ท่อน้ำสีเขียวเป็นท่อ PP ไม่ใช่ PVC MO Memoir : Wednesday 28 February 2567

พักหลัง ๆ facebook ชอบโฆษณาอะไรต่อมิอะไรมาให้ดู จะว่าไปมันก็อิงจากข้อมูลทางอินเทอร์เน็ตที่เราไปสืบค้นในแพลตฟอร์มหนึ่งว่าเราไปค้นหาความรู้เกี่ยวกับเรื่องอะไร แล้วมันก็มาโฆษณาให้เราเห็นในอีกแฟลตฟอร์มหนึ่ง ทั้ง ๆ ที่ทั้งสองแพลตฟอร์มนั้นเจ้าของเป็นคนละคนกัน ดังนั้นใครที่ยังคิดว่าโลกตะวันตก เสรีนิยม ประชาธิปไตย ไม่มีการดักฟังข้อมูลสิ่งที่เรากระทำนั้น ควรพิจารณาทบทวนใหม่ได้แล้ว

ช่วงก่อนหน้านี้ต้องทำการเปลี่ยนปั๊มน้ำที่บ้าน ก็เลยมีการค้นหาข้อมูลปั๊มน้ำ มันก็เลยมีโฆษณาท่อน้ำพ่วงมาให้ ตอนแรกก็ไม่ได้อ่านอะไร แต่พอเห็นบางหัวข้อลองเข้าไปอ่านดู ก็รู้สึกแปลก ๆ จนขอจับภาพหน้าจอมาเก็บไว้หน่อย

ท่อพีวีซี (PVC) ที่ย่อมาจาก Polyvinyl chloride เป็นท่อที่ราคาถูก จุดเด่นของท่อนี้คือต่อด้วย "กาว" ได้ คือไม่จำเป็นต้องมีเครื่องมือพิเศษใด ๆ ในการช่วยต่อท่อ แต่ท่อนี้ก็มีข้อเสียคือไม่ทนต่อแสงแดด (ทำให้ท่อกรอบได้ง่าย) และไม่เหมาะกับน้ำร้อน

 

ความแข็งเกร็งของท่อพีวีซีก็มีทั้งข้อดีข้อเสีย ข้อเสียจะเด่นชัดกับงานที่ท่ออาจมีการแอ่นตัวหรือโค้งงอ เช่นการเดินท่อประปาฝังดินหรือการเชื่อมต่อจากท่อประปาหลักมายังมิเตอร์หน้าบ้าน ในกรณีเช่นนี้ท่อที่มึความอ่อนจะเหมาะสมกว่า เช่นท่อพอลิเอทิลีน (PE) ที่ทำมาเป็นท่อสีดำ แต่มีแถบสีคาดตามความยาวเพื่อให้รู้ว่ามันเป็นท่ออะไร ถ้าเป็นสีฟ้าก็ท่อน้ำ ถ้าเป็นสีแดงก็ท่อร้อยสายไฟ

อีกตัวหนึ่งคือท่อพอลิโพรพิลีน (PP) ซึ่งในระหว่างกระบวนการพอลิเมอร์ไรซ์ถ้ามีการผสมโมโนเมอร์ตัวอื่นนอกเหนือจากโพรพิลีนเข้าไปด้วย (เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติ) ก็จะมีคำว่าโคโมโนเมอร์ (comonomer) เพิ่มเติมเข้ามา ท่อน้ำที่ทำจากพอลิเมอร์ตัวนี้จะเป็นท่อ "สีเขียว"

ท่อ PE และ PP มันต่อด้วยการติดกาวไม่ได้ ต้องมีอุปกรณ์พิเศษในการเชื่อมต่อเพื่อให้ท่อมันหลอมเหลวติดกัน จุดนี้มันก็เลยเป็นข้อเสียถ้าหากต้องการดัดแปลงแก้ไขเพิ่มเติมระบบท่อเดิมถ้าหากวางท่อดังกล่าวในบ้าน เพราะคงหายากที่จะมีบ้านพักอาศัยหลังไหนที่ซื้ออุปกรณ์ต่อท่อเหล่านี้ไว้ติดบ้าน

รูปที่นำมาประกอบนำมาจากหน้าเว็บสามแห่ง แต่รูปท่อและข้อต่อในสองภาพหลังนั้นมันเป็นรูปเดียวกัน แต่มาจากคนละเว็บกัน สองภาพต่างกันที่ภาพเงาบนพื้นที่แตกต่างกัน ก็เลยไม่รู้ว่าต้นฉบับรูปนั้นมันอยู่ที่ไหน

แต่ที่แน่ ๆ คือ PVC กับ PP มันเป็นคนละตัวกัน

Vinyl chloride รั่วไหลจนระเบิด เพราะเปิดวาล์วผิด MO Memoir : Wednesday 1 May 2562

ณ เวลาประมาณ ๒๒.๓๐ น. ของวันศุกร์ที่ ๒๓ เมษายน ปีค.ศ. ๒๐๐๔ (พ.ศ. ๒๕๔๗) ได้เกิดการระเบิดที่โรงงาน Formosa Plastic Corp. ประเทศสหรัฐอเมริกาอันเป็นผลจากการรั่วไหลของ vinyl chloride monomer (H₂C=CHCl) ที่รั่วออกมาเพราะโอเปอร์เรเตอร์เปิดวาล์วผิดถัง คือแทนที่จะไปเปิดวาล์วระบายน้ำทิ้งจากถังที่อยู่ระหว่างขั้นตอนการล้าง กลับไปเปิดวาล์วระบายน้ำทิ้งจากถังที่กำลังทำปฏิกิริยาอยู่ ซึ่งเรื่องนี้เพิ่งจะเล่าไปหน่อยนึงเมื่อสัปดาห์ที่แล้วในเรื่อง "ชี้และกล่าวขาน (Pointing and Calling) เทคนิคลดความผิดพลาดในการทำงานของรถไฟญี่ปุ่น" (วันพฤหัสบดีที่ ๒๕ เมษายน ๒๕๖๒) แต่ที่จะนำมาเล่าในวันนี้เป็นการมองในอีกมุมมองหนึ่ง โดยจะขอไล่เป็นข้อ ๆ ไปก็แล้วกัน

รูปที่ ๑ แผงผัง reactor และวาล์วที่เกี่ยวข้องกับเหตุการณ์ วาล์วสีแดง (1, 4) มีระบบ interlock ป้องกันไม่ให้เปิดวาล์วได้ถ้าความดันในถังสูงเกินค่าที่กำหนดไว้ ส่วนวาล์วสีเขียว (2, 3) คือ drain valve ที่ไม่มีระบบป้องกันอะไร โอเปอร์เรเตอร์สามารถเปิดได้เองอย่างอิสระ วาล์วสีฟ้า (5) คือวาล์วที่ใช้ในการถ่ายของเหลวจาก reactor ไปยังหน่วยแยก และใช้ในการถ่ายของเหลวใน reactor จากถังหนึ่งไปยังอีกถังหนึ่งในกรณีที่ระบบมีความดันสูงเกิน (วิธีปฏิบัติที่คิดค้นขึ้นภายหลัง)

๑. โรงงานนี้ได้รับการออกแบบและสร้างโดยบริษัทหนึ่งในปีพ.ศ. ๒๕๐๘ ส่วนบริษัทที่เกี่ยวข้องกับอุบัติเหตุที่เกิดนั้นเพิ่งจะมาซื้อโรงงานในปีพ.ศ. ๒๕๔๕ (เพียงแค่ ๒ ปีก่อนการระเบิด) ซึ่งในระหว่างช่วงเวลาดังกล่าว ทั้งตัวโรงงานและวิธีการเดินเครื่องนั้นมีการเปลี่ยนแปลงไปจากการออกแบบเดิม และคงคาดหวังไม่ได้ว่าผู้มาทีหลังจะรู้เหตุผลทั้งหมด
 

๒. การผลิต PVC นั้นเป็นปฏิกิริยาในเฟสของเหลวโดยให้ vinyl chloride ละลายเข้าไปในเฟสของเหลว (ใช้น้ำเป็นตัวกลาง) แล้วเกิดปฏิกิริยา การผลิตของโรงงานนี้เป็นการผลิตแบบกะ (batch) คือพอสังเคราะห์เสร็จก็จะถ่ายของเหลวในถังไปยังหน่วยแยกเอาพอลิเมอร์ออก จากนั้นก็ทำการล้างถังเพื่อนำกลับมาใช้ทำปฏิกิริยาใหม่

๓. เนื่องจากปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน โอเปอร์เรเตอร์สามารถควบคุมความดันในถังได้ด้วยการปรับการหล่อเย็น การระบายความดันส่วนเกินทิ้งถ้าจำเป็น และการเติมสารหน่วงการเกิดปฏิกิริยา (inhibitor) แต่ถ้าไม่สามารถควบคุมปฏิกิริยาไม่ให้เกิดรวดเร็วเกินไปได้จะทำให้วาล์วระบายความดันเปิดออก และระบายแก๊สในถังออกสู่บรรยากาศ และถ้ามีเหตุการณ์อย่างหลังนี้เกิดขึ้นเมื่อใด ก็ต้องมีการรายงานไปยังหน่วยงานของรัฐที่เกี่ยวข้อง

๔. ระบบถ่ายของเหลวออกจากถังปฏิกรณ์ไปยังหนึ่งแยกนั้นประกอบด้วยวาล์วที่อยู่ที่ก้นถังที่ควบคุมการถ่ายของเหลวออกจากถัง และ drain valve สำหรับการระบายน้ำล้างถังทิ้งลงทางระบายน้ำ (แบบเปิด) ในการทำงานตามปรกตินั้นเมื่อเสร็จสิ้นการผลิตแต่ละกะ โอเปอร์เรเตอร์จะเปิดวาล์วก้นถัง (ดูรูปที่ ๑ ประกอบ) เพื่อทำการถ่ายของเหลวไปยังหน่วยแยก โดยในระหว่างขั้นตอนการถ่ายเทนี้ ตัว drain valve จะต้องถูกปิด

๕. แต่ด้วยความกังวลว่าจะมีการเผลอไปเปิดวาล์วก้นถังในขณะที่ยังอยู่ในระหว่างขั้นตอนการทำปฏิกิริยา ซึ่งเป็นช่วงที่ภายในถังยังมีความดันอยู่ จึงได้ทำการติดตั้งระบบป้องกัน (interlock) ที่ใช้แรงดันอากาศอัดความดันที่ไหลผ่าน valve actuator เป็นตัวป้องกันไม่ให้สามารถเปิดวาล์วที่ก้นถังได้ถ้าหากความดันในถังนั้นสูงเกินค่าที่กำหนดไว้

๖. จากข้อ ๓. ที่กล่าวไว้ว่า ถ้าหากความดันในถังนั้นสูงจนทำให้วาล์วระบายความดันเปิดออก (วาล์วระบายความดันมันติดตั้งอยู่ทางด้านบน โดยจะระบายส่วนที่เป็นแก๊สทิ้ง) ก็ต้องมีการรายงานไปยังหน่วยงานของรัฐที่เกี่ยวข้อง ตรงจุดนี้เลยทำให้เกิดความคิดขึ้นมาว่า แทนที่จะระบายแก๊สทิ้งสู่บรรยากาศ ก็เปลี่ยนเป็นการระบายของเหลวทางก้นถังไปยังถังใบอื่นที่ว่างอยู่ ซึ่งจะไปเพิ่มปริมาตรรวมของระบบให้เพิ่มขึ้น (คือปริมาตรถังที่เกิดปัญหารวมกับปริมาตรของถังเปล่าที่รองรับ) ทำให้ความดันลดลง 
  

แต่ปัญหาก็คือถ้าความดันในถังสูงเกิดกำหนด จะไม่สามารถเปิดวาล์วที่ก้นถังเพื่อถ่ายของเหลวไปยังถังใบอื่นได้ กล่าวอีกอย่างหนึ่งก็คือแนวความคิดในข้อ ๖. นั้นใช้ไม่ได้ เว้นแต่จะสามารถ bypass ระบบ interlock ได้

๗. และเนื่องจากการมีความดันสูงนั้นเป็นสภาวะฉุกเฉิน ดังนั้นการ bypass ตัว valve actuator จึงควรต้องทำได้อย่างรวดเร็ว ผู้ออกแบบจึงกำหนดให้ท่ออากาศอัดความดันจากตัว valve actuator ที่สั่งให้วาล์วปิด ทางด้านที่ต่อเข้ากับตัววาล์วใช้ข้อต่อแบบสวมถอดได้รวดเร็วหรือ quick coupling และมีการเดินท่ออากาศสำหรับเปิดวาล์วมาอยู่ในบริเวณใกล้เคียง เพื่อที่เมื่อโอเปอร์เรเตอร์ปลดท่ออากาศจาก valve actuator ออก ก็สามารถต่อท่ออากาศท่อใหม่ (ที่ใช้สำหรับเปิดวาล์ว) ได้อย่างรวดเร็ว

แต่สิ่งสำคัญในระหว่างกระบวนการนี้คือตัว drain valve ต้องปิดอยู่ เพราะถ้า drain valve เปิดค้างอยู่เมื่อใดก็จะเกิดการรั่วไหลขึ้นทันที รายงานการสอบสวนไมได้บอกชัดเจนว่า drain valve เป็นวาล์ชนิดไหน แต่น่าเป็นแบบทั่วไปที่สามารถเปิดค้างหรือปิดค้างได้ คือไม่ได้เป็นชนิด spring loaded ball valve ที่จะปิดอยู่เสมอด้วยแรงสปริง เว้นแต่มีแรงไปโยกก้านให้มันเปิด แต่พอแรงโยกนั้นหมดไปเมื่อใดวาล์วก็จะกลับมาปิดอีกครั้ง
 

ตรงนี้ก็มีประเด็นที่น่าจะนำมาเป็นหัวข้อสนทนากันได้ก็คือ ถ้าหากระบบ interlock มันสามารถ bypass การทำงานได้ง่าย แล้วจะมีมันไปทำไม
 

๘. ในคืนวันศุกร์ที่ ๒๓ เมษายน มีสัญญาณเตือนว่ามีการรั่วไหลของแก๊ส shift supervisor จึงเข้าไปตรวจและพบว่ามีสารรั่วไหลออกจาก drain valve ของถัง D310 เกิดเป็นโฟมสูงจากพื้นประมาณ 1.5 ฟุต จึงได้มีความพยายามที่จะหยุดการรั่วไหลและลดความดันภายใน D310 (เพื่อลดการรรั่วไหลลงพื้นด้านล่าง) แต่ในขณะที่พยายามแก้ปัญหาอยู่นั้นก็เกิดการระเบิดขึ้นเสียก่อน
 

เนื่องจากผู้เกี่ยวข้องกับเหตุการณ์ก่อนการรั่วไหลนั้นเสียชีวิตจากการระเบิด การสอบสวนว่าทำไมจึงเกิดการรั่วไหลได้จึงต้องอาศัยพยานบุคคล ตำแหน่งวาล์วและปุ่มควบคุมต่าง ๆ ที่อยู่ในเกิดเหตุ และบันทึกสภาวะการทำงานของโรงงาน

๙. สิ่งที่ทีมสอบสวนคาดว่าเกิดขึ้นก็คือ ในระหว่างการล้าง D306 ด้วยน้ำอยู่นั้น โอเปอร์เรเตอร์ผู้หนึ่งต้องทำการฉีดน้ำล้างจากทาง manhole ที่อยู่ชั้นบน และต้องให้โอเปอร์เรเตอร์อีกคนหนึ่งที่ทำงานร่วมกันนั้นเดินลงมาเปิด drain valve ของ D306
 

แต่คาดว่าโอเปอร์เรเตอร์ผู้ที่ต้องลงมาเปิด drain valve นั้นเมื่อลงมาถึงชั้นล่างแล้วกลับเลี้ยวผิดทาง คือแทนที่จะเลี้ยงไปทาง D306 กลับเลี้ยวไปทางฝั่ง D310 แทน

๑๐. เมื่อโอเปอร์เรเตอร์ผู้ลงมาด้านล่างทำการเปิด drain valve (วาล์วหมายเลข 3ในรูปที่ ๑) ของ D310 ก็ไม่เห็นมีน้ำไหลออกมา ก็เลยตรวจดูวาล์วระบายของเหลวออกจากถังที่อยู่ที่ก้นถัง D310 (วาล์วหมายเลข 4ในรูปที่ ๑) และพบว่าวาล์วตัวดังกล่าวนั้นปิดอยู่ (อันนี้เป็นผลจากการทำงานของระบบ interlock เนื่องจากในความเป็นจริงนั้น D310 อยู่ระหว่างการทำปฏิกิริยา ความดันในถังจึงยังสูงอยู่) จึงได้ทำการ bypass ระบบ interlock ด้วยการปลดท่ออากาศอัดความดันจากตัว valve actuator ที่สั่งให้วาล์วปิด แล้วทำการต่อท่ออากาศสำหรับที่ใช้เปิดวาล์วในกรณีฉุกเฉินเข้าไปแทน พอวาล์วที่ก้นถัง D310 เปิด ของเหลวในถังก็ไหลออกมาด้านนอกผ่าน drain valve ที่เปิดค้างทิ้งเอาไว้
 

เมื่อความดันลดต่ำลง แก๊สที่ละลายอยู่ในของเหลวก็ระเหยออกมา กลายเป็นไอเชื้อเพลิงแพร่กระจายออกไปก่อนเกิดการระเบิดขึ้นตามมา

เหตุการณ์ดังกล่าวที่ปรากฏไว้ในรายงานการสอบสวนสามารถสรุปได้สั้น ๆ ดังที่บรรยายมาข้างต้น โดยความผิดพลาดครั้งนี้ถูกชี้ไปที่ human error เป็นหลัก (คือการที่โอเปอร์เรเตอร์เลี้ยวผิดทางและไปเปิดวาล์วปิด) แต่ในระหว่างการนำเสนอรายงานโดยนิสิตภาคนอกเวลาราชการ ก็มีบางประเด็นที่เห็นว่าน่าจะนำมาเป็นหัวข้อถกเถียง (ถ้าโอกาสอำนวย) จึงขอนำมาสรุปรวบรวมเอาไว้ดังนี้ (คือผู้อ่านรายงานการสอบสวนก็ไม่จำเป็นต้องเห็นด้วยกับข้อสรุปของรายงานการสอบสวน)

(ก) แรงกดดันจากการที่ต้องรายงานเจ้าหน้าที่ของรัฐ ถ้าหากวาล์วระบายความดันเปิดออกจนทำให้มีการรั่วไหลของสารในถังปฏิกรณ์ออกสู่บรรยากาศภายนอก ทำให้ทางบริษัทหาทางป้องกันไม่ให้เกิดการระบายความดันส่วนเกินออกสู่บรรยากาศ ถ้าเปลี่ยนเป็นการหาทางป้องกันไม่ให้เกิดความดันสูงเกินในถังปฏิกรณ์ในระหว่างการทำปฏิกิริยาจะดีกว่าไหม

(ข) ทำไมทางบริษัทจึงเลือกที่จะถ่ายสารในถังปฏิกรณ์ที่เกิดความดันสูงเกิน ไปยังถังปฏิกรณ์อีกใบหนึ่งที่ว่างอยู่นั้น ทั้งที่การแก้ปัญหาดังกล่าวไม่ได้มีเพียงวิธีนี้เพียงวิธีเดียว ในรายงานเองก็มีการกล่าวถึงการเติมสารยับยั้งการทำปฏิกิริยา (Inhibitor) แต่ดูเหมือนว่าการผสมสารยับยั้งการทำปฏิกิริยาเข้ากับของเหลวที่อยู่ในถังนั้นมันเกิดได้ไม่ดี (ตรงนี้ไม่ได้มีการกล่าวว่าทำไมการผสมจึงไม่ดี) ทางโรงงานเลยเลือกใช้การถ่ายไปยังถังหนึ่งแทน โดยเชื่อว่าในช่วงที่ทำการถ่ายเทนั้นจะทำให้สารยับยั้งการทำปฏิกิริยาผสมเข้ากับของเหลวได้ดีขึ้น การยับยั้งการทำปฏิกิริยาก็จะเกิดได้ดีขึ้นตามไปด้วย แต่นั่นหมายถึงการที่โอเปอร์เรเตอร์จะต้องสามารถทำการ bypass ระบบ interlock ได้อย่างรวดเร็วเพื่อเปิดวาล์วที่ก้นถังได้ทันเวลา
 

(ค) การออกแบบให้มีระบบ interlock ป้องกัน แต่สุดท้ายกลับยอมให้สามารถทำการ bypass ระบบ interlock ได้ง่ายโดยใครก็ได้ที่อยู่ ณ บริเวณดังกล่าว เป็นสิ่งที่ยอมรับได้หรือไม่

(ง) ทำไมจึงไม่มีการพิจารณาติดตั้งระบบกักเก็บและ/หรือทำลายแก๊สที่ระบายออกทางวาล์วระบายความดัน ถ้าหากเกิดกรณีที่ความดันในถังสูงจนวาล์วระบายความดันเปิดออก ตรงนี้ใช้อะไรเป็นเกณฑ์ในการออกแบบ กล่าวคือ เหตุผลด้านเทคนิค (เช่นไม่มีพื้นที่สำหรับติดตั้งอุปกรณ์) เหตุผลทางด้านเศรษฐศาสตร์ เหตุผลด้านการดูแลระบบให้พร้อมใช้งานตลอดเวลา เหตุผลด้านความเสี่ยงที่ยอมรับได้ ฯลฯ

(จ) การติดตั้งระบบเพิ่มเติมเพื่อให้โอเปอร์เรเตอร์ผู้ปฏิบัติงานอยู่ด้านล่างรู้ว่าถังที่ตัวเองจะทำการเปิดวาล์วนั้น เป็นถังที่อยู่ระหว่างการทำปฏิกิริยา จะช่วยลดโอกาสเปิดวาล์วผิดพลาดหรือไม่

(ฉ) เมื่อโอเปอร์เรเตอร์พบว่าไม่สามารถเปิดวาล์วได้ (เพราะระบบ interlock ขวางเอาไว้) ทำไมโอเปอร์เรเตอร์กลับไม่นึกเฉลียวใจว่าถังที่กำลังจะเปิดวาล์วนั้นมีความดันอยู่ภายใน กลับเลือกที่จะทำการ bypass ระบบ interlock หรือว่าก่อนหน้านี้ระบบ interlock เคยมีปัญหาบ่อยครั้ง กล่าวคือแม้ว่าในถังจะไม่มีความดัน แต่ระบบ interlock ก็เข้าใจผิดว่าในถังมีความดันอยู่ ก็เลยไม่ยอมให้เปิด เมื่อโอเปอร์เรเตอร์พบกับเหตุการณ์เช่นนี้บ่อยครั้ง ก็เลยไม่เชื่อใจการทำงานของระบบ interlock (คล้ายกับกรณีการระเบิดที่โรงกลั่นน้ำมันในประเทศไทยเมื่อเดือนธันวาคม ๒๕๔๒ ที่มีสัญญาณเตือนถึง ๓ ครั้ง แต่โอเปอร์เรเตอร์เชื่อว่าเป็น fault alarm ทั้ง ๓ ครั้ง สาเหตุหนึ่งเป็นเพราะช่วงนั้นมีการเปลี่ยนแปลงระบบควบคุม มี fault alarm เกิดขึ้นประจำจนทำให้โอเปอร์เรเตอร์ไม่เชื่อใจสัญญาณเตือน แถมยังเป็นสัญญาณที่มาจากบริเวณที่ไม่ได้มีดการทำงานอะไรอีก)

(ช) ทำอย่างไรจึงจะทำให้การถ่ายทอดความรู้จากรุ่นหนึ่งไปยังอีกรุ่นหนึ่งเป็นได้อย่างมีประสิทธิภาพ ไม่ตกหล่น โดยเฉพาะแนวคิดในการออกแบบครั้งแรก ไม่ว่าจะเป็นตัวโรงงานหรือวิธีปฏิบัติงานว่าทำไปจึงต้องกำหนดให้มีขั้นตอนการทำงานต่าง ๆ เหล่านั้น และเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้น ความจำเป็นที่ต้องมีการเปลี่ยนแปลงนั้นอิงอยู่บนเหตุผลใด

ที่เขียนมาข้างต้นเป็นส่วนหนึ่งที่เกิดขึ้นระหว่างการสอนวิชา 2105689 Safe Process Operation and Design ที่เป็นวิชาเลือกสำหรับนิสิตปริญญาโท โดยตัวผมเองพบว่าในกรณีของนิสิตภาคนอกเวลาราชการที่ต่างเป็นผู้ที่มีประสบการณ์ทำงานนั้น จะมีมุมมองต่าง ๆ ที่กว้างกว่านิสิตภาคปรกติที่เกือบทุกคนยังไม่มีประสบการณ์ทำงานมาก่อน
 

สัปดาห์นี้เป็นสัปดาห์สุดท้ายของการสอนวิชานี้ ที่เปิดสอนเป็นครั้งแรกในภาคการศึกษานี้ ผมลองถามผู้เรียนว่าได้รับความรู้อะไรเพิ่มเติมไปบ้าง ซึ่งก็ไม่ได้รับคำตอบอะไรกลับมา แต่สิ่งหนึ่งที่พวกเขาได้ไปจากการบอกของนิสิตบางคนก็คือการที่มีมุมมองปัญหาต่าง ๆ ในหลายมุมเพิ่มมากขึ้น รวมทั้งการที่ไม่คล้อยตามไปตามสิ่งที่เขาว่าต่อ ๆ กันมาโดยไม่มีการนำเอาความรู้ต่าง ๆ ที่ตัวเองมีอยู่แล้วมาพิจารณาความสมเหตุสมผลของข้อมูลที่ได้รับทราบมา

สำหรับผม นั่นก็ถือว่าได้ประสบความสำเร็จในการถ่ายทอดแนวความคิดแล้ว

ปฏิกิริยาการผลิต Vinyl chloride MO Memoir : Friday 26 September 2557

รูปที่ ๑ เส้นทางการผลิต Vinyl chloride

สำหรับผู้ที่เริ่มเรียนวิชาเคมีอินทรีย์มักจะคิดว่าวิชานี้เต็มไปด้วยการท่องจำ และผู้ที่กำลังเรียน (บางครั้งรวมไปถึงผู้สอนด้วย) ทางวิศวกรรมเคมีจำนวนไม่น้อย ก็มักสงสัยว่าวิชานี้เอาไปใช้ในการทำงานอย่างไร เพราะมักจะเห็นว่ากระบวนการการผลิตสารต่าง ๆ ในระดับอุตสาหกรรมนั้น จำนวนไม่น้อยที่มันไม่เหมือนกับที่เขียนไว้ในตำราเคมีอินทรีย์ 
   

ส่วนตัวผมเองนั้นเห็นว่าอันที่จริงปฏิกิริยาต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นในอุตสาหกรรมนั้นต่างก็เป็นปฏิกิริยาที่ปรากฏอยู่ในตำราเคมีอินทรีย์แทบทั้งสิ้น เพียงแต่ว่าเรามองออกหรือเปล่าว่าปฏิกิริยาเหล่านั้นมันอยู่ตรงไหนในหนังสือ
  

ด้วยเหตุนี้ Memoir ฉบับนี้จึงขอยกตัวอย่างมุมมองที่ขยายออกมาจากตำราเคมีอินทรีย์ เพื่อที่จะให้ผู้อ่านมีภาพที่กว้างขึ้นว่าในการผลิตผลิตภัณฑ์สักอย่างนั้น มันไปเกี่ยวข้องกับอุตสาหกรรมใดบ้าง โดยตัวที่เลือกมานำเสนอคือ Vinyl chloride ที่ใช้เป็นสารตั้นต้นในการผลิตพลาสติก Polyvinylchloride หรือที่เราเรียกว่าพีวีซี (PVC)
  

รูปที่ ๑ ข้างบนเป็นแผนผังเส้นทางการผลิต vinyl chloride (H₂C=CHCl) ที่เป็นไปได้ที่ผมวาดขึ้นมาให้ดูเพื่อให้เห็นภาพปฏิกิริยาต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง ในอุตสาหกรรมนั้น vinyl chloride ได้มาจากสารตั้งต้นหลักสองสองตัวด้วยกันคือจาก acetylene (C₂H₂) และ 1,2-Dichloroethane (H₂ClC-CClH₂) จากนี้เรามาลองพิจารณาดูทีละเส้นทาง

๑. ปฏิกิริยาระหว่าง acetylene (C₂H₂) กับ HCl

อะเซทิลีน (acetylene - C₂H₂) สามารถทำปฏิกิริยากับแก๊สไฮโดรเจนคลอไรด์ (hydrogen chloride - HCl) ได้โดยตรง กลายเป็นไวนิลคลอไรด์ (vinyl chloride - H₂C=CHCl) ได้ในปฏิกิริยาขั้นตอนเดียวดังสมการ

HCCH + HCl -> H₂C=CHCl

ปฏิกิริยานี้ใช้กันในยุคแรก ๆ ของการผลิต vinyl chloride 
   

ในอดีต อุตสาหกรรมถ่านหิน (coal) เป็นอุตสาหกรรมหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับการถลุงเหล็กกล้า เพราะต้องใช้ถ่านหินเป็นเชื้อเพลิงและใช้ผลิตถ่าน coke เพื่อใช้ในการถลุงเหล็ก และอุตสาหกรรมหนึ่งที่ใช้เหล็กจำนวนมากได้แก่อุตสาหกรรมการต่อเรือ การเผาไหม้ถ่าน coke ในภาวะที่มีอากาศจำกัดร่วมกับสินแร่เหล็ก จะทำให้เกิดแก๊ส CO (carbonmonoxide) ซึ่งแก๊ส CO นี้จะเป็นตัวไปรีดิวซ์เหล็กออกไซด์ให้กลายเป็นโลหะเหล็ก
 

ถ้านำถ่าน coke ไปเผากับ CaO จะได้สารประกอบ calcium carbide (CaC₂) และเมื่อนำ calcium carbide นี้ไปทำปฏิกิริยากับน้ำก็จะได้ acetylene
 

ดังนั้นในบางประเทศที่เคยมีทั้งอุตสาหกรรมผลิตเหล็กกล้าเพื่อการต่อเรือ พออุตสาหกรรมต่อเรือเริ่มถดถอย ก็ส่งผลถึงความต้องการเหล็กกล้าและการผลิตถ่าน coke ที่ใช้เป็นสารตั้งตั้นในการผลิต acetylene แต่นี้ก็ไม่ใช่เหตุผลหลักที่ทำให้การผลิต acetylene ด้วยกระบวนการนี้ลดน้อยลงไป
  

เหตุผลหลักที่ต้องการลดการใช้แก๊ส acetylene เป็นสารตั้งต้นก็เพราะตัวแก๊ส acetylene เองเป็นสารที่มีเสถียรภาพต่ำตัวหนึ่งเนื่องจากเป็นสารที่มีพลังงานในตัวสูง (พูดตามภาษาเคมีก็คือมีค่า enthalpy of formation เป็นบวกที่สูงมาก) acetylene สามารถสลายตัวได้เองพร้อมทั้งคายพลังงานความร้อนออกมา (หรืออาจเกิดระเบิดได้) และภายใต้ความดันที่สูงพอ (เกิน 1 atm) ก็อาจเกิดการสลายตัวเองได้เมื่อได้รับแรงกระแทก ถังแก๊ส acetylene ที่เราเห็นใช้งานกันทั่วไปนั้น acetylene จะละลายอยู่ในอะซีโตน (acetone - H₃C-(CO)-CH₃)
  

ด้วยเหตุนี้เมื่อมีวิธีการผลิต vinyl chloride จากสารตั้งต้นตัวอื่นที่มีความปลอดภัยในการใช้งานมากกว่า การผลิต vinyl chloride จาก acetylene จึงลดลงไป เว้นแต่ในบางประเทศที่ยังพึ่งพาถ่านหินเป็นสารตั้งต้น (เช่นในประเทศจีน)

๒. ปฏิกิริยาการแตกตัวของ 1,2-dichloroethane

ในตำราเคมีอินทรีย์ในบท alkene หรือ organic halide มักจะกล่าวถึงวิธีการเตรียม alkene จาก organic halide ด้วยปฏิกิริยา dehydrohalogenation ดังสมการ

R¹R²HC-CXR³R⁴ -> R¹R²C=CR³R⁴ + HX

ดังนั้นตามปฏิกิริยานี้เราควรที่จะสามารถเตรียม vinyl chloride ได้จาก 1,2-dichloroethane ดังสมการ

H₂ClC-CClH₂ -> H₂C=CHCl + HCl

คำถามก็คือเราจะเตรียม 1,2-dichloroethane ได้อย่างไร ซึ่งถ้าเราไปเปิดตำราเคมีอินทรีย์ก็จะเห็นว่ามีปฏิกิริยาง่าย ๆ ที่สามารถเตรียม 1,2-dichloroethane ได้อยู่ ๓ ปฏิกิริยาด้วยกันคือ

ปฏิกิริยาที่ ๑ ปฏิกิริยาระหว่าง ethane (C₂H₆) กับ Cl₂

ตามตำราเคมีอินทรีย์จะบอกว่าไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวหรือ alkane นั้นสามารถทำปฏิกิริยากับ halogen เช่น Cl₂ หรือ Br₂ ได้เมื่อมีแสงหรือความร้อนกระตุ้น โดยอะตอม halgen จะเข้าไปแทนที่อะตอม H ของ alkane พร้อมกับการเกิดสารประกอบ HX (ที่เรียกว่าปฏิกิริยา electrophilic substitution) ดังนั้นถ้าว่ากันตามตำราแล้วเราก็ควรที่จะสามารถเตรียม 1,2-dichloroethane จากปฏิกิริยาระหว่าง ethane และ Cl₂ ได้ดังสมการ
  

H₃C-CH₃ + 2Cl₂ -> H₂ClC-CClH₂ + 2HCl

แต่ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาที่ไม่เลือกเกิด กล่าวคือเราไม่สามารถควบคุมได้ว่าในแต่ละโมเลกุล ethane ที่ป้อนเข้าไปนั้น อะตอม H จะถูกแทนที่ด้วยอะตอม Cl กี่ตำแหน่ง และการแทนที่จะเกิดที่ตำแหน่งอะตอม C ตัวไหนบ้าง (เช่นอาจเกิดการแทนที่สองตำแหน่ง แต่เกิดที่อะตอม C ตัวเดิม ก็จะได้ 
 1,1-dichloroethane แทน) ทำให้ผลิตภัณฑ์ของการทำปฏิกิริยานั้นมีหลากหลายชนิด ก่อความยากลำบากในการแยกเอาผลิตภัณฑ์ที่ต้องการออกมาและการจัดการกับผลิตภัณฑ์ที่ไม่ต้องการ (เช่นการหาตลาดขายหรือกำจัด)
  

ดังนั้นในทางปฏิบัติ ภาคอุตสาหกรรมจึงไม่นำเอาปฏิกิริยานี้มาใช้งาน
  

อีกเหตุผลหนึ่งคือ ethane นั้นเป็นไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวที่มีอยู่ในแก๊สธรรมชาติบางแหล่งเท่านั้น

ปฏิกิริยาที่ ๒ ปฏิกิริยาระหว่าง ethylene (C₂H₄) กับ Cl₂

สารประกอบอินทรีย์ที่มีพันธะคู่หรือที่เราเรียกว่า alkene นั้นสามารถทำปฏิกิริยากับ halogen เช่น Cl₂ หรือ Br₂ ได้โดยไม่จำเป็นต้องมีแสงหรือความร้อนกระตุ้นเหมือนพวก alkane โดยในกรณีของ alkene อะตอม halgen จะเข้าไปแทรกตรงตำแหน่งพันธะคู่ตามปฏิกิริยาที่ตำราเคมีอินทรีย์เรียกว่า electrophilic addition เช่นในกรณีของ ethylene ปฏิกิริยาที่เกิดคือ

H₂C=CH₂ + Cl₂ -> H₂ClC-CClH₂

ethylene เป็นสารที่สามารถเตรียมได้จากไฮโดรคาร์บอนตั้งแต่ C2 ขึ้นไปโดยใช้กระบวนการที่เรียกว่า thermal cracking ซึ่งเป็นการทำให้โมเลกุลไฮโดรคาร์บอนขนาดใหญ่ร้อนมากพอ โมเลกุลใหญ่ก็จะแตกตัวเป็นโมเลกุลที่เล็กลง ในกรณีของ ethane ก็อาจต้องการอุณหภูมิที่สูงมากหน่อย (เกินกว่า 800ºC) แต่พอเป็นไฮโดรคาร์บอนตัวที่ใหญ่ขึ้น อุณหภูมิที่ใช้ก็จะลดลง และถ้าเป็นไฮโดรคาร์บอนที่มีความไม่อิ่มตัวค่อนข้างสูง (เช่นมีโครงสร้างวงแหวนอะโรมาติกเยอะ) ก็อาจต้องมีการเติมไฮโดรเจนและใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วย ปฏิกิริยาหลังนี้เรียกว่า hydrocracking
  

ethylene เป็นสารที่มีความปลอดภัยสูงกว่า acetylene และ ethylene เองยังเป็นสารตั้งต้นที่มีการผลิตเป็นจำนวนมากเพื่อใช้ในการผลิตสารอื่นอีก ทำให้กระบวนการผลิต 1,2-dichloroethane จากปฏิกิริยาระหว่าง ethylene และ Cl₂ กลายเป็นกระบวนการผลิตหลักในปัจจุบัน

ปฏิกิริยาที่ ๓ ปฏิกิริยาระหว่าง ethylene (C₂H₄) กับ HCl และ O₂

การผลิต vinyl chloride จากปฏิกิริยา dehydrohalogenation ของ 1,2-dichloroethane ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ข้างเคียงคือ HCl มากตามจำนวน vinyl chloride ที่ผลิตขึ้น ในอุตสาหกรรมการผลิต vinyl chloride นั้นไม่ได้ทำการแยก HCl ออกมาเป็นผลิตภัณฑ์เพื่อจำหน่ายอีกตัวหนึ่ง แต่หาทางนำเอา HCl ที่เกิดขึ้นมาหมุนเวียนใช้ใหม่ในกระบวนการผลิต
  

ในยุคแรกของการหมุนเวียนเอา HCl มาใช้งานใหม่ก็คือการนำเอา HCl มาทำปฏิกิริยากับ acetylene ให้กลายเป็น vinyl chloride โดยตรง (ตามข้อ ๑.) กระบวนการนี้เป็นกระบวนการในยุคแรกที่พยายามลดการใช้ acetylene ในการผลิต vinyl chloride โดยแบ่งไปผลิต vinyl chloride จากเส้นทาง ethylene ส่วนหนึ่ง และนำเอา HCl ที่เกิดขึ้นจากการแตกตัวของ 1,2-dichloroethane มาทำปฏิกิริยากับ acetylene เพื่อให้ได้ vinyl chloride ดังนั้นเมื่อเทียบกับการผลิตจากเส้นทางการใช้ acetylene เพียงอย่างเดียวแล้ว ที่ปริมาณการผลิต vinyl chloride ที่เท่ากัน เส้นทางการใช้ ethylene ร่วมกับ acetylene จะใช้ acetylene น้อยกว่า แต่ก็ยังคงต้องใช้อยู่ดี
  

การหาทางนำ HCl มาใช้โดยไม่ต้องพึ่ง acetylene ประสบความสำเร็จเมือมีการพัฒนาปฏิกิริยา oxychlorination ขึ้นมาก ในปฏิกิริยานี้จะนำเอา HCl ที่ได้จากปฏิกิริยาการแตกตัวของ 1,2-dichloroethane มาทำปฏิกิริยากับ ethylene, HCl และ O₂ จะได้ 1,2-dichloroethane และ H₂O ดังสมการ

H₂C=CH₂ + HCl + O₂ -> H₂ClC-CClH₂ + H₂O

1,2-dichloroethane ที่ได้ก็จะส่งไปยังกระบวนการแตกตัวเป็น vinyl chloride ส่วนน้ำที่เกิดขึ้นก็จะระบายออกจากระบบ การผลิต vinyl chloride ในปัจจุบันจึงประกอบด้วยปฏิกิริยาที่เริ่มจาก ethylene ทำปฏิกิริยากับ Cl₂ โดยตรง โดยมีปฏิกิริยา oxychlorination นี้เป็นตัวเสริม

- จากเกลือแกงสู่อุตสาหกรรมการผลิต vinyl chloride

ที่กล่าวมาจะเห็นว่าสารตั้งต้นอีกตัวหนึ่งที่ใช้ในการผลิต vinyl chloride คือแก๊สคลอรีน (chlorine - Cl₂) หรือไฮโดรเจนคลอไรด์ (HCl) แล้วแก๊สคลอรีนกับไฮโดรเจนคลอไรด์นี้ได้มาจากไหน
  

ในอุตสาหกรรมนั้นแก๊ส Cl₂ เป็นผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นจากกระบวนการผลิตโซดาไฟ (caustic soda หรือ NaOH) ในการผลิตโซดาไฟนี้จะนำเอาเกลือแกง (NaCl) มาละลายน้ำ แล้วใช้ไฟฟ้าแยกสารละลายเกลือแกงนี้ในกระบวนการที่เรียกว่า chloralkali process เกลือที่ใช้จะนิยมใช้เกลือสินเธาว์เพราะมึความบริสุทธิ์สูงกว่าเกลือทะเล ที่ขั้วลบจะเกิดแก๊ส Cl₂ และที่ขั้วบวกจะเกิดแก๊ส H₂ ส่วนสารละลายก็จะกลายสภาพจากน้ำเกลือเป็นสารละลาย NaOH แทน
  

ถ้านำเอาแก๊ส H₂ และ Cl₂ ที่เกิดขึ้นมาเผาร่วมกัน (แบบเดียวกับการเผา H₂ กับอากาศ) ก็จะได้แก๊ส HCl

ตำราเรียนเคมีอินทรีย์เกือบทั้งหมดที่เห็นเขียนกันขึ้นมานั้น ผมเห็นว่าเขียนขึ้นจากมุมมองของนักเคมีเป็นหลัก ปฏิกิริยาจำนวนไม่น้อย (หรือเกือบทั้งหมด) ที่ปรากฏในตำรา มักจะปฏิบัติได้ง่ายในห้องปฏิบัติการ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือเป็นการเตรียมสารในปริมาณไม่มาก ไม่ได้ใช้อุณหภูมิและความดันสูง (เกิดจากขีดจำกัดของอุปกรณ์ที่ใช้ซึ่งมักเป็นพวกเครื่องแก้ว) และไม่ได้คำนึงถึงผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่เกิดขึ้นว่าจะจัดการอย่างไรต่อไป ซึ่งแตกต่างจากการผลิตในอุตสาหกรรมที่ไม่ได้มีข้อจำกัดมากทางด้านอุปกรณ์ (อุณหภูมิและความดันไม่ใช่ปัญหา) แต่ต้องคำนึงถึง ต้นทุนวัตถุดิบ แหล่งที่มา การจัดการกับผลิตภัณฑ์ข้างเคียง (จะขายหรือจะทิ้งอย่างไร) และการทำงานกับสารอันตรายในปริมาณมาก (อันตรายจากการรั่วไหลและการระเบิด) 
 

 และนี่คงเป็นหนึ่งในความแตกต่างระหว่างนักเคมีและวิศวกรเคมี