เพลิงไหม้และการระเบิดที่โรงงานผลิต HDPE เนื่องจากเฮกเซนรั่วที่ slurry cooler MO Memoir : Thursday 23 January 2568

ปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์ในเฟสสเลอรี่ (slurry) มันมีข้อดีตรงที่คุมอุณหภูมิได้ง่าย เพราะมีตัวทำละลายทำหน้าที่เป็นแหล่งรับความร้อนจากปฏิกิริยาและนำความร้อนไปทิ้งให้กับน้ำหล่อเย็น แต่มีข้อเสียตรงที่เกิดการอุดตันในระบบได้ง่าย และการแก้ไขปัญหาการอุดตันนี้ก็นำมาซึ่งการระเบิดหลายครั้ง อย่างเช่นในเรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้

เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นในประเทศเกาหลีใต้ในเดือนตุลาคม ค.ศ. ๒๐๐๓ (พ.ศ. ๒๕๔๖) ณ โรงงานผลิตพอลิเอทิลีนความหนาแน่นสูง (HDPE) ณ เมือง Yeosoo (สะกดตามเอกสาร แต่ถ้าค้นดูในอินเทอร์เน็ตจะเป็น Yeosu) รายละเอียดเหตุการณ์ปรากฏในเอกสารชื่อ "Investigation report : Explosion in HDPE plant" จัดทำโดย Korea occupational safety & health agency (เอกสารต้นเรื่องของเรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้) สาเหตุของการระเบิดเกิดจากการเปิดวาล์วผิดพลาด (วาล์วควบคุมอัตโนมัติ) ทำให้นอร์มัลเฮกเซน (ที่มีอุณหภูมิสูงแต่เป็นของเหลวภายใต้ความดัน) รั่วไหลออกทางท่อขนาด 10" ที่เปิดอยู่ ตามด้วยการระเบิด ทำให้โอเปอร์เรเตอร์เสียชีวิต ๑ รายและบาดเจ็บสาหัสอีก ๗ ราย สภาพโรงงานหลังการระเบิดแสดงในรูปที่ ๑ ข้างล่าง

ในเหตุการณ์นี้เขาบอกว่าท่อที่เปิดอยู่เพราะถอด "strainer" ออกไปทำความสะอาดและยังไม่ได้ติดตั้งคืน ซึ่งโดยส่วนตัวเองสงสัยว่าทำไมไปมี strainer อยู่ตรงนั้น ประเด็นนี้ขอเก็บเอาไว้ก่อน แต่ก่อนอื่นจะขอขยายความก่อนว่า slurry cooler คืออะไร มีไว้ทำไม

รูปที่ ๑ สภาพหน่วยผลิตหลังการระเบิด (จากเอกสารต้นเรื่อง)

รูปที่ ๒ เป็นแผนผังส่วนหนึ่งของอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับ polymerisation reactor ในการทำปฏิกิริยานั้นใช้ n-hexane เป็นตัวทำละลายลาย ตัวเร่งปฏิกิริยาจะถูกละลายในเฮกเซน ส่วนสารตั้งต้นที่เป็นแก๊สจะถูกฉีดลงไปที่บริเวณส่วนล่างของถังปฏิกรณ์ ส่วนหนึ่งจะละลายเข้าไปในเฮกเซน เกิดปฏิกิริยากลายเป็นผงพอลิเมอร์แขวนลอยอยู่ในเฮกเซน แก๊สที่ไม่ละลายเข้าไปในเฮกเซนและเฮกเซนที่ระเหยออกมาเนื่องด้วยความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมา จะลอยสู่ด้านบนไปยังเครื่องควบแน่น (ทางท่อ recycle gas 18") ไปยังเครื่องควบแน่นเพื่อควบแน่นเอาเฮกเซนออกมาและลดอุณหภูมิแก๊ส เฮกเซนที่ควบแน่นออกมาก็จะถูกส่งกลับมายังถังปฏิกรณ์ใหม่ ส่วนแก๊สที่ผ่านการลดอุณหภูมิแล้วก็จะถูกผสมเข้ากับสารตั้งต้นใหม่ (เพื่อชดเชยส่วนที่ทำปฏิกิริยาไป) และอัดกลับเข้าสู่ถังปฏิกรณ์

รูปที่ ๒ ระบบ slurry cooler ของ polymerisation reactor (จากเอกสารต้นเรื่อง)

หัวใจสำคัญของการทำปฏิกิริยานี้คือการระบายความร้อน ถ้าสามารถระบายความร้อนได้มากก็จะทำให้สามารถทำปฏิกิริยาได้มากขึ้น ได้ผลิตภัณฑ์มากขึ้น (คือสามารถเพิ่มกำลังการผลิตได้ด้วย reactor ตัวเดิม) การระบายความร้อนหลักนั้นผ่านทางการระเหยของตัวทำละลาย รองลงไปก็คือผ่าน jacket รอบตัว reactor ที่มีน้ำหล่อเย็นไหลผ่าน ถ้าต้องการเพิ่มการระบายความร้อนอีกก็ต้องติดตั้งเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพิ่มเติม ด้วยการดึงเอาเฮกเซนที่มีผงพอลิเมอร์ของแข็งแขวนลอยอยู่ (ที่เรียกว่า slurry) ออกจาก reactor มาผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน และ slurry ที่เย็นตัวลงแล้วนี้กลับไปยัง reactor ใหม่ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ทำหน้าที่ตรงนี้คือ "slurry cooler"

โรงงานแห่งนี้มี slurry cooler สองตัว ท่อจาก reactor เป็นท่อขนาด 10" มีวาล์วควบคุมการเปิดปิดได้จากห้องควบคุมติดตั้งอยู่ 1 ตัว (remote on-off valve) จากนั้นจึงมาถึง strainer แล้วจึงเข้าสุ่ด้านขาเข้าของปั๊มที่สูบ slurry จากถังปฏิกรณ์ป้อนไปยัง slurry cooler และวนกลับไปยังถังปฏิกรณ์ใหม่ ตัวที่เกิดเหตุคือตัวที่สอง

สวิตช์ควบคุมการเปิดปิดของ remote on-off valve มีอยู่สองตำแหน่ง ตำแหน่งแรกอยู่ที่ห้องควบคุม ตำแหน่งที่สองอยู่บริเวณตัววาล์ว (ที่เรียกว่า local) ในการทำงานปรกตินั้นสวิตช์ที่ตำแหน่ง local ต้องอยู่ที่ตำแหน่ง ON จึงจะสามารถควบคุมการเปิดปิดจากห้องควบคุมได้

ช่วงบ่ายของวันที่เกิดเหตุ มีการถอดเอา strainer ของ slurry cooler pump ตัวที่สองออกมาทำความสะอาด โดยได้ทำการปิด remote on-off valve แต่สวิตช์ที่ตำแหน่ง local (เป็นแบบ mechanical) นั้นยังคงอยู่ที่ตำแหน่ง ON และปลายท่อที่เปิดอยู่นั้นก็ไม่ได้ปิดด้วย blind flange (รูปที่ ๓) การล้างทำความสะอาดเสร็จตอนประมาณห้าโมงเย็นทางโอเปอร์เรเตอร์ก็พักรับประทานอาหารเย็นและไปเสร็จตอนประมาณ ๑๗.๔๐ น เวลาก่อนหกโมงเย็นเล็กน้อยเกิดความผิดพลาดในการทำงาน (รายงานไม่บอกสาเหตุ) ทำให้มีการเปิด remote on-off valve จากห้องควบคุมโดยที่ยังไม่ได้ทำการประกอบ strainer กลับคืนเดิม ส่งผลให้เฮกเซนที่เป็นของเหลวที่อุณหภูมิ 85ºC ภายใต้ความดันประมาณ 4 kg/cm² รั่วไหลออกมา พอออกสู่ความดันบรรยากาศก็ระเหยกลายไปไอทัน ตามด้วยการระเบิดและเพลิงไหม้

รายงานได้เสนอแนวทางการป้องกันทางด้านเทคนิคบางแนวทางเพื่อไม่ให้เกิดเหตุการณ์เดิมซ้ำอีกดังนี้

๑. ควรติดตั้ง shut off valve แบบ manual ได้ทางด้าน upstream ของ strainer (ต้องเป็น ball valve ด้วยเพราะของเหลวในท่อมันเป็น slurry แต่วาล์วขนาด 10" เนี่ย ด้ามหมุนวาล์วจะยาวประมาณเมตรครึ่ง)

๒. ติดตั้ง strainer สำรอง เพื่อที่จะได้ไม่ต้องหยุดการทำงานของ slurry pump (คือใช้งานเพียงแค่ตัวเดียว พอมันตันก็เปลี่ยนไปใช้ตัวสำรองและถอดตัวที่ตันออกมาทำความสะอาด แต่การทำแบบนี้ก็ต้องมีการติดตั้ง ball valve ทั้งทางด้านหน้าและด้านหลังของ strainer แต่ละตัวด้วย)

๓. เปลี่ยนสวิตช์ควบคุมการทำงานของ remote on-off valve ที่ติดตั้งอยู่ที่ตำแหน่ง local ให้เป็นชนิด electric โดยให้ไปผูก (interlock) ไว้กับการทำงานของ slurry cooler pump โดยถ้าปั๊มตัวนี้หยุดทำงานก็ให้ remote on-off valve ปิดตามไปด้วย และจะไม่สามารถสั่งเปิดวาล์วได้ถ้า slurry cooler pump ยังปิดอยู่

แต่สิ่งสำคัญสิ่งหนึ่งที่รายงานนี้ไม่ได้กล่าวไว้ แต่ปรากฏเป็นประจำสำหรับเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในอังกฤษคือ ต้องทำการปิดปลายท่อที่เปิดอยู่นั้นด้วย blind flange คือห้ามไว้ใจการปิดกั้นการไหลด้วยการพึ่งพาวาล์วเพียงตัวเดียว และเมื่อปิดด้วย blind flange ก็ต้องปิดให้แนบสนิทไม่ให้เกิดการรั่วไหลได้ ไม่เช่นนั้นจะเกิดเหตุการณ์แบบเดียวกับกรณีของแท่นขุดเจาะน้ำมัน piper alpha ของอังกฤษเมื่อปีค.ศ. ๑๙๘๘ ได้ (ดาวน์โหลดรายงานการสอบสวนเอาไว้แล้ว แต่ไม่ได้โอกาสที่จะเขียนเรื่องนี้สักที)

รูปที่ ๓ ตำแหน่งที่ถอด strainer ออกไป (จากเอกสารต้นเรื่อง)

ทีนี้ก็มายังข้อสงสัยส่วนตัวที่เกริ่นไว้ตอนแรกว่า ทำไมจึงมี strainer ไปโผล่อยู่ทางด้านขาเข้าของปั๊ม คือผมสงสัยว่าทำไมมันต้องมี ยังนึกหาเหตุผลที่ดีไม่ได้ คงต้องขอให้ผู้รู้มาช่วยอธิบาย

ปรกติเราจะ strainer เวลาที่เราไม่ต้องการให้มีของแข็งปนในของเหลวที่ไหลเข้าปั๊ม ซึ่งสำคัญสำหรับปั๊มที่โครงสร้างมีค่า clearance น้อยเช่นปั๊มที่สร้างความดันได้สูง แต่ในกรณีนี้ปั๊มที่ใช้ไม่จำเป็นต้องสร้างความดันได้สูง เพราะทำเพียงแค่หมุนเวียนของเหลวทางด้านล่างของ reactor กลับเข้าไปทางด้านบนแต่นั้นเอง

ในการสูบของเหลวที่มีของแข็งปะปนอยู่น้อย การใช้ strainer ก็ช่วยในการดักของแข็งนั้นไม่ให้ไปทำความเสียหายภายในปั๊มได้ หรือในงานเช่นการสูบของเหลวจากด้านล่างของถังที่มีของแข็งนอนก้นอยู่ ก็ใช้การวางให้ปลายท่อดูดนั้นอยู่สูงจากระดับของแข็งที่นอนก้นอยู่เพื่อลดการดูดของแข็งเข้ามา และใช้ strainer ดักเอาของแข็งที่หลุดรอดเข้ามาเอาไว้ แต่สิ่งสำคัญสิ่งหนึ่งที่ต้องคำนึงคือ strainer จะไปลด NPSHa หรือ net positive suction head avaiable ของปั๊ม

ในกรณีนี้ของเหลวใน reactor เป็น slurry phase คือมีผงอนุภาคพอลิเมอร์จำนวนมากแขวนลอยกระจายทั่วไปในเฮกเซน strainer ที่ติดตั้งเข้าไปจะอุดตันได้เร็ว และด้วยการที่ผงพอลิเมอร์นั้นไม่ได้มีความแข็งเหมือนกับหินหรือทราย การเลือกใช้ปั๊มที่ทำงานได้ดีกับของเหลวที่มีของแข็งที่เป็นผงละเอียดแขวนลอยอยู่ก็น่าจะเพียงพอแล้ว

เรื่องการระเบิดของโรงงานนี้เท่าที่หาเจอ (ที่เป็นภาษาอังกฤษ) ก็มีแค่รายงานการสอบสวนที่มีเนื้อหาสั้น ๆ เพียงแค่ ๙ หน้า แต่ในข่าวการระเบิดของโรงงานแห่งเดียวกันนี้ในอีก ๑๐ ปีต่อมาในปีค.ศ. ๒๐๑๓ ที่ทำให้มีผู้เสียชีวิต ๗ ราย ก็มีการกล่าวถึงการระเบิดในปีค.ศ. ๒๐๐๓

อ่านเรื่องนี้แล้วทำให้นึกถึงการระเบิดของโรงงาน HDPE ในไทยเมื่อธันวาคม ๒๕๓๑ ว่า การรั่วไหลนั้นอาจเกิดจากบริเวณ slurry cooler เช่นกัน (ดูเรื่อง "UVCE case 1TPI 2531(1988)" MO Memoir : Wednesday 29 August 2561)

เพลิงไหม้และการระเบิดที่โรงงานผลิต HDPE เนื่องจากเฮกเซนรั่ว MO Memoir : Thursday 16 November 2566

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากหน้าเว็บของ ISEC International Safety Eng. Co. เป็นเหตุการณ์เฮกเซนรั่วและตามมาด้วยการระเบิดเมื่อวันที่ ๑๓ กันยายน ค.ศ. ๒๐๑๐ (พ.ศ. ๒๕๕๓) ตัวคลิปวิดิทัศน์นั้นจำลองภาพโรงงานได้ชัดเจนดี แต่ไปจบที่เกิดการระเบิดโดยที่ไม่มีคำอธิบายว่าเกิดจากสาเหตุใด ซึ่งต้องไปอ่านในรายงานการสอบสวน ทั้งคลิปและรายงานไปดูได้ที่ https://www.isecinvestigation.com/Petrochemical-Company-HD-Plant-Explosion-and-Fire/

ที่นำมาเล่าในวันนี้ก็เพราะพอคุ้นกับกระบวนการผลิตของโรงงานแบบนี้ และพบว่าคำบรรยายในคลิปกับรูปที่ปรากฏนั้นไม่ตรงกัน แต่ถ้าดูเผิน ๆ โดยไม่คิดจะจับผิดอะไร แบบเอาเป็นว่ามีคนเล่าเรื่องให้ฟังและมีภาพประกอบให้ดูก็ไม่เป็นไร แต่ในรายงานเองนั้นก็ไม่ได้อธิบายว่าเฮกเซนรั่วไหลออกมาได้อย่างไร ก็เลยเป็นที่มาของเรื่องเล่าในวันนี้

รูปที่ ๑ Reactor แบบ CSTR อยู่ที่มุมซ้ายล่าง โดยมี Overhead condenser สองตัวอยู่ด้านขวาบน

โรงงานนี้มีถังปฏิกรณ์แบบถังปั่นกวน (Continuous Stirred Tank Reactor - CSTR) 2 ตัว (ดูรูปที่ ๑ ประกอบ) ภายในบรรจุเฮกเซนที่เป็นของเหลวภายใต้ความดัน (คืออุณหภูมิทำปฏิกิริยามันสูงกว่าจุดเดือดเฮกเซนที่ความดันบรรยากาศ แต่ด้วยความดันในระบบที่สูงจึงทำให้เฮกเซนนั้นยังเป็นของเหลวอยู่) สารตั้งต้นที่เป็นแก๊สจะถูกฉีดเข้าไปที่ส่วนล่างของถังปฏิกรณ์ และในระหว่างที่มันลอยขึ้นด้านบนนั้นแก๊สบางส่วนก็จะทำปฏิกิริยากลายเป็นผงพอลิเมอร์แขวนลอยอยู่ในเฮกเซน ความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมาจะทำให้เฮกเซนบางส่วนระเหยกลายเป็นไอ ไหลออกทางด้านบนของถังปฏิกรณ์ร่วมกับแก๊สที่ยังไม่ทำปฏิกิริยา ไปตามท่อสีเหลืองไปยังเครื่องควบแน่นที่จะควบแน่นไอเฮกเซนให้เย็นตัวลงเป็นของเหลว จากนั้นเฮกเซนที่ควบแน่นและแก๊สสารตั้งต้นที่ไม่ควบแน่นจะไหลลงไปยังถังแยกของเหลว-แก๊สที่อยู่ทางด้านล่าง (ต่อรูปที่ ๒)

รูปที่ ๒ ด้านขวาของรูปคือถังแยกเฮกเซนที่ควบแน่นและแก๊สที่ไม่ทำปฏิกิริยา

ข้อดีของการทำปฏิกิริยาแบบนี้คือมันควบคุมอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาได้ง่ายด้วยการกำหนดความดันในถัง ให้เฮกเซนนั้นเดือดที่อุณหภูมิที่ต้องการทำปฏิกิริยา (ที่ความดันคงที่ ของเหลวจะเดือดที่อุณหภูมิคงที่ ไม่ว่าจะป้อนความร้อนเข้ามาเท่าใดก็ตาม) แต่มันจะมีปัญหาเรื่องการเกิดโอลิโกเมอร์ (oligomer คือพวกที่สายโซ่ยังไม่ยาวพอที่จะเป็นพอลิเมอร์ที่สามารถเอาไปใช้งานได้)

เฮกเซนที่ควบแน่นและแก๊สที่ยังไม่ทำปฏิกิริยาเมื่อไหลลงสู่ถังแยก ของเหลวจะตกลงสู่ก้นถังและถูกสูบป้อนกลับเข้าไปยังถังปฏิกรณ์ใหม่ ส่วนแก๊สนั้นจะถูก blower ดูดออกทางด้านบน ผสมเข้ากับแก๊สสารตั้งต้นที่ป้อนเข้ามาชดเชย ก่อนถูกอัดกลับเข้าไปในถังปฏิกรณ์จากทางด้านบน ในรูปที่ ๒ ถ้าไล่ตามแนวท่อสีเหลืองจากด้านขวาไปซ้าย จะเห็นว่าจะมีการแยกท่อแก๊สเพื่อกระจายตำแหน่งฉีดแก๊สเข้าไปยังมุมต่าง ๆ ของถัง (ตรงลูกศรสีแดงชี้)

แก๊สที่ไหลเข้าไปในถังนั้นจะไหลเข้าไปในท่อที่จุ่มอยู่ใต้ผิวของเหลว ภาพจำลองหน้าจอคอมพิวเตอร์ควบคุม (รูปที่ ๓) ก็บ่งบอกไว้อย่างนั้น แม้ว่าทั้งคลิปวิดิทัศน์และรายงานไม่ได้ระบุว่าเฮกเซนไหลออกจากถังปฏิกรณ์ได้อย่างไร แต่ถ้ามีข้อมูลตรงจุดนี้ก็จะบอกได้ว่าทำไมเฮกเซนจึงไหลออกจากถังปฏิกรณ์ได้

ก่อนหน้านี้โรงงานได้หยุดทำการผลิตเพื่อทำการปรับปรุงโรงงานเพื่อเพิ่มกำลังการผลิต ช่วงเวลาที่เกิดเหตุเป็นช่วงเวลาที่จะนำโรงงานกลับมาเดินเครื่องใหม่ ซึ่งก่อนที่จะเริ่มเดินเครื่องก็ต้องมีการตรวจสอบระบบก่อนว่ามีรอยรั่วที่ใดบ้างหรือไม่ และในระหว่างการตรวจสอบก็พบว่า ท่อป้อนแก๊ส "จาก blower ตัวหนึ่งกลับไปยังถังปฏิกรณ์" มีการรั่วและจำเป็นต้องเปลี่ยนท่อนั้น จึงได้มีการถอดท่อนั้นออกไป

คำบรรยายที่ปรากฏในคลิปวิดิทัศน์และในรายงานนั้นกล่าวตรงกันคือเป็นท่อป้อนแก๊ส "จาก blower ตัวหนึ่งกลับไปยังถังปฏิกรณ์" แต่ภาพที่ปรากฏในคลิปวิดิทัศน์ที่เขาทำผมดูแล้วเห็นว่ามันกลายเป็นท่อ "จากเครื่องควบแน่นมายังถังแยกของเหลวและแก๊สออกจากกัน" และพอไปอ่านรายงานก็พบปัญหาเรื่องความน่าสงสัยของรายละเอียดอีก

เพื่อไม่ให้งานหยุดชะงักระหว่างรอเปลี่ยนท่อ ทางโรงงานจึงได้ตัดสินใจทำการสอบเทียบอุปกรณ์วัดระดับของเหลวภายในถังปฏิกรณ์ในช่วงเวลารอคอยดังกล่าว

รูปที่ ๓ ภาพจำลองจากหน้าจอคอมพิวเตอร์ควบคุม แก๊สจะถูกฉีดเข้าไปในท่อที่จุ่มอยู่ใต้ผิวของเหลว

การตรวจวัดระดับของเหลวใช้การวัดความดัน และเนื่องจากความดันขึ้นกับความหนาแน่นของเหลวก็เลยต้องใช้การเติมเฮกเซนเข้าไปในถังปฏิกรณ์ ท่อที่ถอดออกไปนั้นเป็นท่อป้อนแก๊สกลับเข้ามาในถังและท่อนี้ก็เข้าทางด้านบนของถัง ถังนั้นถ้าถังไม่มีความดัน เฮกเซนก็จะไม่สามารถไหลขึ้นด้านบน (ไหลเข้ามาทางปลายท่อที่จุ่มอยู่ในของเหลว) แต่ในการสอบเทียบอุปกรณ์วัดระดับนั้นได้มีการอัดความดันในถังปฏิกรณ์ด้วย (เข้าใจว่าเพื่อไม่ให้เสียเวลาเริ่มเดินเครื่องใหม่เมื่อทำการติดตั้งท่อใหม่เข้าแทนที่ท่อที่ถอดออกไปเสร็จ) ดังนั้นมันจึงมีโอกาสที่เฮกเซนจะถูกความดันในถังให้ไหลย้อนไปทางท่อแก๊สป้อนเข้าถังได้ ทางโรงงานจึงได้ทำการสอด spade (หรือ slip plate) เข้าที่ตำแหน่งหน้าแปลนตัวหนึ่งที่อยู่ระหว่างถังปฏิกรณ์กับปลายท่อที่เปิดอยู่

ความดันที่ด้านล่างของถังจะเท่ากับผลรวมของความดันเนื่องจากความสูงของของเหลวและความดันเหนือผิวของเหลว ดังนั้นเพื่อให้ระบุระดับที่แท้จริงของของเหลวได้จึงต้องวัดความดันในถังส่วนที่อยู่เหนือผิวของเหลวด้วย ซึ่งเมื่อนำความดันเหนือผิวของเหลวไปหักออกจากความดันด้านล่างของถัง ก็จะได้ค่าความดันเนื่องจากความสูงของของเหลวเท่านั้น และจากค่าความหนาแน่นของของเหลวก็จะคำนวณระดับความสูงของของเหลวได้

คำว่า "spade" ในที่นี้ไม่ใช่พลั่ว แต่เป็นแผ่นโลหะรูปวงกลมที่มีด้ามยื่นออกมาเหมือนไม้ปิงปอง เอาไว้สำหรับสอดเข้าไประหว่างหน้าแปลนเพื่อปิดกั้นการไหล ด้ามที่โผล่ยื่นออกมานอกจากช่วยในการจับถือแล้วยังช่วยให้เห็นด้วยว่าหน้าแปลนตรงนั้นมี spade สอดอยู่ อีกชื่อเรียกของมันก็คือ slip plate ในการใช้งานนั้นก็จะคลายหน้าแปลนแล้วง้างออก เอาปะเก็นเดิมที่สอดไว้ระหว่างหน้าแปลนนั้นออกมา และก็สอด spade เข้าไป แน่นอนว่าต้องมีการใส่ปะเก็นระหว่างหน้าแปลนและตัว spade ทั้งสองด้านด้วยเพื่อไม่ให้มันรั่วซึมเวลาขันหน้าแปลนกลับคืน ซึ่งในคู่มือปฏิบัติของโรงงานนี้ก็คือให้ใส่ปะเก็นเทฟลอนที่มีรูปร่างและขนาดเดียวกันกับ spade ที่ใช้เข้าไป (ตรงนี้เข้าใจว่าเป็นเพราะที่ว่างที่จะสอน spade นั้นมีไม่มาก เดิมนั้นน่าจะมีที่ว่างกว้างเพียงแค่สอดหน้าแปลนแบบ spiral wound ได้เพียงตัวเดียว การสอดทั้ง spade และหน้าแปลนแบบ spiral wound เข้าไปอีก 2 ตัวคงทำไม่ได้ (คือหน้าแปลนแบบ spiral wound มันมีความหนาเนื่องจากแผ่นโลหะที่ใช้ทำ) จึงต้องเปลี่ยนมาใช้แผ่นเทฟลอนแทน

รูปที่ ๔ พนักงานสอดเพียงแค่ spade ที่ทำจากเทฟลอนเพียงตัวเดียว และหันด้านที่เป็นด้ามจับขึ้นด้านบน

การสอด spade ที่ถูกต้องที่โรงงานกำหนดนั้น ต้องเป็น spade โลหะที่มี spade ที่เป็นเทฟลอนอยู่ทั้งสองด้านของ spade โลหะ แต่พอทำงานจริงปรากฏว่ามีการสอด spade ที่เป็นเทฟลอนเพียงชิ้นเดียว และยังหันด้านที่เป็นด้ามจับขึ้นบน ในรูปที่ ๔ จะเห็นว่าตำแหน่งที่สอด spade นั้นอยู่สูงจากพื้น และต้องตั้งนั่งร้านขึ้นไปทำงาน

รูปที่ ๕ ภาพการระเบิดจริงจากกล้องวงจรปิด

การเริ่มการสอบเทียบก็มีการตรวจสอบการรั่วไหลอีกครั้ง และพบว่าหน้าแปลนที่ทำการสอด spade เข้าไปนั้นมีการรั่วไหล จึงได้ทำการแก้ไขด้วยการขันน็อตหน้าแปลนให้แน่นขึ้น ซึ่งก็สามารถทำการแก้ไขการรั่วนั้นได้

การสอบเทียบอุปกรณ์วัดระดับด้วยการเติมเฮกเซนและอัดความดันให้กับถังปฏิกรณ์ผ่านไปโดยไม่มีปัญหาอะไร งานดังกล่าวเสร็จสิ้นก่อนถึงเวลาเปลี่ยนกะ (๒๒.๐๐ น) ไม่นาน ทีมทำงานเดิมจึงหยุดการทำงานเพื่อรอให้ทีมใหม่เข้ามาทำงานต่อ และก่อนจะถึงเวลาเปลี่ยนกะเพียงไม่กี่นาที โอเปอร์เรเตอร์ในห้องควบคุมก็เห็นระดับเฮกเซนในถังปฏิกรณ์ลดลงอย่างรวดเร็ว ตามด้วยการระเบิดและเพลิงไหม้ในอีกไม่กี่นาทีถัดมา (รูปที่ ๕) ส่งผลให้มีผู้เสียชีวิต ๑ รายและบาดเจ็บ ๔ ราย

การตรวจสอบที่เกิดเหตุพบว่าการรั่วไหลเกิดจากการฉีดขาดของ spade เทฟลอน กล่าวคือในระหว่างการอัดความดันให้กับถังปฏิกรณ์ ความดันในถังทำให้เฮกเซนไหลย้อนเข้าไปในท่อฉีดแก๊สและไปสะสมอยู่ที่หน้า spade เทฟลอน จนในที่สุดมันไม่สามารถทนต่อความดันได้จึงฉีกขาด (รูปที่ ๖) เฮกเซนจึงรั่วไหลออกทาง "ท่อที่ถูกถอดออก"

รูปที่ ๖ แผ่น spade ที่ทำจากเทฟลอนที่ฉีกขาด

รูปที่ ๗ ข้างล่างเป็นข้อความที่นำมาจากเอกสารเผยแพร่ของทางบริษัทผู้ตรวจสอบ เขาเขียนว่าพอแผ่นเทฟลอนขาด เฮกเซนก็ไหลไปยัง "blower" จากนั้นจึงไปที่ "เครื่องควบแน่น" และในที่สุดก็ไปถึงจุดที่ "ท่อถูกถอดออก" ซึ่งรายละเอียดตรงนี้ผมมองว่ามันไม่สมเหตุสมผล

รูปที่ ๗ คำบรรยายในรายงานในส่วนที่เกิดการรั่วไหลของเฮกเซน

 

รูปที่ ๘ แผนผังอย่างง่ายของกระบวนการผลิต

รูปที่ ๘ ข้างบนเป็นแผนผังของกระบวนการผลิตที่เขียนจากคำบรรยาย คือแก๊สที่ยังไม่ปฏิกิริยา + ไอระเหยของเฮกเซนจะไหลไปยังเครื่องควบแน่นที่อยู่สูงกว่าระดับถังปฏิกรณ์ จากนั้นเฮกเซนที่ควบแน่นและแก๊สที่ไม่ควบแน่นจะไหลลงตามเส้นสีน้ำเงินลงสู่ถังแยกของเหลว-แก๊ส ของเหลวที่ตกลงสู่ก้นถังจะถูกสูบป้อนกลับไปยังถังปฏิกรณ์ใหม่ ส่วนแก๊สนั้นจะถูก blower ดูดและอัดกลับเข้าไปในถังปฏิกรณ์ใหม่ตามเส้นสีแดง

คำบรรยายในคลิปวิดิทัศน์และเอกสารเผยแพร่นั้นบอกตรงกันว่าท่อที่มีปัญหาคือท่อป้อนแก๊สจาก blower ตัวหนึ่งกลับไปยังถังปฏิกรณ์ (เส้นสีแดง) ในขณะที่ถ้าไล่รูปในคลิปวิดิโอมันจะเป็นเส้นสีน้ำเงิน

แต่ไม่ว่าจะเป็นท่อเส้นไหนก็ตามระหว่างท่อสองเส้นนี้ มันจะมีจุดที่ท่อถูกถอดออกอยู่ ดังนั้นเฮกเซนที่ไหลย้อนเข้ามาทางท่อฉีดแก๊สกลับ (เส้นสีแดง) จะไม่สามารถไหลย้อนไปยังเครื่องควบแน่นได้ ด้วยเหตุนี้ผมจึงบอกว่าข้อความในรายงานที่ว่า "เฮกเซนไหลย้อนไปจนถึงเครื่องควบแน่นแล้วก่อนถึงจุดที่ท่อถูกถอดออก" จึงเป็นข้อความที่ไม่สมเหตุสมผล

ด้วยเหตุนี้ตอนต้นเรื่องจึงได้เกริ่นเอาไว้ว่า เรื่องนี้ถ้าดูเพลิน ๆ โดยไม่คิดอะไรมันก็ไม่มีปัญหาอะไร แต่ถ้าอ่านโดยละเอียดจะพบความไม่สมเหตุสมผลนี้อยู่ ตรงนี้ไม่แน่ใจว่าผู้ทำคลิปและรายงานจงใจให้เป็นอย่างนั้นหรือไม่ ซึ่งก็เป็นไปได้เพราะเขาต้องรักษาความลับของลูกค้าของเขา เพราะเมื่อลองใช้ google ค้นหาข่าวการระเบิดในวันเดือนปีดังกล่าวก็ไม่พบ แต่ก็อาจเป็นไปได้ว่าเพราะค้นด้วยคำภาษาอังกฤษ แต่รายงานเหตุการณ์มันเป็นภาษาอื่น

ประเด็นหนึ่งที่น่าสนใจคือ ทำไมถึงเกิดการสอด spade ไม่ครบตามข้อกำหนดขึ้นได้ ในระหว่างการสอด spade นั้นมีผู้ทำงานกี่คน และไม่มีใครทักท้วงเลยหรือว่ามันไม่สมบูรณ์ และตอนที่พบการรั่วไหล ทีมที่มาแก้ไขกับทีมที่ทำการติดตั้ง spade นั้นเป็นทีมเดียวกันหรือไม่ จึงไม่มีการทักท้วง

สำหรับฉบับนี้ก็คงจบลงเพียงแค่นี้

A-Level เคมี ปี ๖๖ ข้อพอลิเอทิลีน MO Memoir : Tuesday 7 November 2566

ข้อมูลในโจทย์ข้อสอบคัดเลือกเข้ามหาวิทยาลัยข้อนี้ถ้าอ่านแบบไม่คิด (หรืออ่านไม่ละเอียด) ก็คงไม่ติดใจอะไร แต่ถ้าอ่านให้ดี ๆ ก็จะเห็นว่ามันมีความ "ไม่ถูกต้อง" และ/หรือ "ไม่สมเหตุสมผล" อยู่

และเช่นเคย คำตอบที่คนออกข้อสอบเฉลยไว้นั้นคืออะไรผมก็ไม่รู้ รู้แต่ว่าติวเตอร์ต่าง ๆ ที่นำข้อสอบข้อนี้มาเฉลยนั้นเลือกตัวเลือกเดียวกัน แต่บางรายคำอธิบายในบางเรื่องว่าทำไมจึงตัดตัวเลือกนั้นออกไปก็ดูเหมือนว่ามันไม่ใช่คำอธิบาย เป็นแบบบอกว่ามันไม่ถูก (แล้วทำไมมันถึงไม่ถูกก็ไม่ยักอธิบาย) ก่อนอื่นลองอ่านคำถามและตัวเลือกคำตอบก่อนดีกว่า

การสังเคราะห์พอลิเอทิลีนที่ใช้สารตั้งต้นเป็นอนุมูลอิสระ A ทำปฏิกิริยากับเอทิลีน ทำให้พันธะคู่ของเอทิลีนแตกตัวแล้วเกิดอนุมูลอิสระที่ปลายสาย ซึ่งจะเกิดปฏิกิริยาต่อกับเอทิลีนโมเลกุลอื่นเรื่อย ๆ กลายเป็นพอลิเอทิลีนดังสมการเคมี

แต่ในระบบที่มีอนุมูลอิสระบางชนิด (X) ที่สามารถดึงอะตอมไฮโดรเจนออกจากกลางสายพอลิเอทิลีน ทำให้เกิดอนุมูลอิสระที่ทำปฏิกิริยากับเอทิลีนสายอื่นแล้วเกิดปฏิกิริยาการเกิดพอลิเมอร์ต่อได้ผลิตภัณฑ์ ดังสมการเคมี

โดยการเติมตัวเร่งปฏิกิริยา Ziegler-Natta จะช่วยป้องกันไม่ให้เกิดปฏิกิริยาการดึงอะตอมไฮโดรเจนจากพอลิเอทิลีนสายอื่นได้

ในระบบที่มีอนุมูลอิสระ X เมื่อเติมตัวเร่งปฏิกิริยา Ziegler-Natta ลงไป พอลิเอทิลีนที่สังเคราะห์ได้จะมีสมบัติหรือการเปลี่ยนแปลงอย่างไร เมื่อเทียบกับพอลิเมอรืที่สังเคราะห์โดยไม่ได้เติมตัวเร่งปฏิกิริยาดังกล่าว

1. มีจุดหลอมเหลวต่ำลง

2. มีความยืดหยุ่นมากขึ้น

3. มีความหนาแน่นมากขึ้น

4. กลายเป็นพอลิเมอร์เทอร์มอเซต

5. มีความเป็นกิ่งในโครงสร้างมากขึ้น

การสังเคราะห์พอลิเมอร์นั้น จำเป็นต้องให้มีตำแหน่งที่ว่องไวในการทำปฏิกิริยานั้นอยู่ที่ปลายสายโซ่โมเลกุล ในกรณีของการพอลิเมอร์ไรซ์แบบอนุมูลอิสระ (free radical) อะตอมที่มีอิเล็กตรอนที่ไม่มึคู่นั้นต้องอยู่ที่ปลายสายโซ่

อะตอมที่ขาดอิเล็กตรอนไปหนึ่งตัวของอนุมูลอิสระมันจะพยายามดึงอิเล็กตรอนจากอะตอมอื่นมาชดเชย และตัวที่มันดึงได้ง่ายที่สุดก็คือจากอะตอมที่สร้างพันธะต่ออยู่กับตัวมัน อย่างเช่นในกรณีของสารโซ่ไฮโดรคาร์บอนเมื่อเกิดเป็น alkyl free radical ถ้าอะตอม C ตัวหนึ่งขาดอิเล็กตรอนไปหนึ่งตัว อะตอม C ตัวนั้นก็จะดึงอิเล็กตรอนจากอะตอม C ที่อยู่เคียงข้างเข้ามาชดเชย ทำให้อะตอม C ตัวที่อยู่เคียงข้างนั้นเป็นตัวขาดอิเล็กตรอนแทน และมันก็จะดึงอิเล็กตรอนจากอะตอม C ตัวอื่น (รวมทั้งตัวที่มันเพิ่งจ่ายอิเล็กตรอนให้ไปด้วย) มาชดเชย

การดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมจำเป็นต้องใส่พลังงานเข้าไป ดังนั้นอนุมูลอิสระจึงจัดเป็นสารที่มีพลังงานในตัวสูงกว่าสารตั้งต้นที่ไม่ใช่อนุมูลอิสระ กล่าวอีกอย่างก็คือถ้าระบบมีพลังงานไม่สูงพอมันจะอยู่ไม่ได้ ส่วนที่ว่าระบบต้องมีพลังงานสูงแค่ไหนมันจึงจะมีเสถียรภาพได้นั้นก็ขึ้นอยู่กับว่ามันมีหมู่ที่สามารถจ่ายอิเล็กตรอนให้กับอะตอมที่ขาดอิเล็กตรอนไปนั้นมากน้อยเท่าใด ถ้ามีหมู่ดังกล่าวมากหรือหมู่ดังกล่าวมีขนาดใหญ่ก็จะทำให้อนุมูลอิสระนั้นมีเสถียรภาพมากขึ้น ตัวอย่างเช่นกรณีของ alkyl free radical ในรูปที่ ๑ ข้างล่าง ตัว Tertiary radical มีเสถียรภาพสูงกว่าตัวอื่นก็เพราะมันมีหมู่ -CH₃ จ่ายให้กับอะตอม C ที่ขาดอิเล็กตรอนนั้นถึง 3 หมู่ ในขณะที่ Secondary radical มีแค่ 2 หมู่และ Primary radical มีแค่ 1 หมู่ ส่วน Methyl radical นั้นมีแต่อะตอม H ที่ไม่มีอิเล็กตรอนจะแบ่งให้มาเกาะอยู่

รูปที่ ๑ เสถียรภาพของ alkyl free radical (จาก https://www.masterorganicchemistry.com/2013/08/02/3-factors-that-stabilize-free-radicals/)

ในสภาพแวดล้อมที่มีพลังงานต่ำ (เช่นอุณหภูมิและความดันไม่สูง) ในกรณีของสายโซ่ไฮโดรคาร์บอนที่มีความยาว ถ้าเราไปทำให้อะตอม C ที่อยู่ที่ปลายสายโซ่ (ขอเรียกว่า C ตัวที่ 1) นั้นเป็นอะตอมที่ขาดอิเล็กตรอนไปหนึ่งตัว สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือมันจะดึงอิเล็กตรอนจากอะตอม C ตัวเดียวที่เกาะติดกับมัน (ขอเรียกว่า C ตัวที่ 2) เข้ามาชดเชย ทำให้ C ตัวที่ 2 นี้ขาดอิเล็กตรอน แต่ C ตัวที่สองนี้สามารถดึงอิเล็กตรอนออกจาก C ตัวที่ 1 และ C ตัวที่ 3 การไปดึงอิเล็กตรอนจาก C 3 จะทำให้ได้อนุมูลอิสระที่มีหมู่อัลคิลที่มีขนาดใหญ่ขึ้น (เปลื่ยนจาก methl เป็น ethyl) ดังแสดงในรูปที่ ๒ ข้างล่าง ดังนั้นในสภาพแวดล้อมที่มีพลังงานต่ำนั้น ตำแหน่งที่มีความว่องไวที่เกิดที่ปลายสายโซ่มีแนวโน้มที่จะย้ายเข้ามาตอนกลางสายโซ่

--CH₂CH₂CH₂CH₂CH₂• ---> --CH₂CH₂CH₂CH•CH₂ - --> --CH₂CH₂CH•CH₂CH₃

รูปที่ ๒ จากซ้ายถ้าไปทำให้อะตอม C ที่ปลายสายโซ่ขาดอิเล็กตรอน มันจะไปดึงอิเล็กตรอนจาก C ตัวที่ 2 ได้โครงสร้างดังรูปกลาง (C ตัวที่ 1 กลายเป็นหมู่ methyl ไป) ซึ่งจะไปดึงอิเล็กตรอนจาก C ตัวที่ 3 ต่อทำให้ได้โครงสร้างดังรูปขวา (C ตัวที่ 1 และ 2 รวมกันเป็นหมู่ ethyl) ทำให้มันมีเสถียรภาพมากขึ้นเพราะหมู่อัลคิลที่ใหญ่ขึ้นจะมีอิเล็กตรอนจ่ายชดเชยให้มากกว่า (แต่พอขนาดใหญ่ไปถึงระดับหนึ่งก็จะไม่เห็นความแตกต่างกันแล้ว)

ดังนั้นการจะสร้างสายโซ่พอลิเมอร์ต้องหาทางให้อะตอม C ตัวที่อยู่ที่ปลายสายโซ่นั้นเป็นตัวที่ขาดอิเล็กตรอน เพื่อที่มันจะไปดึงอิเล็กตรอนจากพันธะคู่ C=C ของโมโนเมอร์ได้ วิธีการหนึ่งก็คือการแทนที่อะตอม H ที่เกาะกับอะตอม C ที่ปลายสายโซ่ด้วยหมู่ที่สามารถจ่ายอิเล็กตรอนหรือเกิด resonant กับอิเล็กตรอนของอะตอม C ที่ปลายโซ่ได้ เช่นเปลี่ยนเป็นอะตอม Cl ในกรณีของ vinyl chloride (H₂C=CHCl) ที่อะตอม Cl มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวที่แบ่งปันให้ได้ เป็นหมู่ aryl (-C₆H₅) ในกรณีของ styrene (H₂C=CHC₆H₅) ที่สามารถเกิดการ resonant กับ pi electron ของวงแหวนเบนซีน เป็นหมู่ cyanide (-CN) ในกรณีของ acrylonitrile ที่สามารถเกิดการ resonant กับพันธะสามระหว่างอะตอม C กับ N ได้ เป็นต้น

แต่ในกรณีของ primary หรือ secondary alkyl free radicalนั้น หมู่ alkyl ที่มีอยู่เพียหมู่เดียว (ในกรณีของ primary) หรือสองหมู่ (ในกรณีของ secondary) ไม่ได้มีความสามารถในการจ่ายอิเล็กตรอนที่สูงเหมือนหมู่ที่ได้กล่าวมาในย่อหน้าข้างบน ดังนั้นถ้าต้องการให้อะตอม C ตัวที่อยู่ที่ปลายสายโซ่นั้นเป็นตัวที่ขาดอิเล็กตรอน (คือต้องการให้เป็น primary radical) ก็ต้องใช้การเพิ่มพลังงานให้กับสภาพแวดล้อมแทน เพราะสภาพแวดล้อมที่มีพลังงานสูงจะทำให้ intermediate ที่มีพลังงานสูงมีเสถียรภาพสูงกว่า intermediate ที่มีพลังงานต่ำ (ที่มีเสถียรภาพในสภาพแวดล้อมที่มีพลังงานต่ำ ด้วยเหตุนี้ในกรณีของการสังเคราะห์พอลิเอทิลีนด้วย free radical polymerisation จึงต้องใช้อุณหภูมิและความดันที่สูง คืออุณหภูมิในระดับ 150-400ºC และความดันในช่วง 1500-3000 atm (พอเป็นโนโนเมอร์ตัวใหญ่ขึ้นไปอีกเช่น propylene H₃CCH=CH₂ ก็จะยิ่งทำได้ยากขึ้นไปอีก ดังนั้นเราจึงไม่เห็นการผลิตพอลิโพรพิลีนด้วยกลไก free radical polymerisation ในระดับอุตสาหกรรม) แต่พอเป็น isobutylene ((H₃C)₂C=CH₂) กลับทำปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์ได้ง่ายขึ้นเพราะอนุมูลอิสระ (หรือ cation ในกรณีของการเกิดผ่าน cationic) ที่เกิดมันเป็นแบบ tertiary

ตรงนี้อ่านเพิ่มเติมได้ในเรื่อง "เสถียรภาพของอนุมูลอิสระ (๑) MO Memoir วันศุกร์ที่ ๓ เมษายน ๒๕๕๘"

การสังเคราะห์พอลิเอทิลีนใช้ "เอทิลีน" เป็นสารตั้งต้น และใช้ "ตัวกระตุ้น (Initiator)" ที่สลายตัวด้วยความร้อนไปทำให้โมเลกุลเอทิลีนสักโมเลกุลกลายเป็นอนุมูลอิสระด้วยการไปดึงอิเล็กตรอนจากพันธะคู่ C=C ของเอทิลีน จากนั้นอนุมูลอิสระที่เกิดขึ้นก็จะไปดึงพันธะคู่ C=C ของเอทิลีนอีกโมเลกุลหนึ่ง เกิดการต่อสายโซ่ยาวขึ้นเรื่อย ๆ

ตรงนี้เป็นจุดแรกที่ขอติงโจทย์ข้อนี้ เพราะสารตั้งต้นคือเอทิลีน ไม่ใช่อนุมูลอิสระ (มันเป็นสารมัธยันต์)

พอลิเอทิลีนที่ผลิตด้วยกระบวนการอุณหภูมิและความดันสูงนี้จะมีการแตกกิ่งก้านออกมา ทำให้แต่ละสายโซ่อยู่ห่างจากกัน ความหนาแน่นต่ำ การค้นพบระบบตัวเร่งปฏิกิริยาที่ปัจจุบันเรียกว่า Ziegler-Natta ทำให้สามารถสังเคราะห์พอลิโอเลฟินส์จากโอเลฟินส์ตัวที่ใหญ่กว่าเอทิลีนได้ โดยทำได้ที่อุณหภูมิและความดันที่ต่ำกว่ามาก (ระดับประมาณ 80-90ºC ที่ความดันไม่เกิน 10 atm ในกรณีของการผลิตแบบ slurry phase และ gas phase แถมสายโซ่พอลิเมอร์ที่ได้ยังไม่มีการแตกกิ่งก้าน ทำให้ได้พอลิเอทิลีนที่ความหนาแน่นสูงกว่า ในช่วงแรกนั้นมีการแยกพอลิเมอร์ทั้งสองโดยใช้สภาวะการทำปฏิกิริยาคือเรียกตัวเดิมว่าเป็น High Pressure Polyethylene และเรียกตัวใหม่ว่าเป็น Low Pressure Polyethylene หรือแยกด้วยการใช้ความหนาแน่นโดยเรียกตัวเดิมว่าเป็น Low Density Polyethylene (LDPE) และเรียกตัวใหม่ว่าเป็น High Density Polyethyele (HDPE) ซึ่งปัจจุบันก็จะเหลือการเรียกแบบหลังนี้ ส่วนแบบแรกจะพบได้ในตำราเก่า ๆ

ที่เรียกว่าระบบตัวเร่งปฏิกิริยา Ziegler-Natta เพราะมันประกอบด้วยองค์ประกอบ 2 ส่วน ส่วนแรกคือไอออนบวกของโลหะทรานซิชัน (ตัวหลักคือ Ti⁴⁺) ที่ทำหน้าที่เป็น catalyst หลัก (ในยุคแรกจะเป็น Ti⁴⁺ บน MgCl₂) ส่วนที่สองคือ co-catalyst ที่เป็นสารประกอบ organo metallic เช่น Alkyl aluminium, Alkyl aluminium halide, Alkyl magnesium โดยทั้ง catalyst และ co-catalyst จะทำปฏิกิริยากันเกิดพันธะระหว่างไอออนบวกของโลหะกับหมู่อัลคิล จากนั้นโมเลกุลเอทิลีนตัวใหม่เข้ามาแทรกระหว่างไอออนบวกของโลหะกับหมู่อัลคิลเดิมทำให้เกิดเป็นสายโซ่หมู่อัลคิลที่ยาวออกไป (คือตัวที่เข้ามาเกาะก่อนจะถูกผลักห่างออกไปจากไอออนบวกของโลหะมากขึ้นเรื่อย ๆ

ตรงนี้เป็นจุดที่สองที่ขอติงโจทย์ข้อนี้ เพราะหน้าที่ของ "ตัวเร่งปฏิกิริยา" คือไปทำให้ปฏิกิริยามันเกิดได้ง่ายขึ้น ไม่ใช่การไปยับยั้งการเกิดปฏิกิริยาที่ไม่ต้องการ (นั่นเรียกว่าตัวยับยั้งหรือ Inhibitor)

ระบบ "ตัวเร่งปฏิกิริยา" Ziegler-Natta มันสามารถสร้างสายโซ่พอลิเอทิลีนเองได้ที่สภาวะที่ยังไม่สามารถเกิด free radical polymerisation ดังนั้นในสภาวะที่สามารถเกิด free radical polymerisation ได้ ถ้ามีการเติมระบบตัวเร่งปฏิกิริยา Ziegler-Natta ลงไป (และถ้ามันไม่สลายตัวเนื่องจากอุณหภูมิและความดันที่สูง) มันก็ควรที่จะสร้างสายโซ่พอลิเอทิลีนที่ไม่มีกิ่งก้านของมันเอง โดยไม่ได้เข้าไปยับยั้งการเกิดโซ่กิ่ง (branching) ของสายโซ่พอลิเมอร์ที่เกิดจาก free radical polymerisation (แต่ก็เป็นไปได้นะว่าสายโซ่พอลิเมอร์ที่เกิดจากระบบตัวเร่งปฏิกิริยา Ziegler-Natta จะเกิดโซ่กิ่งอันเป็นผลจากสภาวะการทำปฏิกิริยาที่รุนแรงในการผลิต LDPE) และถ้าทำแบบที่โจทย์บอก พอลิเมอร์ที่ได้ก็จะประกอบด้วยพวกที่เป็นสายโซ่กิ่ง (LDPE) และพวกที่เป็นเส้นตรง (HDPE) ผสมกัน ทำให้ความหนาแน่นรวมของผลิตภัณฑ์สูงขึ้น

ตรงนี้เป็นจุดที่สามที่ขอติงโจทย์ข้อนี้ คือบทบาทของตัวเร่งปฏิกิริยา Ziegler-Natta คือไปทำให้โมเลกุลเอทิลีนต่อเข้าด้วยกันเป็นสายโซ่ ไม่ได้ไปยับยั้งการเกิดโซ่กิ่ง และจุดที่สี่ที่ขอติงคือในทางปฏิบัติก็ไม่มีใครเขาทำการเติมตัวเร่งปฏิกิริยา Ziegler-Natta เข้าไปในกระบวนการผลิต LDPE ปลายเดือนที่แล้วมีวิศวกรจากบริษัทที่มีโรงงานผลิตทั้ง LDPE และ HDPE มาบรรยายที่ภาควิชา ผมก็เอาโจทย์ข้อนี้ไปถามเขาว่าในโรงงานมีการทำแบบนี้กันหรือเปล่า เขาก็ตอบว่าไมมี

ปัญหาหนึ่งที่พบจากการสอนในยุคหลังคือ ในระดับมัธยมนั้นจะเรียนการเรียกชื่อสารด้วยชื่อ IUPAC แต่ในการทำงานนั้นยังใช้ชื่อสามัญเป็นหลัก อย่างเช่นเอทิลีนในโจทย์ข้อนี้ เพราะเคยพบว่านิสิตไม่รู้จักเอทิลีน (Ethylene) และโพรพิลีน (Propylene) แต่รู้จักอีทีน (Ethene) และโพรพีน (Propene) ตอนนี้เวลาสอนเคมีนิสิตก็ต้องมีการย้ำเรื่องการเรียกชื่อกันใหม่ว่า สิ่งที่เขาเรียนมาตอนมัธยมปลายนั้นกับสิ่งที่คนทำงานในวงการวิชาชีพใช้กันนั้นมันต่างกัน

UVCE case 1 TPI 2531(1988) MO Memoir : Wednesday 29 August 2561

"... เอ็นจิเนียร์ ..(จับใจความไม่ได้).. เหลือแต่เหล็กของบูทรองเท้าหัวเหล็ก และยังมีเอ็นจิเนียร์อีกหลายคนที่หน้าแบบ .. แบบนี้ครับ ทุกวันนี้ยังมีชีวิตอยู่นะครับ อายุก็ใกล้ ๆ กับผม หลายคนก็ยังทำงานอยู่ที่นั่น ..."
 

ข้อความข้างต้นผมถอดมาจากส่วนหนึ่งของวิดิทัศน์บันทึกการบรรยายของผู้บริหารระดับสูงท่านหนึ่ง ที่ท่านมาบรรยายให้กับนิสิตและคณาจารย์ของภาควิชาฟัง เมื่อวันศุกร์ที่ ๒๘ มิถุนายน ๒๕๕๖ หรือเมื่อ ๖ ปีที่แล้ว
 

เหตุการณ์การระเบิดครั้งนั้นเกิดขึ้นเมื่อเดือนธันวาคม ๒๕๓๑ ผมเองเพิ่งจบได้ไม่ถึงปี ตอนนั้นก็ทำงานอยู่ที่ระยองพอดี รุ่งเช้ายังมีโอกาสได้ไปดูตัวโรงงานที่ได้รับความเสียหายจากภายนอก และได้มีโอกาสได้ฟังข้อมูลจากทางเจ้าหน้าที่ตำรวจที่เป็นหนึ่งในผู้สวบสวนอุบัติเหตุ ซึ่งตอนนั้นทางบริษัทที่ผมทำงานอยู่เขาเชิญมาบรรยายให้ฟังว่าเกิดอะไรขึ้น เพราะบริษัทที่ผมทำงานอยู่นั้นก็ใช้กระบวนการผลิตทำนองเดียวกัน
 

อีกราว ๆ ครึ่งปีถัดมาผมก็ลาออกจากงานที่ระยองเพื่อรับทุนไปศึกษาต่อ ตอนนั้นผมบอกกับอาจารย์ที่เขาอยากให้ผมรับทุนไปเป็นอาจารย์ว่า ให้ไปขอกับกรรมการผู้จัดการบริษัท เพราะเขาส่งผมไปอบรมที่ญี่ปุ่น และผมยังไม่ได้อยู่ start up โรงงานให้เขา ถ้าเขาอนุญาตให้ผมไป ผมก็ยินดีไป แกก็เลยติดต่อไปยังกรรมการผู้จัดการบริษัทที่ผมทำงานอยู่โดยตรง (เขาเป็นเพื่อนกัน) ปรากฏว่ากรรมการผู้จัดการเขาอนุญาต ผมก็เลยได้มานั่งทำงานอยู่ตรงนี้จนถึงทุกวันนี้
 

สาเหตุของเหตุการณ์ดังกล่าวค้างคาใจผมมาตลอด จนกระทั่งเรียนจบและกลับมาทำงาน ได้มีโอกาสพบกับผู้รอดชีวิตรายหนึ่งจากเหตุการณ์ดังกล่าว (เขามาเรียนโทภาคนอกเวลาราชการที่ภาควิชา) แต่พอได้เห็นสภาพบาดแผลที่เขาได้รับจากการถูกไฟคลอก ผมก็ไม่กล้าถามเขาเรื่องนั้น ใช่แล้วครับ ผมเข้าใจความหมายของข้อความที่ผมเน้นไว้ในย่อหน้าแรก

ถ้ายังสงสัยอยู่ว่าเรื่องนี้เกี่ยวข้องกับอะไร และยังไม่มีความรู้พื้นฐานในเหตุการณ์ที่เกี่ยวข้อง ขอแนะนำให้อ่าน Memoir ย้อนหลังต่อไปนี้ประกอบเพื่อเป็นการปูพื้นฐาน ก่อนดูคลิปวิดิทัศน์ที่แนบมา
 

ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๕๘ วันอาทิตย์ที่ ๒๐ กันยายน ๒๕๕๒ เรื่อง "Ethylene polymerisation"

ปีที่ ๔ ฉบับที่ ๔๔๑ วันเสาร์ที่ ๒๘ เมษายน ๒๕๕๕ เรื่อง "เพลิงไหม้โรงงานผลิต HDPE เมื่อธันวาคม ๒๕๓๑"

ปีที่ ๖ ฉบับที่ ๖๔๓ วันศุกร์ที่ ๑๒ กรกฎาคม ๒๕๕๖ เรื่อง "สาเหตุที่แก๊สรั่วออกจาก polymerisation reactor"

ฉบับที่ ๕๘ นั้นเป็นพื้นฐานว่ากระบวนการสังเคราห์พอลิเอทิลีนความหนาแน่นสูง (High Density Polyethylene หรือ HDPE) มีรูปแบบใดบ้าง และทำไมโรงงานที่ออกแบบมาเพื่อการผลิต HDPE จึงน่าจะเอามาประยุกต์ใช้ในการผลิตพอลิโพรพิลีน (Polypropylene หรือ PP) ได้ ส่วนฉบับที่ ๔๔๑ เป็นภาพที่ผมถ่ายจากด้านนอกโรงงาน และฉบับที่ ๖๓๔ เป็นการสรุปจากข้อมูลที่จดเอาไว้จากที่ได้ฟังในการบรรยายในวันที่ ๒๘ มิถุนายน ๒๕๕๖ นั้นและอิงจากข้อความที่ปรากฏในสไลด์เป็นหลัก (ในรูปที่นำมาแสดง)
 

แต่สัปดาห์นี้เพิ่งจะได้บันทึกวิดิทัศน์การบรรยายดังกล่าวที่ภาควิชาเอาไปซุกเอาไว้ และต้องขอขอบคุณคุณกิจชัยที่ไปช่วยรื้อค้นมาให้ วันนี้ก็เลยขอนำเอาการบรรยายที่ตัดมาเฉพาะเนื้อหาที่เกี่ยวข้องกับเหตุการณ์ดังกล่าวมาบันทึกเอาไว้เพื่อไม่ให้ไฟล์ใหญ่เกินไป การบรรยายในวันนั้นมีการพูดถึงการเกิดอุบัติเหตุสำคัญ ๗ ครั้งด้วยกัน เอาไว้จะค่อย ๆ นำมาลงให้รับชมกัน โดย ๖ ครั้งเป็นการเกิดในประเทศไทย และ ๑ ครั้งแม้ว่าจะเกิดที่ต่างประเทศ (เพลิงไหม้แท่นขุดเจาะในทะเล) แต่ก็เป็นของบริษัทไทยที่ไปทำกิจการที่นั่น

การที่เชื้อเพลิงจะลุกไหม้ได้นั้นต้องมีองค์ประกอบ ๓ ส่วนด้วยกันคือ (ก) ตัวเชื้อเพลิงและ (ข) สารออกซิไดซ์ ที่ผสมกันในสัดส่วนที่พอเหมาะ (คือเชื้อเพลิงมีไม่น้อยเกินไป หรือมีมากเกินไปจนปริมาณสารออกซิไดซ์มีไม่พอ) และมักจะเป็นส่วนผสมที่อยู่ในรูปของไอหรือเฟสแก๊ส และ (ค) แหล่งพลังงานกระตุ้น สำหรับการทำงานในโรงงานนั้นแหล่งพลังงานกระตุ้นมีมากไปหมด เพราะเต็มไปด้วยอุปกรณ์ไฟฟ้า พื้นผิวที่ร้อน และเปลวไฟ ดังนั้นการป้องกันไม่ให้เกิดเพลิงไหม้จึงเน้นไปที่การลดโอกาสที่เชื้อเพลิงจะผสมกับอากาศ (ที่เป็นสารออกซิไดซ์ที่มีอยู่รอบ ๆ ตัวเราอยู่แล้ว) เป็นหลัก ด้วยการเก็บเชื้อเพลิงไว้ในระบบไม่ให้รั่วไหลออกมาผสมกับอากาศภายนอก
 

แต่สำหรับสารพวกอะเซทิลีน (acetylene) เอทิลีนออกไซด์ (ethylene oxide) และวัตถุระเบิดนั้น สารสองตัวแรกมีพลังงานในตัวเองที่สูง ส่วนวัตถุระเบิดก็มีส่วนประกอบที่เป็นสารออกซิไดซ์อยู่ในตัวมันเองอยู่แล้วสูง ดังนั้นมันจึงสามารถระเบิดได้โดยไม่ต้องพึ่งพาออกซิเจนในอากาศ การป้องกันไม่ให้สัมผัสกับอากาศก็ไม่ได้ช่วยป้องกันการระเบิด
 

ในพื้นที่ปิดล้อม (เช่นในอาคาร) หรือเสมือนว่าเป็นพื้นที่ปิดล้อม (เช่นพื้นที่กลางแจ้งที่ไม่มีการถ่ายเทอากาศที่ดี) ไอระเหยของเชื้อเพลิงที่รั่วไหลออกมาจะไม่สามารถฟุ้งกระจายออกไปได้ง่าย ทำให้ส่วนผสมนั้นมีความเข้มข้นถึงระดับ Lower Explosive Limit (LEL คือความเข้มข้นต่ำสุดของเชื้อเพลิงในอากาศที่สามารถจุดระเบิดได้) ได้เร็วแม้ว่าจะรั่วไหลออกมาในปริมาณที่ไม่มาก การระเบิดในรูปแบบนี้เรียกว่า Confined Vapour Cloud Explosion หรือบางทีก็เรียกว่า Vapour Cloud Explosion (VCE)
 

แต่ถ้าเป็นกรณีของพื้นที่เปิดเช่นที่โล่งแจ้ง ไอระเหยของเชื้อเพลิงที่รั่วไหลออกมาจะสามารถฟุ้งกระจายออกไปได้ง่าย โอกาสที่จะสะสมจนมีความเข้มข้นสูงถึงระดับ LEL จึงน้อย เว้นแต่ว่าจะมีการรั่วไหลออกมาในปริมาณมาก (จะหลายร้อยกิโลกรัมหรือหลายตันก็ไม่แปลก) แพร่กระจายปกคลุมพื้นที่เป็นบริเวณกว้างก่อนพบกับแหล่งพลังงานที่เป็นตัวกระตุ้นการเผาไหม้ การระเบิดในรูปแบบนี้เรียกว่า Unconfined Vapour Cloud Explosion หรือย่อว่า UVCE และการระเบิดแบบ UVCE นี้จะมีความรุนแรงมากกว่าการระเบิดแบบ VCE มาก เพราะปริมาณเชื้อเพลิงที่รั่วไหลออกมานั้นมากกว่า (แต่ทั้งนี้การระเบิดทั้งสองแบบก็ทำให้คนตายได้ทั้งคู่)
 

ในกรณีของการรั่วไหลของเชื้อเพลิงในที่โล่งนั้น เมื่อไอเชื้อเพลิงที่ผสมกับอากาศในสัดส่วนพอเหมาะนั้นพบกับแหล่งพลังงาน ไอผสมก็จะเกิดการลุกไหมที่แผ่ขยายออกจากจุดนั้น เนื่องจากปฏิกิริยาการเผาไหม้นั้นเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ความร้อนที่เกิดจากปฏิกิริยาจะทำให้การเผาไหม้เชื้อเพลิงที่อยู่ถัดจากเปลวไฟนั้นรวดเร็วขึ้นไปอีก ดังนั้นเปลวไฟที่เริ่มลุกไหม้จากแหล่งพลังงานกระตุ้นก็จะเคลื่อนตัวออกไปด้วยความเร็วที่สูงขึ้นเรื่อย ๆ ในช่วงที่ความเร็วเปลวไฟนี้ยังต่ำกว่าความเร็วเสียง จะเรียกว่าเป็น deflagration ความเสียหายที่เกิดจาก deflagration นี้จะเกิดจากความร้อนจากเปลวเพลิงเป็นหลัก
 

แต่เมื่อใดก็ตามที่หน้าคลื่นการเผาไหม้นั้นเร็วจนถึงระดับความเร็วเสียงหรือสูงกว่า จะเรียกว่าเป็นการระเบิดหรือ detonation ซึ่งจะมีอำนาจการทำลายล้างที่เกิดจากคลื่นกระแทกหรือ shock wave เพิ่มเติมขึ้นมาอีก ที่ทำให้โครงสร้างต่าง ๆ เสียหายตามมาด้วย
 

ที่ต้องอธิบายเพิ่มเติมตรงนี้นิดนึงก็เพราะกรณีอุบัติเหตุรถบรรทุกแก๊สหุงต้มที่พลิกคว่ำจนทำให้เกิดเพลิงลุกไหม้และมีผู้เสียชีวิตเกือบ ๑๐๐ รายที่จุดลงทางด่วนถนนเพชรบุรีเมื่อคืนวันจันทร์ที่ ๒๔ กันยายน ๒๕๕๓ นั้น แม้ว่าจะมีการรั่วไหลของแก๊สออกมาในปริมาณมาก แต่ในทางวิชาการยังจัดว่าเป็นแบบ deflagration อยู่ ยังไม่จัดว่าเป็น UVCE

ปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์มีการสร้างพันธะทางเคมีระหว่างโมเลกุลเข้าด้วยกัน จึงเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ยิ่งมีการต่อโมเลกุลเข้าด้วยกันมาเท่าใด ความร้อนที่คายออกก็จะมากขึ้นตามไปด้วย ถ้าเปรียบเทียบระหว่างการผลิตพอลิเอทิลีน กับพอลิโพรพิลีน การผลิตพอลิเอทิลีนจะมีการคายความร้อนต่อหน่วยน้ำหนักพอลิเมอร์ที่ผลิตได้นั้นสูงกว่าการผลิตพอลิโพรพิลีน ดังนั้นที่กำลังการผลิตเท่ากัน (คิดในรูปของน้ำหนักพอลิเมอร์ที่ผลิตได้) โรงงานที่ผลิตพอลิเอทิลีนจะต้องมีระบบระบายความร้อนที่ใหญ่กว่าโรงงานที่ผลิตพอลิโพรพิลีน
 

และเนื่องจากกระบวนการผลิตพอลิเอทิลีน (พวก HDPE หรือ LLDPE) นั้นคล้ายคลึงกับกระบวนการผลิตพอลิโพรพิลีน (โดยเฉพาะกระบวนการที่ใช้ slurry phase) มันจึงเป็นไปได้ที่จะนำเอาโรงงานที่ออกแบบมาเพื่อผลิต HDPE ด้วย slurry phase นั้นมาใช้ในการผลิตพอลิโพรพิลีน (นี่คือที่มาของข้อความในย่อหน้าแรกของสไลด์ที่นำมาแสดงให้ดูในรูป)
 

การผลิตด้วยกระบวนการ slurry phase นั้น สารตั้งต้นที่เป็นแก๊สจะละลายเข้าไปในตัวทำละลายไฮโดรคาร์บอน (ที่เป็นของเหลวที่อุณหภูมิสูงในถังปฏิกรณ์โดยอาศัยความดันช่วย แต่ถ้ารั่วออกมาก็จะกลายเป็นไอทันที) และมีการต่อโมเลกุลให้ใหญ่ขึ้น กระบวนการนี้มีข้อดีคือตัวทำละลายนั้นทำหน้าที่เป็นแหล่งรับความร้อนที่เกิดจากปฏิกิริยาก่อนที่จะถ่ายเทความร้อนนั้นให้กับแหล่งรับความร้อนอื่น เช่นใช้การระเหยของตัวทำละลายโดยให้ไอระเหยของตัวทำละลายนั้นถ่ายเทให้กับน้ำหล่อเย็น การใช้น้ำหล่อเย็นหล่อเลี้ยงผิวด้านนอกของเครื่องปฏิกรณ์ และการดึงเอาสารแขวนลอยบางส่วนที่อยู่ในเครื่องปฏิกรณ์นั้นมาเข้าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อระบายความร้อนออกก่อนป้อนกลับเข้าไปใหม่ แต่ก็ใช่ว่ากระบวนการนี้จะไม่มีข้อเสีย คือนอกจากต้องมีระบบนำกลับตัวทำละลายกลับมาใช้ใหม่แล้ว (ต้นทุนสูงขึ้น) ก็ยังมีปัญหาเรื่องท่ออุดตัน
 

กล่าวคือในขณะที่สายโซ่พอลิเมอร์ยังมีขนาดไม่ใหญ่มากจะเรียกว่าเป็น oligomer ที่ยังละลายอยู่ในตัวทำละลาย แต่พอสายโซ่ยาวมากพอก็จะกลายเป็นผงอนุภาคของแข็งแขวนลอยอยู่ในตัวทำละลาย (ที่เรียกว่าเป็น slurry) การรักษาอุณหภูมิในระบบท่อจึงมีความสำคัญ ถ้าอุณหภูมิต่ำเกินไป ตัว oligomer ก็จะแข็งตัวอุดตันท่อ แต่ถ้าอุณหภูมิสูงเกินไป อนุภาคพอลิเมอร์ก็จะละลายกลับเข้าไปในตัวทำละลายและแข็งตัวอุดตันเมื่อไหลมาถึงส่วนของระบบท่อที่เย็น หรืออาจหลอมรวมติดกันเป็นก้อนอุดตันท่อได้ และเมื่อเกิดการอุดตันก็ต้องมีการถอดระบบเพื่อกำจัดสิ่งอุดตัน
 

และอุบัติเหตุที่เกิดขึ้นเมื่อ ๓๐ ปีที่แล้วก็เกิดขึ้นในขณะที่ทำการกำจัดสิ่งอุดตันในท่อนั้น
 

ตอนนั้นเครื่องแบบพนักงานที่ใช้กันอยู่ทางระยองยังใช้ผ้าพอลิเอสเทอร์อยู่ (มันถูกดี) แต่ผ้าชนิดนี้พอโดนไฟคลอกก็จะละลายติดผิวหนัง บ้านที่ผมเช่าอยู่นั้นอยู่ติดกับคนหนึ่งที่ทำงานที่นั่น เขาเล่าให้ผมฟังว่า "คนที่โดนไฟคลอกนั้น พอกระชากเสื้อออกผิวหนังก็ติดเสื้อมาด้วย ยังทิ้งไว้หน้าโรงงานเลย ไม่มีใครกล้าไปเก็บ"
 

คนที่อยู่มาบตาพุดตอนนี้ทราบไหมครับว่า ก่อนจะมีเครื่องแบบดังเช่นปัจจุบัน ต้องรอให้มีคนโดนไฟคลอกก่อนครับ

เมื่อระดับตัวทำละลายใน polymerisation reactor เพิ่มสูงขึ้น MO Memoir : Wednesday 2 May 2555

เรื่องใน Memoir ฉบับนี้ส่วนหนึ่งเกี่ยวข้องกับการวัดระดับของเหลวที่ได้เกริ่นเอาไว้ใน Memoir ฉบับที่แล้ว ผู้ที่ไปนั่งฟังผมบรรยายเมื่อสัปดาห์ที่แล้วก็คงได้ยินผมได้ให้ความเห็นไปส่วนหนึ่งแล้ว แต่ใน Memoir นี้มีรายละเอียดเพิ่มเติมอีก

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

 

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

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

รูปที่ ๑ แผนผังอย่างง่ายของระบบเครื่องปฏิกรณ์ที่เป็นปัญหา

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

แต่การระบายความร้อนส่วนใหญ่เกิดผ่านทางการระเหยของเฮกเซนที่ใช้เป็นตัวทำละลาย โดยใช้การคุมความดันในถังปฏิกรณ์ D1 ให้เฮกเซนเดือดที่อุณหภูมิที่ต้องการทำปฏิกิริยา ไอระเหยของเฮกเซนและแก๊สที่เป็นสารตั้งต้นที่ไม่ทำปฏิกิริยาจะลอยไปยังเครื่องควบแน่น ที่จะทำการควบแน่นทำให้เฮกเซนเป็นของเหลวและป้อนกลับไปยังถังปฏิกรณ์ D1 ใหม่ ส่วนแก๊สที่ไม่ควบแน่นที่เครื่องควบแน่นจะถูกคอมเพรสเซอร์อัดเวียนป้อนกลับไปยังถังปฏิกรณ์ D1 ใหม่

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

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

 

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

ที่กล่าวมาข้างต้นคือภาพคร่าว ๆ ของกระบวนการผลิตที่เกี่ยวข้องกับปัญหาที่ผมถูกถามมาเมื่อวันศุกร์ที่ผ่านมาจากการที่ไปบรรยายที่หน่วยงานแห่งหนึ่ง

คำถามที่เขาถามผมคือ "ทำไมเมื่อเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาจาก A ไปเป็น B จึงทำให้ระดับของเหลวในถังปฏิกรณ์ D1 เพิ่มสูงขึ้น"

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

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

คำตอบก็คือลดลงเหมือนเดิม เหตุผลที่ผมถามคำถามนี้ก็คือผมต้องการความมั่นใจว่าสิ่งที่เห็นดังกล่าวไม่ได้ไปทำให้การทำงานของเครื่องมือวัดผิดพลาด

สิ่งที่สองที่ต้องการความชัดเจนคือ ที่เขาบอกว่าเห็น "ระดับ" ของเหลวในถังเปลี่ยนนั้น เขาวัด "ระดับ" ของเหลวในถังโดยตรงหรือไม่

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

Δp = ρgh

เมื่อ Δp คือผลต่างระหว่างความดันที่ก้นถัง D1 ลบด้วยความดันเหนือผิวของเหลวในถัง D1

ρ คือความหนาแน่นของสเลอรี

g คือความเร่งเนื่องจากแรงดึงดูดของโลก (9.81 m/s²)

h คือความสูงของระดับของเหลวในถัง

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

สิ่งแรกที่ผมคิดว่าควรต้องตรวจสอบก่อนคือ "ระดับที่แท้จริงของของเหลวในถัง" นั้นมีการเปลี่ยนแปลงจริงหรือไม่

สมมุติว่าระดับที่แท้จริงของสเลอรีในถังไม่มีการเปลี่ยนแปลง ตรงนี้ก็ต้องมาพิจารณาดูว่าค่า ρ ที่แท้จริงของสเลอรีนั้นสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามภาวะการทำปฏิกิริยาหรือไม่

ในมุมมองของผมนั้นค่า ρ ที่แท้จริงของสเลอรีจะขึ้นอยู่กับ

(ก) ความหนาแน่นของเฮกเซน

(ข) ปริมาณของโอลิโกเมอร์ที่ละลายอยู่ในเฮกเซน และ

(ค) ปริมาณผงพอลิเมอร์ที่แขวนลอยอยู่ในเฮกเซน

โอลิโกเมอร์และผงพอลิเมอร์นั้นมีความหนาแน่นมากกว่าเฮกเซน ดังนั้นในความเห็นผม การเปลี่ยนชนิดตัวเร่งปฏิกิริยาก็อาจทำให้ได้ปริมาณโอลิโกเมอร์และพอลิเมอร์ที่แตกต่างกันไป ทำให้ความหนาแน่นของสเลอรี (เฮกเซนผสมกับโอลิโกเมอร์และพอลิเมอร์) เปลี่ยนแปลงไปได้

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

ทีนี้ถ้าสมมุติว่าระดับความสูงของสเลอรีมีการเพิ่มขึ้นจริง ก็ต้องมาพิจารณาต่อว่ามีปัจจัยอะไรบ้างที่สามารถทำให้การไหลของสเลอรีจากถัง D1 ไปยังถัง D2 มีปัญหา จึงทำให้เกิดการสะสมของสเลอรีในถัง D1 จึงทำให้ระดับความสูงของสเลอรีในถัง D1 เพิ่มสูงขึ้น

ดังนั้นตอนนี้ขอให้เราลองมาพิจารณาดูการไหลของของเหลวในท่อล้นสักนิด (รูปที่ ๒)

รูปที่ ๒ รูปแบบการไหลของของเหลวในท่อล้น (ซ้าย) ไหลไม่เต็มพื้นที่หน้าตัดท่อ (ขวา) ไหลเต็มพื้นที่หน้าตัดท่อ

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

(ลองนึกภาพคุณเทน้ำใส่แก้วดูก็ได้ ไม่ว่าคุณจะวางแก้วน้ำบนพื้น บนเก้าอี้ หรือบนโต๊ะ น้ำจะล้นจากแก้วด้วยอัตราเดียวกันกับที่คุณเทเข้าไป)

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

 

ในกรณีนี้การปรับสมดุลความดันระหว่างถัง D1 และ D2 จะขึ้นอยู่กับปริมาณแก๊สที่ติดเข้ามากับสเลอรีที่ไหลเข้ามาในถัง D2 และขนาดของท่อสมดุลความดัน ซึ่งจะขอพิจารณาแยกเป็นสองกรณีดังนี้

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

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

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

ในความเป็นจริงความดันในถัง D3 นั้นจะมีโอกาสเพิ่มสูงขึ้นหรือไม่นั้น ผมคิดว่ามันมีโอกาสแต่จะเกิดจากสาเหตุใดนั้นคงไม่สามารถให้ความเห็นใดได้ แต่ถ้ามันไม่มีโอกาสเพิ่มสูงขึ้น สมมุติฐานข้อ (ค) นี้ก็จะตกไป

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

 

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

ส่วนที่ว่าผมรู้รายละเอียดของกระบวนการนี้ได้ยังไงนั้น บ่ายวันวานบางคนก็ได้ทราบคำตอบแล้ว :)

หมายเหตุ

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

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

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

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