เมื่อหมูระเบิด (Pork scratchings explosion) MO Memoir : Monday 13 July 2563

อุตสาหกรรมแปรรูปเนื้อสัตว์ได้พยายามที่จะเอาส่วนต่าง ๆ สัตว์นั้นมาใช้ประโยชน์เป็นอาหารให้เต็มที่ ส่วนไหนที่คนไม่ค่อยกิน (เช่นเครื่องในหรืออวัยวะต่าง ๆ) ก็นำไปผลิตเป็นอาหารสัตว์ หรือไม่ก็นำมาแปรรูปให้เป็นผลิตภัณฑ์ที่มีเสถียรภาพในการเก็บและคนรับประทานได้ และหนึ่งในนั้นก็คือหนังหมูที่คนไทยนำมาทำเป็นแคปหมู (Pork rinds) โดยในต่างประเทศนั้นจะนำเอาหนังหมูที่ผ่านการแยกเอาไขมันออกไปทำผลิตภัณฑ์อื่นแล้ว (หนังหมูตรงนี้ภาษาอังกฤษแบบอังกฤษเรียกว่า scratchings หรือ cracklings (US) ในแบบอเมริกัน) มาทำการบดให้เป็นชิ้นเล็ก ๆ

  

ในเดือนมิถุนายนปีค.ศ. ๑๙๗๙ (พ.ศ. ๒๕๒๒ หรือเมื่อ ๕๑ ปีที่แล้ว) เกิดการระเบิดที่เครื่องจักรผลิตบด cracklings ของโรงงานแห่งหนึ่งในประเทศอังกฤษ ส่งผลให้มีผู้เสียชีวิต ๒ รายและบาดเจ็บ ๑ ราย (รูปที่ ๑)

รูปที่ ๑ ข่าวการระเบิดที่โรงงานทำหมูป่นเพื่อนำไปผลิตเป็นแคปหมู ทำให้มีผู้เสียชีวิต ๒ รายและบาดเจ็บ ๑ ราย

ของแข็งที่มีความเปราะ เราสามารถป่นเป็นผงหรือบดให้ละเอียดได้ง่าย ส่วนของแข็งที่มีความเหนียวนั้นมันทำให้เป็นผงหรือชิ้นเล็ก ๆ ไม่ได้เพราะมันจะยืดตัวออกจากกัน เราทำได้เพียงแค่การตัดหรือสับให้เป็นชิ้นเล็กลง แต่เราก็สามารถแก้ปัญหาได้ด้วยการทำให้มันเย็นจัด แล้วจึงค่อยจัดการป่นให้มันแตกออกเป็นชิ้นเล็ก ๆ ในขณะที่มันเย็นจัดอยู่นั้น การทำให้ชิ้นงานพลาสติกกลายเป็นผงเล็ก ๆ ก่อนทำการวิเคราะห์ด้วยเครื่องมือบางชนิด (เช่นพวกในกลุ่ม thermal analysis) ก็ใช้วิธีการนี้คือ ใช้ไนโตรเจนเหลวเทลงไปบนชิ้นพลาสติก แล้วก็ทำการบดในขณะที่มันเย็นจัดนั้น การจะบดให้เนื้อสัตว์แตกออกเป็นชิ้นเล็ก ๆ ที่ละเอียดก็ทำได้ด้วยวิธีการเดียวกัน

  

การทำความเย็นในอุตสาหกรรมอาหาร มีทั้งการใช้เครื่องทำความเย็น หรือไม่ก็น้ำแข็งแห้งหรือไนโตรเจนเหลว ตรงนี้ขึ้นอยู่กับระดับความเย็นที่ต้องการ ถ้าไม่ต้องการระดับความเย็นที่ต่ำมากก็สามารถใช้เครื่องทำความเย็นได้ เพราะจะใช้ขั้นอตอนทำความเย็นเพียงขั้นตอนเดียว แต่ถ้าต้องการระดับความเย็นที่ต่ำมาก ระบบทำความเย็นจะเริ่มซับซ้อนขึ้น เพราะมันต้องมีระบบทำความเย็นเพื่อการระบายความร้อนออกจากสารทำความเย็นที่อุณหภูมิต่ำเพิ่มเข้ามาอีก 

  

ดังนั้นในกรณีของโรงงานที่ไม่ได้มีความต้องการการทำความเย็นที่ระดับต่ำในปริมาณมาก ก็สามารถใช้น้ำแข็งแห้ง (หรือ dry ice ซึ่งก็คือแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่เย็นจนเป็นของแข็ง จะมีอุณหภูมิประมาณ -78ºC) หรือไนโตรเจนเหลว (liquid nitrogen ที่มีอุณหภูมิประมาณ -196ºC) น้ำแข็งแห้งมันเป็นของแข็ง ใช้รักษาความเย็นในห้องเก็บผลิตภัณฑ์ได้ (เช่นในรถไอติมที่ตระเวณขายตามชุมชนต่าง ๆ) แต่ถ้าต้องการทำให้ผลิตภัณฑ์นั้นเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว การใช้ไนโตรเจนเหลวจะดีกว่าเพราะมันสามารถราดลงไปบนผลิตภัณฑ์นั้นได้เลย

ไนโตรเจนเป็นแก๊สที่ไม่ติดไฟและไม่ช่วยให้ไฟติด ไนโตรเจนเหลวก็ไม่ติดไฟและไม่ช่วยให้ไฟติด แต่มันสามารถทำให้วัสดุที่ปรกติยากจะติดไฟนั้นติดไฟได้ง่ายขึ้นหรือระเบิดได้ง่ายขึ้น ด้วยการที่มันไปควบแน่นออกซิเจนจากอากาศ

รูปที่ ๒ เหตุการณ์โรงงานทำหมูป่นระเบิด จาก ICI Safety Newsletter ฉบับเดือนมีนาคม ๑๙๘๑ (พ.ศ. ๒๕๒๔) ซึ่งน่าจะเป็นเหตุการณ์เดียวกันกับที่เป็นข่าว

อุณหภูมิจุดควบแน่นเป็นของเหลวของแก๊สออกซิเจนนั้นอยู่ที่ประมาณ -183ºC ซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิของไนโตรเจนเหลว ดังนั้นบริเวณรอบ ๆ พื้นผิวที่เย็นจัดอันเป็นผลจากไนโตรเจนเหลว เช่นท่อลำเลียงไนโตรเจนเหลวที่ไม่ได้มีการหุ้มฉนวน บริเวณรอบ ๆ ผิวนอกท่อจะเกิดการควบแน่นของแก๊สออกซิเจนจากอากาศ ทำให้บริเวณนั้นมีความเข้มข้นออกซิเจนสูงกว่าปรกติมาก ดังนั้นถ้าบริเวณด้านนอกท่อนั้นมีเชื้อเพลิงอยู่ เชื้อเพลิงดังกล่าวก็จะติดไฟหรือระเบิดได้ง่ายขึ้น แม้ว่ามันจะมีอุณหภูมิที่ต่ำก็ตาม หรือในกรณีของการใช้ไนโตรเจนเหลวเพื่อทำให้วัตถุนั้นเย็นจัดจนมีอุณหภูมิต่ำพอทำให้ออกซิเจนควบแน่นจากอากาศได้ บริเวณรอบ ๆ วัตถุนั้นก็มีโอกาสที่จะมีความเข้มข้นออกซิเจนสูง วัตถุที่ในสภาพปรกติมันไม่ได้มีอันตรายใด ๆ เลยจากเพลิงไหม้หรือการระเบิด ก็จะกลายเป็นเชื้อเพลิงไวไฟหรือวัตถุระเบิดได้ด้วยการมีออกซิเจนความเข้มข้นสูงล้อมรอบอยู่

 

จริงอยู่ที่ว่าเมื่อเราราดไนโตรเจนเหลวลงไปบนวัตถุนั้น การระเหยของไนโตรเจนก็จะไล่อากาศออกไปนอกบริเวณนั้น ถ้าบริเวณรอบ ๆ นั้นยังมีแก๊สไนโตรเจนที่เกิดจากการระเหยของไนโตรเจนเหลวคงค้างอยู่ มันก็ไม่เป็นไร แต่ถ้าหากแก๊สไนโตรเจนนั้นระบายออกไปแล้วอากาศเข้ามาแทนที่ โดยที่ตัววัตถุนั้นยังคงมีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเดือดของออกซิเจน อันตรายก็จะเกิดขึ้นได้ อย่างเช่นในกรณีที่ยกมาเล่าให้ฟังนี้ ที่ความเข้มข้นของออกซิเจนนั้นเพิ่มจาก 21% เป็น 70%

โดยทั่วไปเมื่อใดก็ตามที่ต้องทำงานกับแก๊สออกซิเจนความเข้มข้นสูงตั้งแต่ 23.5% ขึ้นไป ต้องถือว่ามีอันตรายเทียบเท่ากับการทำงานกับออกซิเจนบริสุทธิ์แล้ว หรือความเข้มข้นออกซิเจนจะต่ำเพียง 5% แต่ถ้าความดันสูงตั้งแต่ 30 bar ขึ้นไป ก็ต้องระวังเหมือนกัน (http://www.airproducts.com/~/media/Files/PDF/company/safetygram-33.pdf)

  

เรื่องนี้บางคนอาจสงสัยว่ามันจัดเป็นกรณีของ dust explosion หรือไม่ แต่จะว่าไปมันก็มีความแตกต่างกันอยู่ ในกรณีของ dust explosion นั้นจะเป็นกรณีของอนุภาคขนาดเล็ก (ที่ติดไฟได้ เช่นแป้งมัน แป้งข้าวต่าง ๆ เส้นใยฝ้าย ผงโลหะบางชนิด) เกิดการฟุ้งกระจายในอากาศที่มีออกซิเจนเข้มข้น 21% แต่ในกรณีของออกซิเจนความเข้มข้นสูงนี้ มันไม่จำเป็นที่เชื้อเพลิงนั้นต้องเป็นผง จะเป็นคนหรือเสื้อผ้าก็ยังได้ (ดูตัวอย่างได้ใน Memoir ปีที่ ๖ ฉบับที่ ๖๘๐ วันจันทร์ที่ ๗ ตุลาคม ๒๕๕๖ เรื่อง "ข้อควรระวังเมื่อใช้ออกซิเจนความเข้มข้นสูง (การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๕๓)")

รูปที่ ๓ ข่าวจากวารสาร New Scientist ฉบับเดือนสิงหาคมปีพ.ศ. ๒๕๒๖ ที่เกี่ยวข้องกับเหตุการณ์เดียวกัน

เรื่องการที่ไนโตรเจนเหลวทำให้ออกซิเจนในอากาศควบแน่นได้นั้น บางทีก็ส่งผลกระทบต่อการวิเคราะห์บางอย่างได้ เช่นการวัดพื้นที่ผิววัสดุมีรูพรุนด้วยเทคนิค BET ที่วัดความสามารถในการดูดซับแก๊สไนโตรเจนของตัวอย่างที่อุณหภูมิจุดเดือดของไนโตรเจนเหลว ถ้าไนโตรเจนเหลวนั้นมีออกซิเจนปนเปื้อน (อันเป็นผลจากการควบแน่นของออกซิเจนในอากาศ) ในระหว่างการวิเคราะห์ จะทำให้อุณหภูมิจุดเดือดของไนโตรเจนเหลวนั้นเพิ่มขึ้นอย่างช้า ๆ ส่งผลให้ผลการวิเคราะห์นั้นผิดเพี้ยนไปได้ ดังจะเห็นได้จากเส้น desoption นั้นต่ำกว่าเส้น adsorption (ดูเรื่องนี้เพิ่มเติมได้ใน Memoir ปีที่ ๙ ฉบับที่ ๑๒๑๘ วันศุกร์ที่ ๑๒ สิงหาคม ๒๕๕๙ เรื่อง "เมื่อเส้น Desorption isotherm ต่ำกว่าเส้น Adsorption isotherm")

ความปลอดภัยในการทำงานและการออกแบบ ตอน คล้าย แต่ไม่เหมือน MO Memoir : Friday 1 February 2562

ในสภาพการทำงานทึ่ดูเผิน ๆ แล้วน่าจะเหมือนกันนั้น เอาเข้าจริง ๆ แล้วด้วยรายละเอียดปลีกย่อยที่แตกต่างกันก็อาจทำให้ความเสี่ยงในการเกิดและรูปแบบการเกิดอุบัติเหตุนั้นแตกต่างกันไปได้ และในทางกลับกันสิ่งในงานที่ดูแล้วไม่น่าจะเหมือนกันเลย กลับมีความเสี่ยงในการเกิดอุบัติเหตุรูปแบบเดียวกันก็ได้
 

ในตอนที่แล้ว (ตอน "ทำไมเมื่อวานจึงไม่เกิดเรื่อง") ได้ยกกรณีตัวอย่างที่ช่างเชื่อมที่ทำการเชื่อมถังอะลูมิเนียม เข้าไปเชื่อมชิ้นส่วนสแตนเลสเพิ่มเติมในวันรุ่งขึ้น ประสบอุบัติเหตุเสียชีวิตจากการขาดอากาศ เนื่องจากลืมปิดวาล์วแก๊สอาร์กอนที่ป้อนไปยังหัวเชื่อมที่ทิ้งไว้ในถังก่อนการเลิกงานในวันก่อนหน้า
 

ทีนี้ถ้าเราลองมาพิจารณาสถานการณ์สมมุติสถานการณ์หนึ่ง ที่เป็นการทำงานแบบเดียวกัน (รูปที่ ๑) แต่เปลี่ยนวัสดุเป็นการเชื่อมชิ้นส่วนเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดาในถังเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดา คุณคิดว่าความเสี่ยงที่ช่างเชื่อมจะพบกับการขาดอากาศหายใจจากการกลับมาทำงานในวันรุ่งขึ้นจะเหมือนกันหรือไม่

รูปที่ ๑ รูปบนเป็นกรณีของการเชื่อมชิ้นส่วนสแตนเลสในถังอะลูมิเนียม ส่วนรูปล่างเป็นกรณีสมมุติของการทำงานแบบเดียวกัน แต่ให้เป็นการเชื่อมชิ้นส่วนเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดาในถังเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดา ความเสี่ยงในการขาดอากาศหายใจจากการกลับมาทำงานในวันรุ่งขึ้นจะเหมือนกันหรือไม่

การเชื่อม TIG (ที่บ้านเราเรียกว่าการเชื่อมติ๊กซึ่งย่อมาจาก Tungsten Inert Gas welding ที่ใช้แก๊สอาร์กอนปกคลุมรอบเชื่อมในระหว่างการเฃื่อม) นั้นนำมาใช้กับการเชื่อมเหล็กกล้าธรรมดาได้ แต่ช่างที่เชื่อมแบบนี้ได้จะมีค่าแรงแพง ดังนั้นถ้าไม่ใช่งานที่จำเป็นต้องการได้รอยเชื่อมที่สมบูรณ์ (เช่นการต่อท่อความดันสูง อุณหภูมิสูง) ก็จะใช้การเชื่อมด้วยธูปเฃื่อมแทน ซึ่งจะถูกกว่าและทำได้ง่ายกว่า
 

แก๊สที่ปกคลุมรอยเชื่อมในขณะที่ทำการเชื่อมด้วยการใช้ธูปเชื่อมเกิดจากฟลักซ์ที่หุ้มลวดเชื่อมอยู่ ดังนั้นจะมีแก๊สเกิดขึ้นเฉพาะช่วงเวลาที่ทำการเชื่อมเท่านั้น การระบายแก๊สออกจากที่ทำงานในขณะที่ทำการเชื่อมจึงเป็นเรื่องสำคัญ แต่ถ้าไม่มีการเชื่อมหรือหยุดงานเชื่อมทั้งหมด ก็จะไม่มีแก๊สเกิดขึ้น ดังนั้นถ้าพิจารณาในแง่นี้ ถ้าเป็นการเชื่อมชิ้นส่วนเหล็กกล้าคาร์บอนในถังเหล็กกล้าคาร์บอนด้วยการใช้ธูปเชื่อม (และไม่มีการทำงานอื่นร่วมด้วย) โอกาสที่จะเกิดเหตุการณ์ที่ว่ามีแก๊สอื่นเข้าไปแทนที่อากาศในถังหลังจากเลิกงานตอนเย็น จนทำให้ผู้ที่เข้าไปทำงานในถังในวันรุ่งขึ้นประสบอุบัติเหตุจากการขาดอากาศหายใจได้จึงไม่น่าจะมี
 

แต่การเชื่อมเหล็กกล้าคาร์บอนแบบที่ใช้แก๊สปกคลุมรอยเชื่อมก็มีเหมือนกัน คือวิธีการที่เรียกว่าเชื่อมมิก (MIG ที่ย่อมาจาก Metal Inert Gas welding) หรือเชื่อม CO₂ ในการเชื่อมนี้จะใช้ลวดโลหะยาวเป็นทั้งขั้วไฟฟ้าและโลหะหลอมเติมแนวรอยเชื่อม กล่าวคือประกายไฟที่เกิดขึ้นระหว่างชิ้นงานและลวดโลหะจะทำให้ชิ้นงานและลวดโลหะหลอมละลายรวมเข้าด้วยกัน แต่ใช้แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) เป็นตัวปกป้องรอยเชื่อมจากอากาศ ดังนั้นถ้าใช้การเชื่อมแบบ MIG นี้ก็จะมีโอกาสที่จะมี CO₂ เข้าไปแทนที่อากาศในถังหลังจากเลิกงานตอนเย็น จนทำให้ผู้ที่เข้าไปทำงานในถังในวันรุ่งขึ้นอาจเสียชีวิตเนื่องจากการขาดอากาศได้
 

(หมายเหตุ : ในการเชื่อม TIG นั้นใช้ขั้วไฟฟ้า (ที่มีแก๊สอาร์กอนป้อนเข้ามา) ที่ทำจากโลหะทังสเตนเป็นตัวทำให้เกิดประกายไฟกับชิ้นงานที่จะเชื่อม แล้วใช้ลวดโลหะป้อนเข้ามาตรงบริเวณประกายไฟนั้น ชิ้นงานและลวดโลหะที่ป้อนเข้ามาจะหลอมเหลวรวมกัน โดยที่ขั้วทังสเตนไม่ได้เกิดการหลอมไปด้วย แต่มันก็สึกหรอบ้างเหมือนกัน)
 

แต่ CO₂ ยังมีอันตรายอีกรูปแบบหนึ่งคือมันส่งผลกระทบต่อการหายใจของคน สามารถทำให้คนเสียชีวิตได้แม้ว่าในอากาศนั้นจะมีปริมาณออกซิเจนที่ระดับปรกติ ระดับ CO₂ ในอากาศที่ประมาณ 7% (70,000 ppm) ขึ้นไปสามารถทำให้คนหมดสติและตามด้วยการเสียชีวิตได้ในเวลาอันสั้น แม้ว่าในอากาศนั้นจะมีออกซิเจนเพียงพอต่อการหายใจก็ตาม ซึ่งตรงนี้แตกต่างไปจากกรณีของแก๊สอาร์กอน ที่มันไม่ก่อให้เกิดปัญหาเช่นนี้

ทีนี้ลองพิจารณาสถานการณ์สมมุติอีกสถานการณ์หนึ่ง เป็นการทำงานเชื่อมโลหะในถังเหมือนกัน แต่เปลี่ยนจากการเชื่อมไฟฟ้าเป็นการเชื่อมแก๊ส (รูปที่ ๒)

รูปที่ ๒ คล้ายกับกรณีในรูปที่ ๑ แต่เปลี่ยนเป็นการเชื่อมแก๊ส

การเชื่อมแก๊สนั้นจะใช้การเผาไหม้แก๊สเฃื้อเพลิง (เช่นอะเซทิลีน แก๊สหุงต้ม) กับแก๊สออกซิไดซ์ (เช่น อากาศที่ป้อนมาจากถังอากาศ ออกซิเจนบริสุทธิ์) อุณหภูมิของเปลวไฟที่ได้ขึ้นอยู่กับการจับคู่แก๊ส เปลวไฟที่เกิดจากการใช้ออกซิเจนเป็นสารออกซิไดซ์จะมีอุณหภูมิสูงกว่าเปลวไฟที่ใช้อากาศเป็นสารออกซิไดซ์ และเปลวไฟที่ใช้อะเซทิลีนเป็นเชื้อเพลิงจะมีอุณหภูมิสูงกว่าเปลวไฟที่ใช้แก๊สหุงต้มเป็นเชื้อเพลิง (แก๊สหุงต้มในที่นี้อาจเป็นโพรเพน (propane C₃H₈) บริสุทธิ์ไปจนถึงบิวเทน (butane C₄H₁₀) บริสุทธิ์ หรือเป็นแก๊สผสมระหว่างแก๊สสองชนิดนี้ อย่างเช่นในบ้านเราจะอยู่ที่ประมาณโพรเพน 60% บิวเทน 40%)
 

ดังนั้นงานนี้ถ้าหากว่ามีการเปิดแก๊สเชื้อเพลิงทิ้งไว้ ก็จะมีโอกาสเกิดอุบัติเหตุ ๒ รูปแบบด้วยกัน รูปแบบแรกคือถ้าหากแก๊สเชื้อเพลิงนั้นเข้าไปแทนที่อากาศไม่เพียงพอต่อการหายใจ ผู้ที่กลับเข้ามาทำงานในวันรุ่งขึ้นก็มีโอกาสที่จะประสบกับเหตุการณ์ขาดอากาศ แต่ถ้าการรั่วของแก๊สเชื้อเพลิงนั้นไม่มากพอที่จะทำให้ผู้กลับเข้ามาทำงานในวันรุ่งขึ้นขาดอากาศหายใจ แต่มากพอที่จะทำให้ส่วนผสมเชื้อเพลิงกับอากาศอยู่ในช่วง explosive limit ดังนั้นถ้าผู้ที่กลับเข้ามาทำงานในวันรุ่งขึ้นจุดไฟเพื่อเริ่มการทำงานเมื่อใด ก็มีโอกาสที่จะเกิดการระเบิดขึ้นในถัง
 

ณ จุดนี้อาจมีคนแย้งว่าเหตุการณ์ดังกล่าวจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อเป็นกรณีของการใช้แก๊สหุงต้มเป็นเชื้อเพลิง เพราะมันเป็นแก๊สที่หนักกว่าอากาศ แต่ถ้าใช้อะเซทิลีน (น้ำหนักโมเลกุล 26) ก็ไม่น่าจะเกิด เพราะอะเซทิลีนเป็นแก๊สที่เบากว่าอากาศ (น้ำหนักโมเลกุลเฉลี่ย 28.84) ดังนั้นถ้าอะเซทิลีนรั่วออกมามันก็ควรจะลอยขึ้นบน ไม่สะสมอยู่เบื้องล่าง
 

การที่แก๊สที่เบากว่าจะลอยขึ้นไปอยู่เหนือแก๊สที่หนักว่าได้นั้น น้ำหนักโมเลกุล (ซึ่งบ่งบอกถึงความหนาแน่นของแก๊ส) ของแก๊สสองชนิดนั้นต้องต่างกันมากพอควร ตัวอย่างที่เห็นได้ง่ายคือกรณีของอากาศที่ประกอบด้วยไนโตรเจน (น้ำหนักโมเลกุล 28) ที่เบากว่าออกซิเจน (น้ำหนักโมเลกุล 32) แต่ในสภาพอากาศปรกติแม้ในที่ปิดก็ตาม เราก็ไม่พบการแยกตัวกันระหว่างไนโตรเจนกับออกซิเจน พูดง่าย ๆ ก็คืออากาศที่ชั้นล่างสุดของอาคารมีสัดส่วนออกซิเจนเป็นอย่างไร อากาศที่ชั้นบนสุดของอาคารก็มีสัดส่วนออกซิเจนแบบเดียวกัน

ถัดไปเราลองมาพิจารณาว่า ถ้าเปลี่ยนเป็นเผลอเปิดแก๊สออกซิไดซ์ทิ้งเอาไว้ จะมีโอกาสเกิดเหตุการณ์อะไรได้หรือไม่ ซึ่งถ้าเป็นกรณีที่แก๊สออกซิไดซ์นั้นเป็นอากาศ มันก็ไม่ควรมีผลอะไร แต่ถ้าแก๊สออกซิไดซ์นั้นเป็นออกซิเจนบริสุทธิ์ จะก่อให้เกิดอันตรายอะไรได้หรือไม่
 

คนเราใช้ชีวิตอยู่ในบรรยากาศออกซิเจนบริสุทธิ์ได้ครับ ปัจจุบันก็มีบางโรงพยาบาลมีให้บริการรักษาโรคบางชนิดหรือบาดแผลที่ผิวหนัง ด้วยการให้ผู้เข้ารับการรักษาเข้าไปอยู่ในตู้ที่บรรยากาศภายในตู้เป็นออกซิเจนบริสุทธิ์ที่เรียกว่าการรักษาแบบ Hyperbaric Oxygen Therapy แต่สิ่งหนึ่งที่บรรยากาศแก๊สออกซิเจนบริสุทธิ์ส่งผลต่อร่างกายหรือเสื้อผ้าที่เราสวมใส่ก็คือ มันทำให้สิ่งเหล่านี้ "ไวไฟมากขึ้น" จนเราคาดไม่ถึงได้

รูปที่ ๓ ฟลาสค์ ๓ คอที่มีการนำมาใช้เป็น saturator ระเหยเอทานอลด้วยแก๊สออกซิเจนบริสุทธิ์แล้วเกิดการระเบิด อ่านเรื่องนี้เพิ่มเติมได้ใน Memoir ปีที่ ๔ ฉบับที่ ๓๖๓ วันศุกร์ที่ ๑๔ ตุลาคม ๒๕๕๔ เรื่อง "อุบัติเหตุจาก saturator"
 

กรณีไฟคลอกในบรรยากาศออกซิเจนบริสุทธิ์ที่เป็นที่รู้จักกันทั่วไปมากที่สุดเห็นจะได้แก่กรณีของยาน Apollo 1 ที่ใช้ออกซิเจนบริสุทธิ์ในตัวยาน ความผิดพลาดของระบบไฟฟ้าในตัวยานในระหว่างการฝึกซ้อมส่งผลให้เกิดไฟไหม้ที่ลุกลามอย่างรวดเร็วและรุนแรง จนทำให้นักบินอวกาศทั้ง ๓ นายที่อยู่ในยานนั้นเสียชีวิต ในกรณีของการเชื่อมโลหะด้วยแก๊สก็เช่นกัน ก็มีบันทึกว่ามีออกซิเจนรั่วออกจากสายยางที่เดินเข้าไปในถัง ทำให้ความเข้มข้นออกซิเจนในถังสูงผิดปรกติ เมื่อคนงานคนหนึ่งทำการจุดไฟแช็คเพื่อสูบบุหรี เขาก็พบว่าเปลวไฟของไฟแช็คสูงผิดปรกติ และบุหรี่ก็ไหม้เร็วกว่าปรกติ แต่ก็ไม่ได้ทำให้เขาฉุกคิดอะไร แต่ในระหว่างการทำงานนั้นปรากฏว่ามีลูกไฟกระเด็นไปโดนเสื้อของผู้ร่วมงานอีกคนหนึ่งที่ทำงานอยู่ใกล้กัน ส่งผลให้เสื้อผ้าของผู้ร่วมงานคนนั้นลุกไหม้ติดไฟอย่างรวดเร็วและลามไปทั่วตัว ส่งผลให้เสียชีวิตในเวลาต่อมา เรื่องนี้เคยเล่าเอาไว้ใน Memoir ปีที่ ๑๐ ฉบับที่ ๑๔๙๕ วันอาทิตย์ที่ ๗ มกราคม ๒๕๖๑ เรื่อง "อุบัติเหตุจากออกซิเจนความเข้มข้นสูง"
 

นอกจากออกซิเจนบริสุทธิ์จะทำให้การเผาไหม้รุนแรงขึ้นมากแล้ว มันยังส่งผลต่อค่า autoignition temperature และ flammability ของสารด้วย (อ่านเพิ่มเติมได้ในบทความชุด "ปัจจัยที่ส่งผลต่อค่า autoignition temperature" และ "ปัจจัยที่ส่งผลต่อค่า flammability limit" บนหน้า blog) ในกรณีของค่า autoignition temperature นั้นบรรยากาศออกซิเจนบริสุทธิ์มีแนวโน้มที่จะทำให้ค่าดังกล่าวลดต่ำลง ซึ่งอาจถึงลดต่ำกว่าค่าที่วัดในอากาศปรกติได้มากกว่า 100ºC

รูปที่ ๔ ขวดแก้วที่มีการนำมาใช้ทำเป็น saturator ระเหยเอทานอลด้วยออกซิเจนบริสุทธิ์และเกิดการระเบิดขึ้น เหตุการณ์นี้เคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๑๐ ฉบับที่ ๑๔๒๖ วันจันทร์ที่ ๒๑ สิงหาคม ๒๕๖๐ เรื่อง "อุบัติเหตุจาก saturator (๒)"

เหตุการณ์ที่เคยพบก็คือการที่นิสิตใช้ออกซิเจนบริสุทธิ์ระเหยเอทานอลจาก saturator เพื่อก่อนป้อนเข้า reactor (ที่ทำงานที่อุณหภูมิสูง) ผลก็คือเกิดการระเบิดที่ saturator ที่ใช้ดัดแปลงมาจากอุปกรณ์ที่ทำจากแก้ว (รูปที่ ๓ และ ๔) ในเหตุการณ์นี้เชื่อว่าไอผสมของออกซิเจนบริสุทธิ์กับเอทานอลคงเกิดการลุกไหม้ที่ตัว reactor และเกิดเป็นไฟวิ่งย้อนกลับมายัง saturator ที่เต็มไปด้วยไอระเหยของเอทานอล ก็เลยเกิดการระเบิดขึ้น โดยในช่วงแรกที่อุณหภูมิ reactor ยังต่ำนั้นแก๊สผสมยังไม่เกิดการลุกไหม้ แต่เมื่ออุณหภูมิ reactor สูงถึงระดับหนึ่ง (โดยอาจมีตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยด้วย) ก็เลยเกิดการลุกไหม้
 

มีหน้ากระดาษว่างเกือบเต็มหน้าก็ไม่รู้จะเขียนอะไรต่อแล้ว ก็เลยขอนำเอาภาพบรรยากาศนิสิตในที่ปรึกษาขณะกำลังทำงานในแลปแมวที่ถ่ายเอาไว้เมื่อวานมาลงไว้เป็นที่ระลึกก็แล้วกัน :) :) :)

(หมายเหตุ : บทความชุด "ความปลอดภัยในการทำงานและการออกแบบ" นี้จัดทำขึ้นเพื่อขยายความสไลด์ประกอบการสอนวิชา "2105689 การออกแบบและดำเนินการกระบวนการอย่างปลอดภัย (Safe Process Operation and Desing)" ที่เปิดสอนให้กับนิสิตระดับปริญญาโท ภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย เป็นครั้งแรกในภาคการศึกษาปลาย ปีการศึกษา ๒๕๖๑)

การกำจัดสิ่งปนเปื้อนจากเอทิลีน (Ethylene purification) MO Memoir : Tuesday 8 May 2561

เอทิลีน (Ethylene H₂C=CH₂) เป็นโอเลฟินส์ตัวหลักสำหรับอุตสาหกรรมปิโตรเคมี วิธีการผลิตหลักที่ใช้กันก็คือกระบวนการ thermal cracking หรือแตกตัวด้วยความร้อน กล่าวคือจะนำไฮโดรคาร์บอนไหลผ่านท่อที่มีเปลวไฟให้ความร้อนอยู่ภายนอก โมเลกุลขนาดใหญ่ของไฮโดรคาร์บอนเมื่อได้รับความร้อนที่สูงพอก็จะแตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลง ส่วนที่ว่าต้องใช้อุณหภูมิสูงเท่าใดนั้นก็ขึ้นอยู่กับขนาดโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนที่เป็นสารตั้งต้น กล่าวคือถ้าสารตั้งต้นเป็นไฮโดรคาร์บอนเบา (เช่นอีเทน) ก็จะใช้อุณหภูมิที่สูง (เช่นราว ๆ 800-1000ºC) แต่ถ้าสารตั้งต้นเป็นไฮโดรคาร์บอนหนัก (เช่นแนฟทาหรือหนักไปจนถึงระดับน้ำมันเตา) ก็จะใช้อุณหภูมิที่ลดต่ำลง
 

ตามหลักสมดุลเคมีของเลอชาเตอลิเอ (Le Chatelier's principle) แล้ว ปฏิกิริยาในเฟสแก๊สที่มีจำนวนโมลผลิตภัณฑ์มากกว่าโมลสารตั้งต้นจะเกิดได้ดีขึ้นที่ความดันที่ต่ำลง ปฏิกิริยาที่ไฮโดรคาร์บอนหนักแตกตัวเป็นเอทิลีนนั้นก็เป็นปฏิกิริยาที่มีจำนวนโมลเพิ่มมากขึ้น (คืออย่างน้อยก็มีการเกิดแก๊สไฮโดรเจนขึ้น) ดังนั้นเพื่อให้ปฏิกิริยาดำเนินไปข้างหน้าได้ดีขึ้นจึงมีการผสมไอน้ำเข้าไปกับไฮโดรคาร์บอนเพื่อไปลดความดันย่อยของไฮโดรคาร์บอนให้ลดต่ำลง เพื่อให้ปฏิกิริยาการแตกตัวนั้นเกิดได้ดีขึ้น แต่ก็ใช่ว่าการทำเช่นนี้จะไม่มีข้อเสียอะไรเลย
 

เนื่องจากปฏิกิริยาเกิดที่อุณหภูมิสูง โลหะที่ใช้ทำท่อที่รับความร้อนจากเปลวไฟจึงต้องสามารถทนอุณหภูมิที่สูงได้ โลหะที่ใช้จึงเป็นพวกเหล็กกล้าผสมสูง (high alloy steel) และหนึ่งในแร่ธาตุที่เป็นองค์ประกอบของโลหะดังกล่าวคือนิเกิล (Ni) แต่แม้ว่าโลหะนิเกิลที่ผสมเข้าไปนั้นทำให้ท่อโลหะผสมทนต่ออุณหภูมิสูงได้ แต่ตัวนิเกิลเองก็เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำให้เกิดสารประกอบไฮโดรคาร์บอนหนักที่เรียกว่า coke เกาะบนผิวด้านในของท่อได้ coke เป็นสารประกอบคาร์บอนโมเลกุลใหญ่ที่คงสภาพเป็นของแข็งอยู่ได้ที่อุณหภูมิสูง coke เกิดจากโอเลฟินส์โมเลกุลเล็กสลายตัวและคายโมเลกุลไฮโดรเจนออกมา (ซึ่งปฏิกิริยานี้ก็เกิดได้ดีที่ความดันต่ำเช่นกัน) จนในที่สุดนำไปสู่การเกิดโครงสร้างที่แทบจะมีแต่คาร์บอนเป็นองค์ประกอบหลัก coke ที่เกาะบนผิวท่อจะไปลดการส่งผ่านความร้อนจากภายนอกให้กับแก๊สที่ไหลอยู่ภายในนั้นให้ต่ำลง และถ้าการสะสม coke ดังกล่าวเกิดขึ้นเฉพาะจุดใดจุดหนึ่งบนผิวท่อ ก็อาจทำให้ผิวท่อตรงตำแหน่งที่ coke สะสมมากเป็นพิเศษนั้นร้อนจัดจนเกิดความเสียหายได้
 

ไอน้ำที่เติมเข้าไปไม่เพียงแต่จะไปลดความดันย่อยในระบบให้ต่ำลง แต่ยังไปเพิ่มอัตราการไหลของแก๊สในท่อให้สูงขึ้น อัตราการไหลที่สูงขึ้นจะช่วยในการเฉือนของแข็งที่เกาะผิวท่อนั้นออกไป แต่ถ้าสูงเกินไปก็จะทำให้เกิด erosion มากตามไปด้วย โดยเฉพาะตรงตำแหน่งข้องอ ในขณะเดียวกันด้วยอุณหภูมิที่สูง ไอน้ำบางส่วนจะเข้าทำปฏิกิริยากับสารตั้งต้นที่ทำให้เกิด coke ทำให้โมเลกุลสารตั้งต้นเหล่านั้นสลายตัวกลายเป็นแก๊สไป (โดยอาศัยอะตอมไฮโดรเจนจากไอน้ำ)
 

ปรกติไฮโดรคาร์บอนที่เป็นของเหลวจะมีสารประกอบกำมะถันอินทรีย์ปะปนอยู่ ปริมาณสารประกอบกำมะถันที่ปะปนอยู่นี้จะเพิ่มตามจุดเดือดของไฮโดรคาร์บอน กล่าวคือยิ่งเป็นน้ำมันหนักก็จะยิ่งมีสารประกอบกำมะถันปะปนอยู่มากขึ้น สารประกอบกำมะถันนี้เป็น catalyst poison (สารที่เป็นพิษต่อตัวเร่งปฏิกิริยา) ในหลากหลายปฏิกิริยา แต่สำหรับปฏิกิริยา thermal cracking แล้วการมีสารประกอบกำมะถันจัดว่าเป็นข้อดี เพราะมันเป็นพิษต่อโลหะ Ni ที่ผสมอยู่ในเนื้อโลหะ ทำให้ความสามารถของอะตอม Ni ในการเร่งปฏิกิริยาการเกิด coke ลดต่ำลง จึงช่วยลดการเกิด coke ได้ แต่สำหรับไฮโดรคาร์บอนเบา (เช่นพวก C₂-C₄ หรือแนฟทาเบา) อาจไม่มีสารประกอบกำมะถันปะปนอยู่หรือมีอยู่ในปริมาณที่ต่ำเกินไป ในกรณีนี้ก็ต้องมีการผสมสารประกอบกำมะถันเข้าไปกับไฮโดรคาร์บอนก่อนป้อนเข้าเตา cracker ตัวอย่างของสารประกอบกำมะถันที่ผสมเข้าไปได้แก่ dimethyl sulphide (H₃C-S-CH₃) และ dimethyl disulphide (H₃C-S-S-CH₃)
 

ที่ร่ายยาวมาหนึ่งหน้ากระดาษก็ไม่ใช่อะไรหรอกครับ ก็เพื่อต้องการจะแสดงให้เห็นว่าเอทิลีนที่ผลิตได้นั้นมีสารประกอบที่มีอะตอม O และอะตอม S ปะปนอยู่ได้อย่างไร ก็เพราะว่ามันมากับไอน้ำและสารประกอบกำมะถันที่เติมเข้าไปก่อนการเกิดปฏิกิริยา thermal cracking นั่นเอง
 

เอทิลีนที่โรงโอเลฟินส์ผลิตได้นั้นก็มีโอกาสที่จะมีสารปนเปื้อนที่มีขนาดโมเลกุลเล็กและมีจุดเดือดต่ำเช่น แก๊สออกซิเจน (O₂) อะเซทิลีน (acetylene HCCH) คาร์บอนมอนออกไซด์ (carbon monoxide CO) และไฮโดรเจนซัลไฟล์ (hydrogen sulphide H₂S) ที่สามารถหลุดรอดผ่านกระบวนการกลั่นแยกโอเลฟินส์ที่ใช้อุณหภูมิที่ต่ำได้ เมื่อโรงงานที่อยู่ทางด้าน dowstream เช่นโรงงานผลิตพอลิเอทิลีนจะรับเอาโอเลฟินส์เหล่านี้ไปใช้งาน ก็ต้องมีการพิจารณว่าปริมาณสิ่งปนเปื้อนเหล่านี้ (ซึ่งต่างเป็นสิ่งที่เป็นพิษต่อตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในการสังเคราะห์พอลิโอเลฟินส์นั้น) อยู่ในระดับที่ยอมรับได้หรือไม่ ถ้าพบว่ามันมีอยู่ในระดับที่สูงเกินไปก็ต้องทำการกำจัดมันออกจากเอทิลีนก่อนที่จะเอาเอทิลีนไปเข้ากระบวนการ 
  

สารที่เป็นพิษต่อตัวเร่งปฏิกิริยาหรือ catalyst poison นี้อาจเข้าไปทำลายตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างถาวร หรือเข้าไปหน่วงให้การเกิดปฏิกิริยาที่ต้องการนั้นลดต่ำลง กระบวนการผลิตพอลิโอเลฟินส์เช่นพอลิเอทิลีนและพอลโพรพิลีนที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาตระกูล Ziegler-Natta นั้นในระหว่างการทำปฏิกิริยาจะมีการเติมตัวเร่งปฏิกิริยาเข้าไปในระบบตลอดเวลา เพราะเมื่อเกิดพอลิเมอร์ขึ้น พอลิเมอร์จะห่อหุ้มตัวเร่งปฏิกิริยานั้นเอาไว้และนำพาเอาตัวเร่งปฏิกิริยาติดออกจาก reactor ไปพร้อมกับผงพอลิเมอร์ที่ออกไปด้วย ในกรณีที่สิ่งปนเปื้อนนั้นไม่ส่งผลต่อตัวเร่งปฏิกิริยาหรือคิดว่าการยอมสูญเสียตัวเร่งปฏิกิริยาไปบางส่วนนั้นคุ้มค่ากว่าการต้องมีหน่วยกำจัดสิ่งปนเปื้อน ก็ไม่จำเป็นต้องมีหน่วยกำจัดสิ่งปนเปื้อนออกจากเอทิลีน (เพราะมันก็มีต้นทุนในการติดตั้งและเดินเครื่องหน่วยนี้อยู่เหมือนกัน)

รูปที่ ๑ กระบวนการกำจัด O₂ และ CO ออกจากเอทิลีน โดยในเบดแรกนั้นทำการกำจัด O₂ ก่อนด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะ Cu ส่วนในเบดที่สองนั้นจะทำการกำจัด CO ออกด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะออกไซด์ CuO รูปนี้นำมาจากเอกสารเรื่อง "Adsorbent Product Application Technology Considerations in the Production of Polyolefins" ซึ่งเป็น newsletter ของบริษัทUOP
 

เคยได้ยินเหมือนกันเรื่องของกระบวนการผลิตพอลิเอทิลีนกระบวนการหนึ่ง ที่เจ้าของเทคโนโลยีระบุว่าเอทิลีนที่มีใช้ต้องมีความบริสุทธิ์สูง ทำให้โรงงานต้องติดตั้งหน่วยกำจัดสิ่งปนเปื้อนออกจากเอทิลีน แต่เอาเข้าจริงพบว่าตัวเร่งปฏิกิริยามีความว่องไวสูงมากจนไม่สามารถควบคุมอุณหภูมิได้ (ปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์เป็นปฏิกิริยาคายความร้อนมากอยู่เหมือนกัน) เลยต้องมีการ bypass หน่วยกำจัดสิ่งปนเปื้อนนี้ เพื่อให้สิ่งปนเปื้อนเข้าไปลดความว่องไวของตัวเร่งปฏิกิริยาให้ต่ำลงจนสามารถควบคุมอัตราการเกิดปฏิกิริยาได้
 

สิ่งปนเปื้อนที่ติดมากับเอทิลีนนั้นมีปริมาณในระดับ ppm (จะเรียกว่าระดับ 0.xxx หรือ xx.0 ppm ก็ได้) และด้วยความเข้มข้นที่ต่ำระดับนี้วิธีการกำจัดจึงมักใช้สารดูดซับหรือตัวเร่งปฏิกิริยา โดยใช้สารดูดซับจับเอาสิ่งปนเปื้อนเอาไว้ หรือไม่ก็ทำการเปลี่ยนสิ่งปนเปื้อนนั้นให้กลายเป็นสารอื่นที่ไม่เป็นพิษต่อตัวเร่งปฏิกิริยาหรือกำจัดออกได้ง่ายขึ้น และวิธีการหนึ่งที่ใช้ในการกำจัด O₂ และ CO ก็คือ การให้ O₂ นั้นทำปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นโลหะเพื่อเปลี่ยนโลหะนั้นให้กลายเป็นโลหะออกไซด์ และให้ CO ทำปฏิกิริยากับตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดโลหะออกไซด์โดยให้ CO ไปรีดิวซ์โลหะออกไซด์ให้กลายเป็นโลหะ ส่วน CO นั้นก็จะเปลี่ยนไปเป็น CO₂ ที่ง่ายต่อการกำจัดออกมากขึ้น และตัวเร่งปฏิกิริยาตัวหนึ่งที่ใช้กันก็คือตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะทองแดง (Cu) และทองแดงออกไซด์ (CuO)
 

อันที่จริงตัวเร่งปฏิกิริยาทั้งสองก็เป็นตัวเดียวกัน คือมันจะมาในรูปของ CuO ถ้าจะใช้เพื่อการกำจัด O₂ ก็ต้องทำการรีดิวซ์ด้วยไฮโดรเจนให้กลายเป็น Cu ก่อนใช้งาน ในระหว่างการทำงานมันก็จะเปลี่ยนรูปไปเป็น CuO และพอเปลี่ยนรูปไปจนหมดก็ต้องทำการรีดิวซ์ให้กลับมาเป็น Cu ใหม่เพื่อใช้งานใหม่ แต่ถ้าใช้เพื่อกำจัด CO ก็ใช้ในรูปของ CuO เลย โดย CO จะไปรีดิวซ์ CuO ให้กลายเป็น Cu แล้วตัวมันจะกลายเป็น CO₂ ไป พอ CuO ถูกรีดิวซ์เป็น Cu หมด ก็ต้องทำการออกซิไดซ์ใหม่ด้วย O₂ เพื่อให้มันกลายเป็น CuO จะได้นำกลับมาใช้งานได้ใหม่
 

ดู ๆ แล้วก็น่าคิดนะครับว่ามันน่าจะมีเบดเดียวที่มีทั้ง Cu และ CuO รวมกันอยู่ก็น่าจะพอ แต่ทำไมต้องมีสองเบดแยกกันกำจัดด้วยด้วย เหตุผลหนึ่งก็คือการกำจัด CO ต้องการอุณหภูมิที่สูงกว่า ส่วนปฏิกิริยาการกำจัด O₂ นั้นแม้ว่าจะเกิดที่อุณหภูมิสูงได้ แต่มันเป็นปฏิกิริยาคายความร้อนสูง ที่อาจทำให้เกิด hot spot ขึ้นในระบบได้ถ้าระบบมีออกซิเจนมากและใช้อุณหภูมิสูงเกินไปในการทำปฏิกิริยา

รูปที่ ๒ ปฏิกิริยาที่เกิดในเบดที่ใช้กำจัด O₂ และ CO
 

ตัวเร่งปฏิกิริยา CuO นี้ยังทำหน้าที่กำจัดสารประกอบกำมะถันเช่น H₂S ได้นะครับ (ปฏิกิริยาในรูปที่ ๒) แต่มีข้อแม้ว่าในแก๊สนั้นต้องไม่มีอะเซทิลีน (C₂H₂) อยู่ด้วย เพราะอะเซทิลีนสามารถทำปฏิกิริยากับโลหะ Cu กลายเป็นสารประกอบ copper acetylide ที่ไวต่อแรงกระแทกและความร้อน จัดเป็นวัตถุระเบิดแรงสูง จนทำให้มีข้อห้ามในการใช้ชิ้นส่วนที่เป็นโลหะทองแดงในระบบที่ต้องสัมผัสกับแก๊สอะเซทิลีน
 

ดังนั้นในกรณีที่เอทิลีนนั้นมีอะเซทิลีนปนอยู่ด้วย ก็ต้องทำการกำจัดอะเซทิลีนออกก่อน วิธีการที่ใช้กันก็คือปฏิกิริยา acetylene hydrogenation คือทำการเติมไฮโดรเจนให้กับอะเซทิลีนเพื่อเปลี่ยนมันให้กลายเป็นเอทิลีน ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นโลหะ และปริมาณไฮโดรเจนที่เติมเข้าไปต้องเพียงพอที่จะกำจัดอะเซทิลีนได้หมดแต่ต้องไม่มากจนเหลือเปลี่ยนเอทิลีนให้กลายเป็นอีเทน ซึ่งเป็นการสูญเสียผลิตภัณฑ์เอทิลีนไป
 

อันที่จริงทั้ง H₂S และ CO ต่างก็เป็น catalyst poison ของตัวเร่งปฏิกิริยา acetylene hydrogenation แต่ตัว CO นั้นถ้ามีในปริมาณที่เหมาะสมจะทำให้การควบคุมการเติมไฮโดรเจนให้กับอะเซทิลีนโดยไม่เกิดการเติมไฮโดรเจนให้กับเอทิลีนนั้นทำได้ง่ายขึ้น ดังนั้นถ้าในแก๊สผสมนั้นมีสารประกอบกำมะถันอยู่ด้วย ก็ต้องกำจัดสารประกอบกำมะถันออกก่อนการกำจัดอะเซทิลีน กำจัดกำมะถันเสร็จก็ต้องกำจัดอะเซทิลีนเพื่อป้องกันไม่ให้มันไปทำปฏิกิริยากับโลหะ Cu ที่ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยากำจัด O₂ และ CO จากนั้นจึงค่อยกำจัด O₂ ที่อุณหภูมิต่ำก่อนกำจัด CO เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิด hot spot ขึ้นในเบด พอกำจัด CO เสร็จก็จะเกิด CO₂ ขึ้นซึ่งต้องมาทำการกำจัดกันต่ออีก CO₂ ในปริมาณต่ำมากเช่นนี้กำจัดได้ด้วยการให้มันทำปฏิกิริยากับเบสที่เป็นของแข็งเช่น KOH (ที่จะเปลี่ยนสภาพไปแบบไม่ผันกลับ และมันก็เป็นเบสที่แรงกว่า NaOH) และเพื่อจะให้กำจัด CO₂ ได้ดีก็ควรต้องมีการเติมน้ำให้กับเบด KOH เล็กน้อย ดังนั้นเอทิลีนที่ผ่านการกำจัด CO₂ แล้วก็จะมีไอน้ำปะปนมา จึงต้องมีหน่วยกำจัดไอน้ำออกอีกโดยอาศัยการดูดซับด้วยสารดูดความชื้น (เช่นพวก molecular sieve ต่าง ๆ) ก่อนที่จะนำเอทิลีนไปใช้ในกระบวนการพอลิเมอร์ไรซ์ต่อไป (รูปที่ ๓)

รูปที่ ๓ ตัวอย่างการจัดวางลำดับหน่วยกำจัดสารปนเปื้อนออกจากเอทิลีน

ที่เล่ามาก็คือเทคโนโลยีทีมีโอกาสได้ไปเรียนรู้มาสมัยจบใหม่ ๆ และทำงานก่อสร้างโรงงาน (ก็เมื่อ ๓๐ ปีที่แล้ว) ถือเสียว่าเป็นบันทึกความทรงจำส่วนตัวว่าเคยได้เรียนรู้อะไรมาบ้าง และเป็นการยกตัวอย่างการออกแบบกระบวนการก็แล้วกันนะครับว่า ถ้าหากมีสารที่ต้องการกำจัดอยู่หลายตัว ควรที่จะเลือกกำจัดสารตัวไหนเรียงลำดับกันอย่างไร และด้วยเหตุผลใด

อุบัติเหตุจากออกซิเจนความเข้มข้นสูง MO Memoir : Sunday 7 January 2561

"แค่ไหนจึงจะเรียกว่าออกซิเจนความเข้มข้นสูง" นี่คงเป็นสิ่งแรกที่ต้องนิยามกันก่อน อากาศที่เราหายใจและอยู่ล้อมรอบตัวเรานั้นมีออกซิเจนอยู่ 21% แต่เมื่อใดก็ตามที่ความเข้มข้นออกซิเจนเพิ่มเป็น 25% หรือสูงกว่านี้ พฤติกรรมการเผาไหม้เชื้อเพลิงต่าง ๆ จะเปลี่ยนไปมาก กล่าวคือ เกิดได้รวดเร็วและรุนแรงมากขึ้น
 

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้มาจาก Loss Prevention Bulletin ฉบับที่ ๒๐ ประจำเดือนเมษายน ปีค.ศ. ๑๙๗๘ (พ.ศ. ๒๕๒๑) ในหัวข้อเรื่อง "Hazard of gas cylinder" โดยเลือกมาเฉพาะเรื่องเกี่ยวกับออกซิเจนความเข้มข้นสูง

เรื่องที่ ๑ ปิดวาล์วหัวถังแล้ว ต้องลดความดันด้านขาออกและคลายตัว pressure regulator ด้วย

"ถังแก๊สความดันสูง" มีลักษณะเป็นทรงกระบอกผอมสูง (ประมาณ 1.5 เมตร) คนทั่วไปอาจจะเรียกว่าเป็น "ถังแก๊ส" แต่สำหรับผู้จำหน่ายแล้วจะเรียกว่าเป็น "ท่อแก๊ส" แต่ในที่นี้เพื่อป้องกันความสับสน จะขอใช้คำว่า "ถังแก๊ส" กับ gas cylinder และใช้คำว่า "ท่อแก๊ส" กับระบบท่อ (piping หรือ tubing) ปรกติที่ใช้กันอยู่นั้น ทางผู้ผลิตจะอัดความดันมาที่ประมาณ 120 bar ซึ่งคิดเป็นปริมาตรแก๊สที่ความดันและอุณหภูมิห้องได้ประมาณ 6 m³

รูปที่ ๑ Pressure regulator ที่ใฃ้กับถังแก๊ส (1) คือวาล์วหัวถังที่ต้องปิดทุกครั้งเมื่อไม่ใช้งาน (2) คือเกจวัดความดันภายในถัง ที่จะแสดงค่าความดันภายในถังเมื่อเปิดวาล์ว (1) (3) คือวาล์วที่ใช้ปรับแรงดันด้านขาออก (pressure control screw) ถ้าหมุนขันอัดลงไปจะทำให้ความดันด้านขาออกเพิ่มขึ้น แต่ถ้าหมุนคลายออกมาจะทำให้ความดันด้านขาออกลดลง และถ้าคลายออกมาจนสุดก็จะปิดไม่ให้แก๊สไหลออก (4) คือเกจวัดความดันด้านขาออก (5) เป็นท่อระบายแก๊สทิ้งเพื่อลดความดันในระบบให้เป็นศูนย์ก่อนทำการคลายวาล์ว (3) 
  

ในการใช้งานนั้น ถ้าเป็นการใช้งานถังเดี่ยว ก็จะนำเอาตัวปรับลดความดันที่เรียกกันว่า pressure regulator มาขันเกลียวต่อเข้าที่วาล์วหัวถัง (รูปที่ ๑) ชนิดของ pressure regulator และข้อต่อเกลียวขึ้นอยู่กับชนิดของแก๊ส เช่นถ้าเป็นแก๊สไฮโดรเจนหรือแก๊สอันตรายบางชนิดก็จะใช้ข้อต่อที่เป็นเกลียวเวียนซ้าย เกลียวหัวถังเองก็มีชนิดที่เป็นเกลียวตัวผู้ (ต้องเอาด้าน pressure regulator มาสวมครอบ) และเกลียวตัวเมีย (ต้องเอาด้าน pressure regulator มาขันอัดเข้าไป) แต่ถ้าเป็นระบบจ่ายแก๊สที่มีการนำแก๊สหลายถังมาต่อคู่ขนานกันและจ่ายตามต่อเข้าไปในอาคารนั้น ก็จะทำการต่อตรงแต่ละถังเข้ากับระบบท่อจ่าย แล้วค่อยไปลดความดันตรงจุดต่อเข้าอุปกรณ์ที่ต้องการใช้งาน
 

ในกรณีของการใช้งานถังเดี่ยวที่มี pressure regulator ต่อตรงกับหัวถังแก๊สนั้น เมื่อสิ้นสุดการใช้งานก็จะต้องปิดวาล์วหัวถัง (ดูรูปที่ ๑ ประกอบ) จากนั้นก็ต้องรอให้ความดันด้านขาออกลดลงจนหมด ตรงนี้ดูได้จากเข็มวัดความดันทั้งด้านขาเข้า (คือด้านจากวาล์วหัวถังมาถึงตัว pressure regulator) และด้านขาออก (คือจาก pressure regulator ไปยังอุปกรณ์ที่ใช้งาน) ลดลงจนเป็นศูนย์ จากนั้นจึงคลายตัววาล์วที่ pressure regulator เพื่อทำการปิดวาล์ว (ตรงนี้อย่าหมุนถอยออกมามากเกินไป เอาแค่จากรู้สึกฝืดมาเป็นลื่นขึ้นก็พอ เพราะถ้าหมุนต่อมันจะถอดเอาตัว wheel นั้นออกมา) แต่ในกรณีที่ความดันในระบบนั้นลดลงช้ามากหรือไม่มีทางระบาย ก็อาจติดตั้งจุดระบายแก๊สด้านขาออกทิ้งเพื่อย่นเวลาในการลดความดันก็ได้
 

การทำงานของ pressure regulator นั้นใช้ความดันด้านขาออกมากดแผ่นไดอะแฟรมที่ตัววาล์วเพื่อดันให้วาล์วที่ตัว regulator นั้นปิด ถ้าความดันด้านขาออกลดต่ำลงอันเป็นผลจากมีการใช้แก๊สด้านขาออก ตัวแรงดันที่แผ่นไดอะแฟรมก็จะลดต่ำลง วาล์วที่ regulator ก็จะเปิดกว้างขึ้น แต่ถ้ามีการใช้งานแก๊สน้อยลงทำให้ความดันด้านขาออกเพิ่มขึ้น ความดันที่เพิ่มขึ้นก็จะดันให้แผ่นไดอะแฟรมกดให้วาล์วเปิดน้อยลง และถ้าไม่มีการใช้แก๊สเลย วาล์วที่ตัว pressure regulator ก็ควรที่จะอยู่ในตำแหน่งที่ปิดสนิท แต่พอเอาเข้าจริงก็มีสิทธิที่จะพบว่ามันไม่เป็นเช่นนั้น
 

ปัญหาเกิดขึ้นคือเมื่อบางรายหลังเสร็จสิ้นการทำงานแล้วก็ใช้การปิดวาล์วหัวถัง ปิดวาล์วที่ตัวอุปกรณ์เพื่อไม่ให้แก๊สไหลเข้าตัวอุปกรณ์ แต่ไม่ระบายแก๊สที่ค้างในระบบท่อทิ้ง สิ่งที่เกิดขึ้นคือแก๊สความดันสูง (ที่ค้างอยู่ในช่วงท่อสั้น ๆ ระหว่างวาล์วหัวถังและ pressure regulator) รั่วผ่านตัว pressure regulator มาทางด้านความดันต่ำ (เพราะ pressure regulator มันปิดไม่สนิท) ทำให้ความดันในระบบท่อด้านความดันต่ำเพิ่มสูงขึ้นจนกระทั่งเข็มวัดความดันด้านความดันต่ำนั้นหมุนรอบจนกลับมาที่เดิม (มันหมุนต่อไปไม่ได้เพราะตรงตำแหน่งนั้นมันมีเดือยขวางเอาไว้อยู่) ทำความเสียหายให้กับแผ่นไดอะแฟรมและเกจวัดความดันด้านขาออก

รูปที่ ๒ อุบัติเหตุที่เกิดจากการปิดวาล์วหัวถัง ระบายความดันด้านขาออกจนหมด แต่ไม่ได้คลายตัว pressure regulator (เพื่อปิดการไหล)
 

อีกพวกหนึ่งที่พบประจำก็คือหลังจากปิดใช้งานอุปกรณ์แล้ว ก็มักจะปิดแค่วาล์วหัวถัง มีการระบายความดันในเส้นท่อด้านขาออกทิ้ง แต่ไม่มีการคลายตัว pressure regulator เนื่องด้วยต้องการความสะดวกเมื่อจะมาใช้งานใหม่ จะได้ไม่ต้องมาคอยปรับความดันด้านขาออกทุกครั้ง การทำเช่นนี้ก็เป็นการกระทำที่ไม่เหมาะสมเช่นกัน เพราะเมื่อเปิดวาล์วหัวถังเมื่อใด แก๊สในถังจะพุ่งออกมาด้วยความเร็วสูง อาจกระแทกให้แผ่นไดอะแฟรมเสียหายได้ ทำให้อายุการใช้งานของ pressure regulator สั้นลง แต่ทั้งสองเรื่องที่เกริ่นมานี้ ไม่ว่าจะสอนกันยังไง ก็ยังเห็นทำกันอยู่เป็นประจำ
 

เหตุการณ์แรกเกิดเมื่อมีการเปิดวาล์วหัวถังออกซิเจน (ในบทความใช้คำว่า isolation valve) ไม่นานก็พบว่ามีเสียงดังขึ้นและมีไฟลุกไหม้ที่ตัว pressure control valve (ในเหตุการณ์นี้เข้าใจว่าตัว pressure control valve (หรือ pressure regulator) ไม่ได้ต่อตรงเข้ากับหัวถัง เพราะถ้าเป็นการต่อตรงอย่างในรูปที่ ๑ ก็ควรจะเห็นเพลิงลุกไหม้ที่ตัววาล์วควบคุมความดันได้ทันที
 

จากการสอบสวนพบว่าตัววาล์วปรับความดันด้านขาออกหรือ pressure control screw นั้นไม่ได้ถูกตั้งให้เป็นศูนย์ (คือคลายออกเพื่อปิด) ทำให้เมื่อเปิดวาล์วหัวถัง แก๊สจากถังไหลออกด้วยความเร็วสูงไปกระแทกให้แผ่นไดอะแฟรมด้านขาออกฉีกขาด ทำให้แก๊สรั่วไหลออกมาทางด้านรูระบาย (ที่ตัว pressure regulator) 
  

ออกซิเจนไม่ใช้แก๊สที่ติดไฟได้ แต่ช่วยให้ไฟติด ในรายงานบอกว่ามี "เพลิงลุกไหม้" ทำให้คาดว่าน่าจะเกิดจากโครงสร้างของวาล์วในส่วนที่ไม่ได้มีหน้าที่ที่ต้องสัมผัสกับออกซิเจนความเข้มข้นสูงโดยตรง (เว้นแต่ว่ากรณีวาล์วชำรุด)

เรื่องที่ ๒ เส้นท่อต้องไม่มีสิ่งตกค้าง

ท่อแก๊สที่ออกจากโรงงานมานั้นมันกจะได้รับการปิดผนึกหรือทำเครื่องหมายเพื่อให้ผู้ซื้อมั่นใจว่าไม่มีการเปิดใช้ท่อดังกล่าวก่อนมาถึงมือผู้ซื้อ (เช่นใช้พลาสติกหุ้มหรือเข็มขัดพลาสติก (ที่ต้องแก้ออกด้วยการตัดเท่านั้น รัดเอาไว้) นอกจากนี้มักจะมีฝาปิด (cap) หรือจุกอุด (plug) รูข้อต่อ pressure regulator เพื่อป้องกันไม่ให้เกลียวข้อต่อได้รับความเสียหาย (ตัวอย่างเช่นฝาสีเหลืองในรูปที่ ๓ ข้างล่าง)

รูปที่ ๓ ถังแก๊สที่มาจากบริษัทผู้ผลิตรายหนึ่งในปัจจุบัน จะมีการหุ้มพลาสติกที่ตัววาล์วและ cap ปิดข้อต่อ pressure regulator มาให้ เพื่อให้ผู้ซื้อมั่นใจว่ายังไม่มีใครเปิดใช้งาน แต่สำหรับผู้ผลิตต่างกัน ก็อาจใช้วิธีการที่แตกต่างกันไป
 

กรณีที่ ๒ (รูปที่ ๔ ข้างล่าง) ไม่ได้กล่าวถึงอุบัติเหตุใด ๆ บอกแต่เพียงว่าพลาสติกที่ใช้ปิดหัวถังเหล่านี้สามารถลุกติดไฟได้เอง ดังนั้นจึงจำเป็นที่ต้องระวังไม่ให้เส้นท่อแก๊สออกซิเจนนี้มีวัสดุที่ติดไฟได้นี้ตกค้างอยู่ เหตุการณ์นี้น่าจะเกิดได้ง่ายในกรณีที่ท่อที่ต่อเข้ากับถังแก๊สนั้นมีขนาดใหญ่ (เช่นท่อสำหรับบรรจุแก๊สเข้าถัง และท่อของระบบที่ใช้ถังแก๊สหลายถังต่อขนานกันที่ไม่ได้มีการต่อ pressure regulator เข้ากับหัวถังแก๊สโดยตรง)

รูปที่ ๔ เพลิงไหม้ที่เกิดได้ในเส้นท่อแก๊สออกซิเจนถ้ามีเศษวัสดุที่ติดไฟได้ตกค้างอยู่ในเส้นท่อ

เรื่องที่ ๓ อะไรต่อมิอะไรก็ติดไฟได้ง่ายในบรรยากาศที่มีออกซิเจนความเข้มข้นสูง

วันศุกร์ที่ ๒๗ มกราคม พ.ศ. ๒๕๑๐ (ขาดอีกไม่กี่วันก็ครบ ๕๑ ปีแล้ว) นักบินอวกาศของสหรัฐอเมริกาในโครงการ Apollo 1 จำนวน ๓ ราย เสียชีวิตในยานฝึกหัดระหว่างการฝึกซ้อม อันเป็นผลจากเกิดเพลิงไหม้ในยานดังกล่าว ในบรรยากาศที่เป็น "ออกซิเจนบริสุทธิ์" ทำให้ไฟลุกไหม้อย่างรวดเร็วจนครอกนักบินอวกาศทั้ง ๓ รายในยานฝึกซ้อม ตรงนี้ถ้าใครได้เข้าไปอ่านเรื่อง Apollo 1 ใน wikipedia ก็จะพบว่า ทาง NASA เองก็เคยมีอุบัติเหตุทำนองเดียวกันนี้ แต่ไม่เคยมีผู้เสียชีวิต และแม้แต่จะมีการเตือนให้หลีกเลี่ยงการใช้ออกซิเจนบริสุทธิ์ในยานอวกาศ แต่ก็ไม่ได้รับความสนใจ ต้องรอจนกระทั่งมีคนตายก่อน
 

ตอนโรงงานปิโตรเคมีกลุ่มแรกกำลังก่อสร้างที่มาบตาพุดนั้น เครื่องแบบพนักงานที่ใส่กันก็เป็นผ้าพอลิเอสเทอร์ (คงเป็นเพราะมันราคาไม่แพงและไม่ยับด้วย) ตรงนี้ก็มีการเตือนกันตอนนั้นว่าผ้าแบบนี้มันไม่เหมาะกับโรงงานประเภทนี้ เพราะถ้าโดนไฟครอกเมื่อใดมันจะละลายติดผิวหนัง แต่ก็ไม่ได้รับความสนใจ ต้องรอจนกระทั่งเกิดเหตุการณ์เพลิงไหม้โรงงาน HDPE เมื่อธันวาคม ๒๕๓๑ ก่อน ที่พนักงานที่โดนไฟลุกท่วมเสื้อผ้านั้นพอถอดเสื้อผ้าออกมาก็มีหนังลอกมาด้วย จึงยอมมีการเปลี่ยนวัสดุที่ใช้ทำเครื่องแบบกัน
 

สิ่งหนึ่งที่มักมีการฝึกสอนและเฝ้าระวังอยู่เป็นประจำในระหว่างการทำงานคือการเกรงว่าความเข้มข้นของออกซิเจนในพื้นที่ทำงานนั้น "ต่ำเกินไป" แต่ในทางตรงกันข้ามกัน คือการทำงานในบรรยากาศที่ความเข้มข้นออกซิเจน "สูงเกินไป" นั้น ดูเหมือน (คิดว่านะ เพราะไม่เคยได้ยิน) จะไม่มีการพูดถึงกัน อาจเป็นเพราะโรงงานส่วนใหญ่ไม่ได้มีการใช้ออกซิเจนบริสุทธิ์

รูปที่ ๕ ช่างเชื่อมสองคนทำงานในถังที่มีออกซิเจนรั่วออกจากสายยาง ทำให้ความเข้มข้นออกซิเจนในถังเพิ่มสูงขึ้น
 

เหตุการณ์เกิดขึ้นเมื่อช่างเชื่อมสองคนเข้าไปทำงานใน tank เพื่อทำการเชื่อม (ที่จัดว่าเป็นพื้นที่อับอากาศหรือ confined space ได้) ในการนี้มีการวางถังออกซิเจนไว้นอก tank แล้วลากสายยางเข้าไปใน tank (ในที่นี้มีการใช้ออกซิเจนในการเชื่อมก็เลยขอเดาว่าเป็นการเชื่อมแก๊สหรือไม่ก็ใช้ออกซิเจนในการตัดเหล็ก) ในระหว่างการทำงานนั้นช่างเชื่อมผู้หนึ่งทำการจุดบุหรี่เพื่อสูบ เขาพบว่าเปลวไฟจากไฟแช็คนั้นสูงผิดปรกติ และบุหรี่ก็ไหม้เร็วผิดปรกติ แต่ก็ไม่ได้เฉลียวใจว่ามีปัญหาอะไร เมื่อช่างเชื่อมเริ่มทำการเชื่อมโลหะ ปรากฏว่าสะเก็ดไฟลูกหนึ่งกระเด็นไปโดนเสื้อของช่างอีกคนหนึ่ง ทำให้เสื้อของช่างคนนั้นลุกติดไฟอย่างรวดเร็วและลุกลามไปทั่วตัว ส่งผลให้เสียชีวิตในเวลาต่อมาจากแผลไฟไหม้ที่ได้รับ

จากการสอบสวนพบว่ามีแก๊สออกซิเจนรั่วออกจากสายยางและเข้าไปสะสมอยู่ในถัง ทำให้ความเข้มข้นออกซิเจนในถังสูงขึ้นมากพอทำให้สิ่งของต่าง ๆ ที่ลุกไหม้ได้นั้นเผาไหม้ได้ง่ายขึ้นและลามได้รวดเร็วขึ้น
 

เรื่องการลุกไหม้ของเสื้อผ้าในบรรยากาศที่มีออกซิเจนความเข้มข้นสูง เคยเล่าไว้ครั้งหนึ่งแล้วใน Memoir ปีที่ ๖ ฉบับที่ ๖๘๐ วันจันทร์ที่ ๗ ตุลาคม ๒๕๕๖ เรื่อง "ข้อควรระวังเมื่อใช้ออกซิเจนความเข้มข้นสูง (การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๕๓)"

รูปที่ ๖ ช่างเชื่อมเสียชีวิตเนื่องจากโดนไฟครอกขณะปฏิบัติงานในบรรกาศที่มีออกซิเจนความเข้มข้นสูงโดยไม่รู้ตัว

เรื่องการให้คนเข้าไปอยู่ในบรรยากาศออกซิเจนบริสุทธิ์เนี่ย มีบางโรงพยาบาลนำมาใช้ในการรักษาอาการต่าง ๆ รวมทั้งบาดแผลบนผิวหนังด้วยการให้ผู้ป่วยเข้าไปอยู่ในห้องปรับความดันในบรรยากาศออกซิเจนบริสุทธิ์ ในชื่อ "Hyperbaric oxygen therapy - HBOT" การ์ตูนญี่ปุ่นเรื่อง EyeShield 21 ก็เคยนำเรื่องนี้มาแทรกในเรื่องเหมือนกัน

ท้ายสุดนี้อยากจะฝากคำถามให้ไปคิดเล่น ๆ คือในกรณีสุดท้ายนั้นเนื่องจากมีผู้เสียชีวิต ซึ่งแน่นอนว่าในการสอบสวนนั้นต้องมีผู้กระทำผิด ถ้าคุณเป็นพนักงานสอบสวน คุณจะสรุปว่าใครเป็นผู้กระทำผิด ในบทความเองนั้นก็ไม่ได้กล่าวถึงเรื่องนี้ แต่ผมเองก็เชื่อว่าคำตอบของคำถามนี้ ขึ้นอยู่กับว่าผู้มีอำนาจอยากจะให้จบตรงไหน