หอกลั่นแยก H2 และ D2 MO Memoir : Tuesday 26 May 2569

ในบทความเรื่อง "การกลั่นแยก H₂ และ D₂" ที่เขียนลง blog ไปเมื่อวันเสาร์ที่ ๗ กุมภาพันธ์ ๒๕๖๙ ที่ผ่านมานั้นได้กล่าวไว้ว่าหอกลั่นแยก H₂ และ D₂" ออกจากกันนั้นถูกจัดเป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทาง (Dual use item หรือ DUI) ในหมวด 1B228 ที่มีคุณลักษณะดังแสดงในรูปที่ ๑ ข้างล่าง

ตามข้อกำหนด 1B228 นั้น ข้อ b. ที่กำหนดความดันทำงานในช่วง 0.1 MPa (1 bar) ถึง 10 MPa (10 bar) ซึ่งก็จัดว่าไม่ได้เป็นความดันที่สูงอะไร ส่วนข้อ d. ที่กำหนดว่าขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในตั้งแต่ 30 cm ขึ้นไปและ "effective lengths" ตั้งแต่ 4 m ขึ้นไปก็ไม่ได้จัดว่ามีขนาดที่ใหญ่อะไร

ข้อกำหนด a. และ c. นั้นมันผูกกันอยู่ คือข้อ a. กำหนดช่วงอุณหภูมิการทำงาน ซึ่งจะเป็นตัวกำหนดชนิดวัสดุที่สามารถนำมาใช้สร้างได้ ส่วนข้อ c. นั้นกำหนดชนิดวัสดุที่สามารถนำมาใช้สร้างได้ โดยข้อ c. นั้นยังแยกออกเป็นอีก ๒ ข้อย่อยคือ c.1 Austenitic stainless steel หรือ c.2 วัสดุอื่นที่เทียบเท่าที่สามารถทนอุณหภูมิต่ำได้และใช้งานกับระบบที่มีแก๊สไฮโดรเจนได้ (ความหมายของข้อ c.2 คือมันมีวัสดุอื่นที่ใช้งานได้ที่อุณหภูมิต่ำระดับข้อ a. แต่ใช้ไม่ได้กับกรณีของไฮโดรเจน)

รูปที่ ๑ คุณลักษณะหอกลั่นแยก H₂ และ D₂ ตามหัวข้อ 1B228

ที่น่าสนใจคือวัสดุในข้อ c.1 ที่บอกว่าเป็น Austenitic stainless steel ซึ่งชื่อนี้สำหรับคนทั่วไปก็คงจะไม่ค่อยคุ้นหูเท่าใดนัก แต่ถ้าบอกว่าเป็นเหล็กสแตนเลสเบอร์ 304 หรือ 316 ก็คงจะคุ้นกันมากกว่า (คือมันมีเบอร์อื่นอีกนะ เพียงแค่สองเบอร์นี้ใช้กันมากที่สุด เช่นเบอร์ 304 ที่เอามาทำเป็นเครื่องครัวสแตนเลสต่าง ๆ) และในบ้านเรา ช่างเชื่อมเหล็กที่มีความสามารถในการเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิมก็ใช่ว่าจะหายาก

ที่ความดันบรรยากาศ ของเหลว cryogenic ที่ราคาถูกและใช้กันมากที่สุดเห็นจะได้แก่ไนโตรเจนเหลวที่มีจุดเดือด -196ºC ส่วนไฮโดรเจนเหลวจะมีจุดเดือดที่ประมาณ -253ºC ในขณะที่แก๊สที่มีจุดเดือดต่ำสุดคือฮีเลียมที่อยู่ที่ -269ºC

ที่อุณหภูมิสูง ความแข็งแรงในการรับแรงดึงของโลหะจะลดต่ำลง ดังนั้นถ้าจะดูว่าโลหะนั้นใช้งานได้ที่อุณหภูมิสูงสุดเท่าใด ก็จะไปพิจารณาค่าความสามารถในการรับแรงดึง (tensile strength) ที่อุณหภูมิต่ำนั้น แม้ว่าโลหะจะสามารถรับแรงดึงได้มากขึ้น (ดังค่าที่แสดงในรูปที่ ๒ ข้างล่าง) แต่พฤติกรรมของโลหะจะเปลี่ยนจากเหนียวเป็นเปราะ คือแตกหักได้ง่ายเมื่อได้รับแรงกระแทก (เหมือนแก้วแตก) ดังนั้นความสามารถในการรับแรงกระแทก (Impact toughness) ของโลหะจะเป็นตัวกำหนดว่าโลหะนั้นใช้งานได้ที่อุณหภูมิต่ำสุดเท่าใด

รูปที่ ๒ ข้อมูลจากหน้าเว็บของบริษัท Penflex
(https://www.penflex.com/news/cryogenic-temperatures-austenitic-steels/)

ข้อมูลจากหน้าเว็บของบริษัท Penflex (รูปที่ ๒) กล่าวว่า austenistic stainless steel เบอร์ 304 และ 316 คงคุณสมบัติในการรับแรงกระแทกที่สภาวะ cryogenic ได้ และยังสามารถใช้ทำภาชนะเก็บฮีเลียมเหลวที่มีอุณหภูมิ -269ºC ได้ด้วย ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ต่ำกว่าไฮโดรเจนเหลว (ที่มีอุณหภูมิ -253ºC) อีก

ส่วนข้อมูลจากหน้าเว็บของ British Stainless Steel Association (รูปที่ ๓) ที่ได้ทำการทดสอบความสามารถในการรับแรงกระแทกของเหล็กกล้าไร้สนิมที่อุณหภูมิ -196ºC (อุณหภูมิจุดเดือดของไนโตรเจนเหลว) ก็กล่าวว่าเหล็กกล้าไร้สนิมในกลุ่ม austenitic stainless steel ก็ยังสามารถรับแรงกระแทกได้ดี จึงเหมาะสมสำหรับการใช้งานกับระบบ cryogenic และจะดียิ่งขึ้นถ้ามีการเติมไนโตรเจนเข้าไปเช่นเกรด 304LN

(หมายเหตุ : ตัวอักษร L ที่ต่อท้ายเลขหมายถึงมีปริมาณคาร์บอนต่ำ เช่นเบอร์ 304L จะมีองค์ประกอบเหมือนกับเบอร์ 304 แต่เบอร์ 304L จะมีคาร์บอนที่ต่ำกว่า เบอร์ 316L จะมีองค์ประกอบเหมือนกับเบอร์ 316 แต่เบอร์ 316L จะมีคาร์บอนที่ต่ำกว่า ส่วน N นั้นหมายถึงมีการเพิ่มธาตุไนโตรเจนเข้าไป)

รูปที่ ๓ ข้อมูลจากหน้าเว็บของ British Stainless Steel Association 
(https://bssa.org.uk/bssa_articles/selection-of-stainless-steels-for-cryogenic-applications/)

ดังนั้นจะว่าไป หอกลั่นขนาดเท่านี้ ด้วยวัสดุที่มีอยู่ทั่วไปแบบนี้ ในบ้านเราก็คงหาคนสร้างให้ได้ไม่ยากนะ

การกลั่นแยก H2 และ D2 MO Memoir : Saturday 7 February 2569

ในตอนที่แล้ว (วันพฤหัสบดีที่ ๕ กุมภาพันธ์ ๒๕๖๙) ได้กล่าวถึงการสกัด deuterium ออกจากแก๊สไฮโดรเจน (ที่ประกอบไปด้วย H₂, HD และ D₂) ด้วยแอมโมเนีย (NH₃) จากนั้นจึงนำ ND₃ ที่ได้ไปทำการออกซิไดซ์เพื่อให้ได้ heavy water หรือ D₂O แต่สำหรับวันนี้จะเป็นเรื่องเกี่ยวกับการกลั่นแยก D₂ ออกจาก H₂ โดยตรง

H₂ มีจุดเดือดอยู่ที่ประมาณ -252.9ºC ในขณะที่ D₂ (ที่มีมวลมากกว่า) มีจุดเดือดอยู่ที่ประมาณ -249.5ºC หรือต่างกันมากกว่า 3ºC ซึ่งถ้ามองในแง่ผลต่างอุณหภูมิแล้ว การกลั่นแยก H₂ และ D₂ ออกจากกันควรจะง่ายกว่าการกลั่นแยก NH₃ และ ND₃ ออกจากกัน เพราะคู่ NH₃ และ ND₃ นั้นมีอุณหภูมิจุดเดือดต่างกันเพียงแค่ 1ºC แต่ถ้ามองที่ไปที่อุณหภูมิจุดเดือดแล้วจะเห็นว่าการกลั่นแยก H₂ และ D₂ ออกจากกันจะยากกว่าตรงที่ต้องใช้อุณหภูมิที่ต่ำมากเพื่อทำให้ทั้ง H₂ และ D₂ กลายเป็นของเหลว โดยไม่สามารถใช้การเพิ่มความดันเพื่อทำให้มันเป็นของเหลวที่อุณหภูมิสูงขึ้นได้ดังเช่นกรณีของ NH₃ และ ND₃ แต่ถึงกระนั้นก็ตาม ก็ยังมีการพัฒนากระบวนการกลั่นแยก H₂ และ D₂ ออกจากกัน (รูปที่ ๑ และ ๒) เพื่อเป็นอีกทางเลือกหนึ่งในการผลิต D₂ เพื่อนำไปใช้ผลิต heavy water ต่อไป

(หมายเหตุ : เราสามารถทำให้แก๊สกลายเป็นของเหลวได้ด้วยการเพิ่มความดันถ้าอุณหภูมิของแก๊สนั้นต่ำกว่าค่าอุณหภูมิวิกฤต (critical temperature) ซึ่งของ NH₃ อยู่ที่ 132.3ºC ในขณะที่ของ H₂ อยู่ -240ºC)

รูปที่ ๑ ตัวอย่างแผนผังกระบวนการกลั่นแยก D₂ ออกจาก H₂ ที่มีการยื่นจดสิทธิบัตรไว้ในปีค.ศ. ๑๙๕๙ (พ.ศ. ๒๕๐๒) 

 

รูปที่ ๒ อีกตัวอย่างหนึ่งของกระบวนการกลั่นแยก D₂ ออกจาก H₂ ที่มีการยื่นจดสิทธิบัตรไว้ในปีค.ศ. ๑๙๖๑ (พ.ศ. ๒๕๐๔)

โมเลกุลไฮโดรเจนเกือบทั้งหมดจะอยู่ในรูป H₂ โดยมีส่วนน้อยที่อยู่ในรูป HD และส่วนน้อยมาก ๆ (หรืออาจถือได้ว่าแทบไม่มี) ที่อยู่ในรูปของ D₂ ดังนั้นสิ่งแรกที่ต้องทำก่อนการกลั่นแยก H₂ และ D₂ ออกจากกันก็คือการทำให้มี D₂ ก่อน

กระบวนการผลิตเริ่มจากการเพิ่มความเข้มข้นให้กับ HD ในแก๊สไฮโดรเจนก่อน (ตัวอย่างแผนผังอย่างง่ายแสดงในรูปที่ ๓) ซึ่งตรงนี้สามารถทำได้ด้วยการกลั่นแยกแม้ว่าจะยากอยู่เหมือนกัน (H₂ และ HD มีจุดเดือดต่างกันไม่มาก) จากนั้นจึงนำ HD ที่ได้ไปทำปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนอะตอมดังปฏิกิริยา 2HD ---> H₂ + D₂ จากนั้นจึงค่อยกลั่นแยก H₂ และ D₂ ออกจากกัน

ปรกติเวลาโมเลกุลแก๊สไฮโดรเจนสัมผัสพื้นผิวโลหะ จากโมเลกุล H-H จะสามารถแตกออกเป็นอะตอม H 2 อะตอมบนพื้นผิวโลหะ และอะตอมที่แตกออกมานี้ก็สามารถรวมตัวกลับไปเป็นโมเลกุล H-H ได้ใหม่ เรื่องนี้เป็นความรู้พื้นฐานที่เป็นที่รู้จักกันทั่วไปในวงการตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธ์ เวลาที่โมเลกุล H-D ลงมาเกาะ มันก็มีการแตกตัวออกเป็นอะตอม H และอะตอม D แต่เวลาที่มันจะรวมตัวกลับ อะตอม H ของ H-D ก็อาจไปจับกับอะตอม H ตัวอื่นกลายเป็นโมเลกุล H₂ หลุดออกไป และในทำนองเดียวกันอะตอม D ของ H-D ก็อาจไปจับกับอะตอม D ตัวอื่นกลายเป็นโมเลกุล D₂ หลุดออกไป และด้วยการเลือกใช้โลหะที่ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสม ก็จะทำให้สัดส่วนโมเลกุล D₂ เพิ่มมากขึ้น จากนั้นจึงค่อยนำไปกลั่นแยก D₂ เพื่อเอาไปใช้ผลิต heavy water ต่อไป

สิทธิบัตรในรูปที่ ๔ บอกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสมคือโลหะใน Group VIII แต่ตรงนี้ต้องขอทบทวนการเรียกธาตุต่าง ๆ ว่าเป็นธาตุในหมู่ไหน (ดูรูปที่ ๕ ประกอบ) คือการนับหมู่จะเริ่มจากหมู่ 1 ที่อยู่ทางซ้ายสุดของตารางธาตุ การนับแบบเดิมนั้นจะเริ่มจากหมู่ IA (หรือ alkaline) ตามด้วย IIA (หรือ alkaline earth) พอถึงหมู่ถัดมาจะเป็น IIIB คือเข้าอนุกรมโลหะทรานซิชัน จากนั้นก็นับต่อไปจนถึงหมู่ VIIB สามหมู่ถัดมาจะเรียกว่าหมู่ VIII จากนั้นจึงเป็นหมู่ IB, IIB และขึ้น IIIA ใหม่ไปจนถึง VIIIA แต่ต่อมามีการเปลี่ยนวิธีการนับคือนับเรียงจากหมู่ 1 ทางซ้ายไปเรื่อย ๆ จนถึงหมู่ขวาสุดคือหมู่ที่ 20 ดังนั้นหมู่ VIII เดิมจึงกลายเป็นหมู่ 8-10 ของการนับแบบใหม่

 

รูปที่ ๓ แผนผังอย่างคร่าวของกระบวนการผลิต Heavy water ผ่านการกลั่นแยก H₂ และ D₂ ออกจากกัน รูปนี้มีที่มาจากแหล่งเดียวกับรูปที่ ๖ (มี URL เอกสารต้นเรื่องอยู่ในรูปที่ ๖)

รูปที่ ๔ สิทธิบัตรที่มีการกล่าวถึงตัวเร่งปฏิกิริยาที่สำหรับการแลกเปลี่ยนอะตอม H และ D เพื่อผลิต D₂

รูปที่ ๕ เปรียบเทียบการนับหมู่ในตารางธาตุแบบเก่าและแบบใหม่ ธาตุในหมู่ VIII คือที่อยู่ในกรอบสีแดง ที่นำมาใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาก็มีเฉพาะ 3 แถวบน ส่วนแถวล่างสุดที่มี Hs, Mt และ Ds เป็นธาตุที่สังเคราะห์ขึ้น ไม่มีในธรรมชาติ

รูปที่ ๖ แผนผังกระบวนการกลั่นแยก H₂ และ D₂ ออกจากกัน หอซ้ายสุดเป็นหอกลั่นซ้อน 3 ชั้นเพื่อเพิ่มความเข้มข้น HD จากไม่ถึง 300 ppm เป็น 900 ppm ก่อนทำการกลั่นแยก HD (95%) ออกในหอที่สอง

หอกลั่นแยกไฮโดรเจนจัดเป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทางในหมวด 1B228 (รูปที่ ๗ ข้างล่าง) ด้วยการที่อะตอมไฮโดรเจนเป็นอะตอมที่มีขนาดเล็ก (ประกอบด้วยโปรตอนเพียงตัวเดียว) ดังนั้นเวลาที่โมเลกุลไฮโดรเจนกลายเป็นอะตอมไฮโดรเจนเกาะอยู่บนอะตอมโลหะที่อยู่บนพื้นผิวนั้น ด้วยการที่อะตอมโลหะมีขนาดใหญ่ ช่องว่างระหว่างอะตอมก็เลยมีสิทธิที่จะใหญ่ตามไปด้วย (ขึ้นกับการเรียงตัวของอะตอมในโครงร่างผลึก) ด้วยเหตุนี้สำหรับโลหะหลายชนิด อะตอมไฮโดรเจนที่เกาะอยู่บนพื้นผิวจะสามารถแพร่ผ่านผิวโลหะนั้นไปได้โดยเคลื่อนตัวผ่านไปตามช่องว่างระหว่างอะตอมโลหะ และถ้าหากอะตอมไฮโดรเจนที่กำลังแพร่อยู่ในเนื้อโลหะนั้นเกิดการรวมตัวกันเป็นโมเลกุลไฮโดรเจน ก็จะทำให้เกิดฟองแก๊สในเนื้อโลหะที่สามารถทำให้ผนังโลหะนั้นเกิดความเสียหายได้ ด้วยเหตุนี้ในข้อกำหนด 1B228 จึงต้องมีการระบุว่าควบคุมเฉพาะวัสดุที่ใช้ได้ที่อุณหภูมิต่ำมาก (cryogenic) และใช้งานได้กับไฮโดรเจน (ข้อ c.)

รูปที่ ๗ หอกลั่นแยกไฮโดรเจนจัดเป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทางในหมวด 1B228

สำหรับฉบับนี้ ก็คงจบลงเพียงแค่นี้

ปัญหาการใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับรถยนต์ MO Memoir : Thursday 7 November 2567

เมื่อต้นสัปดาห์ที่ผ่านมามีข่าวว่าประเทศมาเลเซียจะยกเลิกการจำหน่ายแก๊สธรรมชาติอัดความดัน (compressed natural gas - CNG) สำหรับรถยนต์ และยกเลิกการจดทะเบียนรถใช้แก๊สธรรมชาติอัดความดันเป็นเชื้อเพลิง สาเหตุหลักก็คืออายุการใช้งานของถังแก๊สที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงเมื่อถึงเวลาที่เหมาะสม จะว่าไปจากข่าวนี้ก็ทำให้เพิ่งรู้ว่านอกจากไทยแล้วก็ยังมีมาเลยเซียอีกที่ ที่เรียกแก๊สธรรมชาติอัดความดันว่า NGV ไม่ได้เรียกว่า CNG เหมือนทือื่นที่เรียกกันมานาน (รูปที่ ๑)

ถ้าสงสัยว่าหัวข้อบทความวันนี้ขึ้นเรื่องเกี่ยวกับแก๊สไฮโดรเจน แล้วมันเกี่ยวอะไรกับแก๊สธรรมชาติอัดความดัน ก็เพราะว่ามันต้องใช้ถังความดันสูง (และสูงกว่าด้วย) ในการเก็บเช่นเดียวกัน ดังนั้นเมื่อใช้งานไปมันก็จะมีปัญหาแบบเดียวกัน

รูปที่ ๑ ข่าวการยกเลิกการใช้รถยนต์ที่ใช้แก๊สธรรมชาติอัดความดัน (CNG) เป็นเชื้อเพลิงของประเทศมาเลเซีย

ความเสียหายของวัสดุจากการรับแรงดึงมีด้วยกัน 3 รูปแบบ รูปแบบแรกคือการเสียหายจากการรับแรงดึงสูงเกินกว่าที่วัสดุจะรับแรงได้ (tensile strength) การทดสอบความแข็งแรงเรื่องนี้ทำได้ไม่ยาก ก็ด้วยการนำเอาวัสดุนั้นมารับแรงดึงแล้วหาว่าแรงดึงสูงสุดที่รับได้ก่อนฉีกขาดนั้นมีค่าเท่าใด ถ้าเป็นถังความดันก็เอาถังนั้นมาอัดความดันแล้วก็ดูว่าต้องใช้ความดันสูงเท่าใดลำตัวถังจึงจะฉีกขาด

รูปแบบที่สองคือความเสียหายจาก creep หรือที่แปลเป็นไทยว่าความคืบ ความเสียหายแบบนี้เกิดจากการที่วัสดุนั้นรับแรงดึงที่ต่ำกว่าค่าแรงดึงสูงสุดที่รับได้ แต่ต้องรับต่อเนื่องเป็นเวลานาน โดยทั่วไปมักจะเกิดเมื่อต้องรับแรงที่ทำให้วัสดุนี้มีการเปลี่ยนแปลงขนาด ตัวอย่างเช่นถ้าเอาลวดเส้นหนึ่งมาดึงด้วยแรงดึงที่สูงพอ แรงดึงนั้นจะทำให้ลวดเส้นนั้นยืดออกโดยมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางลดลง พอขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางลดลง ความเค้นในเนื้อวัสดุบริเวณนั้นก็จะสูงขึ้น (เพราะความเค้นคืออัตราส่วนระหว่างแรงที่กระทำต่อพื้นที่รับแรง) ส่งผลให้เส้นลวดยืดตัวออกไปอีกอย่างช้า ๆ ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางก็จะลดลงไปอีก จนกระทั่งถึงจุดหนึ่งเส้นลวดนั้นก็จะขาด

รูปแบบที่สามคือความเสียหายจากความล้าหรือ fatigue เกิดเมื่อเนื้อวัสดุสั้นรับแรงที่ต่ำกว่าค่าแรงดึงสูงสุดที่รับได้ แต่แรงนั้นกระทำในรูปแบบที่เป็นวงรอบ (cycle) ต่อเนื่องกันเป็นเวลานาน ความเสียหายจากเหตุการณ์นี้ที่เป็นที่รู้จักกันมากที่สุดคือกรณีของเครื่องบินเจ็ตโดยสาร de Havilland Comet ที่ลำตัวเกิดการแตกออกขณะบินอยู่ในอากาศถึง ๓ ลำในปีค.ศ. ๑๙๕๔ (พ.ศ. ๒๔๙๗) อันเป็นเพราะจากความล้า เพราะในขณะที่เครื่องบินจอดอยู่บนพื้น ลำตัวเครื่องไม่ต้องรับแรงดัน แต่เมื่อบินสูงในอากาศ อากาศภายนอกเครื่องมีความดันต่ำกว่าภายในเครื่อง ลำตัวเครื่องจึงเสมือนกับต้องรับความดันเพิ่มขึ้นเมื่อเครื่องบินขึ้น และรับความดันน้อยลงเมื่อเครื่องบินลงจอด และการที่เครื่องบินขึ้นลงหลาย ๆ ครั้งก็เปรียบเสมือนการอัดความดัน/ระบายความดันซ้ำไปมาหลายครั้ง ทำให้รอยแตกเล็ก ๆ ในเนื้อโลหะค่อย ๆ ขยายตัว และเมื่อมารวมตัวกันกลายเป็นรอยแตกขนาดใหญ่ ก็เกิดความเสียหายขนาดใหญ่ขึ้นทันที

ถังแก๊สธรรมชาติ/แก๊สไฮโดรเจนที่นำมาใช้กับรถยนต์ ก็เป็นถังความดันที่มีรูปแบบการทำงานเช่นนี้ คือความดันในถังจะเพิ่มสูงขึ้นเมื่อทำการเติมแก๊ส และลดลงเมื่อดึงแก๊สไปใช้งาน (เพราะแก๊สจะกลายเป็นของเหลวเมื่อเพิ่มความดันได้ก็ต่อเมื่ออุณหภูมิของแก๊สนั้นต่ำกว่าค่าอุณหภูมิวิกฤต (critical temperature) แก๊สหุงต้มมีค่าอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่าอุณหภูมิห้อง ในขณะที่มีเทนและไฮโดรเจนมีค่าอุณหภูมิวิกฤตที่ต่ำมาก)

ถังแก๊สหุงต้ม (LPG หรือ Liquified Petroleum Gas) ที่ใช้กับรถยนต์ไม่มีปัญหานี้ เพราะแก๊สหุงต้นมันอยู่ในรูปของเหลวภายใต้ความดัน ความดันในถังจึงคงที่ (แต่ก็ยังเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิสภาพแวดล้อม) เวลาที่ดึงแก๊สออกไป ส่วนที่เป็นของเหลวก็จะระเหยมาชดเชย ความดันในถังจะไม่ลดจนกว่าของเหลวในถังจะไม่เหลือ เวลาที่เติมแก๊สเข้าไป ถ้าเป็นถังเปล่า พอความดันในถังเพิ่มสูงขึ้นถึงระดับหนึ่ง แก๊สที่เติมเข้าไปจะควบแน่นเป็นของเหลว ทำให้ความดันในถังไม่สูงขึ้น ดังนั้นถ้าการเติมแก๊สนั้นทำก่อนที่แก๊สในถังจะหมด ความดันในถังก็ถือได้ว่าคงที่ (ตรงนี้แตกต่างจากถังแก๊สหุงต้มที่ใข้กันตามบ้าน ที่จะใช้จนแก๊สหมดถังเลย แล้วค่อยเปลี่ยนถังแก๊ส)

รูปที่ ๒ ความหนาแน่นพลังงาน (พลังงานความร้อนต่อหน่วย "ปริมาตร" เชื้อเพลิง) ของเชื้อเพลิงชนิดต่าง ๆ

มีหลายปัจจัยที่ต้องพิจารณาในการเลือกชนิดเชื้อเพลิงที่จะนำมาใช้กับรถยนต์ รถยนต์นั้นมีพื้นที่สำหรับบรรทุกเชื้อเพลิงที่จำกัด (เพราะถูกกำหนดด้วยขนาดรถ พื้นที่ห้องโดยสาร และพื้นที่สำหรับบรรทุกสิ่งของ รูปที่ ๒ แสดงค่าความหนาแน่นพลังงานของเชื้อเพลิงแต่ละชนิด จะเห็นว่าเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนเหลวนั้นมีความหนาแน่นพลังงานที่สูง ถังเก็บก็มีน้ำหนักเบา เติมเชื้อเพลิงแต่ละครั้งก็วิ่งได้ระยะทางมากกว่าเชื้อเพลิงที่เป็นแก๊สที่ต้องใช้ถังความดัน (น้ำหนักมากกว่า) ในการเก็บเชื้อเพลิง ที่ความดัน 200 bar.g (200 เท่าของความดันบรรยากาศ) ไฮโดรเจนมีพลังงานเพียงแค่ประมาณ 25% ของแก๊สมีเทน ดังนั้นถ้าเก็บไฮโดรเจนที่ความดันและปริมาตรเดียวกันกับถัง CNG รถจะวิ่งได้ระยะทางที่น้อยกว่ามาก

แนวทางหนึ่งในการแก้ปัญหาคือเก็บไฮโดรเจนที่ความดันที่สูงขึ้น ซึ่งก็ได้มีการวิจัยและพัฒนาถังความดันไปจนถึงระดับ 700 bar.g จึงทำให้พลังงานต่อหน่วยปริมาตรของไฮโดรเจนเข้าใกล้เคียงกับของมีเทน แต่นั่นก็หมายความว่าน้ำหนักของถังบรรจุต้องเพิ่มมากขึ้นตามไปด้วย

จริงอยู่ที่ไฮโดรเจนมีค่าพลังงานต่อหน่วย "น้ำหนัก" สูงกว่าเชื้อเพลิงชนิดอื่น และหลายงานวิจัยมักจะอ้างถึงจุดนี้เวลาบอกว่าไฮโดรเจนนั้นดีกว่าเชื้อเพลิงชนิดอื่น แต่ในการใช้งานจริงนั้น "ปริมาตร" ถังเก็บเป็นตัวกำหนดปริมาณเชื้อเพลิงที่รถยนต์จะขนไปได้ และถ้าอิงที่น้ำหนักเชื้อเพลิงเท่ากัน ปริมาตรและน้ำหนักของถังบรรจุไฮโดรเจนจะมากกว่า ซึ่งส่งผลถึงค่ากำลังที่ได้จากเครื่องยนต์ต่อหน่วยน้ำหนักของ เครื่องยนต์ + ระบบเก็บและจ่ายเชื้อเพลิง

ด้วยระยะทางที่วิ่งได้ต่อการเติมเชื้อเพลิงแต่ละครั้งที่ต่ำ ทำให้ต้องมีการเติมเชื้อเพลิงบ่อยครั้ง ยิ่งเป็นรถที่ใช้งานต่อเนื่อง (เช่นรถยนต์รับจ้างหรือเดินทางไกลเป็นประจำ) ถังบรรจุก็ต้องรับความดันสูง-ต่ำสลับไปมาบ่อยครั้งกว่า โอกาสที่จะเกิดความเสียหายจากความล้าจึงสูงกว่า

การออกแบบถังเก็บ CNG ก็มีการพิจารณาประเด็นเรื่องความล้านี้ และก็ได้ออกแบบเผื่อไว้ ทำให้ถังพวกนี้มีอายุการใช้งาน กล่าวคือถึงแม้ว่าลำตัวถังเองนั้นไม่มีการผุกร่อน และถ้านำมาทดสอบความสามารถในการรับความดันก็ยังสามารถรับความดันได้อยู่ แต่ก็ต้องเปลี่ยนเป็นถังใหม่ และถังเก่าก็ไม่ควรนำมาใช้งานเพื่อเก็บแก๊สความดันสูงอีก แต่จากความเป็นจริงที่ถังเหล่านี้มีราคาสูง และการพิจารณาด้วยสายตาก็ยังเห็นว่าถังเหล่านี้ยังดูดีอยู่ ก็เลยมักไม่มีการเปลี่ยนถังกันเมื่อครบกำหนดอายุการใช้งาน

ขณะนี้มีการนำเสนอไฮโดรเจนมาแข่งกับแบตเตอรี่ ด้วยการโฆษณาว่าการเติมเชื้อเพลิงจนเต็มถังนั้นใช้เวลาน้อยกว่าการชาร์จแบตเตอรี่มาก (ซึ่งก็จริง) แต่มักไม่กล่าวถึงปริมาณเชื้อเพลิงที่สามารถเติมได้ และระยะทางที่รถสามารถวิ่งได้เมื่อเติมเชื้อเพลิงแต่ละครั้ง รูปที่ ๓ ข้างล่างนำมาจากหน้าเว็บของบริษัทหนึ่งที่ทำงานเกี่ยวกับการพัฒนาถังเก็บไฮโดรเจนสำหรับยานพาหนะ จะเห็นว่าสำหรับรถยนต์ขนาดเล็กที่ใช้ถังความดัน 350 bar จะบรรทุกเชื้อเพลิงได้ประมาณ 4-5 kg ในขณะที่รถขนาดใหญ่ที่ใช้ถังความดัน 700 bar จะบรรทุกได้ประมาณ 20-40 kg

รูปที่ ๓ ปริมาณเชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่ยานพาหนะสามารถบรรทุกไปได้

เทียบต่อกิโลกรัม แม้ไฮโดรเจนมีพลังงานสูงกว่าน้ำมันเบนซินประมาณ 3 เท่า แต่รถยนต์สามารถบรรทุกน้ำมันได้มากกว่าไฮโดรเจนประมาณ 6 เท่า (น้ำมัน 40-45 ลิตรหนักประมาณ 30 kg) และถังเก็บน้ำมันยังมีน้ำหนักที่เบากว่าด้วย และใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับรถยนต์ ก็ต้องมีการลงทุนระบบโครงสร้างพื้นฐานในการส่งไฮโดรเจนไปยังสถานีบริการต่าง ๆ ซึ่งจะมีความคุ้มหรือไม่ก็คงเรียนรู้ได้จากการขยายสถานนีบริการ CNG ในบ้านเรา ที่เป็นการขนส่งแก๊สความดันสูงไปยังสถานีบริการต่าง ๆ ว่ามีการเปลี่ยนแปลงอย่างไร และกรณีของไฮโดรเจนน่าจะมีปัญหามากกว่า เพราะใช้ความดันที่สูงกว่า

ปัญหาการใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายใน MO Memoir : Thursday 25 April 2567

กลับมาทำงานใหม่ ๆ เมื่อ ๓๐ ปีที่แล้วก็เห็นอาจารย์ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลท่านหนึ่งทำวิจัยเรื่องใช้แก๊สไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับรถยนต์แทนน้ำมันเบนซิน รถที่ใช้ก็คือ Mazda Familia เครื่องเบนซิน 1300 CC ซึ่งมันก็วิ่งได้โดยใช้ถังไฮโดรเจนบรรทุกไว้บนกระบะหลัง แต่หลังจากนั้นเท่าที่ทราบก็ไม่เห็นใครทำวิจัยเรื่องทำนองนี้อีกเลย เห็นมีแต่ข่าวรถใช้พลังน้ำที่บอกว่าไม่ง้อน้ำมันออกมาเป็นระยะ

แม้ว่าไฮโดรเจนจะเป็นแก๊สแบบเดียวกับมีเทนและแก๊สหุงต้มที่ต่างเป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนเช่นเดียวกับน้ำมันเบนซิน แต่พฤติกรรมการเผาไหม้ของแก๊สไฮโดรเจน (โดยเฉพาะแก๊สไฮโดรเจนบริสุทธิ์) แตกต่างจากไฮโดรคาร์บอนหลายด้าน ทำให้เครื่องยนต์ที่ใช้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์เป็นเชื้อเพลิงนั้นแตกต่างไปจากเครื่องยนต์ที่ใช้ไฮโดรคาร์บอนเป็นเชื้อเพลิง

U.S. Department of Energy (https://www1.eere.energy.gov) ได้จัดทำเอกสารเรื่อง "Hydrogen Fuel Cell Engines and Related Techgiesnology เผยแพร่ไว้เมื่อเดือนธันวาคม ค.ศ. ๒๐๐๑ (พ.ศ. ๒๕๔๔) โดยใน Module 3 เรื่อง "Hydrogen use in internal cumbustion engines" ในหัวข้อ 3.2 (รูปที่ ๑) มีการกล่าวถึงคุณสมบัติการเผาไหม้ของไฮโดรเจน ซึ่งบรรยายให้เห็นถึงปัญหาและข้อควรระวังในการนำเอาไฮโดรเจนมาใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายใน (เครื่องเบนซิน) แต่การทำความเข้าใจเนื้อหาตรงนี้จำเป็นต้องมีพื้นฐานความรู้เกี่ยวกับเครื่องยนต์เบนซินและทางเคมี ดังนั้นวันนี้ก็เลยขอเอาเฉพาะหัวข้อนี้มาขยายความเพื่อให้ผู้อ่านสามารถทำความเข้าใจได้ดีขึ้น

รูปที่ ๑ หัวข้อ 3.2 ของ Module 3 ที่เกี่ยวกับคุณสมบัติการเผาไหม้ของไฮโดรเจน

เอกสารชุดนี้แยกเป็นไฟล์ pdf จำนวน ๑๑ ไฟล์ตามจำนวน Module เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้สามารถดาวน์โหลดเอกสารต้นฉบับได้ที่ https://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/tech_validation/pdfs/fcm03r0.pdf

ต่อไปจะเป็นการขยายความหัวข้อย่อยแต่ละข้อเรียงลำดับไป

- Wide range of flammability

Flammability คือช่วงความเข้มข้นของสารในอากาศที่สามารถลุกติดไฟได้ เมื่อโมเลกุลเชื้อเพลิงส่วนหนึ่งเริ่มเกิดการเผาไหม้ ความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมาต้องมากพอที่จะไปกระตุ้นให้โมเลกุลเชื้อเพลิงโมเลกุลอื่นเกิดปฏิกิริยาตามมา และถ้าปฏิกิริยาเกิดต่อเนื่องไปได้เรื่อย ๆ ก็จะเกิดการเผาไหม้ขึ้น

ในกรณีที่ความเข้มข้นเชื้อเพลิงต่ำเกินไป ความร้อนที่เชื้อเพลิงที่เริ่มเกิดการเผาไหม้คายออกมาจะไม่เพียงพอที่จะทำให้ปฏิกิริยาการเผาไหม้เลี้ยงตัวเองได้ ในทางตรงกันข้ามถ้าความเข้มข้นเชื้อเพลิงสูงเกินไป ออกซิเจนในอากาศจะไม่เพียงพอที่จะทำให้ปฏิกิริยาการเผาไหม้เลี้ยงตัวเองได้

ไฮโดยเจนมีช่วง flammability ระหว่าง 4 - 75 vol% ส่วนน้ำมันเบนซินจะอยู่ระหว่าง 1.4 - 7.6 vol% ช่วงความเข้มข้นที่มีอากาศมากเกินพอสำหรับการเผาไหม้เชื้อเพลิงได้สมบูรณ์เรียกว่า "ส่วนผสมบาง" หรือ "lean" ช่วงความเข้มข้นที่มีอากาศไม่เพียงพอสำหรับการเผาไหม้เชื้อเพลิงได้สมบูรณ์เรียกว่า "ส่วนผสมหนา" หรือ "rich" ความเข้มข้นที่ปริมาณออกซิเจนในส่วนผสมสามารถเผาไหม้เชื้อเพลิงได้พอดีในทางทฤษฎี (คือออกซิเจนมากพอที่จะเปลี่ยนคาร์บอนเป็น CO₂ และไฮโดรเจนเป็น H₂O โดยไม่มีออกซิเจนเหลือ) เรียกว่า "stoichiometric ratio"

เครื่องยนต์ดีเซลทำงานในช่วงปริมาณอากาศมากกว่าปริมาณที่สามารถทำให้น้ำมันเผาไหม้ได้สมบูรณ์ (แต่ที่มันเกิดควันดำได้ก็เพราะมันมีเรื่องการผสมเข้ากับอากาศที่ไม่ดีและเผาไหม้ยังไม่ทันหมดก็ถูกไล่ออกจากกระบอกสูบแล้ว) ส่วนเครื่องยนต์เบนซินในยุคก่อนจะบังคับติดตั้งเครื่องกรองไอเสีย (catalytic converter) ถ้าเป็นช่วงเร่งเครื่องก็จะทำงานที่ส่วนผสมหนา ถ้าเป็นช่วงขับรถใช้ความเร็วคงที่ (เช่นบนทางหลวง) ก็จะทำงานที่ส่วนผสมบาง แต่พอต้องติดเครื่องกรองไอเสียแล้วก็ต้องบังคับให้ทำงานที่ส่วนผสม stoichiometric ratio

การที่เชื้อเพลิงสามารถเผาไหม้ได้ด้วยส่วนผสมที่บางก็มีข้อดีบางประการเช่น ติดเครื่องได้ง่ายเมื่ออากาศเย็น (ตรงนี้มักจะเป็นปัญหาของเชื้อเพลิงเหลวเพราะต้องใช้การระเหยให้กลายเป็นไอก่อน), ประหยัดเชื้อเพลิง แต่จะใช้ส่วนผสมได้บางแค่ไหนนั้นก็ขึ้นอยู่กับว่าต้องการพลังงานเท่าใด ถ้าต้องการพลังงานมากก็ต้องใช้เชื้อเพลิงในปริมาณมากขึ้น

- Low ignition energy

ส่วนผสมที่มีความเข้มข้นของเชื้อเพลิงอยู่ในช่วง flammability limit จะสามารถลุกติดไฟได้ถ้าได้รับพลังงานกระตุ้น โดยพลังงานกระตุ้นนั้นอาจมาในรูปของ ความร้อน (การทำให้ส่วนผสมทั้หงมดร้อนขึ้น), เปลวไฟ, ตัวเร่งปฏิกิริยา, พื้นผิวโลหะร้อนเช่นขดลวดความร้อน, หรือประกายไฟ ในหัวข้อนี้เป็นเรื่องของการใช้ประกายไฟในการจุดระเบิด ซึ่งก็คือการใช้หัวเทียนจุดระเบิด

ค่าพลังงานที่ใช้ในการจุดส่วนผสม อากาศ + ไฮโดรเจน ให้ลุกติดไฟนั้นมีค่าน้อยกว่าค่าพลังงานที่ใช้ในการจุดส่วนผสม อากาศ + น้ำมันเบนซินประมาณ 10 เท่า (ในบทความใช้คำว่า one order of magnitude) พลังงานกระตุ้นที่ต่ำนี้ทำให้สามารถจุดติดไฟได้ง่าย (ถ้าเป็นรถยนต์ก็คือสตาร์ทติดง่าย) แต่ก็มีข้อเสียคือถ้าไปสัมผัสกับพื้นผิวที่ร้อนจัด (หรือจุด hot spot) ในเครื่องยนต์ ส่วนผสมดังกล่าวก็จะชิงติดไฟขึ้นเอง ซึ่งตรงนี้จะก่อปัญหาในการเผาไหม้ได้ เพราะการเผาไหม้เชื้อเพลิงในกระบอกสูบนั้น ส่วนผสมที่ยังไม่เผาไหม้ต้องรอให้เปลวไฟที่แผ่กระจายมาจากหัวเทียนเป็นตัวจุดระเบิด เพื่อให้หน้าคลื่นการเผาไหม้แผ่ออกไปในทิศทางเดียวกัน

ข้อเสียอีกข้อหนึ่งของไฮโดรเจนคือ โลหะบางชนิดเช่นพลาทินัม (Pt) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำให้ไฮโดรเจนเกิดการเผาไหม้ได้ และหัวเทียนบางชนิดก็มีการใช้พลาทินัมทำเขี้ยวหัวเทียน ดังนั้นหัวเทียนที่ใช้ในการจุดระเบิดส่วนผสมไฮโดรเจนจึงต้องไม่มีโลหะที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่สามารถทำให้ส่วนผสมลุกติดไฟได้เองโดยไม่พึ่งประกายไฟที่เขี้ยวหัวเทียน

- Small quenching distance

ในการทำงานของเครื่องยนต์เบนซินนั้น จะทำการผสมเชื้อเพลิงกับอากาศเข้าเป็นเนื้อเดียวกันก่อน จากนั้นจึงให้นส่วนผสมนี้ไหลเข้ากระบอกสูบผ่านทางวาล์ไอดี (intake valve) ที่เปิดอยู่ จากนั้นจึงทำการอัดส่วนผสมให้มีปริมาตรเล็กลงก่อนที่จะทำการจุดระเบิด

เมื่อเริ่มเกิดการเผาไหม้ เปลวไฟจะแผ่กระจายออกไปจากเขี้ยวหัวเทียน แต่เมื่อเปลวไฟเข้าไปใกล้กับผนังโลหะ (ไม่ว่าจะเป็น ลูกสูบ, ผนังกระบอกสูบ) เปลวไฟจะดับเนื่องจากสูญเสียความร้อนให้กับผนัง (คือเปลวไฟไม่เข้าไปสัมผัสกับผนัง) ระยะทางจากผนังถึงตำแหน่งที่เปลวไฟดับนี้คือ quenching distance

ไฮโดรเจนมีค่า quenching distance นี้ที่เล็ก กล่าวคือเปลวไฟไฮโดรเจนจะดับใกล้กับผนังมากกว่าเปลวไฟไฮโดรคาร์บอน สิ่งนี้อาจก่อให้เกิดปัญหาได้คือถ้าวาล์วไอดีนั้นไม่ได้ปิดสนิท เปลวไฟมีโอกาสสูงที่จะวิ่งย้อนออกทางท่อไอดีที่เรียกว่าเกิด "back fire" ได้

- High autoignition temperature

Autoignition temperature คืออุณหภูมิที่สารนั้นสามารถลุกติดไฟได้เองโดยไม่ต้องใช้พลังงานจากเปลวไฟหรือประกายไฟ ตัวอย่างเช่นค่า autoignition temperature ของน้ำมันเบนซินอยู่ที่ประมาณ 280ºC ส่วนของน้ำมันดีเซลอยู่ที่ประมาณ 210ºC น้ำมันสองตัวนี้ถ้าต่างมีอุณหภูมิ 220ºC ถ้ารั่วออกจากระบบท่อสัมผัสกับอากาศที่อยู่ภายนอก น้ำมันดีเซลจะลุกติดไฟทันที ในขณะที่น้ำมันเบนซินจะไม่ลุกติดไฟ ค่า autoignition temperature ของแต่ละสารที่วัดได้นั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่างในการวัด ดังนั้นอย่าแปลกใจถ้าพบว่าค่าที่ค้นได้จากแต่ละแหล่งนั้นไม่เท่ากัน อย่างเช่นกรณีของไฮโดรเจน ค่าที่มีรายงานไว้ที่เห็นก็อยู่ในช่วง 535-585ºC

เชื้อเพลิงที่มีค่าอุณหภูมินี้สูงจะเหมาะกับเครื่องยนต์เบนซิน เพราะในระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิงนั้นความดันและอุณหภูมิในกระบอกสูบจะเพิ่มสูงขึ้น เชื้อเพลิงจะต้องไม่ชิงลุกติดไฟเอง ต้องรอจนกว่าเปลวไฟที่แผ่มาจากหัวเทียนวิ่งมาถึง ด้วยเหตุนี้ไฮโดรเจนจึงเหมาะกับเครื่องยนต์เบนซิน แต่ไม่เหมาะกับเครื่องยนต์ดีเซล เพราะเครื่องยนต์ดีเซลนั้นทำงานด้วยการอัดอากาศให้ร้อน และเมื่อฉีดน้ำมันเข้าไป น้ำมันจะต้องเกิดการเผาไหม้ทันที ดังนั้นเชื้อเพลิงที่เหมาะกับเครื่องยนต์ดีเซลจึงควรต้องมีค่า autoignition temperature นี้ต่ำ

- High flame speed at stoichiometric ratios

ในทางทฤษฎี ในกรณีของวัฎจักรการทำงานของเครื่องยนต์เบนซินนั้น (OTTO cycle) เมื่อเกิดการจุดระเบิด ความดันในห้องเผาไหม้จะเพิ่มสูงขึ้นทันที (กราฟตั้งในแนวดิ่ง) ในขณะที่ปริมาตรคงที่ ไฮโดรเจนกับอากาศที่ stoichiometric ratio จะมีค่าความเร็วในการเคลื่อนที่ของเปลวไฟนี้สูงมาก ประมาณ 10 เท่าของเปลวไฟที่เกิดจากไฮโดรคาร์บอน (ในบทความใช้คำว่า one order of magnitude) ทำให้เครื่องยนต์ไฮโดรเจนนั้นสามารถทำงานได้ใกล้เคียงกับวัฏจักรในอุดมคติ แต่ถ้าส่วนผสมบางลง ความเร็วในการเผาไหม้ก็จะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ

กล่าวคือในทางทฤษฎี ประสิทธิภาพการทำงานของวัฏจักรในอุดมคติจะมีค่ามากที่สุด แต่ในทางปฏิบัตินั้นจะมีการเบี่ยงเบนออกไป ทำให้ประสิทธิภาพจริงนั้นต่ำกว่า ดังนั้นถ้าสามารถทำให้เครื่องยนต์สามารถทำงานใกล้กับวัฎจักรในอุดมคติได้มากเท่าใด ประสิทธิภาพก็จะยิ่งมากขึ้น

แต่ความเร็วในการเคลื่อนที่ของเปลวไฟสูง ๆ ก็ใช้ว่าจะดี ความเร็วในการเคลื่อนที่ที่ต่ำกว่าความเร็วเสียงจะเรียกว่าเป็น "deflagration" แต่ปฏิกิริยาการเผาไหม้เป็นปฏิกิริยาที่เร่งตนเอง เพราะความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมาทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเร็วขี้น ดังนั้นเมื่อเปลวไฟเคลื่อนที่ออกไปก็จะเร่งความเร็วขึ้นเรื่อย ๆ และเมื่อใดก็ตามที่ความเร็วนี้เร็วผ่านความเร็วเสียง ก็จะกลายเป็น "detonation" ที่มีอำนาจการทำลายล้างสูงกว่า

- High diffusivity

ความสามารถในการแพร่จะลดลงเมื่อมวลโมเลกุลสารเพิ่มขึ้น ไฮโดรเจนเป็นแก๊สที่มีมวลโมเลกุลต่ำสุด จึงสามารถแพร่ได้เร็วที่สุด ซึ่งก็มีตรงที่เวลาฉีดแก๊สไฮโดรเจนผสมเข้ากับอากาศ ส่วนผสมจะกลายเป็นเนื้อเดียวกันได้อย่างรวดเร็ว

แต่การที่มันมีโมเลกุลเล็กและแพร่ได้ง่ายบางทีก็อาจเป็นข้อเสียได้ คือมันสามารถรั่วได้ง่าย ตรงนี้ดูได้จากลูกโป่งสวรรค์ที่ทำจากยาง ที่ในวันแรกจะยังคงลอยได้ดีอยู่ แต่พอวันรุ่งขึ้นมันก็เล็กลง ในกรณีของไฮโดรเจนนั้นเชื้อเพลิงส่วนที่ไม่เผาไหม้ อาจหลุดรอดผ่านแหวนลูกสูบเข้าไปสะสมอยู่ในห้องข้อเหวี่ยง (crankcase) ของเครื่องยนต์ได้ และด้วยการที่ไฮโดรเจนต้องการพลังงานที่ไม่สูงในการจุดระเบิด ดังนั้นจุดร้อนจัด (hot spot) ในห้องข้อเหวี่ยงก็อาจทำให้ไฮโดรเจนที่สะสมอยู่นั้นเกิดการระเบิดได้ ด้วยเหตุนี้เครื่องยนต์ที่ใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงจึงควรต้องมีวาล์วระบายความดันเพื่อระบายความดันออกจากห้องข้อเหวี่ยงด้วย

- Very low density

ด้วยการที่ไฮโดรเจนมีความหนาแน่นต่ำมาก (และไม่สามารถใช้ความดันอัดให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องได้) ก่อให้เกิดปัญหาเรื่องการกักเก็บเพื่อให้มีปริมาณมากเพียงพอสำหรับระยะการเดินทาง นอกจากนี้แม้ว่าไฮโดรเจนมีค่าพลังงานต่อหน่วย "น้ำหนัก" ที่สูงกว่าเชื้อเพลิงอื่น แต่ค่าพลังงานต่อหน่วย "ปริมาตร" นั้นต่ำกว่ามาก (รูปที่ ๓) ส่งผลให้พลังงานที่ได้จากการเผาไหม้เชื้อเพลิงนั้นต่ำกว่า

การพิจารณาว่าเครื่องยนต์ชนิดหนึ่งจะเหมาะสมกับการใช้งานหรือไม่โดยดูเพียงแค่กำลังที่เครื่องยนต์ผลิตได้นั้นไม่เพียงพอ ในกรณีของยานพาหนะเช่นรถยนต์ ควรต้องพิจารณากำลังที่ได้ต่อหน่วยน้ำหนัก (หรือปริมาตร) ของ เครื่องยนต์ + ระบบเก็บ-เติม-จ่ายเชื้อเพลิง ด้วย เพราะรถยนต์นั้นมีพื้นที่สำหรับติดตั้งอุปกรณ์ที่จำกัด ดังจะเห็นได้จากรถยนต์ที่ใช้แก๊สมีเทนเป็นเชื้อเพลิง ที่ต้องติดตั้งถังบรรจุแก๊สความดันสูงที่มีน้ำหนักมากและจะกินพื้นที่ติดตั้งมากถ้าหากต้องการให้วิ่งได้ระยะทางเท่ากับรถยนต์ที่ใช้น้ำมันเบนซินด้วยการเติมเชื้อเพลิงเพียงครั้งเดียว (คือถ้าแก้ปัญหาด้วยการติดตั้งถังแก๊สเพิ่ม ก็จะสูญเสียพื้นที่ใช้สอยด้านอื่นแทน)

 

รูปที่ ๒ ความหนาแน่นพลังงานต่อหน่วยน้ำหนัก (แกนนอน) และต่อหน่วยปริมาตร (แกนตั้ง) ของเชื้อเพลิงชนิดต่าง ๆ (รูปจาก https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-storage)

- การเกิด Nitrogen oxide (NO)

หัวข้อนี้ไม่มีอยู่ในเอกสารที่กล่าวถึงในตอนต้นเรื่อง แต่เห็นว่าควรที่จะนำมารวมเอาไว้ในที่นี้ด้วย นั่นก็คือองค์ประกอบของแก๊สไอเสียที่เกิดจากการเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้แก๊สไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง

ไฮโดรเจนมักจะได้รับการกล่าวอ้างว่าเป็นเชื้อเพลิงที่ไม่ผลิตมลพิษเพราะไม่ผลิต CO₂ แต่ในความเป็นจริงด้วยอุณหภูมิที่สูงของการเผาไหม้ จะทำให้ไนโตรเจนและออกซิเจนในอากาศรวมตัวกันเป็นไนโตรเจนออกไซด์ (NO) และปริมาณที่เกิดขึ้นก็ไม่ได้น้อยไปกว่าที่เกิดจากเครื่องยนต์ที่ใช้น้ำมันเบนซินเป็นเชื้อเพลิง (รูปที่ ๓)

รูปที่ ๓ (ซ้าย) ความเข้มข้นไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) ในไอเสียของเครื่องยนต์ไฮโดรเจน (ขวา) ความเข้มข้น ไนโตรเจนออกไซด์ (NOx), คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) และไฮโดรคาร์บอนที่ไม่เผาไหม้ (HC) ในไอเสียของเครื่องยนต์เบนซิน เนื่องจากสารประกอบไนโตรเจนออกไซด์หลายขนิด (สัดส่วนไนโตรเจนและออกซิเจนต่างกัน) จึงเรียกรวม ๆ กันว่า NOx (เมื่อ x เป็นตัวเลข) โดยตัวหลักที่มีมากที่สุดคือ NO (จากบทความเรื่อง "Hydrogen use in internal combustion engine : A review" โดย Murat CINIVIZ และ Huseyin KOSE ในวารสาร International Journal of Automotive Engineering and Technologies, Vol 1, Issue 1, pp. 1-15, 2012)

ในกรณีของเครื่องยนต์เบนซินนั้นสามารถใช้ catalytic converter เพื่อทำให้ CO และไฮโดรคาร์บอนทำปฏิกิริยากับ NO เพื่อเปลี่ยน NO ให้กลายเป็นไนโตรเจนได้ (โดย CO และไฮโดรคาร์บอนจะกลายเป็น CO₂ และน้ำไป) แต่ไอเสียของครื่องยนต์ที่ใช้แก๊สไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงจะไม่มีสารที่ทำหน้าที่เป็นตัวรีดิวซ์ NO ได้ จำเป็นต้องใช้วิธีการอื่นแทน เช่นการใช้ระบบ Exhaust gas recirculation (EGR) เช่นกรณีของที่ใช้กับเครื่องยนต์ดีเซล

ถังใส่กรดกำมะถัน (H2SO4) ก็ระเบิดได้ (๔) MO Memoir : Monday 15 January 2567

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากบทความเรื่อง "Learning lessons from eight gas explosions" เขียนโดย EGAN Simon Mark, Corporate Process Safety Expert, Solvay, France เผยแพร่ในเอกสาร Symposium Series no. 160 จัดโดย IChemE ในปีค.ศ. ๒๐๑๕ (พ.ศ. ๒๕๕๘) โดยเรื่องที่นำมาเล่าเป็นเรื่องที่ ๓ ในหัวข้อเรื่อง "1989 gas phase explosion in a sulphuric acid tank"

รูปที่ ๑ โครงสร้างถังเก็บกรดกำมะถันที่เกิดเหตุ

เหตุการณ์เกิดขึ้นในปีค.ศ. ๑๙๘๙ (พ.ศ. ๒๕๓๒) กับถังบรรจุกรดกำมะถันเข้มข้น 96% ความจุ 50 m³ สร้างขึ้นจากเหล็กกล้าคาร์บอน (mild steel) ถังดังกล่าวตั้งอยู่ในบ่อที่อยู่ในระดับที่ต่ำกว่าพื้นดิน (รูปที่ ๑) (คือให้บ่อดังกล่าวทำหน้าที่กักเก็บกรดกำมะถันในกรณีที่ถังเกิดความเสียหายจนมีกรดกำมะถันรั่วไหลออกมา ถ้าตั้งถังไว้ที่ระดับพื้นดินก็ต้องมีการสร้างกำแพงล้อมรอบ)

เนื่องจากมีความจำเป็นต้องซ่อมท่อที่ต่อออกมาจากด้านบนของตัวถังบรรจุ จึงได้ทำการถ่ายกรดกำมะถันในถังดังกล่าวไปไว้ยังถังบรรจุอื่น หลังจากที่ถ่ายกรดกำมะถันออกไปแล้วก็พบว่าที่ก้นถังมีชั้นตะกอนตกค้างอยู่ (ตะกอนมาได้อย่างไรไม่มีข้อมูลบอก แต่สาเหตุหนึ่งที่อาจเป็นไปได้คือเป็นเกิดจากด่างที่เทลงไปสะเทินกรดที่ค้างในถังในงานซ่อมก่อนหน้า และแน่นอนว่าต้องมีกรดกำมะถันที่ปั๊มไม่สามารถสูบออกไปได้ค้างอยู่ที่ก้นถังด้วย) จึงได้ทำการเทโซเดียมคาร์บอเนตผง (Sodium carbonate Na₂CO₃) จำนวน ๘ ถุงลงไปทาง manhole ทางด้านบน (พอหรือเปล่าก็ไม่รู้) จากนั้นทำการเติมน้ำเข้าไปในถังจนอยู่ที่ระดับ 15 cm ก่อนถึง "ระดับบนสุด" (คำว่าระดับบนสุดในที่นี้น่าจะอิงจากส่วนที่เป็นลำตัวทรงกระบอก ไม่รวมส่วนฝาถังรูปกรวย) และด้วยเหตุผลหลายประการงานซ่อมท่อจึงยังไม่ได้ดำเนินการทันที โดยมาเริ่มในอีก ๖ วันให้หลัง

ในช่วงเวลาดังกล่าวและ "ทันทีก่อนที่จะเริ่มงานซ่อม" ได้มีการตรวจวัดแก๊สไฮโดรเจนใน บ่อ, ระดับพื้นดิน และ "ภายในถังบรรจุ" ซึ่งการทดสอบทั้งหมดให้ผลออกมาเป็น "ลบ" (ซึ่งก็ไม่ได้แปลว่าไม่มีเลย แต่อาจมีอยู่ในระดับความเข้มข้นที่ต่ำกว่า Lower Explosive Limit มากก็ได้) จึงได้อนุญาตให้เริ่มงานเจียรบนเส้นท่อที่ต้องการซ่อม (คงเริ่มด้วยการตัดท่อด้วยหินเจียร) และเมื่อเริ่มงานเจียรก็เกิดการระเบิดขึ้นภายในถัง การระเบิดไม่ได้ทำให้ถังพังแต่คงต้องทำให้เกิดการสั่นอย่างรุนแรงเนื่องจากพบว่าส่วนที่ตรึงถังไว้กับพื้นนั้นหลุดออก และทำให้คนงาน ๓ คนที่ทำงานอยู่ข้างบนนั้นกระเด็นขึ้นไปในอากาศ ทำให้เสียชีวิต ๑ รายและบาดเจ็บสาหัสอีก ๒ ราย

โปรตอน (H⁺) ที่แตกตัวออกมาจากกรดสามารถทำปฏิกิริยากับเหล็กทำให้เหล็กกลายเป็น FeSO₄ (Ferrous sulphate หรือ Iron (ii) sulphate) ส่วนตัวโปรตอนนั้นจะกลายเป็นแก๊สไฮโดรเจนลอยออกไป FeSO₄ เป็นสารประกอบที่ละลายน้ำได้ ดังนั้นถ้าเป็นกรณีของกรดเจือจาง (คือมีน้ำผสมอยู่) FeSO₄ ที่เกิดขึ้นจะละลายน้ำออกมาทำให้โปรตอนสามารถเข้าทำปฏิกิริยากับผิวเหล็กที่อยู่ลึกลงไปได้เรื่อย ๆ จนกว่ากรดหรือเนื้อโลหะตัวใดตัวหนึ่งจะหมด แต่ถ้าเป็นกรดเข้มข้น (คือมีน้ำอยู่น้อย) FeSO₄ ที่เกิดขึ้นจะก่อตัวเป็นชั้นฟิล์มป้องกันอยู่บนผิวเหล็ก ทำให้ไม่เกิดการกัดกร่อนลึกลงไป

ในเหตุการณ์นี้แก๊สที่เป็นสาเหตุของการระเบิดคือไฮโดรเจน (ข้อสรุปนี้น่าจะมาจากเมื่อพิจารณาปัจจัยรอบด้านแล้วไม่น่าจะมีความเป็นไปได้ที่จะมีสารเชื้อเพลิงอื่นหลุดปนเปื้อนเข้ามาในถังในช่วงเวลารอคอย ๖ วัน) ซึ่งเกิดจากการสะเทินสารที่ค้างอยู่ในถังไม่สมบูรณ์ กล่าวคือไม่มีการวัดค่า pH ของน้ำ (ซึ่งจะเป็นตัวบอกว่าใส่ด่างลงไปเพียงพอหรือเปล่า) และไม่มีความพยามที่จะทำการผสมน้ำที่อยู่ในถังไม่ว่าจะด้วยวิธีใด (เพื่อให้การสะเทินเป็นไปอย่างทั่วถึงทุกจุดในถัง) นอกจากนี้ ณ ตำแหน่งสูงสุดของถังยังไม่มีช่องสำหรับระบายแก๊ส จึงทำให้แก๊สไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นสะสมอยู่ใต้ฝาถัง

ประเด็นหนึ่งที่น่าสนใจแต่บทความไม่ได้กล่าวถึงคือ มีการตรวจวัดแก๊สไฮโดรเจน "ทันทีก่อนที่จะเริ่มงานซ่อม" และได้ผลออกมาเป็น "ลบ" ไม่ว่าจะเป็นการตรวจในบ่อ ระดับพื้นดิน และที่สำคัญคือ "ภายในถัง" (รูปที่ ๒) การตรวจไม่พบไฮโดรเจนในบ่อหรือระดับพื้นดินไม่ใช่เรื่องแปลก เพราะไฮโดรเจนเป็นแก๊สเบากว่าอากาศมาก ฟุ้งกระจายไปได้ง่ายอยู่แล้วแม้ว่าจะไม่มีลดพัดแรง แต่ข้อสงสัยที่สำคัญคือทำไมจึงตรวจไม่พบแก๊สไฮโดรเจนในถัง

ปรกติเครื่องตรวจวัดแก๊สชนิดพกพาได้จะมีสายยางหรือท่อสำหรับยื่นเข้าไปดูดแก๊สในบริเวณที่ต้องการทดสอบ ดูจากรูปแล้วการตรวจวัดนี้คงใช้ช่องเปิดใด ๆ ที่อยู่ด้านบนของฝาถัง (ซึ่งไม่มีช่องเปิดที่ระดับบนสุด) และในเหตุการณ์นี้คาดว่าการตรวจคงเป็นการตรวจที่ระดับที่ต่ำกว่าช่องเปิดดังกล่าว ซึ่งเป็นระดับที่แก๊สไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นไม่สามารถสะสมเพราะจะระบายออกทางช่องเปิดดังกล่าว (คำถามก็คือช่องเปิดที่ใช้สอดท่อเข้าไปดูดแก๊สเพื่อตรวจสอบนั้น สามารถสอดท่อให้แยงขึ้นไปเหนือระดับช่องเปิดได้หรือไม่)

ในเหตุการณ์นี้ท่อที่ต้องการซ่อมน่าจะเป็นท่อที่เชื่อมต่อด้วยการเชื่อม ไม่มีจุดที่เป็นหน้าแปลนที่สามารถถอดหรือง้างออกได้ (ที่สามารถใช้เป็นจุดระบายแก๊สไฮโดรเจนออกหรือตรวจสอบองค์ประกอบของแก๊สในท่อก่อนเริ่ม hot work ได้) จึงจำเป็นต้องใช้การตัดด้วยหินเจียร ดังนั้นจุดนี้จึงเป็นจุดที่แก๊สไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นสามารถสะสมอยู่และเกิดการระเบิดจากความร้อนและ/หรือประกายไฟที่เกิดขึ้น ซึ่งนำไปสู่การระเบิดภายในถังต่อ

 

รูปที่ ๒ คำบรรยายเหตุการณ์ที่เกิด

 

ถังใส่กรดกำมะถัน (H2SO4) ก็ระเบิดได้ (๓) MO Memoir : Tuesday 14 March 2566

การระเบิดที่ Flixborough ที่ประเทศอังกฤษเมื่อปีค.ศ. ๑๙๗๔ (พ.ศ. ๒๕๑๗) ผลการสอบสวนพบว่าต้นตอเริ่มต้นมาจากสารเคมีที่ใช้ในน้ำหล่อเย็น (cooling water) เหตุการณ์การระเบิดของถังใส่กรดกำมะถันที่นำมาเล่าในวันนี้ ผลการสอบสวนก็พบว่าต้นตอมาจากสารเคมีในน้ำหล่อเย็นเช่นกัน แต่คราวนี้เป็นสารฆ่าเชื้อ (Biocide)

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากบทความเรื่อง "Explosion in a sulphuric acid tank. 26th November 2005, Piérre-Benite [Rhone], France" ที่เป็นการระเบิดของถังเก็บกรดกำมะถันเข้มข้นที่ประเทศฝรั่งเศสเมื่อปีพ.ศ. ๒๕๔๘ (ดาวน์โหลดได้ที่ https://www.aria.developpement-durable.gouv.fr/fiche_detaillee/31082_en/?lang=en) อ่านแล้วเอกสารฉบับภาษาอังกฤษน่าจะถูกแปลมาจากต้นฉบับที่เป็นภาษาฝรั่งเศส เพราะเห็นหลายศัพท์เทคนิคที่ใช้จะไม่เห็นใช้กันในกรณีของเอกสารที่ออกมาจากทางอังกฤษหรืออเมริกา

รูปที่ ๑ แผนผังกระบวนการผลิตกรดกำมะถันเข้มข้น

หน่วยผลิตที่เกิดเหตุเป็นหน่วยผลิตกรดกำมะถันเข้มข้น 99.2% โดยใช้การดูดซึมแก๊ส SO₃ (รูปที่ ๑) ด้วยสารละลายกรดกำมะถันเข้มข้น (การผลิตแก๊ส SO₃ เริ่มจากการเผากำมะถันกับออกซิเจนเพื่อให้ได้ SO₂ ก่อน จากนั้นจึงทำการออกซิไดซ์แก๊ส SO₂ ที่ได้กับออกซิเจนโดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาช่วย ก็จะได้ SO₃ ออกมา) ทางด้านล่างของหอดูดซึม (Absorption tower) จะมีการเติม process water เข้าไปเพื่อปรับความเข้มข้นของกรดกำมะถันเข้มข้นหลังดูดซึมแก๊ส SO₂ เข้าไป

ความสามารถในการละลายของแก๊ส SO₃ เข้าไปในกรดกำมะถันขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ โดยทั่วไปคือแก๊สจะละลายได้น้อยลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น แต่เมื่อแก๊สละลายเข้าไปในของเหลวจะมีการคายความร้อนออกมา นอกจากนี้ยังมีความร้อนที่เกิดจากการเติม process water เข้าไปเพื่อปรับความเข้นข้นกรดกำมะถันเข้มข้นที่ได้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการดึงความร้อนออกจากสารละลายกรดกำมะถันที่มีการดูดซึมแก๊ส SO₃ เข้าไป โดยในโรงงานนี้ได้มีการติดตั้งเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด spiral type จำนวน 3 ตัวที่ทำจากเหล็กกล้าไร้สนิม โดยใช้น้ำหล่อเย็นเป็นตัวรับความร้อน

สารละลายกรดกำมะถันที่ผ่านการลดอุณหภูมิแล้ว ส่วนหนึ่งจะถูกส่งออกไปยังถังเก็บผลิตภัณฑ์และส่วนที่เหลือจะถูกป้อนวนกลับมายังหอดูดซึมใหม่เพื่อทำการดูดซับแก๊ส SO₃

ตรงนี้นอกเรื่องนิดนึง คือกระบวนการในรูปที่ ๑ นั้น ปั๊มที่ทำหน้าที่ไหลเวียนกรดกำมะถันจะดูดกรดที่อยู่ที่ก้นหอดูดซึมให้ไหลผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนก่อนที่จะเข้าปั๊ม ตรงนี้มีประเด็นที่น่านำมาพิจารณาในการออกแบบก็คือ จริงอยู่ที่การออกแบบเช่นนี้ทำให้ปั๊มไม่ต้องทำงานกับของเหลวที่ร้อน แต่การที่ของเหลวด้านขาเข้านั้นต้องไหลผ่านเส้นทางที่มีสิ่งกีดขวางมาก็มีโอกาสที่จะเกิดปัญหาเรื่อง Net Positive Suction Head (NPSH) ได้

รูปที่ ๒ รูปซ้ายเป็นความเสียหายที่ฝาถังมีการเปิดออกบางส่วน ส่วนรูปขวาเป็นทางเดินที่ได้รับความเสียหาย

ทีนี้เราลองมาดูกันว่าลำดับเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นเป็นอย่างไร

๒๒ พฤศจิกายน : ระหว่างเริ่มเดินเครื่องการผลิต ตรวจพบการเพิ่มอุณหภูมิที่ขดท่อน้ำระบายความร้อนและด้านขาออกของกรดของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเครื่องหนึ่งที่ใช้กับหอดูดซึมหอที่ 1 การเพิ่มอุณหภูมินี้บ่งบอกถึงการรั่วของน้ำเข้าไปในกรดกำมะถัน จึงต้องทำการเปลี่ยนเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน และงานมาเสร็จสิ้นในวันที่ ๒๔ พฤศจิกายน

ช่วงเช้าของวันที่ ๒๕ พฤศจิกายน : ตรวจพบว่าความเข้มของกรดกำมะถันทางด้านล่างของหอดูดซึมหอที่ 1 มีค่าต่ำผิดปรกติ (มีค่าเพียง 84.3%) จากการที่เชื่อว่าสิ่งนี้เป็นผลจากการรั่วของน้ำหล่อเย็นเข้าไปในระบบก่อนหน้า ทางโอเปอร์เรเตอร์จึงแก้ไขด้วยการเติม Oleum (กรดกำมะถันเข้มข้นที่มีแก๊ส SO₃ ละลายอยู่) เข้าไปในระบบ โดยแบ่งกรดส่วนหนึ่งไปยังถังเก็บเพื่อที่จะรักษาระดับความเหลวในหอดูดซึมเอาไว้ (การเติม Oleum เป็นการเพิ่มปริมาตรของเหลวในระบบ จึงต้องแก้ไขด้วยการดึงเอากรดที่ไหลเวียนอยู่ในระบบออกไปยังถังเก็บ) ผลการทำเช่นนี้ทำให้ความเข้มข้นกรดเพิ่มเป็น 91.3%

หลังเที่ยงคืน (เข้าสู่วันที่ ๒๖ พฤศจิกายน) ตรวจพบว่าความเข้มของกรดกำมะถันที่ขดท่อของหอดูดซึมหอที่ 1 มีค่าเหลือเพียง 55% และยังมีสีเขียว บ่งบอกถึงเกิดการกัดกร่อนอุปกรณ์ (ไอออนบวกของโลหะทรานซิชันจะมีสี)

เวลาประมาณ ๑.๐๐ น ของคืนวันที่ ๒๕ ได้ทำการปิดวาล์วน้ำหล่อเย็นเข้าระบบ และวาล์วกรดไหลเวียนไปที่หอดูดซึม เพื่อให้กรดในระบบไหลไปยังถังเก็บ

เวลาประมาณ ๒.๐๐ น พบการรั่วที่หน้าแปลนของปั๊มไหลเวียนกรด

เวลา ๔.๓๐ น การรั่วไหลเริ่มมากขึ้น ผลการทดสอบด้วยกระดาษลิตมัสพบว่าของเหลวที่รั่วมีฤทธิ์เป็นกลาง (ทั้ง ๆ ที่มันควรจะเป็นกรด) จึงหยุดเดินเครื่องปั๊มเพื่อหยุดการป้อนของเหลวไปยังถังเก็บ

เวลา ๕.๓๐ น หลังจากที่ระดับของเหลวที่หอดูดซับตัวที่ 1 เพิ่มสูงขึ้น จึงระบายของเหลวนี้ทิ้งไปยังบ่อบำบัด และเมื่อหยุดเดินเครื่องปั๊มน้ำหล่อเย็น การเพิ่มระดับก็หยุด (แสดงว่าในขณะที่ปั๊มน้ำหล่อเย็นเดินเครื่องอยู่ มีน้ำหล่อเย็นไหลเข้าไปในหอดูดซึมหอที่ 1)

เวลา ๑๐.๓๐ น ทำการปั่นกวนของเหลวในถังเก็บ เพื่อจะทำการวัดความเข้มข้นของกรด ก่อนที่จะกำหนดมาตรการการทำงานถัดไป

เวลาประมาณ ๑๑.๐๐ น วัดความเข้มข้นของกรดที่ก้นถังได้ 89% ที่อุณหภูมิ 27ºC

เวลา ๑๑.๓๐ น วัดความเข้มข้นของกรดที่ก้นถังได้ 88% ที่อุณหภูมิ 27ºC

เวลา ๑๑.๔๓ น เกิดการระเบิดในถังเก็บกรด ฝาถังมีการฉีกขาดแยกจากลำตัวบางส่วนและเปิดอ้าขึ้น (รูปที่ ๒)

ตัวการที่ทำให้เกิดการระเบิดเชื่อว่าเกิดจากแก๊สไฮโดรเจนที่เกิดจากการกัดกร่อนผิวโลหะของถังเมื่อความเข้นข้นกรดลดต่ำลงอันเป็นผลจากน้ำหล่อเย็นรั่วไหลเข้าไปในระบบ โดยการจุดระเบิดคาดว่าน่าจะเกิดจากไฟฟ้าสถิตย์ การรั่วนั้นพบว่าเกิดจากการกัดกร่อนแบบ "Pitting" ของขอท่อน้ำระบายความร้อนที่ทำจากเหล็กกล้าไร้สนิม 316L (เหล็กกล้าไรสนิม 316 คาร์บอนต่ำ) แต่ประเด็นที่เป็นคำถามก็คือ หน่วยนี้ใช้งานมานาน ๒๕ ปีไม่เคยเกิดปัญหานี้ แล้วทำไมจึงเพิ่งจะเกิด

"Pitting" เป็นการกัดกร่อนผิวโลหะที่จุดใดจุดหนึ่ง (ไม่ใช่กระจายไปทั่วพื้นผิวที่สัมผัสของเหลว) โดยจะเกิดเป็นรูลึกเข้าไปในเนื้อโลหะจนทะลุไปยังอีกฝั่งหนึ่งได้ ไม่เหมือนกับการกัดกร่อนแบบกระจายไปทั่วพื้นผิวที่ทำให้ความหนาลดลง

จากการตรวจสอบการทำงานพบว่า มีการเปลี่ยนสารฆ่าเชื้อจุลชีพ (Biocide) ในน้ำหล่อเย็นมาเป็นโซเดียมไฮโปคลอไรต์ (NaOCl - Sodium hypochlorite) ที่เป็นตัวเพิ่ม Cl^- ในน้ำหล่อเย็น ประกอบกับมีการลดอัตราการไหลของน้ำหล่อเย็น ทำให้อุณหภูมิในระบบเพิ่มขึ้น สิ่งเหล่านี้ต่างเป็นปัจจัยช่วยให้อัตราการเกิด pitting เพิ่มสูงขึ้น โดยเฉพาะบริเวณเนื้อโลหะที่มีความเครียดสูง เช่นตำแหน่งรอยเชื่อม

เหล็กกล้าไร้สนิมไม่ถูกกับคลอไรด์ (Cl^-) และถ้ามีอนุภาคของแข็งตกค้างอยู่บนพื้นผิวโลหะ บริเวณใต้อนุภาคของแข็งนั้นจะเกิดการกัดกร่อนแบบ pitting ได้ง่าย การลดอัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นเพิ่มโอกาสให้อนุภาคของแข็งที่แขวนลอยอยู่ในน้ำตกค้างบนผิวโลหะแทนที่จะถูกน้ำพัดพาไป โดยเฉพาะบริเวณที่เป็นมุมอับ (ถ้ามันถูกพัดพาออกไปจะไม่เกิดปัญหา)

อุณหภูมิของกรดส่งผลที่ตรงข้ามกันต่อความสามารถในการดูดซึมแก๊ส SO₃ ที่หอดูดซึม อุณหภูมิที่สูงขึ้นทำให้แก๊สละลายในของเหลวได้น้อยลง แต่ทำให้ความหนืดของของเหลวลดลง ส่งผลให้เกิดการกระจายตัวได้ดีและมีพื้นที่ผิวสัมผัสที่จะทำการดูดซึมแก๊สเพิ่มขึ้น

หอทำน้ำหล่อเย็น (Cooling tower) เป็นจุดที่น้ำหล่อเย็นมีการสัมผัสกับอากาศภายนอก เป็นจุดที่ฝุ่นละอองขนาดเล็กและเชื้อชุลชีพต่าง ๆ (เช่นพวกเชื้อรา ตะไคร่) เขามาปะปนในระบบ จึงจำเป็นต้องมีการเติมสารเคมีเพื่อป้องกันการตกตะกอนของของแข็งที่แขวนลอย และกำจัดเชื้อจุลชีพเพื่อไม่ให้เกิดคราบหรือเมือกต่าง ๆ ในระบบน้ำหล่อเย็น

ถังใส่กรดกำมะถัน (H2SO4) ก็ระเบิดได้ (๒) MO Memoir : Saturday 11 March 2566

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากเอกสาร Investigtion Report เรื่อง "An explosion accident during tank repair at a chemical plant" จัดทำโดย National Institute of Occupational Safety and Health, Japan (JNIOSH) เอกสารที่ดาวน์โหลดมาไม่มีการระบุว่าเหตุการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่อใด ที่ไหน (แต่น่าจะเป็นในประเทศญี่ปุ่น) โดยโรงงานที่เกิดเหตุเป็นส่วนผลิตสารเคมีพื้นฐานทั่วไป (กรดกำมะถันก็เป็นหนึ่งในนั้น) ดูแล้วน่าจะเป็นส่วนหนึ่งของโรงงานผลิตถ่าน Coke ที่ใช้ในการถลุงเหล็ก

Coke เป็นสารประกอบคาร์บอนมีรูพรุนที่มีสัดส่วนคาร์บอนสูง อุตสาหกรรมถลุงเหล็กจะใช้ถ่าน Coke เผาร่วมกับสินแร่เหล็ก (สารประกอบเหล็กออกไซด์ FeO) ในสภาพอากาศจำกัด ถ่าน Coke จะถูกเผาไหม้เป็นแก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ซึ่งแก๊สนี้เป็นตัวรีดิวซ์ จะเข้าไปดึงอะตอมออกซิเจนออกจากสินแร่เหล็กในรูปแก๊สคารบอนไดออกไซด์ (CO₂) ทำให้เหล็กออกไซด์กลายเป็นโลหะเหล็ก

ถ่าน Coke เตรียมได้จากการเผาถ่านหินในที่ที่ไม่มีอากาศ (หรืออากาศจำกัด) จะทำให้บรรดาสารประกอบโมเลกุลเล็ก ๆ ในถ่านหินสลายตัวออกกลายเป็นแก๊สออกมา เมื่อนำแก๊สนี้ไปลดอุณหภูมิ บางส่วนจะกลายเป็นของเหลว โดยส่วนที่เหลือยังคงเป็นแก๊สที่เรียกว่า coke oven gas ที่สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงได้ (เพราะมีทั้ง CO, H₂, CH₄ เป็นองค์ประกอบ) และถ้าถ่านหินมีสารประกอบกำมะถันอยู่ ก็จะมีแก๊สที่เป็นสารประกอบกำมะถันติดมาด้วย

โรงงานนี้นำเอา Coke oven gas เข้ากระบวนการกำจัดกำมะถัน สารประกอบกำมะถันที่อยู่ในแก๊สจะออกมาในผลิตภัณฑ์ที่เป็นของเหลวที่เรียกว่า Desulfurization liquid เมื่อนำของเหลวนี้ไปเผา สารประกอบกำมะถันจะกลายเป็นแก๊สซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO₂) อยู่ร่วมกับแก๊สอื่นและไอน้ำ ขั้นต่อไปคือการกำจัดความชื้นออกจากแก๊สนี้ด้วยการผ่านเข้า Drying tower ที่ใช้กรดกำมะถันเข้มข้นเป็นตัวจับน้ำ (รูปที่ ๑ - โดยธรรมชาติของกรดกำมะถันเข้มข้นมันจะจับน้ำได้ดีอยู่แล้ว)

รูปที่ ๑ แผนผังกระบวนการผลิตกรดกำมะถันของโรงงานที่เกิดเหตุ

แก๊สที่ผ่านการกำจัดน้ำแล้วจะเข้าสู่ Converter ที่ทำการเปลี่ยน SO₂ ให้กลายเป็นซัลเฟอร์ไตรออกไซด์ (SO₃) ที่เมื่อนำแก๊สนี้ไปสัมผัสกับกรดกำมะถันเข้มข้นในหอดูดซึม (Absorption tower) SO₃ จะทำปฏิกิริยากับน้ำ (ที่มีอยู่ในกรดกำมะถันเข้มข้นนั้น) กลายเป็นกรดกำมะถัน ทำให้สารละลายกรดกำมะถันที่ป้อนเข้ามามีความเข้มข้นสูงขึ้นไปอีก

นอกจากนี้หน่วยนี้ยังสามารถทำหน้าที่เป็นหน่วยกำจัดกลิ่นออกจากแก๊สก่อนปล่อยทิ้งได้ด้วย

สี่วันก่อนเกิดอุบัติเหตุมีการพบการรั่วซึมที่ผนังของถัง (Tank 044) ที่ระดับความสูงประมาณ 5 เมตร และเมื่อตรวจสอบแล้วพบว่าระดับที่เกิดการรั่วซึมนั้นอยู่ที่ประมาณระดับผิวของเหลวที่อยู่ในถัง ทางโรงงานจึงได้ทำการลดระดับชองเหลวในถังให้ต่ำลงเพื่อหยุดการรั่วซึม (เพราะระดับของเหลวอยู่ต่ำกว่ารูรั่ว) จากนั้นจึงเตรียมการซ่อมบำรุง ก่อนการซ่อมบำรุงประมาณ ๕ นาทีได้ทำการตรวจวัดความเข้มข้นแก๊สบริเวณที่จะทำงาน โดยตรวจไม่พบแก๊สที่ติดไฟได้และ CO จึงได้เริ่มทำการขัดผิวโลหะ แต่เมื่อขัดผิวไปได้ไม่ถึง ๕ นาที ก็เกิดการระเบิดขึ้นภายในถัง แรงระเบิดทำให้ฝาถังปลิวหลุดออก และคนงานที่ปฏิบัติงานซ่อมบำรุงนั้นได้รับบาดเจ็บ ๔ ราย

รูปที่ ๒ การรั่วซึมของ Tank 044 ที่เกิดการระเบิด ภาพนี้ถ่ายไว้ก่อนการซ่อมบำรุง

รูปที่ ๓ เป็นโครงสร้าง Tank 044 ที่เกิดการระเบิด เดิมถังใบนี้ใช้เป็นหอกำจัดสารประกอบกำมะถัน (มีการติดตั้งตัวเร่งปฏิกิริยาภายใน) แต่มาถูกปรับเปลี่ยนเป็นถังเก็บกรดกำมะถันเข้มข้น โครงสร้างของถังมีทั้งส่วนที่เป็นเหล็กสแตนเลสและเหล็กกล้าคาร์บอน

จากการพิจารณาตำแหน่งที่เกิดการรั่วซึมที่อยู่บริเวณผิวของเหลว และการทำงานก่อนหน้านั้น (ที่ไม่มีโอกาสที่จะมีแก๊สเชื้อเพลิงอื่นหลุดรอดมาถึงถังใบนี้ได้) ทางคณะสอบสวนจึงเห็นว่าตัวการที่ทำให้เกิดการระเบิดน่าจะเป็นแก๊สไฮโดรเจนที่เกิดจากการที่กรดกำมะถันบริเวณผิวบนมีความเข้มข้นลดต่ำลงเนื่องจากมีน้ำเข้ามาเจือจาง แต่คำถามก็คือน้ำที่เข้ามาเจือจางนั้นมาจากไหน

รูปที่ ๓ โครงสร้างของ Tank 044 ที่เกิดการระเบิด เดิมนั้นใช้เป็นหอกำจัดสารประกอบกำมะถัน แต่ต่อมาถูกปรับเปลี่ยนมาใช้เป็นถังเก็บกรดกำมะถันเข้มข้น

ประเด็นแรกที่มีการมองกันคือฝาถังมีรอยรั่ว เลยทำให้น้ำฝนสามารถรั่วซึมเข้ามาในถังได้ และด้วยการที่กรดเจือจางนั้นมีความหนาแน่นต่ำกว่ากรดเข้มข้นจีงทำให้สารละลายกรดเจือจางลอยอยู่ที่ผิวบน การกัดกร่อนจึงเกิดที่บริเวณระดับผิวของเหลว แต่ด้วยการที่ฝาถังได้รับความเสียหายจากการระเบิดและการตกกระแทกพื้น ทำให้ไม่สามารถยืนยันได้ว่ามีการรั่วไหลเกิดขึ้นจริง (แต่รายงานก็ไม่ได้ตัดความเป็นไปได้นี้ออกเช่นกัน)

ประเด็นที่สองที่มีการพิจารณาคืออากาศที่มีความชื้นสูงนั้นไหลเข้าไปข้างในทางช่อง Vent pipe ที่มีอยู่บนฝาถัง และด้วยการที่กรดกำมะถันเข้มข้นมีความชอบในการดูดซึมน้ำเอาไว้อยู่แล้ว จึงทำให้ความเข้มข้นกรดบริเวณผิวของเหลวลดต่ำลง แต่เมื่อพิจารณาจากขนาดท่อที่ค่อนข้างเล็กเมื่อเทียบกับขนาดถัง ทางผู้สอบสวนจึงไม่คิดว่าเส้นทางนี้จะเป็นเส้นทางหลักที่ทำให้น้ำเข้าไปในถังได้ (และจะว่าไปถ้ามันเกิดด้วยสาเหตุนี้ได้ มันก็ควรจะเกิดมานานแล้ว)

สาเหตุหลักที่ทางผู้สอบสวนเห็นว่ามีความเป็นไปได้มากที่สุดคือการใช้หน่วยผลิตกรดกำมะถันทำหน้าที่กำจัดกลิ่นออกจากแก๊สก่อนปล่อยทิ้ง กล่าวคือหน่วยผลิตกรดกำมะถันนอกจากจะใช้ผลิตกรดกำมะถันแล้ว ยังสามารถทำหน้าที่แทนหน่วยเผาแก๊สเพื่อกำจัดกลิ่นก่อนปล่อยออกสู่อากาศได้ด้วย (รูปที่ ๓)

การสอบสวนพบว่าในช่วงหนึ่งสัปดาห์ก่อนเกิดอุบัติเหตุ หน่วยกำจัดกลิ่นออกจากแก๊สด้วยการเผาอยู่ระหว่างการตรวจสอบประจำปี (คือไม่มีการเดินเครื่อง) ในช่วงเวลาดังกล่าวจึงต้องให้แก๊สที่ต้องการกำจัดกลิ่นนั้นไหลเข้าหน่วยผลิตกรดกำมะถันแทน ประกอบกับช่วงเวลาดังกล่าวไม่ได้มีการผลิตกรดกำมะถันด้วย ส่งผลให้ความเข้มข้นของกรดกำมะถันที่ส่งไปที่ถังเก็บนั้นเจือจางลง

ตรงนี้รายงานการสอบสวนไม่ได้ให้รายละเอียดอะไรไว้ แต่คาดว่าสารที่ทำให้เกิดกลิ่นนั้นน่ามีสารประกอบกำมะถันร่วมอยู่ แต่ไม่ได้มีอยู่ในปริมาณมากเหมือน Desulfurization liquid เมื่อนำแก๊สนี้ไปเผาก็ทำให้เกิด SO₂ ร่วมด้วย แต่ในปริมาณที่ต่ำกว่าเมื่อทำการเผา แก๊สที่เกิดจากการเผาจะผ่านเข้าสู่ Drying tower ด้วยการสัมผัสกับกรดกำมะถันเข้มข้น ผลการสัมผัสนี้ทำให้ความเข้มข้นของกรดกำมะถันลดลง (เพราะมีน้ำละลายเพิ่มเข้ามา และอาจเป็นไปได้ว่ามีมากกว่าเมื่อเทียบกับการเผา Desulfurization liquid)

รูปที่ ๔ กราฟการละลายของแก๊ส SO₂ ในกรดกำมะถันที่มีความเข้มข้นต่าง ๆ (“The Solubility of Sulphur Dioxide in Sulphuric Acid”, F.D. Miles and J. Fenton, J. Chem. Soc., Trans., 1920,117, 59-61)

ในระหว่างที่กำจัดน้ำนั้น แก๊ส SO₂ ก็จะลายเข้ามาในกรดกำมะถันด้วย โดยปริมาณที่ละลายได้จะลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้น และยังเปลี่ยนแปลงตามความเข้มข้นกรดกำมะถันที่ใช้ (รูปที่ ๔) แต่เมื่อนำสารละลายนี้ไปดูดซึมแก๊ส SO₃ ที่ Absorption tower ความเข้มข้นก็จะเพิ่มสูงขึ้นใหม่ ด้วยการที่ความเข้มข้นแก๊ส SO₃ ที่ออกมาจาก Converter มีค่าลดลง ความเข้มข้นของกรดกำมะถันที่ได้จึงลดต่ำลงกว่าที่ควรเป็น เมื่อนำกรดนี้ส่งไปยัง Tank 044 จึงทำให้ความเข้มข้นกรดกำมะถันในถังลดต่ำลง

รายงานการสอบสวนกล่าวว่าความเข้มข้นกรดที่เหลืออยู่ในถังวัดได้เพียงแค่ 20% ซึ่งต่ำเพียงพอที่จะกัดกร่อนเหล็ก

ตัวรายงานไม่ได้ให้รายละเอียดเกี่ยวกับการเติมกรดกำมะถันเข้าถังเก็บ ว่าเติมเข้าไปตรงตำแหน่งใดของถังจึงทำให้เฉพาะตรงส่วนบนที่ความเข้นข้นของกรดต่ำมากพอที่จะกัดกร่อนเหล็ก เพราะถ้าความเข้มข้นของสารละลายกรดในถังนั้นลดต่ำลงแบบสม่ำเสมอ การกัดกร่อนก็จะเกิดได้ทุกบริเวณที่อยู่ใต้ผิวของเหลว หรือถ้าเป็นการเติมเข้าทางก้นถัง สารละลายกรดที่อยู่ใต้ผิวของเหลวก็ควรมีความเข้มข้นลดต่ำลงด้วย การกัดกร่อนที่เกิดเฉพาะบริเวณตำแหน่งผิวของเหลวแสดงว่าเฉพาะสารละลายบริเวณนี้ที่มีความเข้มข้นที่ลดต่ำลง ส่วนที่อยู่ลึกลงไปยังมีความเข้มข้นสูงมากพอที่จะไม่ทำอันตรายให้กับเนื้อเหล็ก

การระเบิดเกิดจากการขัดผิวโลหะที่ทำให้ผิวโลหะบางลง และไปทำให้รูรั่วมีขนาดใหญ่ขึ้น เมื่อในถังมีแก๊สผสมระหว่างไฮโดรเจนกับอากาศรออยู่แล้ว เมื่อแก๊สในถังรั่วออกมาพบกับประกายไฟที่เกิดจากการขัดผิวโลหะ จึงเกิดการลุกไหม้ย้อนกลับเข้าไปในถังจนทำให้เกิดการระเบิดขึ้นภายใน