ปัจจัยที่ส่งผลต่อค่า flammability limit (๓) MO Memoir : Monday 7 August 2560

เนิ้อหาใน Memoir ฉบับนี้ต่อเนื่องมาจากเรื่อง "ปัจจัยที่ส่งผลต่อค่า flammability limit (๒)" ที่เผยแพร่ไปเมื่อวันพุธที่ ๒ สิงหาคม ๒๕๖๐
 

ถ้าเราลองกลับไปดูรูปที่ ๑๕ ในตอนที่ ๒ ของบทความชุดนี้ จะเห็นว่าขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อที่ใช้ในการทดลองวัดค่า flammability limit นั้นส่งผลต่อความกว้างของช่วงค่าที่วัดได้ โดยท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่นั้นจะให้ช่วง flammability limit ที่กว้างกว่าโดยมีค่า lower limit ที่ต่ำกว่าและค่า upper limit ที่สูงกว่า เมื่อเทียบกับค่าที่วัดได้จากท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กกว่า (ในที่นี้ท่อมีความยาวมากเมื่อเทียบกับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง)
 

ตรงนี้ต้องขอให้รายละเอียดเพิ่มเติมนิดนึงว่าข้อมูลในรูปที่ ๑๕ นั้นมาจากบทความปีค.ศ. ๑๙๒๕ ที่ได้มีการทบทวนผลงานเผยแพร่ย้อนหลังไปถึงประมาณ ๕๐ ปีก่อนหน้านั้นหรือราวปีค.ศ. ๑๘๗๖ ซึ่งยังเป็นยุคที่ต่างคนต่างศึกษาด้วยอุปกรณ์ที่ต่างคนต่างออกแบบ เพื่อศึกษาปัจจัยต่าง ๆ ว่าส่งผลต่อการวัดอย่างไรบ้าง ก่อนที่จะเกิดมาตรฐานกลางเป็นตัวกำหนดว่าควรจะทำการวัดอย่างไร
 

รูปที่ ๑๖ การจุดระเบิดแก๊สผสมในท่อโดยในเปลวไฟวิ่งจากล่างขึ้นบน เมื่อเริ่มจุดระเบิด เปลวไฟจะขยายตัวออกจากแหล่งจุดระเบิด ทางด้านข้างของเปลวไฟจะไปสิ้นสุดที่ผนังท่อ ส่วนทางด้านบนนั้นจะเคลื่อนที่ขึ้นบนไปเรื่อย ๆ แก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ที่อยู่ด้านหลังการเคลื่อนที่ของเปลวไฟจะสูญเสียความร้อนผ่านผนังท่อออกไป ในขณะที่ไอผสมที่ยังไม่จุดระเบิดที่อยู่ทางด้านบนนั้นจะถูกแก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้นั้นผลักดันให้ขึ้นด้านบน ถ้าเป็นท่อปลายเปิดออกสู่บรรยากาศก็ถือได้ว่าความดันไอผสมนั้นไม่เปลี่ยนแปลง (คือเท่ากับความดันบรรยากาศ) แต่ถ้าเป็นท่อปลายปิด ไอผสมที่อยู่ทางด้านบนนั้นจะถูกอัดให้มีความดันเพิ่มขึ้น

เพื่อให้เห็นภาพขอให้ลองดูรูปที่ ๑๖ ที่สมมุติว่าเราทำการจุดระเบิดไอผสมเชื้อเพลิงในท่อยาวที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางแตกต่างกัน โดยให้เปลวไฟวิ่งจากล่างขึ้นบน (สมมุติให้ท่อปลายปิดทางด้านล่าง และให้แหล่งจุดระเบิดนั้นตั้งอยู่ตรงกลางท่อที่ระดับพื้น) เมื่อเริ่มจุดระเบิดนั้นเปลวไฟจะขยายตัวออกจากแหล่งจุดระเบิดเป็นครึ่งทรงกลมแผ่ออกไปจากศูนย์กลางการจุดระเบิด เปลวไฟที่แผ่ออกไปทางด้านข้างจะไปกระทบเข้ากับผนังท่อก่อน และจะดับ อันเป็นผลจากการที่ไม่มีเชื้อเพลิงให้เผาไหม้ต่อไป และการสูญเสียความร้อนผ่านผนังท่อ
 

เรื่องเปลวไฟดับอันเป็นผลจากการสูญเสียความร้อนเนื่องจากเคลื่อนที่ไปกระทบวัตถุที่มีค่าการนำความร้อนสูงมีทั้งการนำมาใช้ประโยชน์และก่อปัญหา ตัวอย่างของการนำมาใช้ประโยชน์ได้แก่ flame arrester ที่เป็นอุปกรณ์ใช้ป้องกันไม่ให้เปลวไฟวิ่งย้อนเข้ามาในระบบ (เช่นในระบบท่อ หรือจากภายนอกผ่านช่อง vent เข้าสู่ภายในถังบรรจุเฃื้อเพลิง) ตัว flame arrester เองก็เป็นเพียงแค่โครงสร้างโลหะสามมิติมีรูพรุนที่มีขนาดไม่เล็กเกินไป (เพื่อไม่ให้อุดตันง่ายและกีดขวางการไหล) และไม่ใหญ่เกินไป (เพื่อไม่ให้พื้นที่ผิวสัมผัสกับเปลวไฟที่เคลื่อนที่ผ่านนั้นน้อยเกินไป) เมื่อเปลวไฟวิ่งผ่านตัว flame arrester จากทางด้านหนึ่งนั้น เปลวไฟจะสูญเสียความร้อนให้กับชิ้นส่วนโลหะนี้ ทำให้เปลวไฟดับ
 

ตัวอย่างของส่วนที่ก่อให้เกิดปัญหาเห็นจะได้แก่กรณีของเครื่องยนต์เบนซินที่จุดระเบิดด้วยหัวเทียน การทำงานของเครื่องยนต์เบนซินนั้นจะผสมไอเชื้อเพลิงกับอากาศเข้าเป็นเนื้อเดียวกันก่อน จากนั้นจึงจุดระเบิดด้วยหัวเทียน เปลวไฟจากการเผาไหม้จะเคลื่อนที่ออกมาจากตำแหน่งเขี้ยวหัวเทียน พอมาถึงผนังลูกสูบที่ทำจากเหล็กและมีน้ำหล่อเย็นอยู่ด้านนอก เปลวไฟก็จะดับ ส่งผลให้ไอผสมระหว่างน้ำมันกับอากาศที่อยู่ตรงบริเวณใกล้ผนังกระบอกสูบไม่ถูกเผาไหม้หรือเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ ดังนั้นในกรณีของเครื่องยนต์เบนซิน แม้ว่าจะมีการผสมอากาศกับน้ำมันเข้าเป็นเนื้อเดียวกันอย่างดี และใช้อากาศในปริมาณที่มากเกินพอ ก็ยังคงมีน้ำมันที่ยังไม่เผาไหม้หลุดมากับไอเสีย

รูปที่ ๑๗ ส่วนหนึ่งของข้อความจากบทความของ Coward และ Jones ในส่วนผลของขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ vessel ที่ใช้ในการทดลอง (vessel ในที่นี้ไม่จำเป็นต้องเป็นท่อ อาจเป็นภาชนะทรงใด ๆ เช่นทรงกลมที่มีการจุดระเบิดที่ตำแหน่งกึ่งกลางก็ได้)

ในกรณีของตัวอย่างในรูปที่ ๑๖ นั้น ท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กจะมีอัตราส่วน พื้นที่ผิวต่อปริมาตร สูงกว่าท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางที่ใหญ่กว่า การระบายความร้อนออกจากท่อขนาดเล็กจึงสูงกว่าด้วย จึงทำให้เปลวไฟดับได้ง่ายกว่า ตัวอย่างเช่นข้อมูลของเอทิลีนในรูปที่ ๑๕ เมื่อทำการจุดระเบิดให้เปลวไฟวิ่งจากล่างขึ้นบน เมื่อใช้ท่อขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 7.5 cm จะได้ค่า flammability limit อยู่ในช่วง 3.02-34.0 vol% (หรือมากกว่า) แต่พอใช้ท่อขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 2.5 cm ค่า flammability limit จะแคบลงเหลือระหว่าง 3.15-27.6 vol% บทความของ Coward และ Jones กล่าวไว้ว่าผลของขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางท่อต่อค่า flammability limit จะเห็นได้ชัดสำหรับท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ 5 cm ลงมา สำหรับท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่านี้จะให้ความแตกต่างที่ลดลงมา
 

ในขณะเดียวกันแก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ก็จะขยายตัวดันให้เปลวไฟวิ่งขึ้นด้านบน ถ้าหากการเผาไหม้นี้เกิดขึ้นในระบบปิด ความดันในระบบก็จะเพิ่มขึ้น แต่ถ้าเผาไหม้ในระบบที่เปิดออกสู่บรรยากาศ เราพอจะประมาณได้ว่าความดันของแก๊สส่วนที่อยู่เหนือเปลวไฟนี้ยังคงประมาณได้ว่าเท่ากับความดันบรรยากาศอยู่ ด้วยเหตุนี้ในกรณีของท่อปลายเปิดนั้น ความยาวของท่อจึงไม่ควรส่งผลต่อค่า flammability limit ที่วัดได้ แต่ถ้าเป็นกรณีของท่อปลายปิดนั้นความยาวของท่อจะส่งผล เมื่อเทียบกับเปลวไฟที่เคลื่อนที่ได้ระยะทางเท่ากันในท่อสั้นกับท่อยาว ท่อสั้นกว่าจะมีอัตราการเพิ่มความดันที่สูงกว่า เพราะปริมาตรที่ว่างสำหรับให้แก๊สที่ยังไม่เผาไหม้อัดตัวนั้นต่ำกว่า

รูปที่ ๑๘ ส่วนหนึ่งของข้อความจากบทความของ Coward และ Jones ในส่วนผลของขนาดความยาวของ vessel

อุตสาหกรรมพวกแรกที่ประสบกับปัญหาการระเบิดของแก๊สผสมเชื้อเพลิง + อากาศ เห็นจะได้แก่การทำเหมืองถ่านหิน และการนำ coal gas (แก๊สที่ได้จากการเผาถ่านหินในอากาศที่จำกัด เพื่อเปลี่ยนถ่านหินเป็นเชื้อเพลิงแก๊สส่งไปตามท่อได้) ไปใช้งาน ดังนั้นจึงไม่น่าจะแปลกที่การระเบิดของมีเทน (CH₄) จะได้รับการศึกษามากในช่วงแรก และจากการที่การทำงานในเหมืองนั้นเป็นการทำงานในบรรยากาศปรกติ การศึกษาการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยของสภาพอากาศ เช่น ความดัน (ที่เปลี่ยนแปลงตามสภาพบรรยากาศ เช่นความดันจะลดต่ำลงเมื่อมีพายุฝนเข้า) ความชื้นในอากาศ เป็นต้น
 

ประเด็นหนึ่งที่บทความของ Coward และ Jones ได้กล่าวถึงคือผลของความชื้นที่มีต่อ flammability limit โดยในช่วงแรกของการศึกษานั้นมักจะกระทำกับแก๊สที่แห้ง โดยมีข้อสมมุติ (หรือความเชื่อ) ว่าความชื้นในอากาศไม่ส่งผลต่อค่า flammability limit แต่ผลการศึกษากลับพบว่าในหลายกรณีนั้นมีผล เช่นในกรณีของมีเทนนั้นความชื้นแทบจะไม่ส่งผลต่อค่า lower limit ในขณะที่ไปทำให้ค่า upper limit ลดต่ำลง (คือช่วงความเข้มข้นที่ระเบิดได้นั้นแคบลง) แต่พอเป็นกรณีของคาร์บอนมอนอกไซด์กลับแตกต่างออกไป แก๊ส CO ที่แห้งนั้นมีค่า lower limit อยู่ที่ 15.9% แต่พอเป็นอากาศที่อิ่มตัวด้วยไอน้ำกลับพบว่าค่า lower limitลดต่ำลงเป็น 13.1% (รูปที่ ๑๙ ข้างล่าง) 
  

เวลาที่แก๊สรั่วไหลออกสู่บรรยากาศภายนอก ความเข้มของแก๊สในอากาศจะค่อย ๆ เพิ่มขึ้น ยิ่งแก๊สนั้นมีค่า lower limit ต่ำเท่าใดก็แสดงว่ามันมีโอกาสที่จะเกิดการระเบิดได้ง่ายขึ้นแม้ว่ามันจะรั่วออกมาในปริมาณที่ไม่มาก

รูปที่ ๑๙ ส่วนหนึ่งของข้อความจากบทความของ Coward และ Jones ในส่วนผลของความชื้นในอากาศ
 

การเปลี่ยนแปลงสภาพอากาศอีกปัจจัยหนึ่งที่ในบทความมีการกล่าวถึงคือความเข้มข้นของออกซิเจนในอากาศ โดยได้ยกตัวอย่างกรณีของแก๊สมีเทน (ปัญหาสำคัญของการทำงานในเหมืองถ่านหินใต้ดิน) โดยกล่าวว่าค่า lower limit นั้นแทบจะไม่ได้รับผลกระทบอะไรจากความเข้มข้นออกซิเจนที่ลดลง ในขณะที่ค่า upper limit มีการลดลงมากกว่า (รูปที่ ๒๐)

รูปที่ ๒๐ ส่วนหนึ่งของข้อความจากบทความของ Coward และ Jones ในส่วนผลของความเข้มข้นออกซิเจนในอากาศที่เปลี่ยนแปลงไป (คือลดต่ำลง แต่ยังอยู่ในระดับที่คนยังหายใจได้ปลอดภัย)

ผลการเปลี่ยนแปลงความดันที่มีต่อช่วง flammability limit คงต้องแยกเป็นสองส่วน ส่วนแรกคือการเปลี่ยนแปลงความดันเนื่องจากสภาพอากาศ ที่ศูนย์กลางของหย่อมความกดอากาศต่ำกำลังแรง (หรือพายุ) นั้นความดันอากาศอาจลดต่ำกว่าปรกติได้ถึงประมาณ 0.1 bar และในทางกลับกันที่ศูนย์กลางของหย่อมความกดอากาศสูงก็อาจสูงกว่าปรกติได้ถึงประมาณ 0.1 bar เช่นกัน การเปลี่ยนแปลงตรงนี้พบว่าไม่ส่งผลต่อค่า flammability limit เท่าใดนัก

รูปที่ ๒๑ ส่วนหนึ่งของข้อความจากบทความของ Coward และ Jones ในส่วนผลของการเปลี่ยนแปลงความดัน

ความดันที่สูงขึ้นในกระบวนการผลิตส่งผลต่อช่วง flammability limit โดยเฉพาะค่า upper limit อย่างเห็นได้ชัด ซึ่งเรื่องนี้ได้ยกตัวอย่างไปแล้วในตอนที่ ๑ ของเรื่องนี้ (ดู "ปัจจัยที่ส่งผลต่อค่า flammability limit (๑)" ฉบับวันศุกร์ที่ ๒๘ กรกฎาคม ๒๕๖๐) แต่ก็มีข้อยกเวันเหมือนกันในบางกรณีที่ช่วง flammability limit นั้นแคบลง ในส่วนของความดันที่ต่ำกว่าบรรยากาศนั้น บทความของ Coward และ Jones กล่าวว่ามีผลของความแรงของ ignition source ที่ใช้ในการจุดระเบิดไอผสมเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย กล่าวคือถ้าหาก ignition source มีความแรงที่ไม่เพียงพอก็จะไม่สามารถจุดระเบิดไอผสมได้ ทำให้คิดว่าไอผสมดังกล่าวไม่ได้อยู่ในช่วง flammability limit แต่ถ้าเปลี่ยน ignition source ให้แรงขึ้นกลับพบว่าสามารถจุดระเบิดไอผสมดังกล่าวได้
 

ปัจจัยถัดมาที่บทความของ Coward และ Jones กล่าวถึงคือผลของอุณหภูมิ ซึ่งเรื่องนี้ก็ได้ยกตัวอย่างไปบ้างแล้วในตอนที่ ๑ ของบทความชุดนี้ แต่โดยภาพรวมก็คือช่วง flammability limit จะกว้างขึ้น (ค่า lower limit ลดลง แต่คงไม่ได้มีขนาดมากเท่ากับค่า upper limit ที่เพิ่มขึ้นได้มากกว่า)

รูปที่ ๒๒ ส่วนหนึ่งของข้อความจากบทความของ Coward และ Jones ในส่วนผลของอุณหภูมิ

ปิดท้ายของตอนที่ ๓ นี้ด้วยเรื่องของความปั่นป่วน (turbulence) ตรงนี้ขอให้ลองพิจารณาไอเชื้อเพลิงกับอากาศที่อยู่ในท่อ ที่อาจอยู่ในสภาพที่ (ก) อยู่นิ่ง ๆ ไม่มีการไหลเวียน หรือ (ข) มีการไหลอย่างช้า ๆ ในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง หรือ (ค) อยู่ในระบบปิด แต่มีการทำให้เกิดการไหลหมุนเวียนอยู่ภายใน (เช่นใช้ใบพัดทำให้เกิดการปั่นกวน) ในส่วนนี้บทความได้ยกตัวอย่างกรณีของแก๊สธรรมชาติ (หรือมีเทน) และอีเทนว่า ว่า ความปั่นป่วนในขนาดที่พอเหมาะสามารถทำให้ค่า lower limit ลดต่ำลงได้ (คือระเบิดได้ง่ายขึ้นที่ความเข้มข้นต่ำ)

รูปที่ ๒๓ ผลของความปั่นปวน (turbulance) ที่มีต่อค่า flammability limit

ตอนถัดไปที่เป็นตอนที่ ๔ จะกล่าวถึงผลของออกซิเจน

ปัจจัยที่ส่งผลต่อค่า flammability limit (๒) MO Memoir : Wednesday 2 August 2560

เนื้อหาใน Memoir ฉบับนี้เป็นการขยายความจากบทความเรื่อง "Limits of flammability of gases and vapors" โดย H.F. Coward และ G.W. Jones ในเอกสาร Bulletin 503 ของ Bureau of Mines, United States Department of Interior ที่เผยแพร่ในปีค.ศ. ๑๙๕๒ (เอาชื่อบทความพิมพ์ใส่ Google แล้วให้มันหาไฟล์ pdf ให้ได้เลย)
 

ในตอนที่ ๑ ของเรื่องนี้ได้กล่าวถึงบางปัจจัยที่ส่งผลต่อค่า flammability limit ของเฃื้อเพลิงไปบ้างแล้ว ซึ่งได้แก่ อุณหภูมิ ความดัน และองค์ประกอบที่สาม (ที่นอกเหนือไปจากตัวเชื้อเพลิง และอากาศที่ทำหน้าที่เป็นสารออกซิไดซ์) โดยได้แสดงให้เห็นว่าที่อุณหภูมิและความดันที่สูงขึ้น ช่วงค่า flammability limit จะกว้างขึ้น โดยตัวขอบเขตบนหรือ upper limit นั้นจะมีค่าเพิ่มมากขึ้น ในขณะที่ขอบเขตล่างหรือ lower limit นั้นไม่ค่อยจะได้รับผลกระทบเท่าใดนัก ส่วนผลขององค์ประกอบที่สาม (ที่ไม่ได้เป็นสารช่วยให้ไฟติด และยังยั้งปฏิกิริยาการเผาไหม้) ส่งผลให้ช่วงค่า flammability limit นั้นแคบลง และถ้ามีในปริมาณที่มากพอก็จะทำให้ไม่สามารถจุดระเบิดไอผสมของ เชื้อเพลิง + สารออกซิไดซ์ + องค์ประกอบที่สาม นั้นได้
 

รูปที่ ๑๒ ข้อความจากหน้าแรก ที่กล่าวถึงปัจจัยแรกที่ส่งผลต่อการวัดค่า flammability limit คือวิธีการจุดระเบิดเชื้อเพลิง
 

ปัญหาเรื่องการวัดขอบเขต flammability limit มีมานานแล้ว จะว่าไปแล้วที่สภาวะใดสภาวะหนึ่ง (อุณหภูมิ ความดัน และองค์ประกอบของส่วนผสม) ค่าที่วัดได้ยังขึ้นกับวิธีการที่ใช้ในการวัดด้วย (เช่น วิธีการจุดระเบิด รูปทรง ขนาด และวัสดุที่ใช้ทำอุปกรณ์วัด เป็นต้น) เนื่องจากค่าที่มีปรากฏให้เห็นทั่วไปนั้นส่วนใหญ่จะเป็นค่าที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศ และวัดด้วยอุปกรณ์เฉพาะ มันก็เลยทำให้เกิดคำถามขึ้นมาว่าในกรณีของกระบวนการทางวิศวกรรมเคมีที่มีการทำงานที่อุณหภูมิและความดันที่แตกต่างไป (คือมักเน้นไปที่อุณหภูมิและความดันที่สูงกว่าการวัด) เรายังใช้ตัวเลขที่ได้จากการวัดที่สภาวะที่มีความรุนแรงน้อยกว่าเหล่านั้นได้หรือไม่ หรือควรต้องมีการเผื่อเพิ่มเติม
 

ปัจจัยแรกที่บทความของ Coward และ Jones กล่าวถึงก็คือ "วิธีการจุดระเบิด" (source of ignition - รูปที่ ๑๒ ด้วยว่าปฏิกิริยาการเผาไหม้นั้นเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ที่คายความร้อน สิ่งแรกที่ต้องการก็คือพลังงานกระตุ้นที่จะทำให้ปฏิกิริยาเริ่มเกิด และเมื่อปฏิกิริยาเริ่มเกิดแล้วก็จะคายความร้อนออกมา ความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมานั้นส่วนหนึ่งจะสูญเสียไปกับการเพิ่มพลังงานให้ระบบ (คือทำให้แก๊สในที่อยู่รอบ ๆ บริเวณจุดระเบิดนั้นร้อนขึ้น) ถ้าหากความร้อนที่สูญเสียไปกับการทำให้ระบบมีอุณหภูมิสูงขึ้นนั้นมีมาก มันก็จะไม่มีพลังงานเหลือพอที่จะไปกระตุ้นให้โมเลกุลอื่นเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ต่อเนื่องไปนั้น ทำให้เปลวไฟที่เกิดขึ้นจากการจุดระเบิดนั้นจำกัดอยู่เฉพาะตรงบริเวณแหล่งพลังงานที่ใช้ทำการจุดระเบิด หรือมีการแผ่ขยายออกไปได้ไม่มาก ก่อนที่จะดับตัวลง (ที่ในบทความในรูปที่ ๑ ใช้คำว่าเปลวไฟไม่สามารถ self-propagation ได้)
 

ปฏิกิริยาคายความร้อนนั้นเป็นปฏิกิริยาที่เร่งตนเอง ความร้อนที่คายออกมาไม่เพียงแต่จะทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาสูงขึ้น (ซึ่งก็จะไปเร่งอัตราการคายพลังงานออกมาอีก) แต่ยังทำให้แก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ขยายตัว แก๊สร้อนที่แผ่ขยายออกไปจากบริเวณจุดระเบิดนี้จะเคลื่อนที่อัดแก๊สที่ยังไม่ลุกไหม้ที่อยู่รอบนอก ทำให้เกิดเป็นหน้าคลื่นการเผาไหม้แผ่กว้างออกไปจากบริเวณจุดระเบิด ตรงบริเวณแนวรอยต่อระหว่างเปลวไฟที่แผ่ขยายออกไปและแก๊สที่ยังไม่ลุกไหม้จะเป็นจุดเปลี่ยนแปลงระหว่างตำแหน่งที่แก๊สมีอุณหภูมิและความดันที่สูง (ด้านแก๊สที่เผาไหม้แล้ว) กับแก๊สที่มีอุณหภูมิและความดันที่ต่ำกว่า (ด้านที่แก๊สที่ยังไม่เผาไหม้) ไอผสมเชื้อเพลิงกับสารออกซิไดซ์ (ต่อไปขอเรียกสั้น ๆ ว่าไอผสมเชื้อเพลิงก็แล้วกัน เว้นแต่จะมีระบุไว้เป็นอย่างอื่น) นั้นจะถือว่าอยู่ในช่วง flammability limit ก็ต่อเมื่อเปลวไฟที่เกิดจากการจุดระเบิดนั้นสามารถแผ่กว้างออกไปจนสุดขอบเขตของไอผสมเชื้อเพลิงนั้น กล่าวคือสมมุติว่าเราเอาไอผสมเชื้อเพลิงมาใส่ไว้ในท่อยาว ๕ เมตร แล้วจุดไฟที่ปลายท่อด้านหนึ่ง เปลวไฟจะต้องสามารถวิ่งจากปลายท่อด้านที่จุดไฟนั้นไปยังปลายท่ออีกด้านหนึ่งได้ ไม่ใช่วิ่งไปได้เพียงแค่ไม่กี่สิบเซนติเมตรแล้วก็ดับ (เช่นอาจเกิดจากการสูญเสียพลังงานความร้อนผ่านผนังท่อออกไป ซึ่งตรงนี้เดี๋ยวค่อยไปคุยกันในเรื่อง ขนาด รูปร่าง และวัสดุที่ใช้ทำอุปกรณ์วัดช่วง flammability limit)

รูปที่ ๑๓ ปัจจัยที่สองที่ Coward และ Jones กล่าวถึงในหน้าที่ ๒ ของบทความก็คือทิศทางการเคลื่อนที่ของเปลวไฟ
 

วิธีการให้พลังงานเพื่อจุดระเบิดไอผสมเชื้อเพลิงนั้นมีหลายวิธี เช่น การใช้เปลวไฟเปิด การใช้ขดลวดความร้อน การใช้ประกายไฟฟ้า เป็นต้น แต่ในงานวิศวกรรมเคมีมันยังมีอีกวิธีการหนึ่งก็คือการใช้ "ตัวเร่งปฏิกิริยา" (ซึ่งมักจะเป็นสิ่งที่เราไม่ได้คาดเอาไว้ว่าจะเกิดขึ้นได้) ปัญหาแรกที่บทความกล่าวถึงก็คือ ที่ส่วนผสมค่า ๆ หนึ่ง โดยเฉพาะในช่วงใกล้กับ lower limit (คือในไอผสมนั้นมีความเข้มข้นเชื้อเพลิงต่ำ) พลังงานของแหล่งพลังงานที่ใช้ในการจุดระเบิดไอผสมเชื้อเพลิงมีบทบาทสำคัญในการจุดระเบิด ถ้าแหล่งพลังงานนั้นมีพลังงานต่ำเกินไป ก็อาจจะไม่สามารถจุดระเบิดไอผสมเชื้อเพลิงนั้นได้ (คือถ้าเพิ่มพลังงานให้กับแหล่งพลังงานที่ใช้จุดระเบิด มันก็จะสามารถจุดระเบิดได้)

ปัจจัยที่สองที่ Coward และ Jones กล่าวถึงในบทความของเขาคือ "ทิศทางการแผ่ขยายของเปลวไฟ" (direction of flame propagation - รูปที่ ๑๓) คือทิศทางที่เปลวไฟเดินทางออกจากแหล่งจุดระเบิดว่า เดินทางขึ้นบน ลงล่าง หรือไปในแนวราบ เพื่อให้เห็นภาพดังกล่าวขอให้ลองพิจารณาการทำงานของตะเกียงบุนเสน (Bunsen burner) ที่เราใช้กันในห้องปฏิบัติเคมีทั่วไปในรูปที่ ๑๔ ข้างล่าง (อันที่จริงเตาแก๊สหุงต้มที่ใช้กันตามบ้านก็ใช้หลักการเดียวกัน)

รูปที่ ๑๔ การเผาไหม้แก๊สเชื้อเพลิงของตะเกียงบุนเสน (Bunsen burner)

ตะเกียงบุนเสนจะมีการป้อนแก๊สเชื้อเพลิง (ปรกติก็แก๊สหุงต้ม) เข้าที่ฐานด้านล่างของตัวตะเกียง แก๊สเชื้อเพลิงจะฉีดออกที่หัวฉีดด้วยเร็วระดับหนึ่ง โดยตัวหัวฉีดนั้นจะตั้งอยู่ภายใน burner tube (หรือ chimney หรือ barrel) ที่เป็นท่อกลวง ฐานด้านล่างของ burner ที่ครอบตัวหัวฉีดอยู่นั้นจะมีรูสำหรับให้อากาศไหลเข้า โดยที่เราสามารถปรับขนาดเปิด-ปิดของรูนี้ได้ ความเร็วของแก๊สเชื้อเพลิงที่ฉีดออกมาและพุ่งขึ้นไปยังด้านบนสุดของ burner tube จะดึงเอาอากาศจากภายนอกไหลเข้ามาผสมกับเชื้อเพลิง กลายเป็นส่วนผสมที่สามารถลุกติดไฟได้ และเมื่อเราทำการจุดไฟที่ปลายด้านบนสุดของ burner tube เปลวไฟก็จะลุกไหม้อยู่ ณ ที่นั้น "โดยไม่แผ่ขยายลงสู่เบื้องล่าง" ทั้ง ๆ ที่สัดส่วนของแก๊สผสมที่อยู่ใน burner tube นั้นก็เป็นสัดส่วนที่สามารถลุกไหม้ได้ ทั้งนี้เป็นเพราะความเร็วในการไหลของแก๊สผสมที่ไหลอยู่ใน burner tube ขึ้นสู่เบื้องบนนั้น สูงกว่าความเร็วในการเดินทางของหน้าคลื่นการเผาไหม้
 

โดยธรรมชาติแล้วแก๊สร้อนมีแนวโน้มที่จะลอยตัวขึ้นสู่ด้านบนได้ง่ายการการแผ่ขยายออกไปทางด้านข้างหรือเคลื่อนที่ลงล่าง เปลวไปที่เกิดจากการจุดระเบิดที่ ignition source ก็มีพฤติกรรมแบบเดียวกัน ดังนั้นถ้าเราเอาไอผสมเชื้อเพลิงบรรจุในท่อยาว วางท่อดังกล่าวในแนวตั้ง แล้วทดลองจุดระเบิดไอผสมจากทางปลายด้านล่างของท่อ (ให้เปลวไฟวิ่งขึ้นบน) หรือจากทางปลายด้านบนของท่อ (ให้เปลวไฟวิ่งลงล่าง) หรือวางท่อในแนวนอนแล้วทดลองจุดระเบิดจากปลายด้านหนึ่งเพื่อให้เปลวไฟวิ่งไปอีกทางด้านหนึ่ง มันก็ไม่ใช่เรื่องแปลกถ้าหากจะพบว่าการวางท่อในแนวตั้งแล้วจุดเปลวไฟให้วิ่งจากล่างขึ้นบนนั้นจะทำได้ง่ายกว่ากับส่วนผสมที่เจือจาง เมื่อเทียบกับการให้เปลวไฟวิ่งจากบนลงล่างหรือวิ่งในแนวนอน (รูปที่ ๑๕)

รูปที่ ๑๕ ผลของทิศทางการเคลื่อนที่ของเปลวไฟต่อค่า flammability limit : U. - จากล่างขึ้นบน H. - ในแนวราบ และ D. - จากบนลงล่าง (จากบทความเรื่อง "Limits for the propagation of flame in inflammable gas-air mixtures. Part I. Mixtures of air and one gas at the ordinary temperature and pressure" โดย Albert Breville White ในวารสาร J. Chem. Soc., Trans., ปีค.ศ. 1924 vol. no. 125, หน้า 2387-2396 จะเห็นว่าค่า lower limit เมื่อให้เปลวไฟวิ่งจากล่างขึ้นบนนั้นจะต่ำกว่าเมื่อให้เปลวไฟวิ่งในแนวนอนหรือจากบนลงล่าง  การทดลองนี้กระทำในท่อปลายปิดทั้งสองด้าน

ทิศทางการวิ่งของเปลวไฟนี้ก็ส่งผลต่อค่า upper limit ด้วย จากข้อมูลในรูปที่ ๑๕ จะเห็นว่าเมื่อให้เปลวไฟวิ่งจากบนลงล่างนั้น ค่าความเข้มข้นที่เป็น upper limit ก็ลดต่ำลงไปด้วย กล่าวคือทิศทางการเกิดปฏิกิริยาจะวิ่งจากบนลงล่าง แต่โดยธรรมชาติของแก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้มันจะลอยขึ้นบน มันเป็นสิ่งที่ขัดแย้งกัน ส่วนค่า flammability limit กรณีของเปลวไฟที่วิ่งในแนวราบนั้นจะอยู่ระหว่างการวิ่งขึ้นและวิ่งลง
 

ข้อมูลในรูปที่ ๑๕ ยังแสดงให้เห็นว่าขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อแก้วที่ใช้ในการทดลองนั้นส่งผลถึงค่าที่ได้ด้วย กล่าวคือการวัดในท่อแก้วที่มีขนาดเล็กจะได้ค่า lower limit และ upper limit ที่สูงกว่าการวัดในท่อแก้วที่มีขนาดใหญ่กว่า

หมายเหตุ : ความกว้างระหว่างช่วง lower limit และ upper limit เป็นตัวที่บอกว่าไอเชื้อเพลิงนั้นสามารถติดไฟได้ง่ายเพียงใดถ้ามีพลังงานมากระตุ้น ค่า lower limit ที่ต่ำแสดงให้เห็นว่าการมีสารดังกล่าวผสมอยู่ในอากาศ (หรือสารออกซิไดซ์ใด ๆ) ในปริมาณเล็กน้อย ส่วนผสมนั้นก็สามารถจุดระเบิดได้ ในทางตรงกันข้ามค่า upper limit ที่สูงแสดงให้เห็นว่า การมีอากาศ (หรือสารออกซิไดซ์ใด ๆ) ในปริมาณที่ไม่มากผสมอยู่กับไอระเหยของเชื้อเพลิงชนิดนั้น ก็สามารถทำให้ไอเชื้อเพลิงนั้นพร้อมต่อการจุดระเบิด สารใดก็ตามที่มีค่า upper limit เท่ากับ 100% แสดงว่าสารนั้นสามารถสลายตัวได้เองเมื่อมีแหล่งพลังงานมากระตุ้นโดยไม่ต้องพึ่งการทำปฏิกิริยากับสารออกซิไดซ์ ตัวอย่างของสารประเภทนี้ได้แก่ อะเซทิลีน (acetylene - C₂H₂) และเอทิลีนออกไซด์ (ethylene oxide - C₂H₄O) สารประเภทหลังนี้เป็นพวกที่มีค่า enthalpy of formation เป็นบวกสูงมาก

บทความที่ยกมาเป็นตัวอย่างในวันนี้ไม่ใช่บทความใหม่ แต่เป็นบทความที่ตีพิมพ์เอาไว้เมื่อกว่า ๙๐ ปีที่แล้ว ที่เอามาให้ดูก็เพื่อให้เห็นว่าเรื่องนี้ไม่ใช่เรื่องใหม่ แต่เป็นเรื่องที่ได้รับการสนใจและศึกษากันมานานแล้ว แต่มันอาจนานจนกระทั่งคนรุ่นหลังไม่รู้ว่าตัวเลขที่เอามาใช้งานกันนั้นมันมีเงื่อนไขในการใช้งานอย่างไรบ้าง

อันที่จริงเรื่องนี้มันมีเรื่องของวัสดุที่ใช้ทำอุปกรณ์เข้ามาเกี่ยวข้องด้วย แต่วันนี้ขอจบเพียงแค่นี้ ตอนต่อไปจะเป็นเรื่องของรูปทรง ขนาด และวัสดุที่ใช้ทำอุปกรณ์ทดสอบ

ปัจจัยที่ส่งผลต่อค่า flammability limit (๑) MO Memoir : Friday 28 July 2560

เนื้อหาใน Memoir ฉบับนี้เป็นเรื่องต่อเนื่องจาก Memoir ปีที่ ๙ ฉบับที่ ๑๓๖๙ วันศุกร์ที่ ๒๘ เมษายน ๒๕๖๐ เรื่อง "ผลของคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ต่อค่า flammability limits" โดยรูปต่าง ๆ ในฉบับนี้นำมาจากเอกสารที่มีชื่อเรื่องว่า "Flammability characteristics of combustible gases and vapors" โดย Michael G. Zabetakis, U.S. Bureau of Mines, Bulletin 627 ที่ค้นได้ทางอินเทอร์เน็ต เผยแพร่ในปีค.ศ. ๑๙๖๕

รูปที่ ๑ ค่า Flammability limits ของอีเทน + อากาศ + (N₂ หรือ CO₂) ที่ 25ºC ความดันบรรยากาศ

ใน Memoir ฉบับที่ ๑๓๖๙ นั้นได้กล่าวถึงผลของค่าความจุความร้อนของแก๊สเฉื่อยที่ทำให้ช่วง flammability limit ของเชื้อเพลิงนั้นแคบลง และได้นำเอากราฟของสารบางสารมาให้ดูกัน มาคราวนี้บังเอิญไปพบกราฟของสารตัวอื่น ก็เลยขอนำมาเผยแพร่เพิ่มเติม (รูปกราฟจากเอกสารต้นฉบับมีบางกราฟมีความผิดพลาด ที่จะได้กล่าวถึงในรูปนั้น)
 

ในรูปกราฟแต่ละรูปนั้น ค่า flammability limit หรือ explosive limit ของแต่ละสารในอากาศนั้นคือค่าที่ตำแหน่งแกน x เป็นศูนย์ รูปที่ ๑-๕ แสดงผลของแก๊สเฉื่อยที่มีการเพิ่มเติมเข้าไป (นอกเหนือไปจากไนโตรเจนที่มีอยู่ในอากาศแต่แรก) ที่มีต่อช่วง flammability limit โดยรูปที่ ๑-๓ เป็นกรณีของ อีเทน โพรเพน และบิวเทน เมื่อมีการเพิ่มไนโตรเจน (นอกเหนือไปจากที่มีอยู่ในอากาศ) หรือคาร์บอนไดออกไซด์เข้าไป รูปที่ ๔ และรูปที่ ๕ เป็นกรณีของมีเทนและนอร์มัลเพนเทน ที่มีการผสมแก๊สเฉื่อยหลากหลายชนิด
 

สิ่งหนึ่งที่น่าสนใจคือผลของ CO₂ ที่มีต่อช่วง flammability limit ของมีเทนในรูปที่ ๔ โดยเฉพาะตรงส่วนผสมที่มี CO₂ 18% เพราะแก๊ส CNG เติมรถยนต์ที่ขายในบ้านเรานั้นมี CO₂ ผสมอยู่ 18%

รูปที่ ๒ ค่า Flammability limits ของโพรเพน + อากาศ + (N₂ หรือ CO₂) ที่ 25ºC ความดันบรรยากาศ
  

การทำงานของเครื่องยนต์เบนซิน (หรือดีเซล) นั้น เราใช้เชื้อเพลิงเผาไหม้ให้เกิดความร้อนและแก๊สร้อนที่ขยายไปดันลูกสูบ เชื้อเพลิงที่มีพลังงานความร้อนในตัวสูงกว่าก็จะใช้ปริมาณน้อยกว่าเชื้อเพลิงที่มีพลังงานความร้อนในตัวต่ำกว่า (พูดง่าย ๆ คือในกรณีของเชื้อเพลิงเหลว เทียบกันลิตรต่อลิตร เชื้อเพลิงที่มีค่าความร้อนสูงกว่าจะวิ่งได้กิโลเมตรต่อลิตรที่มากกว่า) เนื่องจาก CO₂ นั้นมีค่าความจุความร้อนที่สูงกว่าไนโตรเจน ดังนั้นถ้าเรามีส่วนผสมแก๊สสองส่วนผสมที่มีอัตราส่วนผสมระหว่างมีเทนและออกซิเจนเท่ากัน โดยส่วนผสมแรกนั้นแก๊สส่วนที่เหลือคือไนโตรเจน ส่วนส่วนผสมที่สองนั้นแก๊สส่วนที่เหลือคือไนโตรเจนและ CO₂ เมื่อทำการเผาไหม้แก๊สทั้งสองชนิดในปริมาณที่เท่ากัน (คิดเทียบเท่าปริมาณมีเทนที่เผาไหม้เท่ากัน) แก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงที่มีส่วนผสม CO₂ สูงจะมีอุณหภูมิที่ต่ำกว่า ทำให้มีการขยายตัวของแก๊สน้อยกว่า หรือถ้าคิดเทียบระยะทางที่รถวิ่งได้ต่อปริมาณมีเทนที่เผาไหม้ แก๊สผสมที่มี CO₂ ผสมอยู่จะให้ระยะทางที่รถวิ่งได้ต่อปริมาณมีเทนที่เผาไหม้นั้นต่ำกว่าแก๊สผสมที่ไม่มี CO₂ ผสมอยู่

รูปที่ ๓ ค่า Flammability limits ของบิวเทน + อากาศ + (N₂ หรือ CO₂) ที่ 25ºC ความดันบรรยากาศ

รูปที่ ๔ ค่า Flammability limits ของมีเทน + อากาศ + แก๊สเฉื่อยชนิดต่าง ๆ ที่ 25ºC ความดันบรรยากาศ

CNG เติมรถยนต์ที่ขายกันอยู่ทั่วไปในบ้านเรานั้นมี CO₂ ผสมอยู่ 18% รถยนต์ที่ใช้ CNG เป็นเชื้อเพลิงจึงมีปัญหาตรงที่ถ้าหากไปลดปริมาณ CO₂ ลงเพื่อให้รถวิ่งได้ระยะทางเพิ่มมากขึ้นต่อปริมาณแก๊สที่เติม ระบบฉีดจ่ายเชื้อเพลิงจะต้องสามารถลดปริมาณแก๊สที่ฉีดเพื่อเป็นการชดเชยค่าพลังงานความร้อนของเชื้อเพลิงที่สูงขึ้น เพราะถ้าไม่ทำเช่นนี้จะเกิดปัญหาเครื่องยนต์ร้อนจัดจนอาจเกิดความเสียหายได้ ในทางกลับกันเครื่องยนต์ที่ออกแบบมาสำหรับใช้ CNG ที่ไม่มี CO₂ ผสมนั้น ถ้านำเอา CNG ที่มี CO₂ ผสมอยู่ 18% มาใช้โดยไม่มีการฉีดเชื้อเพลิงเพิ่มเพื่อชดเชยค่าพลังงานความร้อนที่ลดลงของเชื้อเพลิง ก็จะทำให้เครื่องยนต์มีกำลังตกลง ปัญหาของรถยนต์ที่ใช้ CNG เป็นเชื้อเพลิงดูเหมือนว่าจะอยู่ตรงที่ระบบจ่ายเชื้อเพลิงนั้นไม่สามารถปรับเปลี่ยนปริมาณการฉีดให้เหมาะสมกับปริมาณ CO₂ ที่มีอยู่ในเชื้อเพลิงได้ ทำให้เมื่อมีแผนการณ์ที่จะนำเอา CNG ที่มี CO₂ ผสมอยู่น้อยมาชาย จึงต้องแยกขายให้กับกลุ่มที่มีความต้องการเฉพาะ
 

ก๊าชธรรมชาติสำหรับยานยนต์นี้ ชื่อเรียกภาษาอังกฤษและชื่อย่อตามมาตรฐานสากลและตามกฎหมายไทยคือ Compressed Natural Gas หรือ CNG ตัวย่อว่า NGV นั้นตามมาตรฐานสากลหมายถึงรถที่ใช้ CNG เป็นเชื้อเพลิงหรือNatural Gas Vehicle (บริษัทหนึ่งในบ้านเราเอาคำย่อ NGV นี้มาแปลความหมายผิดคือแปลเป็น Natural Gas for Vehicle) ดังนั้นถ้าจะคุยกับคนต่างชาติโดยต้องการสื่อความหมายไปที่ตัวเชื้อเพลิง ก็ต้องใช้คำว่าย่อว่า CNG ห้ามใช้คำว่า NGV เพราะมันเป็นคนละเรื่องกัน

รูปที่ ๕ ค่า Flammability limits ของนอร์มัลเพนเทน + อากาศ + แก๊สเฉื่อยชนิดต่าง ๆ ที่ 25ºC ความดันบรรยากาศ
 

ประกาศกรมธุรกิจพลังงาน เรื่อง กำหนดลักษณะและคุณภาพของก๊าซธรรมชาติสำหรับยานยนต์ พ.ศ. ๒๕๕๖ ได้แยกก๊าซธรรมชาติสำหรับยานยนต์ออกเป็นสองชนิด ชนิดแรกนั้นคือชนิดที่มีขายมาแต่ดั้งเดิมที่มี CO₂ ผสมอยู่ 18% ส่วนชนิดที่สองที่ตั้งขึ้นมาใหม่นั้นมี CO₂ ผสมอยู่เพียง 10% (ประกาศปีพ.ศ. ๒๕๕๒ มีเฉพาะชนิดมี CO₂ 18%) เครื่องยนต์รถที่ตั้งเครื่องมาเพื่อใช้กับแก๊สชนิดแรกนั้น ถ้าเปลี่ยนไปใช้แก๊สชนิดที่สองก็มีสิทธิเครื่องพังได้เนื่องจากร้อนจัด (เว้นแต่ว่าจะไปทำการปรับแต่งปริมาณการฉีดเชื้อเพลิงให้ลดต่ำลง) ส่วนเครื่องยนต์รถที่ตั้งมาเพื่อใช้กับแก๊สชนิดที่สองนั้น ถ้าเปลี่ยนไปใช้แก๊สชนิดแรกก็จะมีปัญหาเครื่องยนต์กำลังตก ปัญหานี้เคยเกิดทางภาคอีสานราว ๆ ปี ๒๕๕๐ - ๒๕๕๓ เห็นจะได้ ที่ตอนแรกนั้น CNG ที่ขายอยู่ทางภาคอีสานมี CO₂ น้อยกว่าที่อื่น รถที่ปรกติใช้งานอยู่ในกรุงเทพพอไปเติม CNG ทางภาคอีสานเกิดปัญหาเครื่องยนต์ร้อนจัด ส่วนรถที่ปรกติใช้งานอยู่ทางภาคอีสาน พอมาเติมเชื้อเพลิงแถวกรุงเทพก็เกิดปัญหาเครื่องยนต์กำลังตก ทางผู้จำหน่ายเลยแก้ปัญหาด้วยการเพิ่มปริมาณ CO₂ ให้กับแก๊สที่จำหน่ายทางภาคอีสาน (แต่ไม่ได้ลดราคาให้นะ)

รูปที่ ๖ ค่า flammability limit ของนอร์มัลเฮปเทนเมื่อมีไอน้ำผสม กราฟนี้แสดงผลของอุณหภูมิ จะเห็นว่าอุณหภูมิที่เพิ่มสูงขึ้นทำให้ช่วง flammability limit กว้างขึ้น
 

รูปที่ ๖ เป็นตัวอย่างผลของอุณหภูมิที่มีต่อค่า flammability limit ของนอร์มัลเฮปเทน รูปนี้แสดงให้เห็นว่าเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ช่วงความกว้างของค่า flammability limit ก็จะเพิ่มขึ้นด้วย (ที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศ อุณหภูมิ autoignition temperature ของเฮปเทนอยู่ที่ 200ºC ต้น ๆ เท่านั้น ดังนั้นไม่ต้องแปลกใจว่าทำไปเขาจึงทำการทดลองได้เพียงแค่อุณหภูมิ 200ºC)
 

รูปที่ ๗-๑๑ แสดงผลของความดันต่อค่า flammability limit ของ มีเทน อีเทน และโพรเพน ในระบบ เชื้อเพลิง-ไนโตรเจน-อากาศ หรือ เชื้อเพลิง-คาร์บอนไดออกไซด์-อากาศ ซึ่งจะเห็นว่าที่ความดันสูงขึ้น ช่วงความกว้างของค่า flammability limit ก็จะเพิ่มขึ้นด้วยทำนองเดียวกับกรณีของอุณหภูมิ

รูปที่ ๗ ผลต่อความดันที่มีต่อค่า flammability limit ของแก๊สมีเทน-ไนโตรเจน-อากาศ

ค่า flammability limit ที่มีเผยแพร่กันทั่วไปนั้นมักจะเป็นค่าที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศ แต่ก็มีหลายกระบวนการผลิตในงานวิศวกรรมเคมีที่ทำการผสมเชื้อเพลิง (สารอินทรีย์ที่เป็นสารตั้งต้นเช่นไฮโดรคาร์บอนต่าง ๆ) กับอากาศ และให้ทำปฏิกิริยากันที่อุณหภูมิสูงและความดันที่สูงกว่าความดันบรรยากาศ (พวกปฏิกิริยาการออกซิไดซ์แบบเลือกเกิด หรือที่เรียกเป็นภาษาอังกฤษว่า selective oxidation หรือ partial oxidation) และวิธีการพื้นฐานวิธีการแรกในการป้องกันอันตรายจากการระเบิดในขณะทำปฏิกิริยาคือการใช้ส่วนผสมที่อยู่นอกช่วง flammability limit
 

จากรูปที่ ๖-๑๑ จะเห็นว่าที่อุณหภูมิและความดันที่สูงขึ้น ความกว้างของช่วง flammbility limit จะเพิ่มมากขึ้น แต่ด้านที่เพิ่มมากจะเป็นด้านขอบเขตบน (upper limit หรือ upper explosive limit) คือค่าความเข้มข้นสูงสุดของเชื้อเพลิงที่ทำให้เกิดการเผาไหม้ได้เพิ่มขึ้นไปมาก ในขณะที่ด้านขอบเขตล่าง (lower limit หรือ lower explosive limit) จะได้รับผลกระทบน้อยกว่าหรือแทบไม่ได้รับผลกระทบ คือค่าความเข้มข้นต่ำสุดที่ทำให้เกิดการเผาไหมได้แทบจะไม่ได้ลดต่ำลงไปอีก

รูปที่ ๘ ผลต่อความดันที่มีต่อค่า flammability limit ของแก๊สอีเทน-ไนโตรเจน-อากาศ กราฟรูปนี้เอกสารต้นฉบับที่นำบทความเดิมในปี ๑๙๖๕ มาทำใหม่นั้น ไม่ได้ใส่ตัวเลขสเกลทั้งแกน x และ y ให้ แต่เมื่อเทียบรูปในบทความต้นฉบับปี ๑๙๖๕ แต่ละขีดของแกน x และแกน y จะอยู่ห่างกัน 8 หน่วย

แต่ทั้งนี้ไม่ได้หมายความว่าการทำปฏิกิริยาโดยที่ส่วนผสมนั้นอยู่ในช่วง flammability limit จะทำไม่ได้นะ ในปฏิกิริยา gas phase partial oxidation ของหลายกระบวนการใช้การทำปฏิกิริยาโดยที่ส่วนผสมสารตั้งต้นอยู่ในช่วง flammability limit แต่ก็ยังสามารถเดินเครื่องได้อย่างปลอดภัย เพราะมันมีเรื่องของ autoignition temperature หรืออุณหภูมิลุกติดไฟได้เองเข้ามาเกี่ยวข้องอีก 
  

คือการทำปฏิกิริยาในเครื่องปฏิกรณ์มันไม่มีเปลวไฟหรือประกายไฟอยู่แล้ว สิ่งเดียวที่สามารถทำให้ส่วนผสมเกิดการระเบิดได้คือความร้อนที่คายออกมาจากการเกิดปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่นในระหว่างการเกิดปฏิกิริยา gas phase partial oxidation (ที่เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน) นั้นสารตั้งต้นจะมีความเข้มข้นลดต่ำลงในขณะที่ปฏิกิริยากำลังเดินไปข้างหน้า แต่อุณหภูมิของระบบจะเพิ่มสูงขึ้น ถ้าสามารถมั่นใจได้ว่าสามารถออกแบบระบบการทำปฏิกิริยาที่ความเข้มข้นของสารตั้งต้นจะลดต่ำลงจนอยู่นอกช่วง flammability limit ก่อนที่อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาจะขึ้นสูงถึง autoignition temperature ได้ ก็สามารถทำปฏิกิริยาได้อย่างปลอดภัย
 

เรื่อง flammability limit นี้ยังไม่จบนะ ยังมีต่ออีกตอนหนึ่ง จากนั้นก็จะไปยังเรื่อง autoignition temperature ก่อน แล้วค่อยไปคุยกันเรื่องเหตุการณ์ที่เกิดเมื่อเย็นวันอังคารที่ ๒๕ ที่ผ่านมา

รูปที่ ๙ ผลต่อความดันที่มีต่อค่า flammability limit ของแก๊สอีเทน-คาร์บอนไดออกไซด์-อากาศ รูปนี้บทความที่จัดทำใหม่มีที่ผิดนิดนึงตรงการคำนวณ %air ที่ต้องเป็น %CO₂ ไม่ใช่ %N₂ แต่ในบทความต้นฉบับปี ๑๙๖๕ นั้นระบุไว้ถูกต้องแล้ว

รูปที่ ๑๐ ผลของความดันที่มีต่อค่า flammability limit ของแก๊สโพรเพน-ไนโตรเจน-อากาศ รูปนี้เอกสารที่จัดทำขึ้นใหม่มีที่ผิดนิดนึงตรงลูกศรชี้เส้นความดันบรรยากาศที่ชี้ผิดเส้น รูปนี้ต้นฉบับปี ๑๙๖๕ ก็ผิดที่นี่เช่นกัน

หมายเหตุ : บทความที่เป็นต้นเรื่องของเนื้อหา Memoir ฉบับนี้สามารถดาวน์โหลดได้ฟรีทางอินเทอร์เน็ตด้วยการใช้ใส่ชื่อบทความ "Flammability characteristics of combustible gases and vapors" ลงไปในช่องคำค้นหา จะปรากฏลิงค์เชื่อมโยงไปทั้งบทความต้นฉบับที่พิมพ์เผยแพร่ในปี ค.ศ. ๑๙๖๕ และบทความที่มีการจัดทำขึ้นใหม่ราว ๆ ปีค.ศ. ๑๙๙๙ (ที่ยังเป็นรายงานฉบับร่าง) บทความที่จัดทำขึ้นใหม่ในปีค.ศ. ๑๙๙๙ นี้มีการวาดรูปใหม่ให้ชัดเจนกว่าบทความปี ๑๙๖๕ และรูปที่นำมาลงใน Memoir นี้ก็นำมาจากบทความฉบับหลังนี้ (เพราะรูปมันชัดเจนกว่า) แต่รูปที่วาดขึ้นใหม่ในบทความฉบับหลังนี้มีผิดอยู่บางรูป (รูปที่ ๘ และ ๙ ในที่นี้) เมื่อเทียบกับบทความต้นฉบับปี ค.ศ. ๑๙๖๕

รูปที่ ๑๑ ผลของความดันที่มีต่อค่า flammability limit ของแก๊สโพรเพน-คาร์บอนไดออกไซด์-อากาศ