MO Memoir รวมบทความชุดที่ ๒๘ เคมีสำหรับวิศวกรเคมี MO Memoir : Wednesday 6 September 2566

ก็เรียกว่าผ่านไป ๗ ปีเศษกว่าจะมีรวมเล่มเรื่องราวเกี่ยวกับเคมีออกมาอีกครั้งหนึ่ง ก็จัดเป็นรวมเล่มฉบับที่สามในส่วนที่เกี่ยวข้องกับเนื้อหาวิชาเคมีที่ใช้สอนนิสิตปริญญาตรีและบัณฑิตศึกษา รวม ๆ กันสามเล่มก็เกือบ ๗๐๐ หน้ากระดาษ A4 (แต่เนื้อหาที่เป็นรูปภาพก็เยอะอยู่เหมือนกันนะ ไม่ได้เต็มไปด้วยตัวอักษร)

สำหรับผู้ที่เรียนอยู่ก็มักจะสงสัยว่าที่เรียนไปเอาไปใช้ประโยชน์ตรงไหน ในขณะที่ผู้ที่ทำงานอยู่ก็มักจะสงสัยว่าต้องเอาความรู้เรื่องไหนตอนที่เรียนมาใช้ทำความเข้าใจงานที่กำลังทำ ซึ่งตรงนี้เชื่อว่าหลายบทความที่ได้เขียนลง blog และนำมารวมไว้ในรวมเล่มฉบับนี้จะช่วยให้แต่ละฝ่ายเข้าใจว่าที่เรียนไปนั้นเอาไปใช้ทำอะไร และงานที่กำลังทำอยู่นั้นต้องนำความรู้ตรงไหนที่เรียนมามาใช้ทำความเข้าใจ

การเขียนสิ่งที่เราคิดว่าเรารู้เราเข้าใจ ให้ออกมาเป็นตัวอักษรนั้น มันช่วยทำให้เราเห็นว่าอันที่จริงแล้วเราเข้าใจสิ่งที่เราคิดว่าเรารู้จักมันดีนั้น เรารู้จักมันดีจริงหรือเปล่า เพราะการเขียนมันทำให้สามารถมองเห็นข้อข้ดแยังในสิ่งที่เราคิดว่าเรารู้ดีแล้วนั้นได้ชัดเจนขึ้น

ในทำนองเดียวกัน การลงมือปฏิบัติก็ทำให้เราได้เห็นว่าถ้าจะนำเอาความรู้ภาคทฤษฎีที่ร่ำเรียนกันมานั้นไปใช้งานจริง มันต้องมีการปรับแต่งอะไรบ้าง เพราะมันมีอะไรอีกหลายอย่างที่ไม่ได้รับการกล่าวถึงในภาคทฤษฎี แต่ผู้ลงมือปฏิบัตินั้นจำเป็นต้องรู้เพื่อที่จะนำทฤษฎีที่เรียนมานั้นมาประยุกต์ใช้งานให้ได้ผลและปลอดภัย

ปีหน้าก็จะครบรอบ ๓๐ ปีของการสอนแลปเคมี โดยเริ่มสอนตั้งแต่ปีแรกที่เข้าทำงาน และสอนต่อเนื่องติดต่อกันทุกปี และคงจะสอนต่อจนเกษียณอายุราชการในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า เริ่มจากห้องแลปโทรม ๆ ที่ไม่ได้รับการดูแล จนกระทั่งมีการปรับปรุงครั้งใหญ่

ถึงแม้เรื่องที่สอนนั้นจะซ้ำเดิม แต่ด้วยผู้เรียนที่เปลี่ยนใหม่ทุกปี มันก็ทำให้มีเรื่องราวใหม่ ๆ ให้ผู้สอนได้เรียนรู้ทุกปีเช่นกัน

ดาวน์โหลดไฟล์ได้ที่ลิงก์นี้

 

 

ความสำคัญของเคมีวิเคราะห์และเคมีอินทรีย์ในงานวิศวกรรมเคมี MO Memoir : Saturday 8 August 2563

"อาจารย์มาช่วยสอนวิชานี้ก็ดีแล้ว อาจารย์เคยอยู่โรงงานมา จะได้ช่วยแสดงให้เห็นว่าวิชาเหล่านี้สำคัญอย่างไร"

อ.สุวัฒนา ท่านกล่าวประโยคทำนองนี้ไว้กับผมเมื่อปี ๒๕๓๗ เมื่อผมจบกลับมาทำงาน และเลือกที่จะสอนวิชาเคมีวิเคราะห์และเคมีอินทรีย์ร่วมกับท่าน (ก่อนที่ท่านจะเกษียณอายุราชการในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า) อ.สุวัฒนา ท่านเป็นอาจารย์สอนวิชาเคมีวิเคราะห์และเคมีอินทรีย์ให้กับผม แต่ท่านจบมาทางด้านวิทยาศาสตร์ และในช่วงยุคของท่านนั้นอุตสาหกรรมเคมีของประเทศก็มีแต่อุตสาหกรรมพื้นฐาน อุตสาหกรรมปิโตรเคมีก็ยังไม่เกิด กำลังผลิตของโรงกลั่นน้ำมันก็ยังไม่พอสนองความต้องการภายในประเทศ นิสิตวิศวกรรมเคมีที่ได้เรียนสองวิชานี้ก็เลยมองไม่ค่อยเห็นภาพว่าเอาไปใช้ประโยชน์อะไร

จากประสบการณ์ส่วนตัวเห็นว่ามีความเข้าใจที่คลาดเคลื่อนในหมู่ผู้สอนในสาขาวิศวกรรมเคมี คือมีการมองไม่เห็นว่าวิชาเคมีเหล่านี้สำคัญอย่างไรในระดับปริญญาตรี แถมมองไม่เห็นความสำคัญของวิชาเคมีเหล่านี้ในงานวิจัยที่ตนเองทำ และประสงค์ที่จะรับนิสิตที่จบปริญญาตรีทางด้านวิศวกรรมเคมีเข้าไปทำงานให้ มันก็เลยเกิดเรื่องปิดการสอนในระดับปริญญาตรี แล้วไปแก้ปัญหาด้วยการเปิดสอนวิชาที่ควรสอนกันตั้งแต่ระดับปริญญาตรี ให้กับนิสิตระดับปริญญาโท-เอกแทน มาวันนี้ก็เลยขอถือโอกาสยกเอาเรื่องราวเก่า ๆ ที่เคยเล่าเอาไว้บางเรื่อง แล้วมารวบรวมไว้ในบทความนี้ เพื่อเป็นตัวอย่างแสดงให้เห็นว่าสองวิชานี้มีความสำคัญอย่างไร ทั้งในแง่ของการออกแบบกระบวนการ การควบคุมกระบวนการ และการเดินเครื่องการผลิต

เรื่องที่ ๑ เพราะไม่รู้ว่าสิ่งที่ละลายในอยู่ในน้ำนั้นสำคัญ (เพราะช่วงเวลานั้นเรื่องนี้ไม่ค่อยเป็นที่รู้กันจริง ๆ)

การระเบิดที่เกิดจากการรั่วไหลของ cyclohexane ที่เมือง Flixborough ประเทศอังกฤษในวันที่ ๑ เดือนมิถุนายน พ.ศ. ๒๕๑๗ จัดว่าเป็นกรณีศึกษาสำคัญในวิชาเกี่ยวกับความปลอดภัยทางด้านวิศวกรรมเคมี เรื่องเล่าเหตุการณ์นี้ส่วนใหญ่มักจะเน้นไปที่การพังของท่อชั่วคราวที่ใช้เชื่อมต่อ reactor ๒ ตัวเข้าด้วยกัน ท่อนี้เกิดจากการที่ reactor ตัวที่ ๕ นั้นเกิดรอยแตกร้าว ก็เลยมีการยกออก และต่อท่อชั่วคราวเพื่อให้ cyclohexane ไหลจาก reactor ตัวที่ ๔ ไปยังตัวที่ ๖ ได้ เพื่อให้โรงงานยังสามารถเดินเครื่องได้ต่อไป

reactor ในกระบวนการนี้เป็นแบบถังปั่นกวนที่มี cyclohexane เป็นของเหลวอุณหภูมิสูงภายใต้ความดัน (คือถ้ามันรั่วออกสู่ความดันบรรยากาศ มันก็จะระเหยกลายเป็นไอ แบบเดียวกับแก๊สหุงต้มที่ใช้ตามบ้านทั่วไป) มีการฉีดอากาศเข้าไปใต้ของเหลวเพื่อทำการออกซิไดซ์ cyclohexane ให้กลายเป็นผลิตภัณฑ์ ส่วนด้านบนนั้นก็มีการติดตั้งระบบใบพัดกวนเพื่อทำการปั่นกวนฟองอากาศให้กระจายไปทั่ว cyclohexane

รูปที่ ๑ หนึ่งในบทเรียนจากเหตุการณ์การระเบิดที่ Flixborough ที่กล่าวไว้ในรายงานการสอบสวนหน้า ๓๖

ปัญหามันเริ่มจากการเกิดการรั่วไหลตรงบริเวณระบบ seal ที่เพลาหมุนใบพัดกวนสอดเข้าไปในตัว reactor (ที่ในรูปที่ ๒ เรียกว่า stirrer gland)

ระบบ seal นี้ทำหน้าที่ป้องกันไม่ให้แก๊สภายในรั่วไหลออกมา ในขณะที่ยอมให้เพลาใบพัดกวนนั้นหมุนได้อย่างอิสระ แต่เมื่อใช้งานไปมันก็มีการสึกหรอได้ (ถ้านึกภาพไม่ออกก็ขอให้ดูเรื่อง "ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที่ ๒ อธิบายศัพท์" วันอาทิตย์ที่ ๓๑ มกราคม ๒๕๓๓ เพิ่มเติม) พอมันสึกหรอ ก็เลยเกิดการรั่วไหลของไอ cyclohexane ออกมา

เพื่อป้องกันอันตรายที่อาจเกิดจากการสะสมของไอ cyclohexane ที่รั่วออกมา ทางโรงงานก็เลยใช้น้ำฉีดพ่นลงไปตรงบริเวณ seal ที่มีการรั่วไหล เพื่อควบแน่นไอระเหยให้กลายเป็นของเหลว ไหลลงสู่บ่อบำบัดต่อไป วิธีการนี้ก็เป็นวิธีการปฏิบัติตามปรกติในเวลานั้น ซึ่งทำให้โรงงานยังสามารถเดินเครื่องต่อไปได้ เพื่อรอเวลาหยุดเดินเครื่องเพื่อที่จะได้ทำการแก้ไขปัญหานั้น

น้ำที่นำมาฉีดพ่นนั้นก็คือน้ำหล่อเย็น (cooling water) ที่มีจุดต่ออยู่ใกล้กับ reactor แต่บังเอิญว่านั้นนั้นมีสารประกอบไนเทรต (Nitrate NO₃^-) ละลายอยู่ สารประกอบไนเทรตและไนไทรต์ (Nitrite NO₂) เป็นสารเคมีตัวหนึ่งที่ถูกเติมเข้าไปในน้ำหล่อเย็น เพื่อลดการกัดกร่อนผิวเหล็กในระบบน้ำหล่อเย็น

สำหรับเหล็กที่ไม่ได้รับแรง ไม่ได้รับอุณหภูมิสูง ไนเทรตนี้มันก็ไม่ยุ่งอะไร แต่ถ้าเป็นเหล็กที่รับแรงและอุณหภูมิสูง อย่างเช่นผนัง reactor ที่ต้องรับความดันภายในถังและอุณหภูมิการทำปฏิกิริยา ไนเทรตสามารถทำให้เหล็กนั้นเกิดการแตกร้าวที่เรียกว่า stress corrosion cracking ได้ ปรากฏการณ์นี้เป็นที่รู้จักกันทั่วไปสำหรับผู้ที่อยู่ในวงการโลหะวิทยา แต่ไม่ค่อยเป็นที่รู้จักกันในหมู่วิศวในช่วงเวลานั้น ผลที่ตามมาก็คือ reactor ตัวที่ ๕ เกิดรอยแตกร้าว ก็เลยต้องมีการยกออก และต่อท่อชั่วคราวเชื่อมต่อระหว่าง reactor ตัวที่ ๔ และ ๖

(เหตุการณ์นี้อยู่ในเรื่อง "Flixborough explosion" วันศุกร์ที่ ๕ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๓)

รูปที่ ๒ รายละเอียดการรั่วไหลและการจัดการปัญหาการรั่วไหลที่ reactor ในเหตุการณ์ที่ Flixborough (จากหนังสือ What Went Wrong? Case Histories of Process Plant Disasters เขียนโดย T.A. Kletz)

เรื่องที่ ๒ เมื่อเอาโรงงานผลิตพอลิเอทิลีนมาผลิตพอลิโพรพิลีน ซึ่งก็พอทำได้อยู่นะ

เรื่องนี้เกิดขึ้นในปี ๒๕๓๑ ตอนนั้นผมเป็นวิศวกรจบใหม่ทำงานอยู่ที่มาบตาพุดในส่วนของ operation หน่วยผลิต HDPE แบบ slurry phase แต่ยังไม่มีโรงงานให้เดินเครื่อง เพราะกำลังก่อสร้างอยู่ หน้าที่หลักในตอนนั้นก็เลยเป็นการคุมงานก่อสร้างแทน ช่วงเวลานั้นประเทศไทยมีโรงงานผลิตพอลิเอทิลีนอยู่เพียง ๒ โรง เป็นของบริษัทเดียวกัน โรงหนึ่งเป็นโรงงานผลิตพอลิเอทิลีนความหนาแน่นต่ำ (LDPE) ที่ใช้กระบวนการความดันสูงและไม่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา อีกโรงงานหนึ่งนั้นเป็นโรงงานผลิตพอลิเอทิลีนความหนาแน่นสูง (HDPE) ที่ใช้กระบวนการแบบ slurry phase และใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา

ช่วงหลังกลางปีมีข่าวว่าบริษัทที่เป็นเจ้าของโรงงานพอลิเอทิลีนทั้งสองนำพอลิโพรพิลีนออกขาย โดยเขากล่าวว่าเขาผลิตพอลิโพรพิลีนนี้เอง ข่าวนี้ฝ่ายการตลาดนำมาปรึกษาฝ่ายให้บริการเทคนิคว่าเชื่อถือได้หรือไม่ ซึ่งคำตอบที่ได้ก็คือไม่น่าเป็นไปได้ เพราะโรงงานผลิตพอลิโพรพิลีนนั้นกำลังอยู่ระหว่างการก่อสร้าง และเป็นของอีกบริษัทหนึ่ง ดังนั้นสิ่งที่เขานำมาขายน่าจะเป็นการนำเข้ามากกว่า

เมื่อข่าวนี้มาถึงแผนกที่ผมทำงานอยู่ (คือในอนาคตจะทำหน้าที่เป็นฝ่ายเดินเครื่องการผลิตพอลิเอทิลีนที่ใช้กระบวนการที่คล้ายคลึงกัน) ประกอบกับข้อมูลที่ได้มาจากลูกน้องที่เขาบอกว่าเพื่อนเขาที่ทำงานอยู่ที่โรงงานแห่งนั้นยืนยันว่ากำลังผลิตพอลิโพรพิลีนอยู่จริง เราก็เลยมีการมานั่งพิจารณากัน

ข้อสรุปที่ได้ก็คือ "มีความเป็นไปได้" ทั้งนี้เพราะการผลิตพอลิเอทิลีนความหนาแน่นสูงกับการผลิตพอลิโพรพิลีนนั้นใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาตระกูลเดียวกัน (คือตระกูล Ziegler-Natta ที่ประกอบด้วย catalyst และ co-catalyst) แตกต่างกันที่องค์ประกอบของตัวเร่งปฏิกิริยาเล็กน้อย และกระบวนการ slurry phase ที่ใช้ผลิตพอลิเอทิลีนและพอลิโพรพิลีนก็มีความคล้ายคลึงกันมาก

สิ่งแตกต่างที่สำคัญก็คือ "ความร้อนที่คายออกมาจากปฏิกิริยา" เพราะปฏิกิริยาการต่อโมเลกุลเข้าด้วยกันนั้นมีการคายความร้อนออกเพื่อสร้างพันธะเคมี การผลิตพอลิเอทิลีนนั้นมีการต่อโมเลกุลมากกว่า ดังนั้นเมื่อเทียบหน่วยน้ำหนักพอลิเมอร์ที่ได้เท่ากัน การผลิตพอลิเอทิลีนนั้นจะมีการคายความร้อนมากกว่าการผลิตพอลิโพรพิลีน ระบบระบายความร้อนของการผลิตพอลิเอทิลีนจะใหญ่กว่าของโรงงานผลิตพอลิโพรพิลีน การนำเอากระบวนการ slurry phase ที่ใช้ผลิตพอลิเอทิลีนมาผลิตพอลิโพรพิลีนจึงมีความเป็นไปได้ แต่ในทางกลับกันจะเกิดปัญหา

รูปที่ ๓ ในกรอบสี่เหลี่ยมคือบริเวณที่ได้รับความเสียหายจากไฟไหม้ รูปนี้ถ่ายตอนสายวันรุ่งขึ้นหลังไฟดับแล้ว

เดือนธันวาคม ๒๕๓๑ ก็เกิดการระเบิดขึ้นที่โรงงานแห่งนี้ จัดเป็น Unconfined Vapour Cloud Explosion (UVCE) ครั้งแรกของประเทศไทย สาเหตุเกิดจากตัวทำละลายที่เป็นของเหลวอุณหภูมิสูงภายใต้ความดันรั่วไหลออกจาก reactor ในระหว่างการกำจัดสิ่งอุดตันระบบท่อ ทำให้มีผู้เสียชีวิต ๒ รายและและบาดเจ็บสาหัสอีกหลายราย สิ่งสำคัญสิ่งหนึ่งที่ได้จากเหตุการณ์นั้นคือ การเปลี่ยนชนิดผ้าที่ใช้ทำเครื่องแบบพนักงานในกลุ่มโรงงานปิโตรเคมี จากผ้าพอลิเอสเทอร์ที่ละลายติดเนื้อเมื่อถูกไฟคลอก มาเป็นชนิดที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบัน

(เหตุการณ์นี้อยู่ในเรื่อง "UVCE case 1 TPI 2531(1988)" วันพุธที่ ๒๙ สิงหาคม ๒๕๖๑)

เรื่องที่ ๓ ไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลเล็กหรือไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวเป็นสารที่ไม่มีสี

ปฏิกิริยา cracking สารประกอบไฮโดรคาร์บอนให้เป็นโอเลฟินส์นั้นจำเป็นต้องใช้อุณหภูมิที่สูงเพื่อให้ปฏิกิริยาเกิดได้ แต่หลังจากเกิดโอเลฟินส์แล้วต้องหาทางลดอุณหภูมิของระบบลงให้เร็วที่สุดเพื่อไม่ให้ผลิตภัณฑ์โอเลฟินส์ที่เกิดขึ้นนั้นสลายตัวต่อ และวิธีการหนึ่งที่สามารถลดอุณหภูมิของแก๊สไฮโดรคาร์บอนร้อนได้อย่างรวดเร็วคือการให้สัมผัสกับน้ำเย็น

แก๊สร้อนที่ออกมาจาก cracker จะเข้าสู่ระบบดึงความร้อนกลับเพื่อดึงเอาพลังงานความร้อนที่อุณหภูมิสูงไปใช้ประโยชน์ ก่อนจะเข้าสู่ quench tower ที่เป็นหอที่แก๊สร้อนที่เข้าทางด้านล่างจะสัมผัสกับน้ำหล่อเย็นที่ป้อนเข้าจากทางด้านบน ไฮโดรคาร์บอนที่เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง (เรียกว่า pyrolysis gasoline) จะควบแน่นและตกลงสู่เบื้องล่างพร้อมกับน้ำหล่อเย็น และไหลลงสู่ถังรองรับเพื่อให้น้ำกับน้ำมันแยกชั้นกัน น้ำหล่อเย็นที่อยู่ใต้ชั้นน้ำมันจะถูกนำไประบายความร้อนออกก่อนป้อนกลับไปที่ยอดหอใหม่ ส่วนน้ำมันก็จะถูกส่งไปยังหน่วยอื่นต่อไป

สิ่งสำคัญคือรอยต่อระหว่างเฟสน้ำกับน้ำมันต้องอยู่ที่ระดับที่เหมาะสม เพราะถ้าต่ำเกินไปก็จะทำให้น้ำมันปนเข้าในระบบน้ำไหลเวียนกลับ และถ้าสูงเกินไปก็จะทำให้น้ำหลุดไปยังระบบรองรับน้ำมัน ซึ่งการตรวจวัดระดับรอยต่อนี้ทำได้ด้วยการใช้อุปกรณ์วัดที่เรียกว่า interface displacer ตัว displacer เป็นวัตถุที่ถูกห้อยแขวนให้จมอยู่ในของเหลว เวลาที่ตัว displacer จมอยู่ในของเหลวที่มีความหนาแน่นต่างกัน แรงลอยตัวก็จะต่างกัน และความแตกต่างนี้ถูกใช้เพื่อบอกระดับรอยต่อของผิวน้ำและน้ำมัน ซึ่งในการสอบเทียบก่อนการใช้งานนั้นจำเป็นต้องให้ตัว displacer จมลงในของเหลวที่มีความหนาแน่นสูง (ในที่นี้คือน้ำ) ที่จะทำให้ตัว displacer มีแรงลอยตัวสูงสุด และของเหลวที่มีความหนาแน่นต่ำ (ในที่นี้คือน้ำมันที่เกิดจากกระบวนการ cracking) ที่จะทำให้ตัว displacer มีแรงลอยตัวต่ำสุด เพื่อที่จะได้สร้างช่วงการวัดแรงลอยตัว

ในสภาวะที่โรงงานเดินเครื่องอยู่นั้น การสังเกตรอยต่อระหว่างเฟสน้ำกับน้ำมันทำได้ง่าย เพราะ pyrolysis gasoline จะมีสีแดงหรือเหลืองลอยอยู่บนเฟสน้ำ ในขณะที่เฟสน้ำนั้นไม่มีสี แต่ในเหตุการณ์นี้เป็นการเริ่มเดินเครื่องโรงงานครั้งแรกหลังสร้างเสร็จ จึงไม่มี pyrolysis gasoline มาใช้ทดสอบ ทางโรงงานจึงได้นำเอาแนฟทา (naphtha) ที่เป็นไฮโดรคาร์บอนในช่วงความหนาแน่นเดียวกันมาใช้เป็นตัวทดสอบแทน

ไฮโดรคาร์บอนที่ไม่มีสารอื่นเจือปนนั้นเป็นของเหลวที่ไม่มีสี ดังนั้นการสังเกตรอยต่อระหว่างชั้นน้ำกับแนฟทาจึงทำได้ยากเพราะเป็นของเหลวไม่มีสีทั้งคู่ แต่การที่ไฮโดรคาร์บอนที่มาจาก cracker มีสีก็เพราะมันมีสารอื่นที่เกิดจากไอน้ำและสารประกอบกำมะถันที่เติมเข้าไป (ดูเรื่องที่ ๔) สิ่งที่คนที่ทำหน้าที่สอบเทียบตัว interface displacer เข้าใจก็คือตัวน้ำมันต้องมีสีแดง พอไปสังเกตดูที่ตัว interface displacer แล้วไม่เห็นสีแดงก็เข้าใจว่าตัว displacer นั้นยังจมอยู่ในชั้นน้ำ ก็เลยทำการระบายของเหลว (ที่เข้าใจว่าเป็นน้ำ) ลงระบบรองรับน้ำทิ้ง แต่ในความเป็นจริงสิ่งที่ระบายทิ้งนั้นคือแนฟทา บังเอิญในช่วงเวลาเดียวกันมีอีกหน่วยหนึ่งระบายน้ำร้อนทิ้งลงระบบท่อระบายเดียวกัน น้ำร้อนจึงทำให้แนฟทาในท่อระบายระเหยกลายเป็นไอออกมาก่อนจุดระเบิด จนทำให้มีผู้เสียชีวิตไป ๔ ราย หนึ่งในนั้นเป็นวิศวกรต่างชาติ ที่ใส่เสื้อยืดแล้วโดนไฟคลอก เสื้อเลยละลายติดเนื้อ แกะไม่ออก เรียกว่าตายแบบทรมาน

(เหตุการณ์นี้อยู่ในเรื่อง "UVCE case 2 TOC 2539(1996)" วันอาทิตย์ที่ ๒ กันยายน ๒๕๖๑)

เรื่องที่ ๔ แล้วกำมะถันมาจากไหน ในระบบที่คุณเล่ามามันไม่มีการป้อนกำมะถันเลย

มีอยู่ปีหนึ่งได้ไปตรวจฝึกงานภาคฤดูร้อนของนิสิตที่ฝึกงานที่โรงงานโอเลฟินส์แห่งหนึ่ง ทางผู้ดูแลนิสิตก็ได้ให้นิสิตนำเสนอสิ่งที่ได้เรียนระหว่างการฝึกงานซึ่งก็คือกระบวนการผลิตโอเลฟินส์ พอนิสิตนำเสนอเสร็จทางโรงงานก็เปิดโอกาสให้ซักถามนิสิต ผมก็ถามเขาว่า "แล้วกำมะถันมาจากไหน สารตั้งต้นที่คุณเล่ามามันไม่มีกำมะถันเลย แล้วทำไมจึงต้องมีหน่วยกำจัดกำมะถันด้วย" ซึ่งนิสิตก็ตอบไม่ได้ก็คงเป็นเพราะไม่ได้คิดถึงประเด็นนี้มาก่อน และพี่ที่ดูแลการฝึกงานก็คงลืมที่จะบอกเรื่องนี้ให้กับน้อง ๆ ด้วย

การผลิตโอเลฟินส์นั้นเริ่มจากการนำเอาไฮโดรคาร์บอนมาให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงพอจนโมเลกุลแตกออกเป็นโมเลกุลเล็ก ๆ ที่เรียกว่ากระบวนการ cracking อุณหภูมิที่ใช้ก็ขึ้นอยู่กับขนาดโมเลกุลของไฮโดรคาร์บอนเริ่มต้น แต่ก็อยู่ในหลักเกิน 500ºC ไปจนแตะ 1000ºC การให้ความร้อนนั้นจะให้ไฮโดรคาร์บอนไหลอยู่ในท่อโดยมีเปลวไฟให้ความร้อนอยู่ภายนอก ดังนั้นโลหะที่ใช้ทำท่อจึงต้องเป็นโลหะที่ทนอุณหภูมิสูงได้ และโลหะผสม Ni ก็เป็นตัวเลือกในอันดับต้น ๆ

สิ่งที่เราต้องการก็คือต้องการให้โมเลกุลไฮโดรคาร์บอนแตกออกเป็นโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัวขนาดเล็ก แต่สิ่งหนึ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้คือตัวโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัวที่เกิดขึ้นนั้นมันสามารถทำปฏิกิริยากันเองโดยมีโลหะ Ni ของผิวท่อเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือโมเลกุลเล็ก ๆ เหล่านี้รวมตัวกันเป็นโครงสร้าง polyaromatic ขนาดใหญ่ที่เรียกว่า coke การเกิด coke นี้ไม่เพียงแต่เป็นการสูญเสียผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ แต่ยังก่อให้เกิดปัญหาในการผลิตด้วย เพราะ coke ที่เกิดนั้นจะเกาะบนผิวท่อด้านในและทำหน้าที่เป็นชั้นต้านทานการส่งผ่านความร้อนจากเปลวไฟด้านนอกให้กับไฮโดรคาร์บอนที่ไหลอยู่ในท่อ ผลก็คือท่อตรงบริเวณนั้นอาจร้อนจัดจนทะลุได้ คงนึกภาพออกนะครับ ข้างในท่อเป็นไฮโดรคาร์บอน ข้างนอกท่อมีเปลวไฟอยู่ ถ้าไฮโดรคาร์บอนรั่วออกมาจากท่อแล้วจะเกิดอะไรขึ้น

วิธีการหนึ่งที่ใช้ลดการเกิด coke ก็คือการให้ไฮโดรคาร์บอนที่เป็นสารตั้งต้นนั้นมีสารประกอบกำมะถันปะปนอยู่ อะตอมกำมะถันจะเข้าไปแย่งเกาะที่อะตอม Ni ซึ่งจะช่วยลดโอกาสที่โมเลกุลผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นจะเข้าไปเกาะเพื่อรวมตัวเป็น coke ในกรณีของไฮโดรคาร์บอนหนักนั้น มันมักจะมีสารประกอบกำมะถันปะปนอยู่โดยธรรมชาติของมันแล้ว ดังนั้นถ้าสารตั้งต้นเป็นไฮโดรคาร์บอนหนักก็อาจไม่จำเป็นต้องเติมสารประกอบกำมะถันเพิ่มเติม แต่ในกรณีที่สารตั้งต้นเป็นไฮโดรคาร์บอนเบาหรือเป็นแก๊สที่มาจากโรงแยกแก๊ส สารเหล่านี้จะมีกำมะถันปนอยู่ในปริมาณที่ต่ำหรือไม่มีเลย ดังนั้นจึงมีความจำเป็นที่ต้องผสมสารประกอบกำมะถันเข้าไป ตัวอย่างสารประกอบกำมะถันที่ใช้กันเพื่อการป้องกันนี้ได้แก่ Dimethyl suplhide (H₃C-S-CH₃) และ Dimethyl disulphide (H₃C-S-S-CH₃) และอะตอมกำมะถันนี้จะออกมาในรูปแก๊ส H₂S

ในกระบวนการ cracking นี้จะมีการผสมไอน้ำเข้าไปด้วย ดังนั้นโอเลฟินส์ที่ได้จะมีแก๊สกรดพวก CO₂ และ H₂S ผสมอยู่ ซึ่งต้องทำการกำจัดออกก่อนที่จะนำแก๊สนั้นไปลดอุณหภูมิเพื่อกลั่นแยก เทคนิคการกำจัดแก๊สกรดนั้นมีด้วยกันหลายวิธี แต่เทคนิคที่ใช้ได้ดีกับ CO₂ นั้นอาจมีปัญหาได้ถ้าหากแก๊สนั้นมี H₂S ปนอยู่ ดังนั้นการเลือกเทคนิคกำจัดแก๊สกรดจึงต้องรู้ด้วยว่าแก๊สกรดนั้นมีองค์ประกอบอะไรบ้าง และมันอาจเกิดได้จากปฏิกิริยาใดบ้าง

เรื่องที่ ๕ เคมีอินทรีย์สำหรับการออกแบบระบบคอมเพรสเซอร์อัดแก๊ส

ปั๊มทำหน้าที่เพิ่มความดันให้กับของเหลว และมันเองก็ไม่ชอบของเหลวที่มีแก๊สปน เพราะอาจเกิดปัญหากับตัวปั๊มได้ โดยเฉพาะตัวปั๊มหอยโข่ง เพราะอาจเกิด cavitation ได้ ในทำนองเดียวกันคอมเพรสเซอร์ทำหน้าที่เพิ่มความดันให้กับแก๊ส และมันเองก็ไม่ชอบให้แก๊สมีของเหลว (หรือของแข็ง) ปะปน เพราะอาจเกิดปัญหากับตัวคอมเพรสเซอร์ได้

แต่ก็มีเหมือนกันที่บางครั้งที่มีการจงใจผสมของเหลวเข้ากับแก๊สที่ไหลเข้าคอมเพรสเซอร์ เพื่อทำการชะล้างสิ่งสกปรกที่อาจสะสมในตัวคอมเพรสเซอร์

เมื่อแก๊สถูกอัดจะทำให้อุณหภูมิของแก๊สสูงขึ้น การเพิ่มความดันให้กับแก๊สจึงต้องพิจารณาอุณภูมิแก๊สที่เพิ่มขึ้นประกอบด้วย ถ้าการอัดในขั้นตอนเดียวทำให้อุณหภูมิแก๊สเพิ่มมากเกินไป ก็ต้องทำการอัดหลายขั้นตอน โดยมีการลดอุณหภูมิแก๊สที่ผ่านการอัดในขั้นตอนก่อนหน้าให้ต่ำลงก่อนที่จะทำการอัดในขั้นตอนถัดไป ทั้งนี้เพราะประสิทธิภาพการทำงานของคอมเพรสเซอร์จะลดลงถ้าอุณหภูมิแก๊สที่อัดนั้นมันสูง ดังนั้นจำนวนขั้นตอนการอัดจึงขึ้นอยู่กับความดันสูงสุดที่ต้องการ และอุณหภูมิสูงสุดที่ยอมรับได้หลังการอัดในแต่ละขั้นตอน

โอเลฟินส์ที่มาจาก cracker นั้นมีสารผสมหลายอย่างที่ต้องเข้ากระบวนการกลั่นแยกออกเป็นองค์ประกอบต่าง ๆ เนื่องจากโอเลฟินส์เหล่านี้มีจุดเดือดต่ำ จึงต้องใช้ระบบทำความเย็นเพื่อทำให้มันกลายเป็นของเหลว ที่ความดันสูงแก๊สจะเป็นของเหลวได้ที่อุณหภูมิที่สูงกว่าที่ความดันที่ต่ำกว่า แต่จะไปสิ้นเปลืองพลังงานที่ใช้ในการอัดแก๊สและความหนาของอุปกรณ์ที่ต้องรับความดันสูงได้ แต่ถ้าเลือกใช้ความดันต่ำก็จะย้ายการสิ้นเปลืองไปที่ระบบทำความเย็นแทน และแม้ว่าอาจไม่ต้องใช้อุปกรณ์ที่มีความหนามากเพื่อรองรับความดัน แต่โลหะที่ทนอุณหภูมิติดลบมากได้นั้นจะมีราคาที่สูงกว่า

การเพิ่มความดันของการอัดแต่ละครั้งให้กับโอเลฟินส์ที่มาจาก cracker ถูกกำหนดด้วยปฏิกิริยา Diels-Alder ที่ทำให้โอเลฟินส์โมเลกุลเล็กรวมตัวกันเป็นโมเลกุลใหญ่เกาะติดพื้นผิวด้านในคอมเพรสเซอร์ได้ ปฏิกิริยานี้จะเกิดได้ง่ายขึ้นที่อุณหภูมิและความดันสูง (ที่เกิดได้ในตัวคอมเพรสเซอร์) ดังนั้นแม้ว่าจะมีการควบคุมอุณหภูมิด้านขาออกของการอัดแต่ละครั้งเอาไว้แล้วก็ตาม ก็ยังมีสารประกอบโมเลกุลใหญ่ยึดเกาะพื้นผิวด้านในตัวคอมเพรสเซอร์ได้ ทำให้ต้องมีการฉีด wash oil ผสมเข้าไปกับโอเลฟินส์ก่อนจะเข้าสู่กระบวนการอัดในแต่ละครั้ง เพื่อชะล้างเอาสารประกอบโมเลกุลใหญ่นั้นออกมา

(เหตุการณ์นี้อยู่ในเรื่อง "ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีนตอนที่ ๑๐ Charge gas compression ภาค ๒" วันพฤหัสบดีที่ ๒ มิถุนายน ๒๕๕๙)

วิชา Unit operation สอนให้เลือกชนิดและกำหนดขนาดอุปกรณ์

วิชา Plant design สอนการนำอุปกรณ์มาต่อกันว่าควรทำอย่างไรเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการในราคาที่คุ้มค่า

แต่โจทย์เริ่มต้นนั้นมีเพียงแค่ "สมการเคมีจากสารตั้งต้นไปเป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ" สิ่งที่ต้องมองออกให้ได้ก็คือ ภายใต้สภาวะการทำงานจริงนั้นมันมีโอกาสที่จะเกิดปฏิกิริยาใดอื่นได้หรือไม่ ไม่ว่าจะเป็นในสภาะการทำงานตามปรกติ หรือสภาวะการเดินเครื่องที่ผิดปรกติ หรือในตัวอุปกรณ์การผลิตที่ไม่ใช่จุดที่เราต้องการให้เกิดปฏิกิริยา และการพิจารณานั้นจะจำกัดเพียงแค่สารที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาที่ต้องการแค่นั้นไม่ได้ จำเป็นต้องพิจารณาให้ครอบคลุมถึงสารเคมีตัวอื่นที่อาจมีการป้อนเข้าระบบ และวัสดุต่าง ๆ ที่นำมาใช้ทำตัวอุปกรณ์ ซึ่งสิ่งเหล่านี้ล้วนต้องอาศัยความรู้ทางด้านวิชาเคมี เพื่อที่จะได้รู้ว่าในความเป็นจริงนั้นสิ่งที่ไหลเวียนอยู่ในระบบนั้นประกอบด้วยสารอะไรบ้าง และจะทำการควบคุมสารเหล่านั้นให้อยู่ภายใต้ค่าที่กำหนดได้ด้วยวิธีใด เพื่อให้การทำงานเป็นไปได้อย่างมีเสถียรภาพและปลอดภัย

พื้นฐานความรู้วิชาเคมีจึงเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการเรียนวิศวกรรมเคมี เพราะเป็นตัวบอกให้เรารู้ว่ากระบวนการผลิตนั้นต้องประกอบด้วยหน่วยอะไรบ้าง จากนั้นจึงค่อยไปทำการเลือกชนิด กำหนดขนาด วิธีการเชื่อมต่อให้เป็นกระบวนการ และการออกแบบระบบควบคุม

เรียนแลปเคมี ที่ภาควิชา (ก่อนจะเลือนหายไปจากความทรงจำ ตอนที่ ๑๒๐) MO Memoir : Thursday 8 December 2559

ปีการศึกษา ๒๕๒๗ ทางคณะเปลี่ยนวิธีการเลือกภาควิชาใหม่ จากเดิมที่ใช้คะแนนสอบเอนทรานซ์ในการเลือกภาค (คือให้เลือกตั้งแต่เข้าเรียนปี ๑) มาเป็นให้เรียนก่อน ๑ ปี พอขึ้นปี ๒ ค่อยเอาเกรดวิชาปี ๑ มาเลือกภาควิชา ผมเองก็ได้เป็นรุ่นแรกที่เลือกภาควิชาด้วยวิธีการใหม่นี้
  

วิศวกรรมเคมีตอนนั้นยังไม่เป็นที่รู้จักกันครับ (ผมเองตอนเลือกภาคก็ยังไม่ค่อยรู้จักเลยว่าเรียนอะไร) รุ่นผมที่เข้าภาคนี้ ๓๖ คน เป็นคนที่เลือกภาคนี้อันดับ ๑ เพียงครึ่งเดียว ที่เหลือคือไปภาคอื่นไม่ได้ เลยถูกจับยัดมาเรียนภาคนี้ เรียกว่าตอนเข้าภาคนั้น ติดโปรกันเสียครึ่งหนึ่ง และคิดจะย้ายภาคหนีในเทอมถัดไปกันเสียครึ่งภาคซะด้วย แต่ก็ไม่มีใครย้ายออกไปสักคน มีแต่ย้ายเข้ามาสองคน
 

ตอนที่เรียนจบเนี่ย ได้ยินเพื่อนที่เคยคิดจะย้ายออกตอนปี ๒ พูดเปรย ๆ ว่า "โชคที่แล้วที่ตอนนั้นเขา (หัวหน้าภาค) ไม่ให้ย้ายภาคออก" ก็มีอย่างที่ไหนล่ะครับ บริษัทที่กำหนดเกรดขั้นต่ำ ๒.๗ จึงจะสมัครงานได้ แม้ว่าปีนั้นถ้าเป็นสาขาเครื่องกลเขายอมลดให้เหลือ ๒.๕ ส่วนสำหรับวิศวกรรมเคมีหรือครับ เขากำหนดไว้ที่ ๒.๐ (สองจุดศูนย์)

รูปที่ ๑ บริเวณทางเข้าห้องปฏิบัติการเคมีพื้นฐานในปัจจุบัน ประตูทางเข้าห้องปฏิบัติการเคมีอยู่ทางซ้าย (1) ส่วนที่เป็นห้องเครื่องมือวิเคราะห์ในปัจจุบัน (2) เดิมเป็นห้องธุรการภาควิชา ห้องทำงานหัวหน้าภาควิชา และห้องพักรวมของอาจารย์ ตรงที่เป็นหน้าต่างกระจก (3) เดิมเป็นที่ห้องทำงานเจ้าหน้าที่ธุรการภาควิชา สำหรับให้คนติดต่องาน
 

อันที่จริงตอนขึ้นปี ๒ ก็ยังไม่ได้เรียนวิชาภาคสักเท่าใดนัก เทอมแรกเรียนกันแค่สองวิชาคือ เคมีฟิสิกัล กับเคมีวิเคราะห์ เทอมที่สองก็เรียนวิชาเคมีอินทรีย์ กับหลักการคำนวณเบื้องต้นทางวิศวกรรมเคมี ชั่วโมงบรรยายวิชาอื่นก็เรียนกันที่ห้องเรียนตึก ๓ เป็นหลัก แต่พอเป็นวิชาภาคก็จะมาเรียนกันที่ภาควิชา ห้องเรียนที่ใช้เรียนกันตอนนั้นตอนนี้ก็เป็นส่วนหนึ่งของห้องปฏิบัติการเคมีพื้นฐานไปแล้ว คือพื้นที่ห้องด้านถนนอังรีดูนังต์ คือมีการเปลี่ยนจากห้องเรียนมาเป็นห้องคอมพิวเตอร์ก่อน แล้วค่อยเปลี่ยนมาเป็นห้องแลปเคมีในที่สุด วิชาเคมีฟิสิกัล เคมีวิเคราะห์ และเคมีอินทรียนั้นมีการทำแลปด้วย พื้นที่ห้องแลปเดิมนั้นคือส่วนที่เป็นพื้นที่ด้านหลังห้องแลปในปัจจุบัน
 

ปีที่ผมเรียนเคมีฟิสิกัลนั้นมีอาจารย์ผู้สอนสองท่าน ท่านแรกคือ อ. เอมอร พิบูลธรรม อ. เอมอร นี้เข้าใจว่าท่านสอนที่ภาคนี้ตั้งแต่ช่วงเริ่มเปิดสาขาวิชา (คือสมัยที่ยังอยู่ร่วมกับภาคอุตสาหการ) อีกท่านหนึ่งคือ อ. ไพรินทร์ ชูโชติถาวร ที่เพิ่งจบเอกมาจากญี่ปุ่น แกมาสอนหนังสืออยู่เพียงปีเดียว ก่อนจะออกไปทำงานบริษัท ส่วนวิชาเคมีวิเคราะห์และเคมีอินทรีย์นั้นสอนโดย อ. สุวัฒนา (ท่านถึงแก่กรรมไปเมื่อเดือนกุมภาพันธ์ ๒๕๔๘ หลังเกษียณอายุราชการไปแล้ว)
 

การเรียนแลปเคมีพื้นฐานตอนนั้นมีครูปฏิบัติการทำหน้าที่กำกับดูแลอยู่ ๓ ท่านด้วยกัน คือ อ. ศิริชัย อ. อรอนงค์ และ อ. ชาติชาย ชีวิตการเรียนปี ๒ โดยเฉพาะในเทอมแรกอาจเรียกว่าจะสนิทกับอาจารย์สอนแลปมากกว่าอาจารย์สอนบรรยายก็ได้ เพราะสัปดาห์หนึ่งต้องเรียนแลปกัน ๖ ชั่วโมง (คือเคมีฟิสิกัล ๓ ชั่วโมง + เคมีวิเคราะห์อีก ๓ ชั่วโมง) โต๊ะแลปเดิมมี ๓ โต๊ะ กลุ่มละ ๓-๔ คน แบ่งกันเรียน ๒ ตอนเรียน พอมาภายหลังจำนวนนิสิตเพิ่มมากขึ้นมาอยู่ที่ระดับประมาณ ๕๐ คนต่อรุ่นก็เลยต้องเพิ่มเป็น ๓ ตอนเรียน และท้ายสุดก็จำเป็นต้องมีการขยายพื้นที่ห้อง ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อตอนที่คณะทำการสร้างอาคาร ๔ และ ๕ เสร็จสิ้น

รูปที่ ๒ เมื่อผ่านประตูทางเข้าด้านหน้าห้องเข้ามา นี่คือภาพที่เห็น ด้านขวาคือโต๊ะเครื่องชั่ง กระดาน และโต๊ะทำงานอาจารย์สอนแลป ทางฝั่งกระจกที่เห็นแดดส่องคือด้านที่เป็นลานจอดรถ เดิมพื้นที่ห้องแลปตรงนี้เป็นห้องเรียนมาก่อน ต่อมาเปลี่ยนเป็นห้องคอมพิวเตอร์ (นั่นคือสาเหตุที่ว่าทำไมในห้องนี้ถึงมีตู้ชุมสาย LAN ของอาคารนี้ทั้งอาคารตั้งอยู่) และต่อมาเมื่อย้ายห้องคอมพิวเตอร์ไปยังตึกวิศว ๔ ก็มีการทุบผนังกั้นระหว่างห้องนี้กับห้องแลปเคมีเดิม (ผนังอยู่ตรงช่วงเสาที่เห็นทางซ้ายมือ) เพื่อขยายพื้นที่ห้องแลปเคมีตามจำนวนนิสิตที่เพิ่มขึ้น

รูปที่ ๓ มายืนมองอีกทางฝั่งหนึ่งตรงข้ามกับรูปที่ ๒ ประตูเข้าห้องอยู่ทางซ้ายของรูป รูปนี้เป็นการมองจากด้านทิศเหนือ (คณะวิศวอยู่ข้างหลัง) ไปด้านทิศใต้ (ทางคณะรัฐศาสตร์)

รูปที่ ๔ บริเวณด้านหลังห้อง (มองจากฝั่งลานจอดรถเข้ามา) เดิมพื้นที่ตรงนี้เป็นพื้นที่แลปเคมีพื้นฐานเดิม จากทางด้านซ้ายของรูปไปจนถึงเลยผนังด้านขวาออกไปอีกหน่อย ผนังด้านขวานี้กั้นขึ้นมาใหม่ ด้วยการขยายห้องทางซีกตะวันตกออกมากินพื้นที่ส่วนหนึ่งของห้องแลปเคมีพื้นฐานเดิม และขยายห้องแลปเคมีพื้นฐานไปทางตะวันออกโดยทุบกำแพงไปกินพื้นที่ห้องคอมพิวเตอร์
 

รูปที่ ๕ อีกมุมหนึ่งของบรรยากาศพื้นที่ด้านหลังห้องในปัจจุบัน เป็นมุมมองจากฝั่งตรงข้ามกับรูปที่ ๔ โต๊ะปฏิบัติการของห้องปฏิบัติการเดิมไม่ได้วางอยู่ในแนวนี้ แต่วางขวางแนวที่เห็นอยู่ เรียงกัน ๓ โต๊ะ โดยมีตู้ควันอยู่ทางซ้ายมือ ๓ ตู้ ผนังทางด้านซ้ายที่เห็นในรูปเป็นผนังที่กั้นขึ้นมาใหม่ ห้องปฏิบัติการเคมีเดิมจะกินพื้นที่ไปทางด้านซ้ายมือมากกว่านี้

รูปที่ ๖ มองจากหลังห้อง (ทิศตะวันตก) ไปยังด้านหน้าห้อง (ด้านทิศตะวันออก) ช่วงระหว่างเสาซ้าย-ขวาที่เห็นนั้น เดิมเป็นแนวกำแพงกั้นห้อง ตู้ไม้เก็บเครื่องแก้วที่เห็นเลข ส1 143 ทางซ้ายมือ อายุก็น่าจะอยู่ราว ๕๐ ปีหรือมากกว่า (เผลอ ๆ อาจจะแก่กว่าผมอีก)

รูปที่ ๗ เป็นมุมมองจากฝั่งตรงข้ามของรูปที่ ๖ คือมองจากโต๊ะอาจารย์ผู้สอนออกไป

รูปที่ ๘ ตู้ ๓ ใบนี้ดูเผิน ๆ ก็เป็นตู้ธรรมดา แต่อายุอานามของมันก็ไม่น้อยนะครับ แต่ก่อนตู้ไม้พวกนี้ต้องสั่งทำ และทำจาก "ไม้จริง" ทั้งนั้น (คือไม่ได้ทำจากไม้อัด) สองตู้ขวามือเป็นครุภัณฑ์ของภาควิชามาตั้งแต่ปี พ.ศ. ๒๕๒๒ รู้ได้จากเลขครุภัณฑ์ที่ขึ้นต้นด้วย ๒๒ ส่วนตู้ด้านซ้ายมือ (และตู้อื่นที่มีสีเดียวกันแต่อาจมีทางแตกต่างไป) เป็นตู้ที่มีอายุมากกว่านั้นอีก เข้าใจว่ามาอยู่ที่ภาควิชาก่อนปีพ.ศ. ๒๕๑๐ ยังใช้เลขครุภัณฑ์ที่ขึ้นต้นด้วย ส1 (ไม่รู้เหมือนกันว่ามีความหมายว่าอะไร)

รูปที่ ๙ ร่องรอยที่ยังคงเหลือให้เห็นถึงความเป็นห้องแลปของอาคารนี้คือท่อที่เดินอยู่บนเพดาน ท่อสีฟ้าคือท่อน้ำประปาที่จ่ายน้ำลงมายังโต๊ทำแลป ท่อสีแดงคือท่อแก๊สหุงต้มสำหรับจุดตะเกียง ท่อสีเหลืองคือท่ออากาศอัดความดัน และท่อหุ้มฉนวนคือท่อไอน้ำ ที่ตั้งของถังแก๊ส ปั๊มลม และหม้อไอน้ำ อยู่ที่ชั้นล่างตรงห้องข้างบันไดทางขึ้นข้างตึก เดิมระบบท่อนี้เดินไปยังชั้น ๔ ที่เป็นห้องวิจัยด้วย (ตอนนี้กลายเป็นพื้นที่ของภาคสิ่งแวดล้อมไปแล้ว) ตั้งแต่ผมมาเรียนจนทำงานมาถึงวันนี้ ก็ไม่เคยเห็นใครเปิดใช้ท่อไอน้ำกับท่อแก๊ส แต่ท่อลมนั้นแต่ก่อนก็มีการใช้งานกันอยู่

รูปที่ ๑๐ พัดลมเพดานที่มาพร้อมกับตึกนี้ ปัจจุบันในส่วนของห้องแลปยังเหลือใช้งานได้ ๑ ตัว (อายุก็เกือบ ๔๐ ปีแล้วนะ) 

รูปที่ ๑๑ มองจากระเบียงฝั่งตรงข้ามทางด้านนอกห้องเข้ามา แต่ก่อนห้องที่เห็นจะเป็นห้องเรียน แล้วก็เป็นห้องคอมพิวเตอร์

นับตั้งแต่ตึกนี้มีการเปิดใช้งาน อาจเรียนได้ว่าพื้นที่นี้เป็นที่แรกที่นิสิตที่เข้ามาเรียนภาควิชาของเราได้เข้ามาสัมผัส จะมีอยู่เพียงรุ่นเดียวที่ไม่ได้ทำแลปที่ห้องนี้ (คิดว่าน่าจะเป็นนิสิตรหัสราว ๔๒) เพราะช่วงที่คณะเปิดใช้งานตึก ๔ นั้นมีการปรับเปลี่ยนพื้นที่ของภาควิชาต่าง ๆ มีการย้ายห้องปฏิบัติการเคมีพื้นฐานไปตั้งไว้บนชั้น ๑๒ ของอาคารวิศว ๔ อยู่ปีหนึ่งเพราะเป็นช่วงที่ทางคณะทำการปรับปรุงพื้นที่และสาธารณูปโภคของอาคารภาควิชาทั้งชั้น (เดินระบบไฟฟ้า ท่อน้ำดี ท่อน้ำทิ้ง และท่อตู้ดูดควัน ใหม่หมด)
  

ครุภัณฑ์ของห้องปฏิบัติการเคมีพื้นฐานนี้ได้รับการปรับปรุงครั้งใหญ่จากโครงการเงินกู้ธนาคารโลก ที่ทางทบวงมหาวิทยาลัยดำเนินการกู้มาเพื่อปรับปรุงการเรียนการสอนในระดับปริญญาตรีของมหาวิทยาลัยทั่วประเทศ โครงการนี้เริ่มเมื่อใดผมก็ไม่รู้เหมือนกัน แต่ตอนที่กลับมาทำงานเมื่อปี ๓๗ นั้นก็ได้รับมอบหมายให้ช่วยตรวจสอบข้อกำหนดเฉพาะทางเทคนิคของอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่จะทำการเปิดประมูล ครุภัณฑ์ชุดแรกมาถึงราว ๆ ปี ๒๕๔๑ แต่กว่าจะเปิดซองและส่งมอบครุภัณฑ์จนหมดก็ล่วงเข้าราว ๆ ปี ๒๕๔๕ (ส่วนใหญ่ที่สั่งซื้อกันในตอนนั้นก็ได้แก่อุปกรณ์พื้นฐานต่าง ๆ เช่น hot plate magnetic stirrer เครื่องชั่ง เครื่อง UV-Vis pH meter conductivity meter Dissolved meter อุปกรณ์ที่ใช้ในการสอนวิชาเคมีฟิสิกัล เป็นต้น) ครุภัณฑ์ที่ได้มาตอนนั้นปัจจุบันก็หมดสภาพการใช้งานเกือบหมดแล้ว เนื่องจากไม่ได้ใช้เพียงแค่สอนนิสิตปี ๒ แต่ยังมีการยืมใช้นอกช่วงเวลาสอนโดยห้องปฏิบัติการวิจัยต่าง ๆ และบางส่วนก็ไม่มีการใช้งานเนื่องจากทางภาควิชาเปลี่ยนแปลงหลักสูตรโดยยกเลิกการสอนวิชาเคมีฟิสิกัล และลดจำนวนแลปเคมีจากเดิมที่เรียนกัน ๓ วิชา (เคมีฟิสิกับ เคมีวิเคราะห์ และเคมีอินทรีย์) เหลือเพียงวิชาเดียว (คือเคมีสำหรับวิศวกรรมเคมี ซึ่งตอนแรกจะไม่มีเสียด้วยซ้ำ)
  

ก่อนการประชุมภาคเพื่อลงมติว่าจะปิดการสอนวิชาพื้นฐานทางเคมีทั้งสามวิชานั้นหรือไม่ ก็ได้มีการสอบถามความเห็นผมในฐานะที่เป็นหนึ่งในอาจารย์ผู้สอนวิชาเหล่านั้นอยู่ด้วย (เป็นวิชาที่ไม่มีใครมาแย่งสอน) ผมก็ได้ให้ความเห็นไปว่า "นิสิตในภาควิชานี้ควรจะต้องเรียนรู้วิชาอะไรบ้างนั้น มันต้องเป็นมติของภาค ไม่ใช่อาจารย์เพียงคนใดคนหนึ่งยืนกรานว่าฉันจะสอนวิชานี้ ดังนั้นนิสิตต้องเรียนวิชานี้ อาจารย์แต่ละท่านเองก็มีนิสิตทำวิจัยกันในระดับโท-เอกกันอยู่ แล้ววิชาเหล่านี้จำเป็นหรือไม่ ก็ขอให้แต่ละท่านพิจารณาเอาเองก็แล้วกัน"
  

ตอนเขาลงคะแนนเสียงกันผมไม่อยู่ในที่ประชุม ทราบแต่เพียงว่ามีมติให้ยกเลิกการสอนวิชาเหล่านั้นโดยไม่มีใครคัดค้าน สามวิชานี้มีการสอนครั้งสุดท้ายในปีการศึกษา ๒๕๕๔
  

รูปที่ ๑๒ มาดูบรรยากาศทางเข้าเดิมกันบ้าง (1) ก็คือที่ประตูทางเข้าเดิมของห้องแลปเคมีพื้นฐาน ส่วนข้างขวาคือลิฟต์ที่มีการสร้างเพิ่มเติมเข้ามา (น่าจะอยู่ราว ๑๐ ปีที่ผ่านมา)

  

รูปที่ ๑๓ เดิมนั้น (1) เป็นทางเดินไปยังห้องเครื่องมือของศูนย์เครื่องมือวิเคราะห์ (2) คือห้อง FT-IR และ TGA ของศูนย์เครื่องมือวิเคราะห์ (3) เป็นห้องเก็บสารเคมี (4) เป็นห้องที่เดิมไม่มี กั้นเพิ่มเติมเข้ามา และ (5) คือวงกบของประตูทางเข้าห้องแลปเคมีพื้นฐานเดิม เดิมทีนั้นหน้าห้องของแลปเคมีพื้นฐานก็อยู่ตรงนี้ (มีทางเข้าออกเพียงทางเดียว) ปัจจุบันพื้นที่ส่วนนี้กลายเป็นห้องปฏิบัติการวิจัยของนิสิตระดับบัณฑิตศึกษาไปแล้ว

สแกนกี่รอบดี (การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๘๕) MO Memoir : Saturday 12 November 2559

ชีวิตพวกเขาคงง่ายขึ้นเยอะ ถ้าทำให้ถูกเสียตั้งแต่ตอนทำการวิเคราะห์

มีบ่อยครั้งที่มีคนเอาสัญญาณที่มีลักษณะเป็นฟันเลื่อยมาถามผมว่า กราฟแบบนี้จะแปลผลอย่างไรดี ผมก็ถามกลับไปว่าผลการวิเคราะห์นี้ทำการสแกนทั้งสิ้นกี่รอบ เขาก็ตอบก็มีทั้ง ไม่ทราบเหมือนกันเพราะไม่ได้ทำการวิเคราะห์เอง ทำเพียงแค่ส่งตัวอย่างไปให้ผู้อื่นวิเคราะห์ให้ หรือไม่ก็ทำตามที่รุ่นพี่ทำตาม ๆ กันมา ผมก็อธิบายกลับไปว่าจำนวนรอบการสแกนนั้นมันขึ้นอยู่กับอัตราส่วนที่เราเรียกว่า Signal to Noise ratio (คือความแรงของสัญญาณต่อความแรงของสัญญาณรบกวน หรือที่เรียกกันย่อ ๆ ว่า S/N ratio) นั้นมันนิ่งหรือยัง คือยิ่งสแกนซ้ำมากรอบขึ้น ค่า S/N ก็จะดีขึ้น แต่มันก็จะดีขึ้นไปจนถึงระดับหนึ่งเท่านั้น นั่นก็ถือได้ว่าจำนวนรอบการสแกนนั้นเพียงพอแล้ว
 

การวิเคราะห์หลายอย่างนั้นอยู่ในรูปการวัดข้อมูลที่ตำแหน่งต่าง ๆ ไปจนตลอดช่วงที่ต้องการวิเคราะห์ เช่นการวัดการดูดกลืนคลื่นแสง (จะเป็น UV-Vis หรือ IR) ที่ทำการวัดค่าการดูดกลืนคลื่นแสงที่ความยาวคลื่นต่าง ๆ การวัด XRD ที่วัดความเข้มของรังสีเอ็กซ์ที่สะท้อนออกมาจากทิศทางมุมต่าง ๆ การวัด XPS ที่วัดพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่ตัวอย่างปลดปล่อยออกมา เป็นต้น โดยในการวัดนี้เครื่องจะทำการวัดสัญญาณที่ค่าตำแหน่งต่าง ๆ (ตำแหน่งในที่นี้อาจเป็นความยาวคลื่น มุม พลังงาน ฯลฯ) ไปเรื่อย ๆ จนครอบคลุมตลอดทั้งช่วงที่สนใจ ที่เรามักจะเรียกกันว่าสแกน (scan) ครบรอบ จากนั้นก็อาจทำการวัดซ้ำเดิมหรือหยุดการวัด (ตรงนี้ขึ้นอยู่กับการกำหนดของผู้ทำการวิเคราะห์และโปรแกรมควบคุมอุปกรณ์)

เป็นเรื่องปรกติที่จะพบว่าค่าที่วัดได้ ณ ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งนั้นจะไม่คงที่ คือมีการเปลี่ยนแปลงกลับไปมาอยู่ในช่วงหนึ่ง ตัวอย่างเช่นสมมุติว่าในการวิเคราะห์ด้วยเทคนิค XRD (x-ray diffraction) เราต้องการวัดความเข้มของรังสีเอ็กซ์ที่กระเจิงออกมาจากตัวอย่างในช่วงมุม 20-80 องศา สิ่งที่เราจะพบก็คือแม้ว่าตัวอย่างที่ใช้จะเป็นตัวอย่างเดิมก็ตาม ค่าความเข้มรังสีเอ็กซ์ที่กระเจิงออกมา ณ ตำแหน่งมุมต่าง ๆ และนำค่าที่ได้จากการวัดซ้ำหลายรอบ ๆ แต่ละรอบมาพิจารณา เราะจพบว่าค่าที่ได้จากการวัดรอบแรกนั้นจะไม่เหมือนกับค่าที่ได้จากการวัดในรอบที่สองไปซะทีเดียว และค่าที่ได้จากการวัดในรอบที่สองก็จะไม่เหมือนกับค่าที่ได้จากการวัดในรอบที่สามเช่นกัน และจะเป็นเช่นนี้ไปเรื่อย ๆ พฤติกรรมเช่นนี้มีที่มาจากหลากหลายสาเหตุ (ทั้งจากตัวอย่าง ตัวอุปกรณ์ และสภาพแวดล้อมของการวัด) ยากที่จะป้องกันให้หมดไปได้ จึงทำให้สัญญาณที่วัดได้นั้นไม่นิ่ง เป็นสิ่งที่เราเรียกว่า Noise หรือสัญญาณรบกวน
  

Noise ที่เข้าไปรวมอยู่ในสัญญาณที่ควรจะเป็นนั้นทำให้ค่าสัญญาณที่วัดได้มีขนาดสูงกว่าคือต่ำกว่าค่าที่ควรจะเป็น แต่การรบกวนของ Noise นั้นมีลักษณะเป็นแบบสุ่ม คือบางครั้งก็จะแทรกเข้าไปในรูปแบบที่ทำให้ค่าที่วัดได้สูงกว่าค่าที่ควรเป็น บางครั้งก็ทำให้ค่าที่วัดได้นั้นต่ำกว่าค่าที่ควรเป็น วิธีการลดปัญญาที่เกิดจาก Noise ทำได้โดยการวัดค่าที่ตำแหน่งนั้นซ้ำหลาย ๆ ครั้งแล้วนำค่าที่วัดได้แต่ละครั้งนั้นมาเฉลี่ย
  

เพื่อให้เห็นภาพจะขอยกตัวอย่างโดยสมมุติว่าสัญญาณการวัดที่ควรจะเป็นนั้นมีลักษณะดังแสดงในรูปที่ ๑ คือเป็นพีค Gaussian สองพีคที่อยู่ที่ตำแหน่งต่างกัน จากนั้นจะทำการจำลองค่าที่ได้จากการวัดจริงด้วยการผสม Noise เข้าไปในพีค Gaussian ดังกล่าว การเพิ่มค่า Noise ทำโดยบวกค่า 0.5(RAND() - 0.5) ที่เป็นตัวแทนฟังก์ชัน Noise ให้กับค่าฟังก์ชันแต่ละตำแหน่ง x ของกราฟในรูปที่ ๑ ผลที่ได้คือกราฟที่แสดงในรูปที่ ๒ ข้างล่าง 
  

 

(การคำนวณกระทำในโปรแกรม Spreadsheet ของโปรแกรม Spreadsheet ของ OpenOffice 4.1.3 โดยฟังก์ชัน RAND() เป็นฟังก์ชันสุ่มตัวเลขที่ให้ค่าตัวเลขในช่วง 0 - 1 ออกมา ดังนั้นค่า 0.5(RAND() - 0.5) จะมีค่าอยู่ในช่วง -0.25 ถึง +0.25 หรือกล่าวได้ว่า Noise มีขนาดเท่ากับ +0.25 - (-0.25) = 0.5 ซึ่งเมื่อคิดขนาดของ Noise เทียบกับความแรงของสัญญาณ (ความสูงของพีค ซึ่งในที่นี้คือ 0.5 ทั้งสองพีค) จะได้ค่า S/N = 1.0)

การจำลองการวัดซ้ำนั้นทำโดยการคำนวณค่าฟังก์ชันตามแบบรูปที่ ๒ ขึ้นมาใหม่หลาย ๆ ครั้ง (ซึ่งแน่นอนว่าค่าที่ได้แต่ละครั้งนั้นไม่เหมือนกัน) จากนั้นนำค่าที่ได้จากการคำนวณหลาย ๆ ครั้งนั้นมาเฉลี่ยนแล้วนำมาเขียนกราฟใหม่ รูปที่ ๓ เป็นค่าที่ได้จากการเฉลี่ยค่าที่ได้จากการคำนวณ 5 ครั้ง รูปที่ ๔ เป็นค่าที่ได้จากการเฉลี่ยค่าที่ได้จากการคำนวณ 10 ครั้ง และรูปที่ ๕ เป็นค่าที่ได้จากการเฉลี่ยค่าที่ได้จากการคำนวณ 15 ครั้ง จะเห็นว่าเมื่อทำการคำนวณมากครั้งขึ้น (หรือทำการวัดซ้ำหลายครั้งมากขึ้น) กราฟค่าเฉลี่ยที่ได้นั้นจะมีลักษณะที่ราบเรียบมากขึ้นจนมีรูปร่างใกล้เคียงกับกราฟที่ควรเป็น (รูปที่ ๑) (ค่าที่นำมาเฉลี่ยนั้นต้องเป็นค่าที่ตำแหน่ง x เดียวกัน)

 

เครื่องมือวิเคราะห์แต่ละชนิดแต่ละยี่ห้อมีวิธีการวัดซ้ำที่แตกต่างกันออกไป บางเครื่องใช้วิธีการวัดหลาย ๆ รอบ (ที่เรียกว่าสแกน) บางเครื่องก็ใช้วิธีการกำหนดระยะเวลาที่จะทำการวัดค่าที่ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่ง เช่นเครื่อง XRD นั้นที่เคยเจอก็มีทั้งการใช้วิธีการวัดสัญญาณในช่วงมุมที่ต้องการศึกษาซ้ำ ๆ กันหลาย ๆ รอบ แล้วนำค่าที่วัดได้ทั้งหมดนั้นมาเฉลี่ย (ยิ่งวัดซ้ำหลายรอบ ก็ยิ่งได้สัญญาณเฉลี่ยออกมาดีขึ้น) และรุ่นที่ใช้การกำหนดระยะเวลาว่าจะให้ว่าค่าที่แต่ละตำแหน่งมุมนั้นเป็นเวลานานเท่าใด (ยิ่งนาน ก็ยิ่งได้สัญญาณเฉลี่ยออกมาดีขึ้น) อุปกรณ์ FT-IR (Fourier Transform Infrared) ที่เคยใช้นั้นก็ยังสามารถไปปรับตั้งความเร็วในการเคลื่อนที่ของ moving mirror ได้อีก (คือถ้าไปลดความเร็วให้ต่ำลง ผลการวิเคราะห์ที่ได้ก็จะดีขึ้น) แต่ที่แน่ ๆ สิ่งที่ต้องจ่ายก็คือระยะเวลาในการวิเคราะห์ตัวอย่างที่จะต้องเพิ่มมากขึ้น
 

ส่วนที่ว่าต้องทำการวัดซ้ำกี่รอบหรือต้องว่าค่าที่ตำแหน่งต่าง ๆ นานเท่าใดนั้นตรงนี้คงจะบอกไม่ได้ เพราะมันขึ้นอยู่กับตัวอย่างแต่ละชนิดที่ต้องทำลองการทดลองหลาย ๆ ครั้งเพื่อหาจำนวนรอบการสแกนหรือระยะเวลาที่ต้องวัดสัญญาณแต่ละตำแหน่งที่เหมาะสม ตัวอย่างเช่นกรณีของ FT-IR นั้นก็เคยพบทั้งตัวอย่างที่สแกนเพียงแค่ 2-3 รอบ ผลที่ได้ก็ใช้ได้แล้ว ไปจนถึงตัวอย่างที่ต้องสแกนในระดับ 500-1000 รอบจึงจะสามารถยืนยันตำแหน่งพีคได้ โดยเฉพาะกรณีการหาพีคที่มีขนาดเล็กและ/หรือการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งเพียงเล็กน้อย ยิ่งต้องให้ความสำคัญกับสิ่งนี้ให้มากขึ้น

เป็นประจำที่พบว่าปัญหาผลการวิเคราะห์ที่ออกมาในแบบในรูปที่ ๒ นั้นเกิดจากการที่ผู้ทำการวิเคราะห์นั้นไม่ทราบว่าพารามิเตอร์ต่าง ๆ ของเครื่องมือวิเคราะห์นั้นสำคัญอย่างไรต่อผลการวัดที่ได้ หรือไม่ก็ไม่รู้ว่าสามารถปรับเปลี่ยนพารามิเตอร์เหล่านั้นให้เหมาะสมกับแต่ละตัวอย่างได้ หรือไม่ก็ความต้องการให้งานเสร็จเร็ว ๆ มักจะมาก่อนความถูกต้อง หรือไม่ก็ขอให้ได้ผลการวัดออกมาก่อน ส่วนจะแปลผลได้หรือไม่นั้นก็ค่อยว่ากันภายหลัง ทั้งนี้ไม่ว่าการวิเคราะห์นั้นจะเป็นการทำการวิเคราะห์ด้วยตนเองหรือส่งตัวอย่างไปให้ผู้อื่นวิเคราะห์ก็ตาม