การระเบิดในโรงงานผลิต phthalic anhydride (๒) การระเบิดจากสิ่งที่ไม่ได้คาดมาก่อนว่ามันจะมีในระบบ MO Memoir : Thursday 25 February 2564

ปฏิกิริยาการออกซิไดซ์ในเฟสแก๊ส (gas phase oxidation) มีการผสมสารตั้งต้น (ซึ่งมักเป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนต่าง ๆ) กับอากาศ (เพื่อใช้ออกซิเจนในอากาศเป็นตัวออกซิไดซ์) เข้าด้วยกัน ก่อนให้แก๊สผสมนั้นไหลผ่านเบดตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเปลี่ยนสารตั้งต้นเป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ และเพื่อให้การทำงานนั้นเป็นไปได้อย่างปลอดภัย จึงต้อง

(ก) ควบคุมสัดส่วนผสมของเชื้อเพลิงกับอากาศไม่ให้อยู่ในช่วง explosive limit หรือ

(ข) ถ้าส่วนผสมอยู่ในช่วง explosive limit ก็ต้องไม่ให้เกิดแหล่งพลังงาน (เช่นอุณหภูมิที่สูง หรือประกายไฟจากไฟฟ้าสถิตย์) ที่สามารถจุดไอผสมนั้นในระบบได้

แต่บางทีการป้องกันมันก็ยากเหมือนกัน เพราะค่า explosive limit ที่มีนั้นมักจะเป็นค่าของสารบริสุทธิ์ (เช่นของสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์) แต่เมื่อสารตั้งต้นทำปฏิกิริยาไปเป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ จะมีการเกิดสารมัธยนต์ (intermediate) และผลิตภัณฑ์ข้างเคียงอื่นเกิดขึ้นได้ และสารเหล่านี้ก็มักจะไม่อยู่ในการพิจารณาความเสี่ยงที่จะเกิดการระเบิดด้วย

๒ เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้เป็นกรณีของการระเบิดที่เกิดจากสิ่งที่ไม่ได้คาดมาก่อนว่าจะมีอยู่ในระบบในโรงงานผลิต phthalic anhydride ที่ใช้ naphthalene เป็นสารตั้งต้น โดยนำมาจากเว็บ http://www.shippai.org/fkd/en/index.html ซึ่งเป็นเว็บของ JST Failure Knowledge Database ที่เป็นการรวบรวมอุบัติเหตุต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นในประเทศญี่ปุ่น แต่รายละเอียดที่ให้นั้นจะให้ไว้ไม่มาก เรียกว่าเป็นข้อสรุปเพียงแค่ ๒-๓ หน้ากระดาษก็ได้

กรณีที่ ๑ ผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่สะสมอยู่ในท่อปลายตัน

เหตุการณ์นี้เกิดในวันที่ ๔ กุมภาพันธ์ปีค.ศ. ๑๙๘๗ (พ.ศ. ๒๕๓๐) การระเบิดเกิดขึ้นในท่อที่ทำการผสมแนฟทาลีน (naphthalene) เข้ากับอากาศ ก่อนที่แก๊สผสมนั้นจะไหลเข้าสู่ oxidation reactor ระบบท่อดังกล่าวแสดงไว้ในรูปที่ ๑

ที่อุณหภูมิห้องแนฟทาลีนเป็นของแข็ง ในการทำปฏิกิริยานั้นต้องทำการหลอมให้แนฟทาลีนเป็นของเหลวก่อน จากนั้นจึงฉีดแนฟทาลีนเหลวนี้เข้าไปในกระแสอากาศร้อนเพื่อให้แนฟทาลีนกลายเป็นไอและผสมเป็นเนื้อเดียวกันกับอากาศ ในการออกแบบระบบผสมนั้นแนฟทาลีนเหลวจะถูกฉีดขึ้นด้านบน (ในท่อที่ตั้งในแนวดิ่ง) โดยมีอากาศร้อนไหลจากด้านล่างขึ้นบน ปลายท่อด้านล่างนั้นเป็นข้อต่อตัว T (T Junction) ที่ทำให้ท่อแยกลงล่างนั้นเป็นท่อปลายตัน แก๊สผสม แนฟทาลีน + อากาศ จะไหลผ่านตะแกรงที่ทำหน้าที่ระบายประจุไฟฟ้าสถิตลงดิน (earth screen) และไหลผ่าน flame arrester ก่อนเข้าเครื่องปฏิกรณ์ ในเส้นทางการไหลนี้มีการติดตั้ง rupture disc ไว้ ๓ ตำแหน่งด้วยกัน

ท่อผสมที่ตั้งในแนวดิ่งนั้นจำเป็นต้องมี pipe support รองรับน้ำหนักท่อ ในกรณีนี้ดูเหมือนว่าการออกแบบจะใช้ข้อต่อตัว T โดยท่อส่วนที่ต่อลงล่างทำหน้าที่ถ่ายน้ำหนักของตัวท่อลงสู่ฐานรับน้ำหนัก แต่วิธีการเช่นนี้ก็ทำให้ท่อที่แยกลงล่างนั้นกลายเป็นท่อปลายตันที่เป็นจุดที่สามารถเก็บสะสมของเหลวหรือของแข็งได้ (ซึ่งในบางกรณีก็อาจต้องการเช่นนั้นเพื่อไม่ให้ของเหลวหรือของแข็งนั้นไหลตามแก๊สหรือตกย้อนลงมาต้นทาง) ถ้าเปลี่ยนเป็นการใช้ข้องอ (elbow) แทนและทำ pipe support รองรับน้ำหนักท่อตรงตำแหน่งข้องอ ก็จะไม่เกิดปัญหาท่อปลายตัน แต่ทั้งนี้ก็มีอีกสิ่งหนึ่งที่ควรคำนึงด้วยก็คือรูปแบบความเร็วการไหล (velocity profile) ของอากาศที่ไหลขึ้นข้างบน ที่ควรมีความสม่ำเสมอตลอดทั้งพื้นที่หน้าตัด เพราะการไหลที่มีการเลี้ยว 90º ผ่านข้องอและข้อต่อตัว T นั้นมีรูปแบบความเร็วการไหลที่ไม่เหมือนกัน

รูปที่ ๑ ในกรอบสีแดงคือท่อปลายตัน ที่แนฟทาลีนที่ควบแน่นเป็นของเหลวไหลลงมาตามผนังท่อและถูกออกซิไดซ์ด้วยอากาศร้อนกลายเป็นผลิตภัณฑ์อื่น ด้วยการที่บริเวณดังกล่าวไม่มีอากาศไหลผ่านจึงทำให้ความร้อนที่คายออกมาจากปฏิกิริยานั้นสะสมให้อุณหภูมิบริเวณดังกล่าวสูงขึ้นจนทำให้เกิดการระเบิดได้

การระเบิดเกิดขึ้นเมื่อเวลาประมาณ ๙.๑๖ น ทำให้ rupture disk ทั้งสามตัวแตกออกเพื่อระบายแรงระเบิด โดยมีชิ้นส่วนของ rupture disk นั้นปลิวกระจายไปยังบริเวณข้างเคียง ผลการสอบสวนเชื่อว่าต้นตอของการระเบิดอยู่ที่ท่อปลายตันที่เป็นจุดสะสมของสารอินทรีย์ (คือแนฟทาลีนบางส่วนอาจเกิดการควบแน่นเป็นของเหลวที่ผนังท่อ และไหลลงล่างสวนทางกับแก๊สที่ไหลขึ้นบน) และสารอินทรีย์เหล่านี้ค่อย ๆ ถูกออกซิไดซ์กลายเป็นผลิตภัณฑ์อื่นพร้อมกับคายความร้อนออกมา เมื่อมีสารอินทรีย์สะสมมากเรื่อย ๆ ปฏิกิริยาก็เกิดได้มากขึ้นและมีความร้อนคายออกมามากขึ้น ด้วยการที่บริเวณดังกล่าวไม่มีอากาศไหลผ่านจึงทำให้เกิดการสะสมความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมา จนในที่สุดความร้อนนั้นทำให้สารอินทรีย์ที่สะสมอยู่นั้นระเหยกลายเป็นไอจนทำให้ความเข้มข้นแก๊สในท่อผสมนั้นอยู่ในช่วง explosive limit และด้วยความร้อนที่คายออกมานั้นก็ทำให้สารผสมนั้นเกิดการระเบิดได้

rupture disk หรือ busrting disk เป็นแผ่นโลหะที่ออกแบบมาให้ฉีกขาดเมื่อความดันสูงเกินกำหนด ข้อดีของมันคือสามารถระบายความดันที่เพิ่มขึ้นสูงอย่างรวดเร็ว (เช่นความดันที่เกิดจากการระเบิด) ได้อย่างรวดเร็ว จึงนิยมใช้กับระบบที่มีความเสี่ยงที่จะเกิดการระเบิดขึ้นภายใน แต่ก็มีข้อเสียคือเมื่อมันฉีกขาดแล้วก็ต้องหยุดระบบเพื่อเปลี่ยนตัวใหม่ ไม่เหมือนพวกวาล์วระบายความดันที่เมื่อความดันลดต่ำลงแล้วก็จะปิดตัวเอง ระบบก็ยังทำงานต่อไปได้

ในเหตุการณ์นี้ไม่ได้ระบุรูปแบบ rupture disk ที่ใช้ แต่กล่าวไว้ในการป้องกันในอนาคตว่าควรเปลี่ยนไปใช้ชนิดที่มีการทำ "ร่อง" บนผิว นั่นแสดงว่าของเดิมที่ใช้นั้นเป็นแบบผิวเรียบ เมื่อเกิดการฉีกขาดรอยขาดจึงเป็นแบบสุ่ม ทำให้เกิดชิ้นส่วนเล็ก ๆ หลุดปลิวไปกับแก๊สที่ระบายออกได้ แต่ถ้าเป็นแบบที่มีการทำร่อง การฉีกขาดจะเกิดตามแนวร่องที่ทำเอาไว้โดยไม่มีการเกิดชิ้นส่วนเล็ก ๆ หลุดปลิวไปกับแก๊ส

ส่วนตัว flame arrester นั้นทำหน้าที่ดับเปลวไฟที่วิ่งอยู่ในเส้นท่อ โดยตัวมันเองประกอบด้วยชั้นตะแกรงโลหะที่มีความหนาระดับหนึ่ง เมื่อเปลวไฟเคลื่อนที่มาถึงชั้นตะแกรงโลหะก็จะถ่ายความร้อนให้กับโลหะนั้น เปลวไฟก็จะเย็นตัวลงและดับลง อย่างเช่นในกรณีนี้เปลวไฟที่เกิดจากการระเบิดดับก่อนเข้าสู่เครื่องปฏิกรณ์ ทำให้ไม่เกิดการระเบิดในเครื่องปฏิกรณ์ แต่ตัวตะแกรงโลหะของ flame arrester ก็ถูกแรงระเบิดอัดจนสูญเสียรูปร่าง

กรณีที่ ๒ การระเบิดจากประกายไฟไฟฟ้าสถิตที่เกิดจากน้ำที่ตกค้างในระบบ

เหตุการณ์ที่สองนี้เกิดขึ้นเมื่อเวลาประมาณ ๔.๐๙ น ของวันที่ ๑๐ มีนาคมปีค.ศ. ๑๙๘๘ (พ.ศ. ๒๕๓๑) โดยเป็นการระเบิดในส่วนของท่อผสมแนฟทาลีนกับอากาศเข้าด้วยกัน (รูปที่ ๒)

โรงงานดังกล่าวมีกระบวนการผลิตสองกระบวนการเดินคู่ขนานกัน (A system และB system ในรูป) การป้อนแนฟทาลีนนั้นใช้ปั๊มสองตัว (ในบทความไม่มีการระบุว่าเป็นแบบไหน) สิ่งที่เกิดขึ้นปั๊ม A (ที่จ่ายแนฟทาลีนไปยัง A system) และปั๊ม B (ที่จ่ายแนฟทาลีนไปยัง B system) เกิดปัญหา cavitation ขึ้นพร้อมกัน โอเปอร์เรเตอร์จึงได้เข้าทำการแก้ปัญหาและสามารถทำให้ปั๊ม A กลับมาทำงานได้ดังเดิม แต่ตัวปั๊ม B ยังคงมีปัญหาอยู่ ทำให้ความเข้มข้นแนฟทาลีนที่ป้อนไปยังเครื่องปฏิกรณ์ของ B system ลดต่ำลง อุณหภูมิในเครื่องปฏิกรณ์จึงลดต่ำลง

ปั๊มที่ทำงานตลอด ๒๔ ชั่วโมงในโรงงานจะมีการติดตั้งปั๊มสำรองคู่กันเสมอ เพราะมันมักมีเรื่องให้ต้องทำการซ่อมบำรุงก่อนที่จะถึงกำหนดเวลาหยุดเดินเครื่องประจำปี แต่ในกรณีของระบบที่ทำงานเหมือน ๆ กัน เช่นกรณีของ A และ B system ในที่นี้ แทนที่จะมีปั๊มสำรองสำหรับปั๊ม A หนึ่งตัวและสำหรับปั๊ม B อีกหนึ่งตัว ก็มีปั๊มสำรองเพียงตัวเดียวพอคือปั๊ม C คือถ้า A เสียก็ใช้ C แทน และถ้า B เสียก็ใช้ C แทนเช่นกัน (ขึ้นอยู่บนข้อสมมุติที่ว่าโอกาสที่ปั๊ม A และ B จะเสียพร้อมกันนั้นน้อยมาก) รูปแบบนี้เรียกว่า common spare

ในกรณีนี้อาจมีบางคนสงสัยว่าในเมื่อ B มีปัญหาแล้วทำไมไม่ใช้ C แทน นั่นคงเป็นเพราะ cavitation นั้นไม่ใช่ปัญหาที่เกิดจากปั๊ม แต่เป็นปัญหาที่ท่อด้านขาเข้าที่ทำให้ปั๊มไม่สามารถดูดเอาของเหลวเข้าในอัตราที่เพียงพอได้ แม้ว่าในบทความไม่ได้กล่าวถึงระบบท่อตรงนี้ไว้แต่ก็เป็นไปได้ว่าท่อส่วนที่เกิดปัญหาคือท่อที่ป้อนของเหลวให้กับปั๊ม B และ C ดังนั้นจึงไม่สามารถเดินเครื่องปั๊ม C แทนปั๊ม B ได้

รูปที่ ๒ ระบบผสมแนฟทาลีนกับอากาศ

ในปฏิกิริยาการออกซิไดซ์ในเฟสแก๊สนั้น เนื่องจากความเข้มข้นของสารตั้งต้นนั้นต่ำมาก จึงนิยมทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิที่สูงพอที่ทำให้ได้ค่า conversion 100% เพราะมันไม่คุ้มที่จะแยกเอาสารตั้งต้นที่ยังไม่ทำปฏิกิริยากลับมาใช้ใหม่ และการทำงานที่อุณหภูมิต่ำเกินไปจะทำให้เกิด under oxidation product (สารมัธยันต์ที่เกิดระหว่างการเปลี่ยนสารตั้งต้นไปเป็นผลิตภัณฑ์) ที่เป็นสารอินทรีย์ ที่ต้องมาเสียค่าใช้จ่ายในการแยกออกจากผลิตภัณฑ์ที่ได้อีก แต่ถ้าอุณหภูมิสูงเกินไปก็จะสูญเสียสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ไปเป็น CO₂ ได้ แต่ CO₂ มันถูกปล่อยทิ้งออกไปกับอากาศที่เหลือ ไม่ได้ตกค้างปนในผลิตภัณฑ์ (แต่ทั้งนี้ก็ยังอาจมีสารอินทรีย์ที่เป็นสารมัธยันต์ที่เกิดระหว่างการสลายตัวของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ไปเป็น CO₂ ปะปนอยู่ในผลิตภัณฑ์ได้)

อุณหภูมิของเบดตัวเร่งปฏิกิริยานั้นขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้นและอัตราการไหลของแก๊สผสม โดยจะเพิ่มสูงถ้าความเข้มข้นสารตั้งต้นที่เพิ่มสูงขึ้นและ/หรืออัตราการไหลของแก๊สผสมนั้นลดต่ำลง (เพราะแก๊สผสมทำหน้าที่เป็นตัวพาความร้อนออกไปจากเบดตัวเร่งปฏิกิริยาด้วย) ในเหตุการณ์นี้เมื่ออุณหภูมิในเครื่องปฏิกรณ์ลดต่ำลงซึ่งเป็นผลจากความเข้มข้นสารตั้งต้นลดต่ำลง ระบบจึงแก้ปัญหาด้วยการไปลดอัตราการไหลของอากาศด้วยการปิดวาล์วป้อนอากาศให้เปิดน้อยลง

แต่อัตราการไหลอากาศลดต่ำลงกลับไปทำให้ความเข้มข้นแนฟทาลีนในแก๊สผสมเพิ่มสูงขึ้น (ปั๊มยังไม่หยุดทำงานโดยสิ้นเชิง ยังคงป้อนแนฟทาลีนเข้าสู่ระบบอยู่) จนเข้าสู่ช่วง explosive limit ตามด้วยการระเบิดในท่อผสมที่เกิดขึ้นตามมา จนทำให้ rupture disk สามตัวเปิดเพื่อระบายความดัน

แหล่งพลังงานที่เป็นตัวจุดระเบิดคาดว่าเกิดจากไฟฟ้าสถิตย์ที่เกิดจาก "ไอน้ำที่ควบแน่นเป็นของเหลว (steam condensate)" ที่ค้างอยู่ในระบบ และประจุไฟฟ้าสถิตเกิดเมื่อน้ำที่เป็นของเหลวนี้ถูกฉีดพ่นเป็นหยดละอองเล็ก ๆ ที่หัวฉีด โดยท่อไอน้ำนี้เป็นท่อสาธารณูปโภคที่ถูกต่อถาวรเข้ากับท่อป้อนแนฟทาลีนโดยมีวาล์วปิดกั้นเพียงแค่ตัวเดียว (ซึ่งจะว่าไปไม่ควรทำการต่อถาวร หรือถ้าต้องต่อถาวรก็ควรมีการป้องกันไม่ให้เกิดการรั่วไหลที่ดีกว่านี้ เช่นการใช้ระบบ double block and bleed valves หรือใช้ slip plate เป็นต้น) รายงานการสอบสวนกล่าวว่าคาดว่า steam condensate ที่มีความดันสูงรั่วไหลเข้าไปทางฝั่งท่อป้อนแนฟทาลีนที่อยู่ทางด้านขาเข้าของปั๊ม ทำให้การทำงานของปั๊มไม่มีเสถียรภาพ (เกิด cavitation) และด้วยการที่ในระบบนั้นมีของเหลวสองชนิดที่ไม่ละลายเข้าเป็นเนื้อเดียวกัน (คือน้ำที่มีขั้ว และแนฟทาลีนที่ไม่มีขั้ว) จึงทำให้เกิดไฟฟ้าสถิตได้ง่ายขึ้นไปอีก

แนฟทาลีนมีจุดหลอมเหลวประมาณ 80ºC ในขณะที่น้ำมีจุดเดือดที่ 100ºC ที่ความดันบรรยากาศ ดังนั้นการที่ปั๊มเกิด cavitation คงเป็นเพราะน้ำเกิดการเดือดเป็นไอในท่อดูดแนฟทาลีนเข้าปั๊ม และมีการควบแน่นกลับเป็นของเหลวเมื่อถูกเพิ่มความดันภายในปั๊ม ทำให้เกิดการไหลแบบสองเฟสจากด้านขาออกของปั๊มไปจนถึงหัวฉีด

ส่วนที่ว่าในกรณีนี้เกิดไฟฟ้าสถิตได้อย่างไรนั้นสามารถอ่านได้ในบทความเรื่อง "ไฟฟ้าสถิตกับงานวิศวกรรมเคมี (๑) ตัวอย่างการเกิด" ใน MO Memoir ฉบับวันอาทิตย์ที่ ๑๔ พฤษภาคม ๒๕๖๐

เมื่อ vortex breaker หายไป MO Memoir : Monday 6 January 2563

เวลาที่ของเหลวมีการไหลออกทางรูระบายที่อยู่ใต้ผิวของเหลว ถ้าระดับความลึกนั้นไม่มากและมีอัตราการไหลออกที่ค่อนข้างสูง สิ่งที่จะเห็นก็คือจะมีการไหลหมุนวนที่ทำให้ระดับผิวของเหลวตรงบริเวณรูระบายนั้นต่ำกว่าบริเวณที่อยู่ห่างออกไป ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการเกิด vortex ในกรณีที่อัตราการไหลออกนั้นสูงและระดับของเหลวนั้นไม่สูง สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือจะมีแก๊สไหลออกไปพร้อมกับของเหลวผ่านทางรูระบายนั้นด้วย ถ้าการดูดออกนั้นเกิดจากการทำงานของปั๊มหอยโข่ง สิ่งที่จะเกิดก็คือปั๊มจะเกิดปัญหาที่เรียกว่า lost suction (มีแก๊สปนมาในของเหลวที่ดูดเข้ามา) และถ้าเป็นมากก็จะเกิด cavitation ตามมาได้
  

วิธีการป้องกันไม่ให้เกิดปัญหาดังกล่าวทำได้ด้วยการติดตั้งอุปกรณ์ที่เรียกว่า "Vortex breaker" ซึ่งก็ไม่ได้มีอะไรมากไปกว่าโครงสร้างที่เข้าไปปิดครอบเหนือรูระบายออก รูปร่างหน้าตาของโครงสร้างนี้มีหลายแบบ เรื่อง vortex breaker เคยเล่าไว้ครั้งหนึ่งใน Memoir ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๐๐ วันศุกร์ที่ ๓๑ สิงหาคม ๒๕๕๕ เรื่อง "Vortex breaker" มาวันนี้ก็จะเป็นการเล่าเรื่องราวที่เกี่ยวข้องกับ vortex breaker อีกครั้งหนึ่ง แต่เป็นกรณีที่ vortex breaker นั้นหายไป

กรณีที่ ๑ เมื่อนำเอาของที่ช่างไม้ลืมเอาไว้ออกไป

กรณีนี้นำมาจาก ICI Safety Newsletter ฉบับเมื่อ ๔๔ ปีที่แล้ว (รูปที่ ๑) เป็นกรณีของโรงงานใหม่ที่เพิ่งจะถึงกำหนดหยุดเดินเครื่องโรงงานเพื่อทำการ turnaround ครั้งแรก และเมื่อทำการเปิด vessel ขนาดใหญ่ตัวหนึ่งก็พบ "saw-horse" (รูปที่ ๒) ของช่างไม้วางอยู่ที่ก้น vessel ซึ่งเข้าใจว่าเป็นการลืมเอาไว้หลังการก่อสร้าง ก็เลยนำเอามันออกมา

  

รูปที่ ๑ จาก ICI Safety Newsletter ฉบับที่ ๘๔ เดือนกุมภาพันธ์ ค.ศ. ๑๙๗๖ (พ.ศ. ๒๕๑๙)

แต่เมื่อกลับมาเดินเครื่องโรงงานใหม่พบว่าปั๊มที่สูบของเหลวออกจาก vessel ตัวดังกล่าวเกิดการ loss suction (คือมีแก๊สปนเข้ามาในของเหลว) เมื่อระดับของเหลวใน vessel ต่ำ (ปัญหาที่แต่เดิมไม่มี) แสดงว่าเกิดปัญหาเรื่อง vortex เกิดขึ้น ก็เลยจำเป็นต้องหยุดเดินเครื่องโรงงานและทำการติดตั้ง vortex breaker เพิ่มเข้าไป
  

รูปที่ ๒ ตัวอย่างหน้าตา saw-horse อันที่จริงมันที่ทั้งแบบที่พับขาได้และพับขาไม่ได้ มันใช้สำหรับพาดแผ่นไม้เวลาที่ช่างไม้ต้องการเลื่อยไม้ (คือต้องใช้สองตัว) คือคำว่า saw ในที่นี้เป็นคำกิริยาที่แปลว่าเลื่อย ไม่ได้เป็นรูปอดีตของคำกิริยา see ที่แปลว่าเห็น

มีบางสิ่งที่เราสามารถเรียนได้จากเหตุการณ์นี้ อย่างแรกก็คือเมื่อมีการใช้ปั๊มหอยโข่งสูบของเหลวก็ควรต้องคำนึงถึงการเกิด vortex ด้วย เพราะมันอาจทำให้ปั๊มนั้นอายุการใช้งานสั้นลงได้ อย่างที่สองก็คือก็ที่จะปิด vessel หรือเชื่อมต่อท่อเข้าด้วยกัน ก็ควรทำการตรวจสอบด้วยว่าไม่มีอะไรค้างอยู่ใน veseel หรือในท่อ ตอนผมจบใหม่ ๆ ก็มีวิศวกรรุ่นพี่เตือนเรื่องนี้เอาไว้เหมือนกัน เพราะถ้าเราปล่อยให้ช่างเขาทำกันเองโดยเราไม่ตรวจสอบก่อนประกอบ ถ้าเขาไม่ชอบผู้ว่าจ้างเขาก็อาจแกล้งด้วยการเอาอะไรยัดเอาไว้ข้างในก็ได้ หรือบางครั้งก็อาจมีการลืมเอาไว้ข้างในก็ได้ เช่นพวกถุงมือ ลวดเชื่อม ท่อนไม้

กรณีที่ ๒ เพื่อความรวดเร็วในการทำงาน

เรื่องนี้ได้วิศวกรที่ทำงานที่โรงกลั่นน้ำมันแห่งหนึ่งเล่าให้ฟังเมื่อต้นปี ๒๕๖๒ เหตุเกิดหลังจากการล้างหอกลั่นสุญญากาศ
  

ปรกติหอกลั่นน้ำมันดิบจะประกอบด้วยหอกลั่นสองหอ หอกลั่นหอแรกเป็นหอกลั่นที่ทำงานที่ความดันบรรยากาศ หอกลั่นนี้จะเป็นการแยกเอาน้ำมันเบา (หมายถึงพวกที่มีจุดเดือดต่ำเช่น เบนซิน น้ำมันก๊าด ดีเซล) ออกไปก่อน จากนั้นจะนำเอาพวกที่มีจุดเดือดสูง (เช่น น้ำมันหล่อลื่น น้ำมันเตาเกรดต่าง ๆ) ไปทำการกลั่นแยกในหอกลั่นที่สองที่ทำงานที่ทำงานที่ความดันสุญญากาศ การที่ต้องทำงานที่ความดันสุญญากาศก็เพราะต้องการลดจุดเดือดของน้ำมันหนักเหล่านั้น ด้วยการที่น้ำมันหนักนั้นเวลาที่มันเย็นก็จะเป็นคราบสกปรกเป็นยางเหนียว ก็เลยต้องมีการทำความสะอาดด้วยการใช้น้ำผสมน้ำยาทำความสะอาดเติมเข้าไปให้เต็มหอกลั่น เพื่อไปละลายคราบสกปรกที่ค้างอยู่ตามซอกต่าง ๆ ออกมาให้หมด

เนื่องจากหอกลั่นมีขนาดใหญ่ การเติมน้ำให้เต็มหอจะใช้เวลานาน ดังนั้นเพื่อให้เติมน้ำได้เต็มเร็วขึ้นจึงมีการเติมน้ำเข้าหอกลั่นที่หลายตำแหน่งที่สามารถทำได้ โดยสองตำแหน่งแรกนั้นอยู่ที่ท่อที่ไหลเข้าออกจากบริเวณลำตัวหอ และตำแหน่งที่สามเป็นท่อด้านของเหลวไหลออกทางก้นหอ คือให้น้ำไหลย้อนสวนขึ้นไป (รูปที่ ๓)
  

หลังจากที่ล้างเสร็จก็จะทำการระบายน้ำล้างทิ้ง ขั้นตอนถัดไปจะเป็นการกำจัดน้ำและสารเคมีที่เติมเข้าไปออกด้วยการป้อนน้ำมันดีเซลที่ผ่านการอุ่นให้ร้อนเข้าไปในหอกลั่น และทำการไหลเวียน (circulation) น้ำมันดีเซลร้อนนั้นให้ไหลทั่วทั้งหอกลั่น เหตุผลที่ต้องทำเช่นนี้ก็เพราะน้ำมีจุดเดือดที่ต่ำกว่าน้ำมันหนัก ถ้ามีน้ำค้างอยู่ในหอกลั่นในรูปของของเหลวเป็นปริมาณมาก เมื่อน้ำนั้นพบกับน้ำมันที่ร้อนก็จะกลายเป็นไออย่างรวดเร็ว ไอน้ำที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วนั้นจะก่อแรงดันที่สามารถทำให้โครงสร้างภายในหอ (เช่นพวก tray ต่าง ๆ) พังลงได้ คืออาจจะได้ยินเสียงที่เหมือนกับการระเบิดเกิดขึ้นภายในหอกลั่น และช่วงที่ tray พังยุบลงมานั้นจะพบว่าค่า pressure drop คร่อมตัวหอในช่วงนั้นจะต่ำมากผิดปรกติ
  

รูปที่ ๓ ระบบหอกลั่นที่เกิดปัญหา

ในช่วงแรกของการทำ circulation น้ำมันดีเซลนั้น เริ่มด้วยอัตราการไหลที่ต่ำกว่า จากนั้นโอเปอร์เรเตอร์ก็พยายามเพิ่มอัตราการไหลด้วยการเปิดวาล์วควบคุมการไหลให้กว้างขึ้น แต่พบว่าอัตราการไหลยังคงเท่าเดิมโดยไม่ได้เพิ่มขึ้นตาม เพื่อพบกับปัญหาดังกล่าวโอเปอร์เรเตอร์ก็พยายามเพิ่มอัตราการไหลด้วยการเดินเครื่องปั๊มตัวที่สอง และเปิดวาล์วควบคุมอัตราการไหลให้เต็มที่ (100%) แต่สิ่งที่เกิดขึ้นคือปั๊มเกิด cavitation ไม่สามารถอ่านแรงดันด้านขาเข้าได้ และแรงดันและอัตราการไหลด้านขาออกเป็นศูนย์ จึงจำเป็นต้องหยุดการ circulation น้ำมันดีเซล (ในโรงงานที่ปั๊มต้องมีการเดินต่อเนื่อง ๒๔ ชั่วโมงต่อวันนั้น จะมีการติดตั้งปั๊ม ๒ ตัว โดยตัวหนึ่งเป็นตัวทำงานหลัก อีกตัวหนึ่งเป็นตัวสำรองสำหรับกรณีที่ตัวหลักเกิดเสียหรือจำเป็นต้องทำการบำรุงรักษา)
  

การเกิด cavitation แสดงว่าอัตราการไหลของของเหลวเข้าปั๊มนั้นต่ำกว่าความสามารถในการสูบของปั๊ม สิ่งแรกที่มักคิดกันก็คือท่อด้านขาเข้าปั๊มน่าจะมีปัญหาอุดตัน แต่เมื่อตรวจสอบ strainer ที่อยู่ด้านขาเข้าปั๊มก็พบว่าไม่มีสิ่งสกปรก ตรวจสอบการทำงานของอุปกรณ์วัดคุมทุกตัวก็พบว่าปรกติ ทางทีมโอเปอร์เรชันจึงได้ทำการสอบสวนย้อนขึ้นไปจนถึงตำแหน่งท่อทางออกจากหอกลั่น และสงสัยว่าอาจจะมีปัญหาเกิดขึ้นที่ vortex breaker ที่ติดตั้งอยู่ที่ปากทางเข้าท่อไหลเข้าปั๊ม และเมื่อเปิดหอกลั่นตรวจสอบก็พบว่า vortex breaker นั้นหลุดออกจากขายึดและตกลงมาปิดปากท่อเอาไว้
  

สาเหตุที่ทำให้ vortex breaker หลุดออกจากขายึดเป็นเพราะการนำน้ำความดันสูงเติมเข้าทางก้นหอกลั่น ปรกติการไหลนั้นจะเป็นการไหลจากก้นหอกลั่นเข้าท่อและไหลเข้าปั๊ม แต่ในการล้างนั้นเป็นการอัดน้ำให้ไหลสวนทางย้อนขึ้นไปยังก้นหอกลั่น ประกอบกับการเชื่อมยึดเดิมนั้นเชื่อมยึดเป็นจุดเพียงแค่บางตำแหน่ง (เรียกว่า tag weld ที่เป็นการเชื่อมเพื่อยึดชิ้นงานให้อยู่ในตำแหน่งก่อนทำการเชื่อมพอกเติมเต็มแนวรอยต่อหรือ groove weld) พอพบกับน้ำความดันสูงที่ไหลเข้าปะทะจึงทำให้รอยเชื่อมฉีกขาด การแก้ปัญหาดังกล่าวทำโดยการเชื่อม vortex breaker กลับเข้าไปใหม่โดยเชื่อมเติมเต็มตลอดแนวรอยต่อ
  

ท้ายสุดของการสนทนา ก็มีการตั้งประเด็นคำถามว่า โรงงานสร้างมานานแล้ว นาน ๆ ทีจึงจะมีการหยุดเดินเครื่องโรงงานและเข้าไปตรวจสอบภายใน ส่วนโอเปอร์เรเตอร์นั้นก็ไม่ได้เป็นคนที่รู้ว่าข้างในอุปกรณ์นั้นมีอะไรบ้าง ดังนั้นจะไปโทษผู้ออกแบบวิธีการล้างก็ไม่น่าจะถูก และเหตุการณ์นี้ยังแสดงให้เห็นถึงการที่รอยเชื่อมที่ยังทำไม่เรียบร้อยเพียงแค่รอยเดียว (นับตั้งแต่สร้างโรงงานมา) สามารถส่งผลจนทำให้โรงงานต้องหยุดเดินเครื่องเพื่อแก้ไขรอยเชื่อมนั้นใหม่ (ต้องย้อนกลับไปด้วยการนำเอาน้ำมันดีเซลออก ไล่สารไวไฟออก เอาไนโตรเจนเข้า และเอาอากาศเข้า จากนั้นจึงให้ช่างเชื่อมเข้าไปซ่อมรอยเชื่อม เสร็จแล้วก็ต้องมาไล่อากาศออกอีก เอาไนโตรเจนเข้าระบบ และเอาน้ำมันดีเซลเข้าไปหมุนเวียนเริ่มใหม่อีก)

ปั๊มหอกลั่น MO Memoir : Sunday 2 February 2557

"ไม่รู้จะทำยังไง คำนวณทีใดมันเกิด cavitation ทุกที"
 

ประโยคข้างบนมีนิสิตปี ๔ คนหนึ่งเปรยให้ผมฟังเมื่อเดือนที่แล้ว เพราะเขามีปัญหากับโปรแกรม simulation ตอนที่หาขนาดปั๊มสำหรับผลิตภัณฑ์จากหอกลั่น
 

รูปแบบปั๊มที่ใช้กันมากที่สุดเห็นจะไม่พ้นปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump) ปั๊มนี้ทำงานได้ดีกับของเหลวที่ไม่หนืดมาก กลไกไม่ซับซ้อน ให้รูปแบบการไหลที่เรียบ (คือไม่เต้นเป็นจังหวะเหมือนปั๊มลูกสูบ)
 

ข้อเสียข้อหนึ่งของปั๊มหอยโข่งคือไม่ถูกโฉลกกับ "cavitation"

รูปที่ ๑ (ซ้าย) รูประบบหอกลั่นที่เรามักเห็นตามหนังสือหรือ flow diagram ทั่วไป (ขวา) รูปที่ใกล้เคียงกับความเป็นจริงมากกว่า H1 และ H2 คือระยะความสูงจากผิวของเหลวถึงทางเข้าปั๊ม
 

Cavitation คือปรากฏการณ์ที่ของเหลวเกิดการเดือดเป็นฟองแก๊ส (เนื่องจากการลดความดัน) และยุบตัวลงอย่างรวดเร็วกลายเป็นของเหลวใหม่ (เนื่องจากการเพิ่มความดัน) เรื่อง cavitation นี้อ่านย้อนหลังได้ในบันทึกต่อไปนี้

ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๐๘ วันศุกร์ที่ ๒๙ มกราคม ๒๕๕๓ เรื่อง "ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที่ ๑ อธิบายศัพท์"

ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๒๒ วันพฤหัสบดีที่ ๑๘ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๓ เรื่อง "ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที่ ๖ ระบบ piping ของปั๊มหอยโข่ง"

ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๒๘ วันพฤหัสบดีที่ ๔ มีนาคม ๒๕๕๓ เรื่อง "ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที่ ๘ Net Positive Suction Head (NPSH)"

การเกิด cavitation นั้นเกิดได้ง่ายถ้าของเหลวที่ปั๊มนั้นมีอุณหภูมิที่จุดเดือดหรือใกล้เคียงกับจุดเดือด (พึงระลึกว่าจุดเดือดนี้ขึ้นอยู่กับความดันด้วยนะ) และเมื่อของเหลวไหลเข้าตัวปั๊มหอยโข่ง ความดันก็ไม่ได้เปลี่ยนแปลงในทิศทางเพิ่มขึ้นเพียงทิศทางเดียว มันมีทั้งช่วงที่ความดันลดลงซึ่งคือการเปลี่ยนจาก pressure head ด้านขาเข้าเป็น velocity head การเพิ่ม velocity head ด้วยแรงเหวี่ยงของใบพัด และการเปลี่ยนจาก velocity head เป็น pressure head ด้านขาออก (ดูรูปที่ ๓ ในบันทึกฉบับที่ ๑๒๘ ข้างต้น)
 

ของเหลวที่เป็นผลิตภัณฑ์ยอดหอกลั่น (เกิดจากการควบแน่นไอที่ระเหยออกมาทางยอดหอ) และที่เป็นผลิตภัณฑ์ก้นหอกลั่น (ที่มีทั้งส่วนที่ดึงออกไปเป็นผลิตภัณฑ์และส่วนที่ส่งกลับไปหม้อต้มซ้ำ (reboiler) เพื่อต้มให้กลายเป็นไอใหม่) ต่างเป็นของเหลวที่มีอุณหภูมิประมาณจุดเดือดของสารนั้น
 

ในกรณีของปั๊มผลิตภัณฑ์ของหอกลั่นนี้ (ไม่ว่าจะเป็นผลิตภัณฑ์ยอดหอหรือผลิตภัณฑ์ก้นหอ) การแก้ปัญหาด้วยการลดอุณหภูมิของเหลวก่อนเข้าปั๊มมันก็แก้ปัญหาได้ แต่จะทำให้สูญเสียพลังงานที่ต้องป้อนกลับคืนในการต้มของเหลวนั้นให้กลายเป็นไอใหม่
 

อีกวิธีการหนึ่งที่ทำได้ก็คือการเพิ่ม "ความดัน" ให้กับของเหลวด้านขาเข้าของปั๊ม

รูปที่ ๑ (ซ้าย) เป็นแผนผังหอกลั่นที่เรามักพบเห็นในตำราทั่วไป สำหรับการเรียนหนังสือเพื่อให้เห็นภาพการกลั่นมันก็ไม่ก่อให้เกิดปัญหาอะไร แต่พอเห็นแต่รูปในหนังสือบ่อยครั้งเข้า มันก็เลยทำให้คิดว่าของจริงมันเป็นดังในรูป ดังนั้นเมื่อต้องทำการออกแบบระบบจริงมันก็เลยเกิดปัญหา เพราะสภาพความเป็นจริงนั้นมันแตกต่างออกไป
 

ยกตัวอย่างแรกก็คือตำแหน่งที่ตั้งของ overhead condenser หรือเครื่องควบแน่นยอดหอ ตามรูปในหนังสือเรียนทั่วไปนั้นมันจะลอยอยู่สูงเหนือหอกลั่น ควบแน่นไอยอดหอให้กลายเป็นของเหลวและไหลลงถังเก็บ (accumulation drum) จากนั้นจึงแยกออกไปเป็นส่วนป้อนกลับเข้าหอกลั่น (reflux) หรือดึงออกเป็นผลิตภัณฑ์ยอดหอออกไป การที่วาดรูปแบบนี้นั้นทำให้ผู้เรียนจำนวนไม่น้อยหลงคิดไปว่าของเหลวส่วน reflux นั้น ปรกติจะไหลกลับเข้าหอกลั่นด้วยแรงโน้มถ่วง
 

มีหลายปัจจัยที่เป็นตัวกำหนดตำแหน่งที่ตั้งของเครื่องควบแน่นยอดหอได้แก่ ความสูงของหอกลั่น ขนาดของเครื่องควบแน่น และความดันที่ต้องใช้ในการส่งของเหลวระบายความร้อนไปยังเครื่องควบแน่น ถ้าหอกลั่นมีความสูงมาก การวางตำแหน่งเครื่องควบแน่นให้อยู่สูงกว่ายอดหอกลั่นมันก็ไม่มีความเหมาะสมในทางปฏิบัติ เพราะนั่นหมายถึงการต้องสร้างอาคารที่สูงกว่าหอกลั่นเพื่อติดตั้งเครื่องควบแน่นให้สูงกว่าหอกลั่น สิ่งที่ตามมาก็คือการที่ต้องใช้ปั๊มที่ให้ความดันสูงในการส่งของเหลวระบายความร้อน (มักจะมีปริมาณมากด้วย) ให้ขึ้นไปถึงเครื่องควบแน่นที่อยู่บนที่สูง และการสร้างอาคารสูงเพื่อติดตั้งอุปกรณ์ที่มีน้ำหนักมากไว้ข้างบนก็จะทำให้ค่าใช้จ่ายด้านโครงสร้างสูงตามไปด้วย
 

ด้วยเหตุนี้สิ่งที่มักปฏิบัติกันทั่วไปสำหรับหอกลั่นที่มีความสูงก็คือการติดตั้งเครื่องควบแน่นไว้ที่ระดับต่ำกว่ายอดหอ (แต่ไม่จำเป็นต้องลงมาอยู่ที่ระดับพื้น) และใช้ปั๊มส่งของเหลวที่ต้องการ reflux ย้อนกลับไปยังยอดหอ (รูปที่ ๑ (ขวา))
 

หม้อต้มซ้ำหรือ reboiler นั้นมันต้องอยู่ที่ก้นหออยู่แล้ว เพราะมันต้องป้อนไอที่เกิดจากของเหลวก้นหอที่ต้มซ้ำกลับเข้าไปยังก้นหอใหม่ สิ่งที่เป็นปัญหามากกว่าตรงจุดนี้น่าจะเป็นการที่ของเหลวส่วนนี้เป็นของเหลวที่มีอุณหภูมิสูงที่จุดเดือด และไม่มีระดับความสูงให้เล่นมากนัก
 

ด้านล่างของหอกลั่นในรูปที่ ๑ (ซ้าย) เป็นรูปแผนผังหม้อต้มซ้ำที่เห็นในตำราทั่วไป ซึ่งเป็นการวาดโดยมีวัตถุประสงค์เพื่อให้มองเห็นภาพกระบวนการกลั่น และประหยัดหน้ากระดาษ แต่ถ้าใครจะทำการออกแบบควรที่จะมองเห็นดังรูปที่ ๑ (ขวา) จะดีกว่า คือปั๊มที่เป็นตัวสูบผลิตภัณฑ์ก้นหอ (เพื่อส่งออกไปหรือป้อนกลับไปยังหม้อต้มซ้ำ) นั้นจะอยู่ที่ระดับที่ต่ำกว่าระดับของเหลวที่ก้นหอเป็นระยะ H2 ที่มากพอที่จะป้องกันไม่ให้เกิด cavitation ที่ตัวปั๊ม แม้ว่าอุณหภูมิของเหลวที่อยู่ที่ก้นหอกลั่นหรือที่ทางเข้าปั๊มจะเท่ากันก็ตาม
 

สมมุติว่าหอกลั่นทำงานที่ความดัน P และที่ความดัน P นี้ของเหลวที่ก้นหอมีอุณหภูมิที่จุดเดือด T แต่ที่ทางเข้าปั๊มของเหลวจะมีความดัน (P + H2) ดังนั้นแม้ว่าของเหลวที่ไหลเข้าปั๊มจะมีอุณหภูมิ T เท่าเดิม แต่ของเหลวจะไม่เดือดที่อุณหภูมิ T นี้เพราะความดันที่ตำแหน่งนี้สูงกว่า ดังนั้นจงอย่าแปลกใจถ้าพบว่าทำไมปั๊มของผลิตภัณฑ์ยอดหอหรือผลิตภัณฑ์ก้นหอนั้นจึงติดตั้งอยู่ที่ระดับต่ำมากเมื่อเทียบกับระดับผิวหน้าของเหลวที่มันทำการสูบ

โปรแกรม simulation นั้นอนุญาตให้เราเพิ่มความดันให้กับของเหลวได้ด้วยการใช้ปั๊ม แต่การทำงานในทางปฏิบัตินั้นเราสามารถเพิ่มความดันให้กับของเหลวได้ด้วยการใช้แรงโน้มถ่วง (gravitation force) โปรแกรม simulation นั้นจะดีได้แค่ไหนก็ขึ้นอยู่กับว่าคนออกแบบโปรแกรมนั้นเข้าใจโลกแห่งความเป็นจริงมากแค่ไหน และการแปลผล simulation นั้นจะดูแต่ตัวเลขอย่างเดียวไม่ได้ (เพราะโปรแกรมมันก็ไม่ได้ถูกต้องหรือตรงกับความจริงเสมอไป) ต้องนำความจริงเข้ามาประกอบด้วยในการพิจารณาตัดสินใจ