนของใหม่ให้

ถังเก็บที่มีปัญหานี้เป็นถังเก็บของเหลวบริสุทธิ์จุดเดือดต่ำ (ไม่ถึง 80ºC) ที่ตั้งอยู่กลางแจ้ง ถังใบนี้ใช้การวัดความดันที่ก้นถังเพียงจุดเดียวบอกระดับความสูงของของเหลวในถัง (คือติดไว้ที่ระดับประมาณล่างสุดของส่วนโค้ง) และมี Breather valve ลดการสูญเสียเนื่องจากการระเหยติดตั้งไว้ด้านบน (รูปที่ ๒)

คำแนะนำที่ผมให้เขาไปตรวจสอบก็มีอยู่สองข้อด้วยกัน ข้อแรกคือเห็นการเปลี่ยนแปลงระดับเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นหรือไม่ (เช่นทำไมตอนบ่ายอุปกรณ์วัดแสดงระดับของเหลวในถังเพิ่มสูงขึ้นทั้ง ๆ ที่ไม่ได้มีการป้อนสารเข้าถัง) เพราะถังนี้มีการติดตั้ง "Breather valve" ตัว Breather valve นี้มันช่วยลดการสูญเสียเนื่องจากการระเหยด้วยการยอมให้ระดับความดันในถังเพิ่มได้ระดับหนึ่ง (ขึ้นอยู่กับความสามารถของถังในการรับความดัน) เมื่อระดับของเหลวในถังเพิ่มสูงขึ้นหรือของเหลวมีการระเหยเพิ่มมากขึ้นเนื่องจากอุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นตามอุณหภูมิสภาพแวดล้อม และเนื่องจากถังเก็บใบนี้ไม่ได้มีการนำเอาความดันเหนือผิวของเหลวมาหักล้างออกจากความดันที่วัดได้ที่ก้นถัง (มีการวัดเฉพาะความดันที่ตำแหน่งล่างสุดเท่านั้น) การเปลี่ยนแปลงความดันเหนือผิวของเหลวก็จะส่งผลต่อความดันที่อ่านได้ที่ก้นถังด้วย และเมื่อนำค่าความดันดังกล่าวไปแปลงเป็นระดับความสูงของเหลว ก็จะได้ค่าที่ผิดพลาด

สำหรับผู้ที่ไม่รู้จักว่า Breather valve คืออะไร สามารถอ่านเพิ่มเติมได้ในเรื่อง "การควบคุมความดันในถังบรรยากาศ (Atmospheric tank)" (วันศุกร์ที่ ๑๓ พฤษภาคม ๒๕๕๔) และ "Breather valve กับ Flame arrester" (วันพุธที่ ๓๑ ธันวาคม ๒๕๕๗)

คำแนะนำข้อที่สองที่ผมให้เขาไปก็คือ การติดตั้งอุปกรณ์วัดนั้น set zero ระดับความสูงไว้ที่ตำแหน่งใด ที่ตำแหน่งต่ำสุดของถัง หรือที่ตำแหน่ง "Tangent line" (คือส่วนล่างสุดของตัวถังที่มีรูปร่างเป็นทรงกระบอก)

ในช่วงลำตัวถังที่เป็นทรงกระบอกนั้น ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรของเหลวในถังกับความสูงของถังจะเป็นเส้นตรง ส่วนบริเวณก้นถังที่เป็นส่วนโค้งนั้นระดับความสูงจะเปลี่ยนแปลงเร็วขึ้นเรื่อย ๆ แม้ว่าของเหลวจะไหลออกด้วยอัตราเร็วคงที่ การไปตั้งค่า zero ระดับความสูงไว้ที่ Tangent line ก็ยังมีข้อดีตรงที่ช่วยป้องกันไม่ให้มีแก๊สไหลปนกับของเหลวเข้าไปในปั๊มหรือปั๊มทำงานโดยไม่มีของเหลวไหลเข้าปั๊ม ซึ่งอาจเป็นสาเหตุทำให้ปั๊มพังได้ สำหรับผู้ที่ไม่เข้าใจว่า Tangent line คืออะไรนั้นสามารถอ่านเพิ่มเติมได้ในเรื่อง "Tangent line to Tangent line" (วันจันทร์ที่ ๔ มิถุนายน ๒๕๖๑)

๓. ในความเป็นจริงคือวัดอุณหภูมิของ "อากาศ" รอบ ๆ ไม่ใช่อุณหภูมิ "คอลัมน์"

เรื่องสุดท้ายเกี่ยวกับเครื่องแก๊สโครมาโทกราฟ เพื่อให้การแยกสารทำได้ดี จึงมีการเพิ่มอุณหภูมิ "คอลัมน์" ให้สูงขึ้นระหว่างการวิเคราะห์ (รูปที่ ๓) เมื่อวิเคราะห์เสร็จแล้วก็จะลดอุณหภูมิ "คอลัมน์" กลับลงมาที่จุดเริ่มต้นใหม่ ก่อนที่จะเริ่มการวิเคราะห์ครั้งต่อไปได้

รูปที่ ๓ กราฟอุณหภูมิการวิเคราะห์ ณ เวลาต่าง ๆ

ในช่วงแรกเมื่อเริ่มเปิดเครื่อง นิสิตพบว่าการวิเคราะห์ก็ไม่มีปัญหาอะไร คือพีคสารแต่ละตัวออกมาตามเวลาที่ควรเป็น แต่เมื่อทำการทดลองไปสักพักพบว่าพีคสารต่าง ๆ นั้นมีแนวโน้มที่จะออกมา "เร็วขึ้น" แม้ว่าขนาดพื้นที่พีคจะคงเดิมก็ตาม แต่ถ้าปล่อยให้เครื่องได้พักนานพอ พอเริ่มวิเคราะห์ใหม่ก็จะได้ผลที่ปรกติ คือพีคจะออกมาตามเวลาที่ควรเป็น ก่อนที่จะเกิดปรากฎการณ์ที่พีคออกมาเร็วผิดปรกติตามมาอีก

เมื่อตรวจสอบการตั้งอุณหภูมิ "คอลัมน์" ก็พบว่า หลังจากที่วิเคราะห์ตัวอย่างหนึ่งเสร็จสิ้นแล้ว ก็จะสั่งให้เครื่องลดอุณหภูมิลงมายังอุณหภูมิเริ่มต้นใหม่ และเมื่ออุณหภูมิลดลงมาถึงอุณหภูมิเริ่มต้นแล้วก็จะต้องให้รอเป็นระยะเวลาหนึ่งที่ตัวเครื่องเรียกว่า Equilibrium time ก่อนที่จะทำการวิเคราะห์ตัวอย่างต่อไปได้

ปัญหาที่พบนี้เด่นชัดเมื่อใช้คอลัมน์ "แก้ว" เป็นคอลัมน์วิเคราะห์ ในความเป็นจริงนั้นตัวเครื่องเองไม่ได้วัดอุณหภูมิของ "คอลัมน์" แต่วัดอุณหภูมิของ "อากาศ" ที่อยู่รอบ ๆ คอลัมน์ใน oven ในช่วงที่เพิ่มอุณหภูมิ "อากาศ" ให้สูงขึ้นนั้น อากาศจะถ่ายเทความร้อนให้กับ packing และแก๊สที่ไหลอยู่ในคอลัมน์ และพอลดอุณหภูมิอากาศที่อยู่รอบนอกนั้นให้เย็นลง (ด้วยการระบายอากาศร้อนทิ้งและให้อากาศเย็นภายนอกไหลเข้ามาแทน) ความร้อนที่สะสมอยู่ใน packing ก็จะระบายออกสู่อากาศ แต่ด้วยการที่แก้วนั้นมีค่าการนำความร้อนที่ไม่ดี จึงทำให้แม้ว่าอุณหภูมิอากาศใน oven นั้นอยู่ที่ค่าที่ต้องการแล้ว แต่อุณหภูมิของ packing นั้นยังคงสูงกว่า ทำให้ถ้าตั้งเวลา Equilibrium time ไม่นานพอ การวิเคราะห์ครั้งถัดมาจึงเป็นการวิเคราะห์ที่อุณหภูมิ packing ในคอลัมน์นั้น "สูงกว่า" การวิเคราะห์ครั้งก่อนหน้า จึงทำให้เห็นพีคออกมาเร็วขึ้น เหตุการณ์นี้เคยเล่าไว้ครั้งหนึ่งในเรื่อง "การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๓๐ เมื่อพีค GC ออกมาผิดเวลา (อีกแล้ว)" (วันเสาร์ที่ ๑๖ กรกฎาคม ๒๕๕๔)

ท้ายสุดขอปิดท้ายที่ว่างของหน้าด้วยบรรยากาศแบบเดิมของห้องแลปที่เริ่มเวียนกลับมาอีกครั้ง

#นิทราในแลปแมว

 

Piping and Instrumentation Diagram (P&ID) ของอุปกรณ์ ตอน Storage Tank (ถังเก็บของเหลว) MO Memoir : Sunday 29 January 2560

ถังเก็บของเหลวที่ความดันบรรยากาศ (Atmospheric storage tank) ดูเผิน ๆ ก็ไม่น่าจะมีอะไรบ้าง แต่เอาเข้าจริง ๆ แล้วจะพบว่าตัวอุปกรณ์ประกอบนั้นจะมีมากน้อยเท่าใดขึ้นอยู่กับของเหลวที่ทำการเก็บ พวกของเหลวไวไฟก็มีความต้องการแบบหนึ่ง พวกของเหลวที่มีจุดเดือดสูงมีความหนืดสูงก็มีความต้องการอีกแบบหนึ่ง
 

และจะว่าไปแล้วเรื่องถังเก็บของเหลวที่ความดันบรรยากาศก็เคยเขียนเอาไว้แล้วหลายเรื่องด้วยกัน เช่น
 

ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๓๐๑ วันศุกร์ที่ ๑๓ พฤษภาคม ๒๕๕๔ เรื่อง "การควบคุมความดันในถังบรรยากาศ (Atmospheric tank)"

ปีที่ ๖ ฉบับที่ ๗๑๐ วันเสาร์ที่ ๑๔ ธันวาคม ๒๕๕๖ เรื่อง "เมื่อความดันในถังต่ำกว่าความดันบรรยากาศ"

ปีที่ ๗ ฉบับที่ ๙๑๒ วันอาทิตย์ที่ ๓๑ ธันวาคม ๒๕๕๗ เรื่อง "Breather valve กับ Flame arrester"

ปีที่ ๘ ฉบับที่ ๑๑๗๔ วันศุกร์ที่ ๒๐ พฤษภาคม ๒๕๕๘ เรื่อง "เมื่อความดันในถังเก็บของเหลวที่ความดันบรรยากาศ (Atmospheric tank) ต่ำกว่าความดันบรรยากาศ"

ปีที่ ๘ ฉบับที่ ๑๑๗๕ วันเสาร์ที่ ๒๑ พฤษภาคม ๒๕๕๘ เรื่อง "เมื่อความดันในถังเก็บของเหลวที่ความดันบรรยากาศ (Atmospheric tank) สูงกว่าความดันบรรยากาศ"

รูปที่ ๑ coned roof tank ที่ใช้เก็บของเหลวที่ความดันบรรยากาศ ของเหลวที่เก็บในถังที่เห็นอาจเป็นของเหลวที่ไม่ติดไฟหรือมีอุณหภูมิจุดวาบไฟสูงมาก (ความดันไอต่ำ) จึงทำการติดตั้งเฉพาะท่อ vent ที่ทำหน้าที่ระบายอากาศเข้า-ออกเวลาสูบของเหลวออกจากถังหรือเข้าถัง 
  

นิยามของ "ของเหลวไวไฟ" (Flammable liquid หรือ Inflammable liquid) เป็นสิ่งหนึ่งที่ต้องทำความเข้าใจให้ดี เพราะมันขึ้นอยู่กับสภาพอากาศของแต่ละท้องถิ่น ในประเทศเขตหนาวอาจกำหนดนิยามของเหลวไวไฟโดยดูจากจุดวาบไฟของของเหลวนั้น โดยถือว่าถ้าของเหลวนั้นมีจุดวาบไฟสูงกว่า 37ºC (หรือ 100ºF) จะถือว่าไม่ใช่ของเหลวไวไฟ ไม่จำเป็นต้องเก็บในถังแบบ floating roof หรือถ้าเก็บในถังแบบ coned roof ก็ไม่จำเป็นต้องการใช้ไนโตรเจนป้องกันที่ว่างเหนือผิวของเหลว แต่สำหรับประเทศเขตร้อนและมีแดดแรงอย่างบ้านเรา คงจะใช้อุณหภูมิค่านี้ไม่ได้ ต้องใช้อุณหภูมิค่าที่สูงกว่านี้เป็นตัวกำหนด ทั้งนี้ต้องพิจารณาอุณหภูมิอากาศตลอดช่วงฤดูกาล โดยเฉพาะเวลาที่ถังโดดแสงแดดแรงส่องเป็นเวลานาน
 

ในกรณีของของเหลวที่มีความหนืดสูง (เช่นน้ำมันเตาหรือน้ำมันพืช) มักต้องพิจารณาระบบให้ความร้อนแก่ของเหลวในถังเพื่อให้ความหนืดลดต่ำลงจนสามารถสูบออกมาได้ง่าย ส่วนในกรณีของของเหลวที่มีความดันไอสูงมักต้องพิจารณาการลดการสูญเสียเนื่องจากการระเหย และในกรณีของของเหลวที่ไวไฟยังต้องพิจารณาหามาตรการป้องกันไม่ให้ไอระเหยของของเหลวนั้นผสมกับอากาศจนเกิดเป็นส่วนผสมที่มีความเข้มข้นสูงพอที่สามารถระเบิดได้ และยังต้องคำนึงต่อไปด้วยว่าถ้าเกิดการระเบิดเกิดขึ้น จะจำกัดหรือลดความรุนแรงของความเสียด้วยวิธีการใดด้วย
 

ฉบับนี้ก็เป็นฉบับสุดท้ายของบทความชุด Piping and Instrumentation Diagram (P&ID) ของอุปกรณ์แล้ว คงได้เวลานำไปรวมเป็นรวมชุดบทความร่วมกับเรื่องทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีนเสียที

รูปที่ ๒ บริเวณที่ตั้ง storage tank นั้นจะต้องมีกำแพงป้องกัน เผื่อไว้ในกรณีที่ถังเกิดความเสียหายจนกระทั่วของเหลวในถังรั่วออกมาจนหมด ความสูงของกำแพงนี้ขึ้นอยู่กับพื้นที่ที่ล้อมรอบและขนาดของถังเก็บที่กำแพงล้อมรอบอยู่ กล่าวคืออย่างน้อยถ้าถังเก็บใบใหญ่ที่สุดเกิดพังขึ้นมา กำแพงดังกล่าวจะต้องป้องกันไม่ให้ของเหลวนั้นรั่วไหลออกมาข้างนอกได้ แต่การมีกำแพงก็ทำให้เกิดปัญหาน้ำฝนท่วมขังภายในได้ จึงจำเป็นต้องมีท่อระบายน้ำฝนที่ต้องมีวาล์วปิดเปิด ซึ่งวาล์วปิดเปิดนี้จะต้องปิดอยู่เสมอ จะมาเปิดก็ต่อเมื่อต้องทำการระบายน้ำท่วมขังทิ้ง(เช่นหลังฝนตก) การไม่ได้ปิดวาล์วดังกล่าวเคยส่งผลให้เกิดการระเบิดครั้งใหญ่ในโรงกลั่นน้ำมันแห่งหนึ่ง เพราะมันปล่อยให้น้ำมันที่ไหลล้นถังนั้นรั่วไหลลงท่อระบายน้ำทิ้ง แพร่ออกไปไกลนอกเขตโรงงานจนพบแหล่งจุดระเบิด เกิดการระเบิดย้อนกลับมายังถังเก็บ เรื่องนี้เคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๗ ฉบับที่ ๘๕๑ วันอาทิตย์ที่ ๓๑ สิงหาคม ๒๕๕๗ เรื่อง "การระเบิดที่โรงกลั่นน้ำมันเนื่องจากน้ำมันไหลล้นจาก tank เมื่อวันพฤหัสบดีที่ ๒ ธันวาคม ๒๕๔๒" 
 

รูปที่ ๓ สัญลักษณ์ที่ใช้แสดง coned roof tank เวลาที่วาดลงในP&ID นั้นจะใหญ่แค่ไหนขึ้นอยู่กับว่าต้องการแสดงให้เห็นรายละเอียดอะไรบ้าง

รูปที่ ๔ Gauging hatch เป็นช่องเปิดเล็กอยู่บนหลังคาของ coned roof tank มีไว้สำหรับตรวจสอบระดับของเหลวในถัง (จะด้วยการหย่อนอุปกรณ์วัดระดับหรือตรวจด้วยสายตาก็ตามแต่ ใช้เวลาที่ต้องการตรวจสอบว่าอุปกรณ์วัดระดับของเหลวในถังนั้นวัดระดับได้ถูกต้องหรือไม่) ช่องนี้อาจทำเป็นช่องแยกต่างหากบนหลังคา (ดูรูปที่ ๑) หรือเป็นช่องเล็ก ๆ บนหน้าแปลน manhole ของหลังคาอีกที ช่องนี้ไม่จำเป็นสำหรับ floating roof tank เพราะหลังคาของ floating roof tank มันลอยขึ้นลงตามระดับของเหลวในถังอยู่แล้ว
 

รูปที่ ๕ coned roof tank ที่เก็บของเหลวที่ลุกติดไฟได้ ต้องคำนึงถึงโอกาสที่ส่วนผสมระหว่างไอระเหยของของเหลวที่เก็บไว้ในถังกับอากาศที่มีการรั่วไหลเข้าถัง จะเกิดการระเบิดขึ้นมาได้ ในการนี้เพื่อป้องกันไม่ให้ส่วนลำตัวของถังเกิดความเสียหาย (ที่จะทำให้ของเหลวที่เก็บไว้นั้นทะลักออกมาก่อความเสียหายต่อไปได้อีก) จะออกแบบให้โครงสร้างหลังคา (เช่นตรงรอยเชื่อมระหว่างฝาถังกับลำตัว) นั้นมีความแข็งแรงต่ำกว่าโครงสร้างส่วนลำตัว หรือมีช่องระบายความดันพิเศษ (เช่น blowoff manhole) ที่จะเปิดออกเมื่อเกิดการระเบิดในถัง เป็นการลดความดันในถังลงก่อนที่ส่วนลำตัวจะเกิดความเสียหาย
 

รูปที่ ๖ สัญลักษณ์แสดง floating roof tank ที่มีการติดตั้ง flame arrester ไว้ข้างบนโดยอยู่ตรงกลางท่อ vent ปลายท่อ vent ที่โค้งลงล่างก็เพื่อป้องกันไม่ให้น้ำฝนไหลเข้าไปในถังได้เวลาฝนตก รูปนี้เป็นรูปที่ผมยังไม่เข้าใจเหมือนกันว่าทำไมบนฝา floating roof จึงต้องมีท่อ vent (ซึ่งทำให้ต้องมีการติดตั้ง flame arrester) ในเมื่อมันไม่มีที่ว่างเหนือผิวของเหลว ถ้าเป็น coned roof ก็ว่าไปอย่าง ถ้าจะมีก็ควรเป็นท่อรระบายน้ำฝนเพื่อระบายออกจากฝาถัง

รูปที่ ๗ รูปนี้เป็นรูปตัวอย่าง P&ID ของท่อไอน้ำสำหรับให้ความร้อนแก่ของเหลวในถัง ที่ใช้สำหรับของเหลวที่มีความหนืดสูง (เช่นน้ำมันเตา น้ำมันพืช) จนยากที่จะทำการสูบ หรือเมื่ออากาศเย็นอาจเกิดการแข็งตัวได้ ในกรณีนี้จึงจำเป็นต้องมีการให้ความร้อนแก่ของเหลวในถัง วิธีที่ใช้กันทั่วไปคือการวางขดท่อไอน้ำไว้ภายในถัง เพื่อให้ของเหลวในถังร้อนจนมีความหนืดลดลง ง่ายต่อการสูบจ่าย

รูปที่ ๘ อีกตัวอย่างหนึ่งของ P&ID ของท่อไอน้ำสำหรับให้ความร้อนแก่ของเหลวในถัง เวลาให้ความร้อนก็ให้เฉพาะทางด้านล่าง เพราะของเหลวที่ร้อนจะลอยขึ้นบน ของเหลวที่เย็นและหนักกว่าจะเคลื่อนตัวลงมาข้างล่าง กระติกน้ำร้อนบางยี่ห้อก็ใช้วิธีให้ความร้อนเฉพาะที่พื้นล่างแทนการให้ทางด้านข้าง ทั้งนี้เพื่อจะได้ไม่มีปัญหาในกรณีที่ระดับน้ำในกระติกต่ำเกินไปเหมือนในกรณีที่ให้ความร้อนทางด้านข้าง

รูปที่ ๙ อีกตัวอย่างหนึ่งของ P&ID ของท่อไอน้ำสำหรับให้ความร้อนแก่ของเหลวในถัง รูปนี้เน้นไปที่บริเวณท่อทางเข้าปั๊ม โดยเป็นระบบให้ความร้อนเพื่อลดความหนืดของของเหลวที่ไหลเข้าปั๊ม เพื่อให้ปั๊มทำงานได้สะดวกขึ้น ความแตกต่างของรูปนี้คือตัวขดท่อไอน้ำจะเป็นคล้ายกับชุด tube ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบ shell and tube โดยนำไปประกบเข้ากับหน้าแปลนที่เตรียมไว้และต่อเข้ากับท่อไอน้ำ

รูปที่ ๑๐ โดยทั่วไปการมีน้ำอยู่ในถังน้ำมันก็ไม่ใช่เรื่องผิดปรกติ (เพราะในกระบวนการผลิตนั้นก็มีหลายขั้นตอนเหมือนกันที่มีการใช้ไอน้ำให้ความร้อนแก่น้ำมันด้วยการฉีดไอน้ำผสมเข้าไปในน้ำมันโดยตรง) น้ำที่ตกค้างอยู่ในน้ำมันจะแยกตัวออกจากน้ำมันที่ถังเก็บ จึงจำเป็นต้องมีบ่อรองรับน้ำที่สะสมและต้องคอยระบายออกเป็นระยะ น้ำที่อยู่ในบ่อรองรับนั้นไหลออกมาโดยอาศัยแรงกดจากชั้นน้ำมันที่อยู่เหนือผิวหน้าชั้นน้ำ

รูปที่ ๑๑ สำหรับ coned roof tank ที่เก็บของเหลวที่ไวไฟนั้น เพื่อไม่ให้เกิดไอเหนือผิวของเหลวการระเบิดจึงต้องทำการป้องกันไม่ให้อากาศเข้าไปในถังได้ วิธีการหนึ่งที่ใช้กันก็คือการให้แก๊สเฉื่อย (ปรกติก็คือไนโตรเจน) ไหลเข้าไปในถังจนความดันในถังสูงกว่าความดันบรรยากาศเล็กน้อย โดยอาจต้องยอมให้แก๊สเฉื่อยไหลรั่วออกมาเล็กน้อยบ้าง เพื่อป้องกันไม่ให้อากาศแพร่ย้อนเข้าไปข้างใน แต่ในกรณีที่ความดันภายในถังลดต่ำลงอย่างรวดเร็ว (เช่นถังที่ตากแดดร้อนแล้วเจอฝนตกหนักใส่) จนระบบป้อนแก๊สเฉื่อยจ่ายให้ไม่ทัน จะยอมให้อากาศเข้าไปในถังได้บางส่วนเพื่อป้องกันไม่ให้ถังเกิดความเสียหาย

รูปที่ ๑๒ รูปนี้เป็นตัวอย่าง pressure vessel เก็บของเหลวที่ความดันสูงกว่าบรรยากาศ หรืออาจเป็นถังแยกของเหลวออกจากแก๊ส (เช่นถังเก็บสำรองอากาศอัดความดัน ที่รับอากาศมาจากเครื่องคอมเพรสเซอร์)

"Lead pipe" เรื่องของท่อที่ไม่ใช่ท่อตะกั่ว MO Memoir : Friday 2 January 2558

"Lead" คำ ๆ นี้ในภาษาอังกฤษจะแปลว่าอะไรนั้นขึ้นอยู่กับว่าอ่านออกเสียงอย่างไร
  

ถ้าออกเสียงไปทาง "ลีด" ก็จะแปลว่า นำ นำทาง หรืออะไรทำนองนี้ เช่น cheer leader ที่เราอ่านว่าเชียร์ลีดเดอร์ที่หมายถึงผู้นำการเชียร์
  

ถ้าออกเสียงไปทาง "เลด" ก็จะแปลว่า ตะกั่ว ที่เป็นโลหะชนิดหนึ่ง เช่น unleaded gasoline ที่หมายถึงน้ำมันเบนซินไรสารตะกั่ว
  

แล้วคำว่า "Lead pipe" นี้จะหมายถึงอะไรได้บ้างล่ะ ความหมายเท่าที่ผมรู้จักนั้นก็มีอยู่ ๓ ความหมาย
  

ความหมายแรกคือท่อตะกั่ว (ต้องอ่านเป็น "เลดไปป์") คือท่อที่ทำจากโลหะตะกั่ว ในอดีตตามบ้านเรือนของฝรั่งนั้นจะมีการใช้ท่อตะกั่วทำท่อน้ำในบ้านแต่ในปัจจุบันถูกห้ามใช้แล้วเนื่องจากมีตะกั่วปนเปื้อนในน้ำประปาได้
  

ความหมายที่สองคือส่วนของท่อลมที่ใช้สำหรับการสวมต่อ mouth piece หรือที่เรียกว่า "กำพวด" ในภาษาไทย ในกลุ่มเครื่องดนตรีพวก brass instrument ต่าง ๆ (เช่น ทรัมเปต ทรอมโบน ฯลฯ) (ต้องอ่านเป็น "ลีดไปป์")
  

แต่ที่จะเล่าในที่นี้คือตัว "ลีดไปป์" ที่เป็นท่อสำหรับการเชื่อมต่ออุปกรณ์วัดเข้ากับ process equipment ของโรงงาน

รูปที่ ๑ ตัวอย่างการต่อท่อ lead pipe จากหน้าแปลน orifice ที่ใช้วัดอัตราการไหลในท่อแนวราบ (อันที่จริงมันวัดความดันลดคร่อมแผ่น orifice แล้วค่อยแปลงความแตกต่างดังกล่าวเป็นอัตราการไหลอีกที) ในกรณีนี้ระดับของท่อ lead pipe จุดต่อเข้า pressure transmitter และแนวแกนของท่อที่ต้องการวัดอัตราการไหลควรต้องอยู่ที่ระดับเดียวกัน

  

การควบคุมการผลิตในโรงงานนั้นจะมีการวัดค่าพารามิเตอร์ที่สำคัญต่าง ๆ ที่เห็นวัดกันทั่วไปก็ได้แก่ อุณหภูมิ ระดับ อัตราการไหล และองค์ประกอบ อุปกรณ์ตัวหนึ่งที่มีการใช้กันมากคืออุปกรณ์วัด "ความดัน" เพราะถูกนำไปใช้เมื่อต้องการทราบค่า "ความดัน" ในกระบวนการ ใช้เมื่อต้องการทราบค่า "อัตราการไหล" ของ process fluid ในกระบวนการ โดยคำนวณจากค่าความดันลดระหว่างสองตำแหน่งเมื่อของไหลไหลผ่านสิ่งกีดขวาง (เช่นแผ่น orifice) หรือใช้ในการวัด "ระดับ" ของเหลวในถัง โดยคำนวณจากผลต่างระหว่างค่าความดันที่ก้นถังและเหนือผิวของเหลว

รูปที่ ๒ ตัวอย่างการติดตั้ง differential pressure transmitter (DPT) เพื่อวัดความดันลดคร่อมแผ่น orifice โดยในรูปแบบนี้เป็นกรณีที่ process pipe อยู่สูงแล้วต้องการติดตั้ง DPT ในตำแหน่งที่ต่ำลงมาเพื่อความสะดวกในการตรวจสอบและซ่อมบำรุง ท่อที่ระบุว่า "purge line" นั้นอาจมีการติดตั้งในกรณีที่เกรงว่าท่อ lead pipe อาจะเกิดการอุดตันได้ เช่นกรณีที่มีของแข็งแขวนลอยอยู่ใน process fluid ที่ไหลอยู่ใน process pipe ในกรณีนี้ก็จะมีการติดตั้ง purge line โดยใช้ fluid ชนิดเดียวกับที่ไหลอยู่ใน process pipe อัดสวนกลับเข้าไป เพื่อไม่ให้ของแข็งนั้นเข้ามาใน lead pipe ได้
  

อุปกรณ์วัดความดันหลักที่ใช้ทำหน้าที่นี้เห็นจะได้แก่ differential pressure cell (หรือเรียกย่อว่า DP cell) ที่วัดผลต่างความดันระหว่างสองตำแหน่ง ถ้าหากอุปกรณ์วัดความดันนี้สามารถส่งต่อค่าที่วัดได้ไปยังอุปกรณ์อ่าน/บันทึกค่าที่อยู่ในห้องควบคุม ก็จะเรียกอุปกรณ์วัดความดันนี้ว่า differential pressure transmitter (DPT) การทำงานของ DP cell นี้ใช้การเปลี่ยนแปลงรูปร่างของแผ่นไดอะแฟรมที่ทำจากวัสดุที่มีความยืดหยุ่น ด้านหนึ่งของแผ่นไดอะแฟรมจะต่อเข้ากับด้านความดันสูงของระบบ อีกด้านหนึ่งจะต่อเข้ากับด้านความดันต่ำของระบบ ถ้าความดันระหว่างสองด้านของแผ่นไดอะแฟรมแตกต่างกันมาก แผ่นไดอะแฟรมก็จะเปลี่ยนแปลงรูปร่างไปมาก และขนาดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของแผ่นไดอะแฟรมนี้จะถูกเปลี่ยนเป็นผลต่างความดัน
  

รูปที่ ๓ ตัวอย่างการติดตั้ง lead pipe สำหรับ DPT ที่ใช้วัดระดับผงอนุภาคใน drum โดยด้านหนึ่งของ DPT ต่อเข้ากับตัว drum โดยตรง อีกด้านต่อผ่าน lead pipe เข้ากับทางด้านบนของ drum ท่อ purge line จะมีแก๊ส (ชนิดเดียวกับใน drum) ไหลผ่านเข้าไปใน drum เพื่อป้องกันไม่ให้ผงของแข็งลอยเข้ามาอุดตันท่อ lead pipe ได้
  

การนำ DPT ไปใช้ในการวัดอัตราการไหลนั้นเราไม่สามารถติดตั้ง DPT เข้ากับตัวท่อได้โดยตรง ต้องมีท่อต่อเชื่อมระหว่าง DPT กับตัวท่อที่จุดที่ต้องการวัดความดัน ท่อเชื่อมต่อระหว่าง DPT (หรืออุปกรณ์วัดคุมตัวอื่น) เข้ากับจุดที่ต้องการวัดความดันนี้เรียกว่า "Lead pipe" ส่วนจะทำจากวัสดุชนิดใดนั้นก็ขึ้นอยู่กับกระบวนการ และบ่อครั้งที่เห็นใช้ tube แทน pipe แต่ก็ยังเรียก lead pipe อยู่ดี ไม่ยักเรียก lead tube รูปที่นำมาให้ดูนั้นเป็นตัวอย่างที่นำมาจากเอกสาร Technical requirements สำหรับการติดตั้ง DPT ของกระบวนการผลิตหนึ่ง ซึ่งรูปแบบการติดตั้งอาจเปลี่ยนแปลงไปตามกระบวนการผลิตได้ แต่หลักการพื้นฐานนั้นยังคงเดิมอยู่
  

รูปที่ ๔ ตัวอย่างการติดตั้ง DPT โดยใช้ lead pipe เพื่อใช้วัดระดับของเหลวในถัง การจะมี purge line หรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับของเหลวที่ทำการวัดว่ามีโอกาสทำให้ lead pipe อุดตันหรือไม่ ถ้าต้องมีการใช้ purge line lead pipe ด้านความดันต่ำควรที่จะ purge ด้วยแก๊ส (แบบเดียวกับที่อยู่ใน drum หรือผสมเข้าด้วยกันได้) และด้านความดันสูงก็ควรที่จะ purge ด้วยของเหลว (แบบเดียวกับที่อยู่ใน drum หรือผสมเข้าด้วยกันได้)
  

ท่อ lead pipe ไม่เพียงแต่ช่วยในการเชื่อมต่อ DPT เข้ากับระบบ แต่ยังช่วยป้องกัน DPT จากอุณหภูมิที่สูงของ process fluid ที่ไหลอยู่ภายในท่อหรือบรรจุอยู่ใน drum ด้วย เช่นในกรณีของท่อไอน้ำที่มีการติดตั้ง lead pipe ตามแบบในรูปที่ ๒ ในส่วนของท่อ lead pipe จะมีน้ำที่เป็นของเหลวที่เกิดจากไอน้ำที่ควบแน่นสะสมอยู่ และน้ำส่วนนี้จะเป็นตัวป้องกันไม่ให้ความร้อนของไอน้ำทำอันตรายแก่โครงสร้างของ DPT (แต่ระดับน้ำในท่อด้านความดันสูงและต่ำต้องเท่ากันนะ)
  

และที่สำคัญก็คือท่อ lead pipe นี้ต้องไม่อุดตัน ซึ่งอาจเกิดจากการที่ของเหลวในท่อเกิดการแข็งตัวหรือมีของแข็งสะสมจนอุดตัน ซึ่งอาจทำได้ด้วยการให้ความร้อนแก่ lead pipe (เพื่อการป้องกันการแข็งตัวของของเหลว) หรือด้วยการใช้ purge line ที่ทำการป้อน fluid ที่สะอาด (ที่เป็นของเหลวหรือแก๊สที่เข้ากับระบบได้) เข้าไปในท่อ lead pipe
  

รูปที่ ๕ การเดินท่อ lead pipe สำหรับวัดความดันภายในถังที่มีไอระเหยที่ควบแน่นได้ ด้านหนึ่งของ DPT ต่อเข้ากับ lead pipe ที่ต่อกับ drum ส่วนอีกด้านวัดเทียบกับความดันบรรยากาศภายนอก drum ในกรณีนี้ท่อ lead pipe ต้องมีความลาดเอียงที่เพียงพอที่จะทำให้ของเหลวที่เกิดการควบแน่นในท่อ lead pipe ไหลกลับคืนสู่ drum ได้สะดวก
  

ในรูปที่ ๑ ๒ และ ๔ นั้นจะเห็นว่าก่อนการเชื่อมต่อ lead pipe เข้ากับ DPT จะมีวาล์วอยู่ ๓ ตัว ระบบวาล์ว ๓ ตัวนี้เรียกว่า 3-way maifold โดยวาล์วสองตัวที่อยู่ในท่อ lead pipe ด้านความดันสูงและความดันต่ำนั้นคือ block valve และวาล์วที่อยู่ในท่อเชื่อมต่อระหว่างท่อ lead pipe ด้านความดันสูงและด้านความดันต่ำคือ equalizer valve (ดูรูปที่ ๒) ในระหว่างการใช้งานตามปรกตินั้น block valve ทั้งสองตัวจะเปิดอยู่ ในขณะที่ equalizer valve จะปิด 3-way manifold นี้ใช้ในการ set zero ตัว DPT ถอด DPT ออกจากระบบ และใช้ในการนำ DPT เข้าสู่การทำงาน
  

การ set zero DPT นั้นทำได้ด้วยการปิด block valve ทั้งสองตัวของ 3-way manifold ซึ่งจะเป็นการแยก DPT ออกจากระบบ จากนั้นก็เปิด equalizer valve ซึ่งจะทำให้ความดันทางท่อด้านความดันสูงและท่อความดันต่ำนั้นเท่ากัน ซึ่งควรทำให้ DPT อ่านค่าเป็นศูนย์ ส่วนการถอด DPT ออกจากระบบ (เช่นเมื่อต้องการถอดมาเพื่อการบำรุงรักษาหรือเปลี่ยนตัวใหม่) ก็ทำได้ด้วยการปิด block valve และระบายความดันออกทางด้าน drain valve
  

ในการนำ DPT เข้าสู่การทำงานนั้นขอเริ่มจากการที่ block valve ทั้งสองตัวและ equalizer valve อยู่ในตำแหน่งปิด จากนั้นทำการเปิด equalizer valve จากนั้นให้เปิด block valve "ด้านความดันสูง" อย่างช้า ๆ ซึ่งจะทำให้ความดันทั้งสองด้านของ DPT นั้นเพิ่มสูงขึ้นโดยมีระดับที่เท่ากัน ซึ่ง DPT ควรที่จะอ่านค่าเป็นศูนย์ การทำเช่นนี้ไม่เพียงแค่ช่วยทำให้ตัวแผ่นไดอะแฟรมไม่ต้องเผชิญหน้ากับความดันที่เพิ่มขึ้นสูงอย่างกระทันหัน และยังใช้เป็นการทดสอบด้วยว่าระบบมีการรั่วซึมหรือไม่ หลังจากนั้นจึงปิด equalizer valve (โดยที่ block valve ด้านความดันสูงยังคงเปิดค้างอยู่) และเปิด block valve ด้านความดันต่ำ ก็จะทำให้ DPT เข้าสู่สภาวะการทำงาน
  
เมื่อต้นสัปดาห์ที่ผ่านมามีโอกาสไปลงสังเกตการณ์ภาคสนาม ๒ วัน มีโอกาสได้ร่วมงานกับวิศวกรต่างสาขาและผู้ที่ไม่ได้จบมาทางด้านวิศวกรรมศาสตร์ ได้อะไรต่อมิอะไรกลับมาเล่าให้ฟังหลายอย่าง แต่คิดว่าถ้าเล่าไปเลยก็คงมีจำนวนไม่น้อยที่ไม่เข้าใจ เพราะจำเป็นต้องมีพื้นฐานความรู้ในบางเรื่องก่อนจึงจะฟังรู้เรื่อง เรื่องที่เขียนในบันทึกฉบับนี้ก็เป็นเรื่องหนึ่งของพื้นฐานความรู้ที่จะช่วยในการทำความเข้าใจในเรื่องเล่าถัดไปที่จะตามมา

เมื่อระดับตัวทำละลายใน polymerisation reactor เพิ่มสูงขึ้น MO Memoir : Wednesday 2 May 2555

เรื่องใน Memoir ฉบับนี้ส่วนหนึ่งเกี่ยวข้องกับการวัดระดับของเหลวที่ได้เกริ่นเอาไว้ใน Memoir ฉบับที่แล้ว ผู้ที่ไปนั่งฟังผมบรรยายเมื่อสัปดาห์ที่แล้วก็คงได้ยินผมได้ให้ความเห็นไปส่วนหนึ่งแล้ว แต่ใน Memoir นี้มีรายละเอียดเพิ่มเติมอีก

รูปที่ ๑ เป็นแผนผังอย่างง่ายของเครื่องปฏิกรณ์ผลิต HDPE (High Density Polyethylene) ใน slurry phase ของกระบวนการหนึ่ง 

 

เครื่องปฏิกรณ์พอลิเมอร์ไรซ์ (D1) เป็นระบบถังกวน เฮกเซน (C₆H₁₄) ที่ใช้เป็นตัวทำละลายถูกป้อนเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์ แก๊สเอทิลีน (C₂H₄) โคโมโนเมอร์^(๑) (เช่นโพรพิลีน C₃H₆ หรือบิวทีน C₄H₈) ไฮโดรเจน^(๒) และตัวเร่งปฏิกิริยา^(๓) ต่างถูกฉีดเข้าไปทางด้านล่างของถังปฏิกรณ์แก๊สส่วนหนึ่งจะละลายเข้าไปในเฮกเซนและทำปฏิกิริยากลายเป็นพอลิเมอร์ และส่วนที่เหลือจะอยู่ในรูปของฟองแก๊สลอยขึ้นมาทางด้านบน^(๔)

เมื่อเกิดปฏิกิริยา เอทิลีนและโคโมโนเมอร์จะต่อกันเป็นสายโซ่ที่มีขนาดยาวขึ้น ถ้าสายโซ่ยังยาวไม่มากพอสายโซ่ที่ได้จะยังละลายในเฮกเซน สายโซ่ขนาดนี้เรียกว่าโอลิโกเมอร์ (oligomer) ซึ่งไม่สามารถนำไปใช้เป็นพอลิเมอร์ได้ แต่เมื่อสายโซ่ยาวมากพอสายโซ่นั้นจะรวมกันเป็นผงอนุภาคพอลิเมอร์แขวนลอยอยู่ในตัวทำละลาย เฟสของเหลวที่ได้นี้เป็นเฟสที่เราเรียกว่าสเลอรี (slurry - เฟสที่มีของแข็งแขวนลอยอยู่ในของเหลว)

รูปที่ ๑ แผนผังอย่างง่ายของระบบเครื่องปฏิกรณ์ที่เป็นปัญหา

ความร้อนที่เกิดจากปฏิกิริยาถูกระบายออก ๒ ทางด้วยกัน ทางแรกคือการใช้น้ำหล่อเย็นระบายความร้อนออกจากสเลอรีที่อยู่ในถังปฏิกรณ์ D1 โดยใช้น้ำเข้าไประบายผ่าน jacket ที่อยู่รอบ ๆ ถังปฏิกรณ์ D1 หรือโดยการดึงเอาสเลอรีจากถังปฏิกรณ์ D1 ป้อนไปยังเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (ถ้ามีการติดตั้งเพิ่ม) แล้วส่งวนกลับมาที่ถังปฏิกรณ์ D1 ใหม่อีกครั้ง

แต่การระบายความร้อนส่วนใหญ่เกิดผ่านทางการระเหยของเฮกเซนที่ใช้เป็นตัวทำละลาย โดยใช้การคุมความดันในถังปฏิกรณ์ D1 ให้เฮกเซนเดือดที่อุณหภูมิที่ต้องการทำปฏิกิริยา ไอระเหยของเฮกเซนและแก๊สที่เป็นสารตั้งต้นที่ไม่ทำปฏิกิริยาจะลอยไปยังเครื่องควบแน่น ที่จะทำการควบแน่นทำให้เฮกเซนเป็นของเหลวและป้อนกลับไปยังถังปฏิกรณ์ D1 ใหม่ ส่วนแก๊สที่ไม่ควบแน่นที่เครื่องควบแน่นจะถูกคอมเพรสเซอร์อัดเวียนป้อนกลับไปยังถังปฏิกรณ์ D1 ใหม่

เครื่องปฏิกรณ์ในรูปทำการควบคุมระดับความสูงของของเหลวด้วยการให้สเลอรีในเครื่องปฏิกรณ์ล้นออกทางท่อล้น การไหลออกทางท่อล้นอาศัยแรงโน้มถ่วงของโลก สิ่งที่ไหลออกทางท่อล้นนั้นไม่ได้มีแต่สเลอรี แต่ยังมีแก๊สที่ไม่ทำปฏิกิริยา (ทั้งที่อยู่ในรูปแบบฟองแก๊สและที่ละลายอยู่ในเฮกเซน) ติดไปด้วย ดังนั้นจึงต้องทำการแยกส่วนที่เป็นแก๊สออกก่อนโดยให้สเลอรีไหลไปยังถังแยกของเหลว-แก๊ส (D2) ก่อน แก๊สที่ติดมากับสเลอรีจะย้อนกลับไปยังเครื่องปฏิกรณ์ (D1) ผ่านทางท่อสมดุลความดัน (pressure balance line)

หน้าที่ของท่อสมดุลความดันคือทำให้ความดันเหนือผิวของเหลวในถัง D1 และ D2 เท่ากัน ของเหลวจึงจะไหลจากถัง D1 ไปยังถัง D2 ได้ ถ้าไม่มีท่อสมดุลความดันจะทำให้แก๊สที่ติดมากับสเลอรีนั้นสะสมในถัง D2 ทำให้ความดันในถัง D2 เพิ่มสูงขึ้นและอาจทำให้ของเหลวไม่สามารถไหลจากถัง D1 มายังถัง D2 ได้ 

 

สเลอรีที่แยกออกมาที่ถัง D2 จะถูกส่งต่อโดยความดันภายในถัง D2 ไปยัง Flash drum D3 ความดันใน Flash drum D3 นี้จะต่ำกว่าที่ถัง D2 ดังนั้นแก๊สที่ยังคงละลายอยู่ในเฮกเซนที่ความดันของถัง D2 จะระเหยกลายเป็นไอออกมาที่ถัง D3 แก๊สที่แยกออกมานี้จะถูกส่งต่อไปยังเครื่องควบแน่นและคอมเพรสเซอร์ ส่วนสเลอรีที่ออกมาทางก้นถัง D3 จะถูกส่งต่อไปยัง centrifuge เพื่อเหวี่ยงแยกเอาผงพอลิเมอร์ออกจากเฮกเซน

ที่กล่าวมาข้างต้นคือภาพคร่าว ๆ ของกระบวนการผลิตที่เกี่ยวข้องกับปัญหาที่ผมถูกถามมาเมื่อวันศุกร์ที่ผ่านมาจากการที่ไปบรรยายที่หน่วยงานแห่งหนึ่ง

คำถามที่เขาถามผมคือ "ทำไมเมื่อเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาจาก A ไปเป็น B จึงทำให้ระดับของเหลวในถังปฏิกรณ์ D1 เพิ่มสูงขึ้น"

ตรงนี้ต้องขอกล่าวไว้ก่อนว่า สิ่งที่จะเขียนต่อไปนี้ไม่ได้เป็น "คำตอบ" เพราะผมมีข้อมูลจำกัด ผมให้แต่เพียงแค่ "สมมุติฐาน" ที่ตั้งขึ้นจากข้อมูลที่เขาให้มาและข้อมูลที่ผมมีอยู่ โดยจะสมมุติว่าถ้าผมต้องลงไปตรวจสอบหาสาเหตุ ผมจะตรวจสอบตรงจุดใดบ้าง ส่วนสมมุติฐานข้อไหนเป็นข้อที่ถูกต้องนั้นเขาต้องเป็นคนไปตรวจสอบเอง

สิ่งแรกที่ผมต้องการความชัดเจนก่อนก็คือ เมื่อเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาจาก A ไปเป็น B แล้วเห็นระดับของเหลวในถังปฏิกรณ์ D1 เพิ่มสูงขึ้น และถ้าเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาจาก B กลับมาเป็น A จะเห็นระดับของเหลวในถังปฏิกรณ์ D1 ลดลงเหมือนเดิมหรือไม่

คำตอบก็คือลดลงเหมือนเดิม เหตุผลที่ผมถามคำถามนี้ก็คือผมต้องการความมั่นใจว่าสิ่งที่เห็นดังกล่าวไม่ได้ไปทำให้การทำงานของเครื่องมือวัดผิดพลาด

สิ่งที่สองที่ต้องการความชัดเจนคือ ที่เขาบอกว่าเห็น "ระดับ" ของเหลวในถังเปลี่ยนนั้น เขาวัด "ระดับ" ของเหลวในถังโดยตรงหรือไม่

คำตอบก็คือเขา "ไม่ได้" วัดระดับของเหลวในถังโดยตรง แต่ใช้ differential pressure transmitter วัดความดันแตกต่างระหว่างความดันของแก๊สที่อยู่เหนือผิวของเหลวในถัง D1 กับความดันที่ก้นถัง D1 (ซึ่งเท่ากับความดันแก๊สเหนือผิวของเหลวบวกกับความดันที่เกิดจากความสูงของสเลอรี) จากนั้นจึงใช้ค่า "ความหนาแน่น" ของสเลอรีคำนวณหาค่าความสูงของระดับของเหลวในถังจากสูตร

Δp = ρgh

เมื่อ Δp คือผลต่างระหว่างความดันที่ก้นถัง D1 ลบด้วยความดันเหนือผิวของเหลวในถัง D1

ρ คือความหนาแน่นของสเลอรี

g คือความเร่งเนื่องจากแรงดึงดูดของโลก (9.81 m/s²)

h คือความสูงของระดับของเหลวในถัง

จะเห็นว่าการที่เห็น Δp เพิ่มขึ้นนั้นไม่ได้หมายความว่าค่า h เพิ่มสูงขึ้น ถ้าค่า ρ เพิ่มสูงขึ้นก็สามารถทำให้ค่า Δp เพิ่มขึ้นได้เช่นเดียวกัน ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่ในความเป็นจริงนั้นระดับความสูงของของเหลวในถังไม่ได้สูงขึ้น แต่เครื่องวัดแสดงผลว่าเพิ่มขึ้นเพราะค่า ρ ที่ป้อนให้กับเครื่องวัดนั้นต่ำกว่าค่า ρ ที่แท้จริงของสเลอรี

สิ่งแรกที่ผมคิดว่าควรต้องตรวจสอบก่อนคือ "ระดับที่แท้จริงของของเหลวในถัง" นั้นมีการเปลี่ยนแปลงจริงหรือไม่

สมมุติว่าระดับที่แท้จริงของสเลอรีในถังไม่มีการเปลี่ยนแปลง ตรงนี้ก็ต้องมาพิจารณาดูว่าค่า ρ ที่แท้จริงของสเลอรีนั้นสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามภาวะการทำปฏิกิริยาหรือไม่

ในมุมมองของผมนั้นค่า ρ ที่แท้จริงของสเลอรีจะขึ้นอยู่กับ

(ก) ความหนาแน่นของเฮกเซน

(ข) ปริมาณของโอลิโกเมอร์ที่ละลายอยู่ในเฮกเซน และ

(ค) ปริมาณผงพอลิเมอร์ที่แขวนลอยอยู่ในเฮกเซน

โอลิโกเมอร์และผงพอลิเมอร์นั้นมีความหนาแน่นมากกว่าเฮกเซน ดังนั้นในความเห็นผม การเปลี่ยนชนิดตัวเร่งปฏิกิริยาก็อาจทำให้ได้ปริมาณโอลิโกเมอร์และพอลิเมอร์ที่แตกต่างกันไป ทำให้ความหนาแน่นของสเลอรี (เฮกเซนผสมกับโอลิโกเมอร์และพอลิเมอร์) เปลี่ยนแปลงไปได้

ผมไม่มีข้อมูลว่าในการเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยานั้น พอลิเมอร์ที่ได้มีความหนาแน่นเปลี่ยนไปหรือไม่ ตรงนี้ผมขอตั้งสมมุติฐานว่าถ้าหากตอนที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา A นั้นได้พอลิเมอร์ที่มีความหนาแน่นต่ำกว่าเมื่อใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา B (ดังนั้นโอลิโกเมอร์ที่ได้จากการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา A ก็จะมีความหนาแน่นต่ำกว่าโอลิโกเมอร์ที่ได้จากตัวเร่งปฏิกิริยา B ด้วย) ดังนั้นความหนาแน่นของสเลอรีที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา B จึงน่าจะมีความหนาแน่นสูงกว่าสเลอรีที่ได้จากการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา A ดังนั้นแม้ว่าระดับความสูงที่แท้จริงของสเลอรีในถังไม่ได้สูงขึ้น แต่ความดันก้นถังก็จะเพิ่มขึ้นได้ (ผลจากความหนาแน่นของสเลอรีที่สูงขึ้น) ทำให้คำนวณได้ความสูงของสเลอรีในถังสูงกว่าความเป็นจริง

ทีนี้ถ้าสมมุติว่าระดับความสูงของสเลอรีมีการเพิ่มขึ้นจริง ก็ต้องมาพิจารณาต่อว่ามีปัจจัยอะไรบ้างที่สามารถทำให้การไหลของสเลอรีจากถัง D1 ไปยังถัง D2 มีปัญหา จึงทำให้เกิดการสะสมของสเลอรีในถัง D1 จึงทำให้ระดับความสูงของสเลอรีในถัง D1 เพิ่มสูงขึ้น

ดังนั้นตอนนี้ขอให้เราลองมาพิจารณาดูการไหลของของเหลวในท่อล้นสักนิด (รูปที่ ๒)

รูปที่ ๒ รูปแบบการไหลของของเหลวในท่อล้น (ซ้าย) ไหลไม่เต็มพื้นที่หน้าตัดท่อ (ขวา) ไหลเต็มพื้นที่หน้าตัดท่อ

(ก) ในกรณีที่ของเหลวที่ไหลในท่อล้นนั้นไหล "ไม่เต็ม" พื้นที่หน้าตัดท่อ (รูปที่ ๒ ซ้าย) ความดันเหนือผิวของเหลวในถัง D1 จะถือได้ว่าเท่ากับความดันเหนือผิวของเหลวในถัง D2 (เพราะแก๊สมีการเชื่อมต่อกันได้ทางท่อล้นและท่อสมดุลความดัน) ในกรณีนี้อัตราการไหลของของเหลวจากถัง D1 ไปยังถัง D2 จะไม่ขึ้นกับผลต่างของระดับความสูงของของเหลวในถัง D1 กับ D2 (ไม่ขึ้นกับค่า h1)

(ลองนึกภาพคุณเทน้ำใส่แก้วดูก็ได้ ไม่ว่าคุณจะวางแก้วน้ำบนพื้น บนเก้าอี้ หรือบนโต๊ะ น้ำจะล้นจากแก้วด้วยอัตราเดียวกันกับที่คุณเทเข้าไป)

(ข) ในกรณีที่ของเหลวที่ไหลในท่อล้นนั้นไหล "เต็ม" พื้นที่หน้าตัดท่อ (รูปที่ ๒ ขวา) ซึ่งจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อระดับสเลอรีในถัง D2 นั้นสูงจนกระทั่งปลายท่อล้นที่เชื่อมต่อเข้าถัง D2 นั้นจมอยู่ในระดับผิวสเลอรีในถัง D2 

 

ในกรณีนี้การปรับสมดุลความดันระหว่างถัง D1 และ D2 จะขึ้นอยู่กับปริมาณแก๊สที่ติดเข้ามากับสเลอรีที่ไหลเข้ามาในถัง D2 และขนาดของท่อสมดุลความดัน ซึ่งจะขอพิจารณาแยกเป็นสองกรณีดังนี้

(ข๑) ถ้าท่อสมดุลความดันมีขนาดที่สามารถปรับให้ความดันในถัง D2 เท่ากับถัง D1 ได้ สเลอรีจะสามารถไหลจากถัง D1 ไปยังถัง D2 ได้โดยไม่ติดขัดอะไร

(ข๒) แต่ถ้าท่อสมดุลความดันไม่สามารถระบายแก๊สได้ทัน ทำให้เกิดการสะสมของแก๊สในถัง D2 ความดันเหนือผิวของเหลวในถัง D2 จะสูงขึ้น อัตราการไหลของสเลอรีผ่านท่อล้นจากถัง D1 ไปยังถัง D2 จะลดลง ทำให้ระดับของสเลอรีในถัง D1 เพิ่มสูงขึ้น แต่เมื่อระดับของสเลอรีในถัง D1 เพิ่มสูงขึ้นก็จะทำค่า h2 (ดูรูปที่ ๒ ขวา) เพิ่มสูงขึ้น ซึ่งจะไปทำให้อัตราการไหลของสเลอรีจากถัง D1 ไปยังถัง D2 เพิ่มขึ้น จนในที่สุดระบบก็จะเข้าสู่ค่าสมดุลที่ระดับใหม่

(ค) อีกจุดหนึ่งที่ผมคิดว่าควรตรวจสอบคือความดันในถัง D3 เพราะการไหลของของเหลวจากถัง D2 ไปยังถัง D3 นั้นไม่มีการใช้ปั๊ม (ผมไม่แน่ใจว่าระบบที่แท้จริงของเขาเป็นอย่างนี้หรือเปล่า แต่ผมเข้าใจว่าน่าจะเป็นอย่างนี้) เพราะถ้าความดันในถัง D3 เพิ่มสูงขึ้น ก็จะทำให้การไหลของสเลอรีไหลจากถัง D2 ไปยังถัง D3 ได้ยากขึ้น สเลอรีจึงเกิดการสะสมในถัง D2 ทำให้ระดับสเลอรีในถัง D2 เพิ่มสูงขึ้น ซึ่งถ้าหากระดับสเลอรีในถัง D2 ที่เพิ่มสูงขึ้นนี้สูงท่วมทางออกของท่อล้นที่ต่อเข้าถัง D2 ก็จะส่งผลต่อไปยังระดับสเลอรีในถัง D1 ได้

ในความเป็นจริงความดันในถัง D3 นั้นจะมีโอกาสเพิ่มสูงขึ้นหรือไม่นั้น ผมคิดว่ามันมีโอกาสแต่จะเกิดจากสาเหตุใดนั้นคงไม่สามารถให้ความเห็นใดได้ แต่ถ้ามันไม่มีโอกาสเพิ่มสูงขึ้น สมมุติฐานข้อ (ค) นี้ก็จะตกไป

หวังว่าที่เขียนมาทั้งหมดนี้คงทำให้พวกคุณที่ยังไม่มีความรู้และ/หรือประสบการณ์ทางด้านนี้โดยตรงพอจะมองเห็นภาพต่าง ๆ ได้ชัดเจนมากขึ้น สิ่งที่ผมอยากให้พวกคุณได้เรียนจาก Memoir ฉบับนี้ก็คือในการตั้งคำถามเพื่อหาคำตอบนั้น เราควรพยายามตั้งคำถามให้เป็นกลางและถามคำถามพื้น ๆ ก่อน จากนั้นจึงค่อยนำข้อมูลที่มีอยู่มาทำการพิจารณา 

 

ตัวอย่างคำถามพื้น ๆ ที่ผมยกมาในที่นี้คือเขาบอกว่า "ระดับ" เพิ่มสูงขึ้น แต่ผมกลับถามว่าเขาวัด "ระดับ" โดยตรงหรือวัด "สิ่งอื่นที่ไม่ใช่ระดับ" แต่นำมาคำนวณหา "ระดับ" ซึ่งตรงนี้ถ้าเราคิดว่าทำการวัด "ระดับ" โดยตรง ก็จะทำให้เรามองข้ามสมมุติฐานเรื่อง "ความหนาแน่นมีการเปลี่ยนไปหรือไม่" ได้

ส่วนที่ว่าผมรู้รายละเอียดของกระบวนการนี้ได้ยังไงนั้น บ่ายวันวานบางคนก็ได้ทราบคำตอบแล้ว :)

หมายเหตุ

^(๑) โคโมโนเมอร์ใส่ลงไปเพื่อให้สายโซ่พอลิเมอร์อยู่ห่างจากกัน จะทำให้พอลิเมอร์ที่ได้รับแรงกระแทกได้ดีขึ้น และทำให้ความหนาแน่นของพอลิเมอร์ลดลง (เพราะที่ว่างระหว่างสายโซ่เพิ่มมากขึ้น) โคโมโนเมอร์ที่ใช้มักจะเป็นอัลฟาโอเลฟินส์ (โอเลฟินส์ที่มีพันธะคู่ C=C อยู่ที่คาร์บอนอะตอมแรก) ถ้าใช้โคโมเมอร์โมเลกุลใหญ่เช่น เฮกซีน (C₆H₁₂) หรือออกทีน (C₈H₁₆) พอลิเมอร์ที่ได้อาจกลายเป็น LLDPE แทนที่จะเป็น HDPE

^(๒) ไฮโดรเจนทำหน้าที่เป็นตัวปิดการต่อสายโซ่ให้ยาวขึ้น ถ้าใส่ไฮโดรเจนมากจะทำให้ได้พอลิเมอร์สายโซ่สั้นซึ่งมีความหนืดต่ำไหลได้ง่าย ในทางตรงกันข้ามถ้าใส่ไฮโดรเจนน้อยจะทำให้ได้พอลิเมอร์ที่มีความหนืดสูงไหลได้ยาก การวัดความหนืดของพอลิเมอร์จะวัดด้วยค่า Melt Flow Index (MFI) ซึ่งวัดจากน้ำหนักพอลิเมอร์ที่ไหลผ่านรูเมื่อมีแรงกด ณ อุณหภูมิ ขนาดรู และแรงกดตามที่กำหนด ในเวลาที่กำหนดไว้

^(๓) ระบบตัวเร่งปฏิกิริยา Ziegler-Natta ประกอบด้วยสองส่วน ส่วนแรกเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาหลักซึ่งมักเป็นสารประกอบ Ti บนตัวรองรับ MgCl₂ และส่วนที่สองเป็นสารประกอบอัลคิลกับโลหะ ที่ใช้กันมากที่สุดตัวหนึ่งได้แก่สารประกอบอัลคิลอะลูมิเนียมเช่น triethyl aluminium (Al(C₂H₅)₃)

^(๔) ในทางปฏิบัตินั้นจะควบคุมองค์ประกอบของแก๊สที่ป้อนเข้าถังปฏิกรณ์ D1 แต่ความเข้มข้นที่แท้จริงที่เกี่ยวข้องกับการเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรซ์นั้นคือความเข้มข้นของสารตั้งต้นแต่ละตัวที่ละลายอยู่ในเฮกเซน ไม่ใช่ความเข้มข้นในเฟสแก๊ส ดังนั้นแม้ว่าตัวทำละลายจะไม่เกี่ยวข้องกับกลไกการเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรซ์ แต่ถ้าเปลี่ยนตัวทำละลายก็จะทำให้ค่าการละลายของแก๊สต่าง ๆ เปลี่ยนไปได้ ดังนั้นแม้ว่าจะป้อนแก๊สที่ความเข้มข้นเดียวกัน แต่ใช้ตัวทำละลายต่างกัน ก็มีสิทธิที่จะได้พอลิเมอร์ที่แตกต่างกันได้