ว่าด้วยการออกแบบระบบ Scrubber (เก็บตกฝึกงานฤดูฝน ๒๕๖๓) MO Memoir : Thursday 9 July 2563

เรื่องนี้เริ่มจากคำถามที่ได้รับมาจากนิสิตฝึกงาน (ช่วงนี้ปิดเทอมใหญ่ในฤดูฝน ดังนั้นการฝึกงานก็ต้องเป็นภาคฤดูฝน) โดยนิสิตที่ไม่เคยมีประสบการณ์ได้เห็นของจริง ต้องมาฝึกงานแบบ work from home แบบไม่มีโอกาสได้เห็นของจริง แต่ได้รับมอบหมายงานออกแบบกระบวนการ โดยที่แทบไม่มีข้อมูลอะไรเลย เว้นแต่ว่าเมื่อออกแบบไปแล้ว แล้วได้รับคำตอบกลับมาว่าให้ใช้วิธีอื่น

 

ปัญหาของเขาคือทางโรงงานมีไฮโดรคาร์บอนเบา (Light hydrocarbon) ที่เป็นของเหลวภายใต้ความดัน (แปลว่ามันมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิจุดเดือดที่ความดันบรรยากาศ แต่ใช้ความดันช่วยเอาไว้จึงทำให้มันเป็นของเหลว) ที่ออกมากระบวนการผลิต ไฮโดรคาร์บอนเบานี้มีสารปนเปื้อนอยู่ที่ระดับความเข้มข้นต่ำ แต่จำเป็นต้องกำจัดออกก่อนนำกลับไปใช้ใหม่ การกำจัดนั้นจะใช้การทำปฏิกิริยากับสารอีกตัวหนึ่ง (Reactant) แต่ด้วยการที่สารปนเปื้อนนั้นมีความเข้มข้นต่ำ จึงใช้การละลาย Reactant เข้าไปใน Heavy oil (ในที่นี้คือไฮโดรคาร์บอนที่มีจุดเดือดแตกต่างจาก Light hydrocarbon มาก) แล้วจึงให้ Light hydrocarbon นั้นสัมผัสกับ Heavy oil ที่มี Reactant ผสมอยู่

รูปที่ ๑ แผนผังคร่าว ๆ ของระบบ scrubber ที่ใช้ในการออกแบบเบื้องต้น

เนื่องจากสารทั้งคู่เป็นไฮโดรคาร์บอน ดังนั้นถ้าให้สัมผัสกันในเฟสของเหลว-ของเหลว มันก็จะละลายเข้าด้วยกัน ก่อให้เกิดปัญหาการแยก Light hydrocarbon ออกจาก Heavy oil อีก ดังนั้นทางเลือกหนึ่งที่ทำได้ก็คือการเปลี่ยน Light hydrocarbon นั้นให้กลายเป็นแก๊สก่อน แล้วจึงค่อยสัมผัสกับ Heavy oil ที่เป็นของเหลวในรูปแบบ scrubber ดังแสดงในรูปที่ ๑ ที่แก๊สไหลจากล่างขึ้นบนในขณะที่ของเหลวไหลจากบนลงล่าง ถ้าอุณหภูมิการสัมผัสนั้นต่ำกว่าอุณหภูมิจุดเดือดของ Light hydrocarbon ณ ความดันที่ทำการสัมผัสอยู่มาก ก็อาจถือได้ว่าปริมาณ Light hydrocarbon ที่ละลายเข้าไปใน Heavy oil นั้นต่ำมากหรือเป็นศูนย์ได้ ตัว Heavy oil ที่ออกจาก scrubber จะถูกนำกลับไปใช้งานใหม่

  

เมื่อพิจารณาปฏิกิริยาระหว่างสารปนเปื้อนกัน Reactant แล้วคาดว่าน่าจะเกิดผลิตภัณฑ์สองตัว ตัวแรกนั้นเป็นไฮโดรคาร์บอนเบาที่มีอยู่แล้วใน Light hydrocarbon ที่ป้อนเข้ามา แต่ตัวที่สองนั้นเนื่องจากเป็นสารประกอบโลหะ (ที่ไม่ได้อยู่ในรูป organometallic compound) จึงคาดว่าน่าจะเป็นของแข็ง แต่ด้วยการที่มันมีความเข้มข้นที่ต่ำ และด้วยอัตราการไหลของ Heavy oil ที่สูง (เมื่อเทียบกับปริมาณของแข็งที่มีโอกาสเกิด) จึงคาดว่าของแข็งที่เกิดขึ้นน่าจะถูก Heavy oil ชะล้างออกมาจาก packing ในตัว scrubber แต่จำเป็นต้องมีการดักเอาไว้ก่อนที่จะเอา Heavy oil นี้กลับไปใช้งานใหม่

  

การแยกของแข็งที่แขวนลอยอยู่ในของเหลวทำได้หลายวิธี การกรองก็เป็นวิธีการหนึ่งที่เหมาะกับกรณีที่ของแข็งและของเหลวนั้นความหนาแน่นต่างกันไม่มาก (เช่นผงพอลิเมอร์ในไฮโดรคาร์บอน) แต่ต้องคอยทำความสะอาดไส้กรองเวลาที่มันอุดตัน ในกรณีที่ของแข็งนั้นมีความหนาแน่นสูงกว่าของเหลวมาก การใช้การตกตะกอนก็เป็นวิธีการหนึ่งในการแยกเอาของแข็งออก การตกตะกอนนี้ทำได้ในถังพักที่มีพื้นที่หน้าตัดการไหลที่ใหญ่เมื่อเทียบกับอัตราการไหลของของเหลวที่ป้อนเข้ามา (เพื่อลดความเร็วของเหลวให้ต่ำลง จะได้ลดการพัดพาตะกอนไปกับของเหลว) การตกตะกอนนี้ยังใช้ได้สำหรับการแยกของเหลวสองเฟสที่ไม่ละลายเข้าด้วยกัน (เช่นน้ำกับน้ำมัน) 

  

การใช้ cyclone หรือเครื่อง centrifuge ก็เป็นวิธีการที่สามารถนำมาใช้ในการแยกของแข็งออกจากของเหลวได้ แต่การใช้ cyclone นั้นของเหลวที่ไหลเข้า cyclone ต้องมีความเร็วที่สูง ในขณะที่การใช้เครื่อง centrifuge นั้นจะเป็นการเพิ่มเครื่องจักรกลที่มี moving part ที่ต้องการการดูแล และไม่เหมาะกับกรณีของของเหลวที่มีของแข็งความเข้มข้นต่ำปะปนอยู่ ดังนั้นในกรณีนี้ทางเลือกที่น่าจะเหมาะสมที่สุดน่าจะเป็นการใช้การตกตะกอนในถังตกตะกอน (Settling drum)

 

ส่วนที่ทำหน้าที่เป็นถังตกตะกอนนั้นอาจเป็น ส่วนล่างของตัว scubber, ถังแยกออกมาต่างหากเพื่อทำหน้าที่นี้ หรือตัวถังเก็บ Heavy oil ก่อนนำกลับไปใช้งานใหม่ ตรงนี้ก็แล้วแต่การออกแบบและข้อกำหนดเฉพาะของแต่ละกระบวนการ

  

ประเด็นถัดมาที่ต้องพิจารณาคือการทำให้ของเหลวภายใต้ความดันนั้นกลายเป็นแก๊สก่อนเข้าสู่ scrubber และกลับเป็นของเหลวใหม่อีกครั้งหลังออกจาก scrubber ซึ่งสองประเด็นนี้มันผูกพันกันอยู่

แนวทางแรกในการทำให้ของเหลวภายใต้ความดันกลายเป็นแก๊สก็คือการลดความดันของมันให้ต่ำลง ซึ่งอาจทำได้ด้วยการใช้วาล์วลดความดัน (Pressure reducing valve) หรือการใช้วาล์วควบคุม (control valve) ร่วมกับอุปกรณ์วัดคุม (รูปที่ ๑) การใช้วิธีการนี้ควรต้องพึงคำนึงเรื่อง Joule-Thompson effect เอาไว้ด้วย เพราะการขยายตัวผ่านวาล์วนั้นอาจทำให้อุณหภูมิลดต่ำลงจนอาจเกิดน้ำแข็งเกาะนอกตัววาล์ว หรือถ้าของเหลวนั้นมีน้ำปะปนอยู่ก็อาจเกิดน้ำแข็งในท่อได้

รูปที่ ๒ การเปลี่ยนของเหลวภายใต้ความดันให้กลายเป็นแก๊สอาจทำได้โดย (1) การใช้วาล์วลดความดัน (2) การใช้วาล์วควบคุมร่วมกับอุปกรณ์วัดและควบคุมความดัน หรือ (3) การใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนต้มของเหลวนั้นให้เดือดโดยไม่จำเป็นต้องลดความดัน

  

การลดความดันมันก็มีข้อดีหลายประการ เช่น ตัว scrubber และอุปกรณ์อื่นที่ประกอบอยู่ (เช่น settling drum หรือ heavy oil tank) ไม่จำเป็นต้องทนความดันสูงตามไปด้วย การทำงานที่อุณหภูมิต่ำยังลดโอกาสที่ Heavy oil จะระเหยกลายเป็นไอติดไปกับไฮโดรคาร์บอนเบาที่ออกไปจาก scrubber และการทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่าจุดเดือดของไฮโดรคาร์บอนเบาก็ลดโอกาสที่ไฮโดรคาร์บอนเบาจะละลายเข้าไปใน Heavy oil แต่ก็มีข้อเสียก็คือต้องไปใช้พลังงานมากขึ้นในส่วนของการทำให้ไอไฮโดรคาร์บอนเบานั้นกลับกลายเป็นของเหลวความดันสูงอีกครั้ง

  

อีกวิธีการหนึ่งสำหรับทำให้ไฮโดรคาร์บอนเบากลายเป็นแก๊สก็คือการต้มให้ไฮโดรคาร์บอนเบาที่เป็นของเหลวนั้นให้เดือดกลายเป็นไอ ณ ความดันนั้นเลยโดยไม่จำเป็นต้องลดความดัน วิธีการนี้จะมีข้อเสียตรงที่อาจมีไอระเหยของ Heavy oil ติดไปกับไฮโดรคาร์บอนเบามากขึ้นเพราะอุณหภูมิการทำงานสูงขึ้น และอุณหภูมิของ Heavy oil นั้นไม่ควรต่ำกว่าอุณหภูมิจุดเดือดของไฮโดรคาร์บอนเบา ไม่เช่นนั้นไอของไฮโดรคาร์บอนเบาจะควบแน่นเมื่อสัมผัสกับ Heavy oil ที่เย็นกว่าและละลายผสมไปกับ Heavy oil ตัว scrubber และอุปกรณ์อื่นที่ประกอบอยู่จำเป็นต้องรับความดันการทำงานที่สูงขึ้นได้ ต้องมีแหล่งให้พลังงานความร้อนเพื่อต้มไฮโดรคาร์บอนเบาที่เป็นของเหลวให้เดือด แต่ก็มีข้อดีคือไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานมากในการทำให้ไอไฮโดรคาร์บอนเบาให้กลายเป็นของเหลวความดันสูงอีกครั้ง เพราะเป็นการปั๊มของเหลวความดันต่ำให้เป็นความดันสูงซึ่งใช้พลังงานน้อยกว่า

รูปที่ ๓ ตัวอย่างแนวทางการเปลี่ยนไอไฮโดรคาร์บอนเบาให้กลายเป็นของเหลวความดันสูง (A) จะเป็นกรณีของการใช้การลดความดันเพื่อเปลี่ยนไฮโดรคาร์บอนเบาให้กลายเป็นแก๊สก่อนเข้า scrubber ส่วน (B) เป็นกรณีของการใช้การต้ม

การเปลี่ยนไฮโดรคาร์บอนเบาที่ออกจาก scrubber ให้กลายเป็นของเหลวความดันสูงอีกขึ้นอยู่กับวิธีการเปลี่ยนไฮโดรคาร์บอนเบาที่เป็นของเหลวภายใต้ความดันให้กลายเป็นแก๊สก่อนเข้า scrubber ในกรณีที่เลือกใช้การลดความดันก็จำเป็นต้องใช้ compressor ในการเพิ่มความดัน ถ้าเลือกใช้วิธีการนี้ก็คงต้องมีการพิจารณาว่าจำเป็นต้องติดตั้ง Knock out drum เอาไว้ดักละอองของเหลวก่อนเข้า compressor หรือไม่ หรืออาจพิจารณาการติดตั้ง mist eliminator ไว้ที่ด้านบนของ scrubber ด้วยก็ได้

(mist eliminator มีลักษณะเป็นวัสดุพรุนมีช่องทางการไหลที่คดเคี้ยวที่แก๊สไหลผ่านได้ แต่หยดของเหลวที่ติดมากับแก๊สจะพุ่งเข้าชนตัว mist eliminator รวมตัวกันเป็นหยดของเหลวที่ใหญ่ขึ้นและไหลตกกลับลงมา ส่วน knock out drum ทำงานด้วยการเพิ่มพื้นที่หน้าตัดการไหล ความเร็วแก๊สจะลดลง ของเหลวก็จะตกลงล่างไม่ไหลตามแก๊ส

  

ไฮโดรคาร์บอนเบาความดันต่ำที่ออกจาก scrubber จะถูกอัดให้มีความดันสูงขึ้น (โดยมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นตามไปด้วย) จากนั้นจึงค่อยผ่านเข้าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อควบแน่นให้กลายเป็นของเหลวก่อนใช้ปั๊มส่งกลับคืนเข้าระบบ ดังแสดงในรูปที่ ๓ (A) 

   

แต่ถ้าเป็นการใช้การต้มให้เดือดก็ใช้เพียงแค่เครื่องควบแน่นติดดักเอาไว้ที่ท่อทางออกจาก scrubber ก่อนใช้ปั๊มสูบของเหลวส่งกลับคืนระบบ ดังแสดงในรูปที่ ๓ (B) การควบแน่นที่เครื่องควบแน่นจะทำให้เกิดสุญญากาศที่เครื่องควบแน่น ทำให้แก๊สไหลผ่าน scrubber ได้อย่างต่อเนื่อง นอกจากนี้การออกแบบปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump) ที่สูบของเหลวที่อุณหภูมิจุดเดือดหรือใกล้จุดเดือดนี้ต้องคำนึงเรื่อง Net Positive Suction Head (NPSH) เอาไว้ด้วย ไม่เช่นนั้นมันอาจเกิด cavitation ที่ตัวปั๊มได้

  

ตรงจุดนี้อาจมีคนสงสัยว่าในกรณีที่ใช้การลดความดันเพื่อเปลี่ยนไฮโดรคาร์บอนเบาให้เป็นแก๊สนั้น จะสามารถใช้การลดอุณหภูมิแก๊สไฮโดรคาร์บอนเบาที่ออกจาก scrubber ให้กลายเป็นของเหลวได้หรือไม่ จากนั้นจึงใช้ปั๊มเพิ่มความดันของของเหลวที่ควบแน่น จะได้ไม่ต้องใช้ compressor คำตอบของคำถามนี้ก็คือ "ได้" แต่นั่นอาจหมายถึงการต้องมีระบบทำความเย็นที่ทำอุณหภูมิได้ต่ำกว่าอุณหภูมิของน้ำหล่อเย็นหรืออากาศ จะเรียกว่าประหยัดที่หนึ่งแต่ไปเพิ่มภาระอีกที่หนึ่งแทนก็ได้ (เหมือนรถไฟฟ้า ที่บอกว่าไม่ผลิตมลภาวะเพราะไม่ปล่อยมลพิษในขณะที่รถวิ่ง แต่มันผลักภาระไปที่โรงไฟฟ้าแทนที่ต้องผลิตไฟฟ้ามากขึ้นเพื่อป้อนให้กับรถไฟฟ้า)

  

อันที่จริงสารที่เป็นสารปนเปื้อนนี้สามารถทำลายได้ด้วยการทำปฏิกิริยากับน้ำ ซึ่งถ้าใช้วิธีการนี้ก็สามารถในการสัมผัสกันระหว่างเฟสของเหลว-ของเหลวได้ แต่ที่เขาไม่เลือกใช้น่าจะเป็นเพราะน้ำเป็น catalyst poison เพราะถ้าไฮโดรคาร์บอนเบาที่เวียนกลับไปใช้งานใหม่นี้มีน้ำปนอยู่แม้ว่าจะในระดับ ppm ก็ตาม มันก็สามารถไปทำลายตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในการสังเคราะห์สารได้

  

ในการสนทนากับนิสิตนั้นยังมีอีกประเด็นหนึ่งที่น่าสนใจก็คือ นิยามของคำว่า "รั่ว" ที่ตัววาล์ว ประเด็นของคำว่า "รั่ว" ตรงนี้ก็คือ เป็นการรั่วระหว่างด้านขาเข้ากับขาออกของวาล์ว อันเป็นผลจากการที่วาล์วปิดไม่สนิท หรือเป็นรั่วออกจากระบบท่อที่ตัววาล์ว อันเป็นผลจากการที่ตัววาล์วจำเป็นต้องมีรอยต่อเพื่อการประกอบชิ้นส่วนต่าง ๆ ซึ่งแค่ละคนอาจคิดไม่เหมือนกันอยู่ก็ได้

  

ส่วนคำตอบสุดท้ายจะเป็นอะไรนั้นผมเองไม่ทราบ เพราะทำเพียงแค่แนะนำให้นิสิตผู้ถามคำถามมานั้นได้เห็นภาพทางเลือกบางทางเลือกที่เป็นไปได้ และข้อดีข้อเสียของทางเลือกเหล่านั้น และยังต้องมีปัจจัยอื่นเข้ามาพิจารณาประกอบอีก เช่น พื้นที่สำหรับติดตั้งอุปกรณ์ ระบบสาธารณูปโภคที่มีอยู่ที่สามารถนำมาใช้ได้ ฯลฯ

Propylene reboiler rupture from overpressure 2556(2013) MO Memoir : Monday 22 April 2562

ICI Newsletter (ที่จัดทำโดย T.A. Kletz) No. 70 เดือนพฤศจิกายน ค.ศ. ๑๙๗๔ (พ.ศ. ๒๕๑๗) เรื่องที่ 70/1 กล่าวถึงการดัดแปลงระบบที่เดิมมีความปลอดภัยนั้น กลายเป็นระบบที่อาจเกิดปัญหาขึ้นได้ โดยได้ยกตัวอย่างกรณีการป้องกัน overpressure ให้กับ pressure vessel ให้ดูหลายกรณี กรณีที่ยกมาให้ดูในรูปที่ ๒ เป็นกรณี pressure vessel สองใบที่มีท่อเชื่อมต่อกัน โดยที่ท่อเชื่อมนั้นเดิมไม่มีการติดตั้งวาล์วเปิด-ปิด ดังนั้นในการออกแบบผู้ออกแบบจึงพิจารณา vessel ทั้งสองเป็นระบบเดียวกัน และเลือกติดตั้งวาล์วระบายความดันไว้ที่ vessel ตัวด้านขวา
 

ต่อมาระบบได้รับการดัดแปลงโดยมีการติดตั้งวาล์เปิด-ปิดที่ท่อเชื่อมระหว่าง vessel ทั้งสอง แต่ไม่ได้มีการพิจารณาผลกระทบที่จะเกิดขึ้นกับระบบป้องกันความเสียหายให้กับ vessel ผลที่เกิดขึ้นก็คือมีโอกาสที่ vessel ตัวด้านซ้ายจะไม่ได้รับการป้องกันจากความดันที่สูงเกินถ้าหากวาล์วที่อยู่ที่ท่อเชื่อมทั้งสองนั้นถูกปิดเอาไว้
 

ประเด็นนี้ถูกนำมาเผยแพร่ไว้ใน ICI Newsletter ฉบับเดือนพฤศจิกายน ค.ศ. ๑๙๗๔ (พ.ศ. ๒๕๑๗) แต่ก็เป็นเพียงเอกสารแจกจ่ายวนเวียนภายในบริษัท แต่ต่อมาถูกนำมาเผยแพร่ในหนังสือ What Went Wrong? ของ T.A. Kletz ที่จัดพิมพ์ครั้งแรกในปีค.ศ. ๑๙๘๕ (พ.ศ. ๒๕๒๘) (ตัวผมเองมีฉบับพิมพ์ครั้งที่ ๒ ปีค.ศ. ๑๙๘๘ (พ.ศ. ๒๕๓๑))

รูปที่ ๑ รูปนี้นำมาจาก ICI Newsletter No. 70 เดือนพฤศจิกายน ค.ศ. ๑๙๗๔ (พ.ศ. ๒๕๑๗) เรื่องที่ 70/1 เดิมนั้นท่อเชื่อมระหว่าง pressure vessel ทั้งสองไม่มีวาล์วปิดกั้น ผู้ออกแบบจึงได้ทำการติดตั้งวาล์วระบายความดันไว้ที่ pressure vessel เพียงตัวเดียว แต่ต่อมามีการดัดแปลงระบบโดยมีการติดตั้งวาล์วปิด-เปิดที่ท่อเชื่อมระหว่าง vessel ทั้งสอง ทำให้มีโอกาสที่ vessel ตัวซ้ายจะไม่ได้รับการป้องกันจาก overpressure ถ้าหากวาล์วที่ท่อเชื่อมนั้นถูกปิด
 

ในหนังสือและบทความที่เขียนโดย Prof. T.A. Kletz จะมีการกล่าวเอาไว้เสมอว่า "อุบัติเหตุมักจะเกิดซ้ำแบบเดิม ถ้าเราไม่เรียนรู้มัน" ดังเช่นกรณีที่นำมาเล่าให้ฟังในวันนี้ที่เกิดที่โรงงาน Williams Geismar Olefins Plantประเทศสหรัฐอเมริกาในวันพฤหัสบดีที่ ๑๓ มิถุนายน ปีค.ศ. ๒๐๑๓ (พ.ศ. ๒๕๕๖) ที่ propylene reboiler ตัวหนึ่งได้รับความดันสูงเกินจนแตกออก ก่อให้เกิดการรั่วไหลของแก๊สเชื้อเพลิง ตามด้วยการระเบิดและเพลิงไหม้ตามมา ทำให้มีผู้เสียชีวิต ๒ ราย โดยใน Memoir ฉบับนี้จะเป็นการสรุปเฉพาะประเด็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นซ้ำเดิม โดยอิงจากรายงานการสอบสวนฉบับเต็มและคลิปวิดิทัศน์ที่สามารถดาวน์โหลดและรับชมได้ที่ https://www.csb.gov/williams-olefins-plant-explosion-and-fire-/
 

แต่ก่อนที่จะเข้าเรื่องว่าเหตุการณ์เกิดได้อย่างไรนั้น ก็จะขอปูพื้นฐานเรื่องการผลิตโอเลฟินส์เอาไว้ก่อนสักเล็กน้อย เพื่อที่จะได้มองเห็นภาพการทำงานก่อนการเกิดเหตุ

รูปที่ ๒ แผนผังอย่างง่ายของระบบไหลหมุนเวียน quench water ของโรงงานที่เกิดเหตุ

ในการผลิตโอเลฟินส์นั้นต้องให้ความร้อนที่สูงแก่ไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลใหญ่ เพื่อที่จะทำให้มันแตกออกเป็นโมเลกุลเล็ก และโมเลกุลเล็กตัวหลักที่ต้องการคือเอทิลีน (ethylene H₂C=CH₂) และโพรพิลีน (propylene H₃C-CH=CH₂) แต่ในขณะเดียวกันที่อุณหภูมินั้นทั้งเอทิลีนและโพรพิลีนก็สามารถสลายตัวไปเป็นสารตัวอื่นที่ไม่ต้องการได้ (เช่นอะเซทิลีน มีเทน) ดังนั้นสิ่งสำคัญสิ่งหนึ่งในการออกแบบกระบวนการคือการหาทางหยุดปฏิกิริยา กล่าวคือเมื่อเกิดเอทิลีนกับโพรพิลีนแล้วก็ต้องหยุดการสลายตัวของสารทั้งสอง และสิ่งที่ทำกันก็คือการหาทางลดอุณหภูมิของแก๊สร้อนนั้นให้เย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว โดยเริ่มจากการดึงเอาความร้อนออกไปผลิตไอน้ำความดันสูง การแลกเปลี่ยนความร้อนกับสายที่ต้องการเพิ่มอุณหภูมิ ก่อนจะเข้าสู่ขั้นตอนสุดท้ายที่ให้แก๊สร้อน (ที่เย็นตัวลงเยอะแล้ว) สัมผัสกับน้ำหล่อเย็นโดยตรงในหอที่เรียกว่า quench tower ที่แก๊สจะเข้าทางด้านล่างไหลขึ้นบน สวนทางกับน้ำที่ไหลลงมา น้ำที่ใช้ที่หอนี้เรียกว่า quench water (ดูรูปที่ ๒ ประกอบ)
 

เมื่อแก๊สร้อนสัมผัสกับ quench tower องค์ประกอบส่วนที่ควบแน่นได้ (ทั้งไอน้ำและไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลใหญ่ทั้งที่ยังไม่ได้ทำปฏิกิริยาและที่เกิดขึ้นจากการรวมตัวกันของโมเลกุลเล็ก) ก็จะกลายเป็นของเหลวไหลรวมออกทางก้นหอ ไหลลงสู่ quench water settler drum ที่ settler drum นี้น้ำกับน้ำมันจะมีการแยกชั้นกันโดยชั้นไฮโดรคาร์บอนจะลอยอยู่ทางด้านบนและชั้นน้ำร้อนจะอยู่ทางด้านล่าง ชั้นไฮโดรคาร์บอนจะถูกแยกออกไปเข้าสู่กระบวนการที่เหมาะสม ส่วนชั้นน้ำร้อนนั้นจะนำไปเข้าสู่กระบวนการดึงเอาความร้อนไปใช้และระบายทิ้งให้เย็นตัวลง ก่อนจะนำหมุนเวียนกลับไปใช้เป็นที่หอ quench tower ใหม่

รูปที่ ๓ ระบบหอกลั่นแยก โพรพิลีน/โพรเพน ก่อนเกิดเหตุการณ์ระเบิด เดิมนั้น reboiler ทั้งสองจะทำงานร่วมกัน และไม่มีการติดตั้งวาล์วเปิด-ปิดที่ท่อไหลเข้าออก (ทั้งด้าน shell และ tube) ดังนั้น reboiler ทั้งสองได้รับการออกแบบให้ได้รับการป้องกันความเสียหายจาก overpressure ด้วยวาล์วระบายความดันที่ติดตั้งไว้ที่ยอดหอกลั่น แต่ต่อมาในปีค.ศ. ๒๐๐๑ (พ.ศ. ๒๕๔๔) มีการดัดแปลงระบบเพื่อให้หอกลั่นสามารถทำงานได้ด้วย reboiler เพียงตัวเดียว โดยอีกตัวหนึ่งทำหน้าที่ standby เผื่อไว้ในกรณีที่ต้องมีการหยุดเดินเครื่อง reboiler เพื่อทำความสะอาด ในการดัดแปลงนี้จึงมีการติดตั้งวาล์วเปิด-ปิดที่ท่อไหลเข้าออก (ทั้งด้าน shell และ tube) ทำให้ reboiler ตัวที่ไม่ได้ทำงานนั้นไม่ได้รับการป้องกันจาก overpressure
 

reboiler (หรือที่มีผู้แปลเป็นไทยว่าหม้อต้มซ้ำ) ทำหน้าที่ต้มของเหลวที่อยู่ที่ก้นหอกลั่นให้เดือดกลายเป็นไอ เพื่อไล่เอาสารที่มีจุดเดือดต่ำออกจากสารที่มีจุดเดือดสูง (ที่จะดึงออกทางก้นหอ) ตัว reboiler นี้ทำงานตรงข้ามกับ condenser และ reflux drum โดยตัว condenser จะทำหน้าที่ควบแน่นไอที่ไหลออกทางยอดหอหอด้านบนให้กลายเป็นของเหลวสะสมใน reflux drum และนำเอาของเหลวที่เย็นนี้บางส่วนป้อนกลับเข้าไปในหอกลั่นให้ไหลส่วนทางกับไอที่กำลังไหลขึ้น ในระหว่างการไหลสวนทางนี้สารที่มีจุดเดือดสูงในไอที่ระเหยขึ้นจะควบแน่นเป็นของเหลวไหลลงล่าง ส่วนสารที่มีจุดเดือดต่ำในของเหลวที่ไหลลงจะเดือดกลายเป็นไอระเหยเข้าไปผสมกับไอที่ไหลขึ้น การควบคุมความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์ที่กลั่นแยกได้ทำได้ด้วยการปรับอัตราการเดือดที่ reboiler และปริมาณของเหลวที่ไหลป้อนกลับจาก reflux drum ให้เหมาะสม
 

หน่วยที่เกิดเหตุนั้นเป็นหน่วยกลั่นแยกโพรพิลีน/โพรเพน สารคู่นี้เป็นสารที่แยกกันยากคู่หนึ่งเพราะมีจุดเดือดใกล้กันมากโดยโพรพิลีนจะมีจุดเดือดต่ำกว่าโพรเพนเล็กน้อย การเพิ่มความดันก็ไม่ได้ทำให้จุดเดือดของสารทั้งสองแตกต่างกันมากขึ้น (ดูเพิ่มเติมได้ใน Memoir ปีที่ ๙ ฉบับที่ ๑๒๕๓ วันพุธที่ ๑๒ ตุลาคม ๒๕๕๙ เรื่อง "ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๑๙ ผลของความดันต่อจุดเดือดของไฮโดรคาร์บอน C2-C3") สารสองตัวนี้ปรกติเป็นแก๊สที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศ แต่เราก็สามารถทำให้เป็นของเหลวได้ที่อุณหภูมิห้องด้วยการใช้ความดันช่วย ดังนั้นการต้มให้สารคู่นี้เดือดกลายเป็นไอจึงไม่จำเป็นต้องใช้แหล่งความร้อนอุณภูมิสูง ความร้อนจากน้ำร้อนที่ต้องการทำให้เย็นตัวลงก็มากเพียงพอที่จะต้มมันให้เดือดได้แล้ว และในโรงงานที่เกิดเหตุนี้น้ำร้อนที่เอามาใช้ต้มคือ quench water ที่ต้องการลดอุณหภูมิให้เย็นลงก่อนจะนำกลับไปใช้งานใหม่
 

แต่ quench water ไม่ได้มีแต่น้ำ มันมีพวกน้ำมันและสารประกอบต่างที่ละลาย/แขวนลอยมากับน้ำด้วย และสารเหล่านี้สามารถเกาะสะสมบนพื้นผิวแลกเปลี่ยนความร้อน ทำให้ประสิทธิภาพของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนลดลง จนต้องมีการหยุดเดินเครื่องเพื่อทำความสะอาดเป็นระยะ

รูปที่ ๔ reboiler B ตัว standby นั้นมีโพรเพนเหลวไหลเข้ามาสะสมอยู่ภายใน (จะเนื่องด้วยวาล์วรั่วหรือมีการเปิดโดยไม่ตั้งใจก็ตามแต่) และเมื่อโพรเพนนี้ได้รับความร้อนจาก quench water ที่ไหลเข้ามา จึงเกิดการเดือดจนทำให้ความดันใน reboiler B สูงเกินกว่าที่ตัว reboiler B จะทนได้
 

ตัวโรงงานเดิมนั้นหอกลั่นแยกโพรพิลีน/โพรเพนมี reboiler 2 ตัวทำงานพร้อมกัน ในการออกแบบแต่แรกนั้นไม่มีการติดตั้งวาล์วเปิด-ปิดที่ท่อไหลเข้าออกตัว reboiler (ทั้งด้าน shell และ tube) ทำให้ทั้งตัวหอกลั่นและ reboiler ที่การไหลเชื่อมต่อกันตลอดเวลา ผู้ออกแบบจึงออกแบบโดยติดตั้งวาล์วระบายความดันไว้เพียงตัวเดียวที่ตัวหอกลั่น แต่สิ่งที่เกิดขึ้นภายหลังก็คือเมื่อ reboiler สกปรกมากจนต้องทำความสะอาด จำเป็นต้องหยุดเดินเครื่องหอกลั่น (และอาจหมายถึงทุกส่วนการผลิต) เพื่อที่จะได้เปิดตัว reboiler เพื่อทำความสะอาดภายในได้ ซึ่งมันคงไม่มีปัญหาอะไรถ้าหากมันตรงกับวงรอบการหยุดเดินเครื่อง (annual shutdown) (ตรงนี้ผมเองก็สงสัยเหมือนกันว่า ตอนออกแบบครั้งแรกนั้นเขาอิงการทำงานแบบนี้หรือเปล่า คือเผื่อขนาดของ reboiler เอาไว้ให้เพียงพอที่จะทำงานได้จนกว่าจะถึงเวลาหยุดเดินเครื่องครั้งใหญ่)
 

จากปัญหาดังกล่าวประกอบกับการพบว่าหอกลั่นสามารถทำงานได้ด้วย reboiler เพียงตัวเดียว ในปีค.ศ. ๒๐๐๑ (พ.ศ. ๒๕๔๔) จึงได้มีการดัดแปลงระบบด้วยการติดตั้งวาล์วให้กับท่อไหลเข้า-ออก reboiler ทั้งสองตัว (ทั้งด้าน shell และ tube) เพื่อที่จะได้ปิด reboiler ตัวหนึ่งเอาไว้เป็นตัวสำรอง และเปิดใช้งานเมื่อต้องการทำความสะอาด reboiler ตัวหลัก (รูปที่ ๓) ตามรูปแบบนี้ reboiler ตัวที่ใช้งานอยู่ยังคงได้รับการป้องกันจาก overpressure ด้วยวาล์วระบายความดันที่ติดตั้งอยู่ที่ตัวหอกลั่น ส่วนตัว reboiler ตัวที่ standby อยู่นั้น ถ้าไม่มีการให้ความร้อนใด ๆ มันก็ไม่ควรจะมีความดันเกิดขึ้นภายใน ดังนั้นมันจึงไม่ควรมีการเกิด overpressure และมันก็เป็นเช่นนั้นได้นานถึง ๑๒ ปี
 

reboiler ตัว standby นั้นอยู่ในสภาพ standby มานาน ๑๖ เดือน ในวันที่เกิดเหตุมีการพบว่าอัตราการไหลของ quench water เข้าสู่ reboiler ตัวที่ใช้งานอยู่ (operating reboiler) ลดต่ำลงเรื่อย ๆ จึงมีการตัดสินใจที่จะเปลี่ยนไปใช้ตัว reboiler ที่ standy อยู่ ในการนี้ ณ เวลา ๘.๓๓ น operation supervisor จึงไปทำการเปิดวาล์วให้ quench water ที่ร้อนไหลเข้า reboiler ตัว standby (คือแบบว่าจะให้ตัวนี้ทำงานก่อน จากนั้นจึงค่อยหยุดเดินเครื่องตัว operating reboiler) แต่สิ่งที่ operation supervisor ผู้ที่เปิดวาล์วให้ quench water ไหลเข้า reboiler ตัว standby ไม่รู้ก็คือ ใน reboiler ตัวนี้มีโพรเพนสะสมอยู่ (จะเนื่องด้วยการรั่วไหลผ่านวาล์วหรือมีการเปิดวาล์วผิดก่อนหน้านี้โดยบังเอิญก็ตามในช่วงเวลา ๑๖ เดือนที่มันอยู่ในสภาวะ standby - รูปที่ ๔) ความร้อนจาก quench water ที่ไหลเข้าไปทำให้โพรเพนใน reboiler เดือดเพิ่มความดันภายในอย่างรวดเร็วจน reboiler ระเบิด (ผลจากรับความดันไม่ได้) ในอีกประมาณ ๓ นาทีหลังเปิดให้ quench water ไหลเข้า ทำให้ operation supervisor และโอเปอร์เรเตอร์อีกผู้หนึ่งที่กำลังทำงานอยู่บริเวณนั้นเสียชีวิต (เวลา ๓ นาทีก็เรียกได้ว่าเป็นเวลาสั้น ๆ ที่ไม่น่าจะเพียงพอสำหรับการเปิดวาล์วตัวใหญ่หลายตัว อาจเป็นไปได้ที่บรรดาผู้เสียชีวิตนั้นกำลังอยู่ระหว่างกระบวนการเปิดวาล์ว

ตรงนี้มีประเด็นที่น่านำมาพิจารณาก็คือ กรณีของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนนั้น เมื่อเราจะเริ่มเดินเครื่องมัน เราควรเริ่มด้วยการให้ "สายร้อน" หรือ "สายเย็น" ไหลเข้าเครื่องก่อน ในเหตุการณ์นี้สายร้อนคือ quench water ในขณะที่สายเย็นคือโพรเพนจากก้นหอ ถ้าหาก operation supervisor ทำการเปิดวาล์วด้านโพรเพนก่อน อุบัติเหตุนี้ก็คงจะไม่เกิด

บทเรียนหนึ่งที่รายงานมีการนำเสนอก็คือ ในกรณีที่ต้องการป้องกันอุปกรณ์ที่อยู่ในสถานะ standby หรือ offline เป็นเวลานานนั้น การใส่ blind (อันนี้เป็นการเรียกแบบอเมริกัน ถ้าเป็นอังกฤษจะเรียก slip plate) จะให้การป้องกันที่การรั่วไหลเข้าสู่อุปกรณ์ตัว offline ได้อย่างมั่นใจกว่า (ตรง Key Lesson ในรูปที่ ๔) แต่ก็ใช่ว่ามันจะสมบูรณ์แบบ 100% เพราะถ้าตัว blind นั้นถูกสอดทิ้งไว้เป็นเวลานานพอ มันก็อาจถูกกัดกร่อนจนทะลุได้เหมือนกันดังตัวอย่างที่นำมาให้ดูในรูปที่ ๖
 

จะว่าไปกรณีโรงกลั่นน้ำมันแห่งหนึ่งของบ้านเราที่เกิดเหตุเพลิงไหม้เมื่อปีพ.ศ. ๒๕๕๕ ก็เกิดจากการการรั่วของ slip plate ที่สอดไว้เพื่อทำการ isolation อุปกรณ์ตัวหนึ่ง (ที่ไม่ได้ใช้งานแต่ยังไม่มีการรื้อถอน) ที่คาไว้เป็นเวลานาน พอน้ำมันร้อนรั่วออกมาพบกับอากาศก็ลุกติดไฟทันทีอันเป็นผลจาก autoignition temperature (ดู Memoir ปีที่ ๑๑ ฉบับที่ ๑๖๑๒ วันพุธที่ ๓ ตุลาคม ๒๕๖๑ เรื่อง "Fire case 1 Bangchak 2555(2012)")

รูปที่ ๕ ภาพสถานที่เกิดเหตุหลังเหตุการณ์สงบ จะเห็นชิ้นส่วนท่อเชื่อมต่อระหว่าง reboiler B กับหอกลั่นนั้นปลิวไปค้างอยู่ที่ pipe rack ทางด้านบน

รูปที่ ๖ slip plate ที่ถูกใส่คาไว้ในระบบท่อเป็นเวลานานเพื่อทำการ isolation อุปกรณ์ ถูกกัดกร่อนจนทะลุ (จากหนังสือ What Went Wrong? กรณี 1.1.6(a)

ทิ้งท้ายไว้นิดนึง รายงานการสอบสวนอุบัติเหตุของ CSB ฉบับนี้ก็เริ่มต้นด้วยข้อความที่นำมาจากหนังสือ What Went Wrong? ของ Prof. T.A. Kletz เช่นกัน

VCE case 1 อะเซทิลีนไหลย้อนผ่านวาล์วกันการไหลย้อนกลับ 2548(2005) MO Memoir : Sunday 14 October 2561

วาล์วกันการไหลย้อนกลับ (เรียกแบบอเมริกันคือ check valve เรียกแบบอังกฤษคือ non-return valve) มักมีชื่อเสียงในทางที่ไม่ค่อยดีในแง่ที่ว่า มันมักจะเปิดค้างในเวลาที่มันควรจะปิด และปิดค้างในเวลาที่มันควรจะเปิด ดังนั้นถ้าหากวาล์วกันการไหลย้อนกลับนี้ทำหน้าที่เป็นส่วนหนึ่งของระบบนิรภัย มันก็ควรที่จะอยู่ในรายการอุปกรณ์ที่ควรได้รับการตรวจสอบการทำงานอย่างสม่ำเสมอด้วย
 

กรณีที่นำมาเล่าสู่กันฟังในวันนี้ไม่ได้เป็นกรณีที่เกิดขึ้นในประเทศไทย แต่เป็นกรณีที่เกิดขึ้นที่ปริษัท ASCO ประเทศสหรัฐอเมริกาเมื่อวันอังคารที่ ๒๕ มกราคม ๒๕๔๘ ที่ทำให้มีผู้เสียชีวิต ๓ คน

รูปที่ ๑ แผนผังโรงงานที่เกิดการระเบิด (ผมลบเส้นบางเส้นทิ้งเพราะเกรงว่าอาจทำให้เข้าใจผิด) อาคารที่เกิดการระเบิดและอาคารที่ใช้ผลิตแก๊สอะเซทิลีนเป็นคนละอาคารกัน ดังนั้นท่อน้ำที่เชื่อมต่อระหว่างระบบทั้งสองจึงมีโอกาสที่จะพบกับอากาศเย็นจัดภายนอกอาคาร
 

รายละเอียดเหตุการณ์ดังกล่าวทางหน่วยงาน U.S. Chemical Safety and Hazard Investigation Board (CSB) ได้ทำเอกสารเผยแพร่ทั้งในรูปของไฟล์ pdf (วารสาร CSB no. 2006-01-B January 2006 เรื่อง "Explosion at ASCO: Dangers of Flammable Gas Accumulation") และคลิปวิดิทัศน์ (เรื่อง "CSB Safety Video: Dangers of Flammable Gas Accumulation") แต่เท่าที่ดูพบว่าเอกสารทั้งสองนั้นมีความไม่สมบูรณ์ในตัวเองอยู่ โดยมีอยู่จุดหนึ่งที่เอกสารที่เป็นไฟล์ pdf ไม่ได้กล่าวถึงทั้ง ๆ ที่เป็นจุดที่มีความสำคัญ (ตำแหน่งวาล์วตัวหนึ่งในระบบท่อ) และมีบางจุดที่คลิปวิดิทัศน์ไม่ได้กล่าวถึงว่าทำไมจึงมีขั้นตอนการปฏิบัติเช่นนั้น (การระบายน้ำทิ้งออกจากระบบท่อ) ดังนั้นเพื่อให้ผู้ที่กำลังศึกษาอยู่สามารถทำความเข้าใจเหตุการณ์ดังกล่าวได้ดีขึ้น จึงจะขอนำเอาเรื่องนี้มาขยายความเพิ่มเติมเล่าสู่กันฟัง
 

โรงงานดังกล่าวเดิมผลิตอะเซทิลีน (acetylene C₂H₂) จากปฏิกิริยาระหว่าง calcium carbide (CaC₂ ที่บ้านเราเรียกว่า ถ่านแก๊ส หินแก๊ส หรือแก๊สก้อน และยังใช้กันในอู่ซ่อมรถและการบ่มผลไม้) กับน้ำ โดยจะเกิดแก๊สอะเซทิลีนและแคลเซียมไฮดรอกไซด์ (Calcium hydroxide Ca(OH)₂ ที่ในเอกสารและในคลิปเรียกว่า Lime) แต่ต่อมาเมื่อความต้องการอะเซทิลีนเพิ่มสูงขึ้นเกินกว่ากำลังการผลิตของโรงงาน จึงมีการสั่งซื้ออะเซทิลีนจากแหล่งภายนอกมาแบ่งบรรจุเพิ่มเติม
 

ด้วยการที่แก๊สอะเซทิลีนที่ความดันสูงเกินกว่า 1 bar.g นั้นสามารถสลายตัวด้วยตนเองและปลดปล่อยพลังงานออกมาได้แบบการระเบิด การเก็บอะเซทิลีนที่ปลอดภัยจึงต้องใช้ถังบรรจุที่ภายในบรรจุเอาไว้ด้วยวัสดุของแข็งมีรูพรุนและอะซีโตน (Acetone H₃C-C(O)-CH₃) โดยให้อะเซทิลีนละลายอยู่นในอะซีโตน และนั่นคือเหตุผลที่ว่าทำไมแผนผังโรงงานในรูปที่ ๑ จึงมีตำแหน่งสถานที่เก็บอะซีโตนปรากฏอยู่

แคลเซียมไฮดรอกไซด์และน้ำที่เหลือจากการทำปฏิกิริยาจะถูกส่งต่อไปยังถังตกตะกอน (Decant tank) ที่มีอยู่ทั้งหมด ๖ ถังเพื่อแยกเอาน้ำ (กลับไปใช้งานใหม่) และแคลเซียมไฮดรอกไซด์ออกจากกัน ถังตกตะกอนวางเรียงเป็นแถว ๒ แถว แถวละ ๓ ถัง โดยระยะห่างระหว่างแถวจะมากกว่าระยะห่างระหว่างถังที่อยู่ในแถวเดียวกัน (ดูรูปที่ ๑) และพื้นที่ว่างระหว่างแถวก็ใช้เป็นสถานที่ติดตั้งปั๊มน้ำเพื่อส่งน้ำจากถังตกตะกอนไปใช้ทำปฏิกิริยาในหน่วยผลิตอะเซทิลีน (รูปที่ ๒)

รูปที่ ๒ แผนผังกระบวนการผลิตอะเซทิลีน วาล์วที่มีการระบายสีทึบคือวาล์วที่อยู่ในตำแหน่งปิด วาล์วที่ไม่มีการะบายสีทึบคือวาล์วที่พบว่าอยู่ในตำแหน่งเปิด (ทั้งหมดเป็นตำแหน่งวาล์วที่ผู้ตรวจสอบพบหลังการเกิดอุบัติเหตุ) ในกรอบสี่เหลี่ยมสีเขียวคือวาล์วที่ในเอกสารไฟล์ pdf ไม่ได้กล่าวถึงเอาไว้ ทั้ง ๆ ที่มันมีความสำคัญเพราะเป็นตัวป้องกันไม่ให้แก๊สรั่วไปถึง drain valve ด้านขาเข้าตัวปั๊มได้ ส่วนคลิปวิดิทัศน์มีการกล่าวถึงว่าก่อนเกิดอุบัติเหตุคงมีการเปิดวาล์วตัวดังกล่าว แต่ไม่ได้กล่าวถึงว่าทำไปจึงต้องมีการระบายน้ำในท่อดังกล่าวทิ้ง
 

ปรกติของเหลวเมื่อมีอุณหภูมิสูงขึ้นก็จะมีการขยายตัว ดังนั้นระบบท่อหรืออุปกรณ์ใด ๆ ที่มีของเหลวบรรจุอยู่เต็มและมีโอกาสที่ปลายท่อทั้งสองข้างนั้นจะถูกปิดโดยในช่วงกลางระหว่างปลายทั้งสองมีของเหลวบรรจุอยู่เต็ม ถ้าของเหลวที่บรรจุอยู่นั้นมีอุณหภูมิสูงขึ้น (เช่นท่อน้ำที่วางตากแดด) ก็จะทำให้ความดันในท่อเพิ่มสูงขึ้น เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดความเสียหายกับระบบท่อหรืออุปกรณ์ถ้าหากมีเหตุการณ์ดังกล่าวเกิดขึ้น ก็จะมีการติดตั้งวาล์วระบายความดัน (relief valve) เอาไว้ ณ ตำแหน่งที่เหมาะสม โดยด้านขาออกของวาล์วระบายความดันก็ต้องระบายไปยังที่ ๆ เหมาะสมด้วย
 

แต่น้ำเป็นของเหลวที่แปลกอย่างหนึ่ง กล่าวคือพอมันกลายเป็นน้ำแข็งมันจะขยายตัว (ปริมาตรต่อหน่วยน้ำหนักเพี่มขึ้น) ดังนั้นในประเทศที่อากาศหนาวจัดจนน้ำเป็นน้ำแข็งได้ ถ้าหากไม่มีการป้องกันไม่ให้น้ำในระบบท่อแข็งตัว ก็จะเกิดปัญหาท่อแตกเมื่ออากาศเย็นจัดได้ วิธีป้องกันนั้นมีหลายวิธี และวิธีหนึ่งก็คือการไม่ให้มีน้ำค้างอยู่ในระบบท่อเมื่อไม่ใช้งาน และจะเปิดน้ำเข้าระบบท่อก็ต่อเมื่อมีความจำเป็นต้องใช้งาน และเมื่อใช้งานเสร็จแล้วก็จะต้องทำการระบายน้ำที่ค้างอยู่ในระบบท่อทิ้ง ระบบท่อน้ำดับเพลิงที่เรียกว่า "Dry riser" ที่ใช้กับพื้นที่ที่มีอากาศหนาวเย็นจนน้ำกลายเป็นน้ำแข็งได้นั้น ก็ใช้วิธีนี้ กล่าวคือจะไม่มีน้ำอยู่ในระบบท่อ (พวก Wet riser ที่ใช้กันในบ้านเรานั้นมีน้ำไปจ่อรออยู่ที่หัวฉีด) จะส่งน้ำเข้าระบบท่อไปยังหัวฉีดก็ต่อเมื่อมีความจำเป็นต้องใช้งานเท่านั้น

รูปที่ ๓ โครงสร้างวาล์วกันการไหลย้อนกลับตัวที่ก่อเรื่อง ตัว plug ทำงานโดยอาศัยแรงโน้มถ่วงในการทำให้ตกลงมายังตำแหน่งปิด แต่ด้วยการที่ guide pin นั้นสั้นเกินไปและ/หรือ pipe nipple สอดเข้าไปไม่ลึกพอ ทำให้เมื่อวาล์วเปิดเต็มที่ ปลายด้านล่างของ guide pin จะอยู่สูงกว่าขอบด้านบนของ pipe nipple พอมีการปิดการไหลก็เลยมีโอกาสที่ปลายด้านล่างของ guide pin จะตกลงมาค้างอยู่บนขอบด้านบนของ pipe nipple ดังรูปขวา

น้ำที่โรงงานบริษัท ASCO ใช้นั้นมีทั้งน้ำที่เหลือจากการทำปฏิกิริยาที่นำกลับมาใช้งานใหม่ (recycled water) และน้ำประปา (city water) ที่ป้อนเข้ามาเพื่อชดเชยน้ำที่ทำปฏิกิริยาไป (ดูแผนผังในรูปที่ ๒)
 

เพื่อป้องกันไม่ให้ปั๊มสูบน้ำจากถังตกตะกอนประสบปัญหาเย็นจัดในฤดูหนาว จึงได้มีการสร้างอาคารไม้ (wooden shed) ปิดคลุมบริเวณดังกล่าวไว้ อาคารดังกล่าวสร้างโดยใช้ผนังของถังตกตะกอนทั้ง ๖ ถังเป็นส่วนหนึ่งของผนังอาคารด้วย (เป็นการประหยัดค่าผนัง) และให้อบอุ่นแก่อากาศภายในอาคารดังกล่าวด้วยการใช้ propane heater (ที่มีอุณหภูมิพื้นผิวให้ความร้อนแก่อากาศภายในอาคารประมาณ 1100ºF หรือ 590ºC) ตัวอาคารไม้กับอาคารที่เป็นที่ตั้งของหน่วยผลิตอะเซทิลีนเป็นคนละอาคารกัน ดังนั้นจึงมีโอกาสที่ต้องส่งน้ำจากถังตกตะกอนไปยังถังทำปฏิกิริยานั้นจะพบเจอกับอากาศเย็นจัดภายนอกอาคาร ที่สามารถทำให้น้ำในระบบท่อกลายเป็นน้ำแข็งและทำให้ท่อเสียหายได้
 

ในช่วงก่อนเกิดเหตุนั้น สภาพอากาศหนาวจัดถึงขั้นหิมะตก ประจวบกับยังมีอะเซทิลีนที่สั่งเข้ามาจากแหล่งภายนอกพอแบ่งบรรจุเพื่อส่งต่อให้กับลูกค้า ทางโรงงานจึงไม่ได้มีการเดินเครื่องหน่วยผลิตอะเซทิลีน เพื่อป้องกันไม่ให้ท่อส่งน้ำจากถังตกตะกอนไปยังถังทำปฏิกิริยาเกิดความเสียหายจากการที่น้ำในท่อกลายเป็นน้ำแข็ง พนักงานจึงได้ทำการระบายน้ำในท่อทิ้งผ่านทาง drain valve ที่ติดตั้งอยู่ทางด้านขาเข้าของปั๊มสูบน้ำจากถังตกตะกอน (ดูรูปที่ ๒) โดยน้ำที่ระบายออกมานั้นระบายลงสู่พื้นด้านในอาคาร และ "เปิด" วาล์วดังกล่าวทิ้งเอาไว้

การระเบิดนั้นเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีการผสมกันในสัดส่วนที่เหมาะสมระหว่างไอเชื้อเพลิงกับอากาศ (คืออยู่ในช่วงความเข้มข้นที่เรียกว่า explosive limit) จากนั้นถ้าไอผสมนี้พบกับแหล่งพลังงานที่มีพลังงานสูงพอ (ซึ่งอาจเป็นเปลวไฟ ประกายไฟ หรือพื้นผิวที่มีความร้อนสูง) มันก็จะเกิดการระเบิด
 

ในกรณีที่เป็นการรั่วไหลในพื้นที่เปิดโล่งนั้น โอกาสที่ไอเชื้อเพลิงกับอากาศจะผสมกันจนมีความเข้มข้นสูงพอที่จะระเบิดได้นั้น (ระดับที่เรียกว่า Lower explosive limit หรือ LEL) มีน้อยเพราะไอเชื้อเพลิงจะฟุ้งกระจายได้ง่าย เว้นแต่จะมีการรั่วไหลในปริมาณที่มาก เช่นในระดับเป็นตันหรือหลายตันขึ้นไป และเมื่อเกิดการระเบิดเมื่อใดก็จะเป็นการระเบิดที่รุนแรงและความเสียหานจะเป็นบริเวณกว้าง (เช่นอาจไปทั้งโรงงานเลยก็ได้) การระเบิดแบบนี้เรียกว่า Unconfined Vapour Cloud Explosion (UVCE)
 

แต่ถ้าเป็นการรั่วไหลในบริเวณปิดล้อมที่ไม่มีการถ่ายเทอากาศที่ดีนั้น (เช่นในอาคารหรือห้องที่ไม่ใหญ่มาก) ไอเชื้อเพลิงที่รั่วออกมานั้นมีโอกาสสูงที่จะสะสมจนมีความเข้มข้นสูงมากพอจนถึงระดับ Lower Explosive Limit ได้แม้ว่าจะมีการรั่วไหลในปริมาณที่ไม่มาก (เช่นระดับไม่กี่กิโลกรัม) การระเบิดแบบนี้เรียกว่า Confined Vapour Cloud Explosion (VCE) ที่มีการรุนแรงน้อยกว่า UVCE แต่ก็มากพอที่จะทำให้เกิดความเสียหายต่อชีวิตและทรัพย์สินในบริเวณที่เกิดการระเบิด

ในวันที่เกิดเหตุนั้น อะเซทิลีนที่สั่งเข้ามานั้นไม่พอ พนักงานเลยต้องทำการผลิตอะเซทิลีนเพิ่มเติม โดยในขั้นตอนการทำงานนั้นจะต้องมีการเพิ่มความดันให้กับถังผลิตอะเซทิลีน (Acetylene generator) ก่อน จากนั้นจึงค่อยเริ่มการผลิตด้วยการป้อนน้ำและแคลเซียมคาร์ไบด์ โดยในระหว่างที่รอให้ความดันในถังผลิตสูงจนได้ระดับนั้น คนงานก็ออกมากวาดหิมะอยู่รอบ ๆ อาคารติดตั้งปั๊มน้ำ (wooden shed) แต่ออกมาทำงานได้ไม่นานก็เกิดการระเบิดขึ้น ทำให้มีผู้เสียชีวิต ๓ รายและบาดเจ็บสาหัส ๑ ราย
 

สิ่งแรกที่ผู้สอบสวนมองหาก็คืออะไรคือเชื้อเพลิงของการระเบิดในอาคารดังกล่าว ซึ่งมีความเป็นไปได้อยู่ ๒ แหล่งด้วยกันคือโพรเพนที่ใช้ในการให้ความร้อนภายในตัวอาคาร และอะเซทิลีนที่รั่วไหลย้อนมาจากถังผลิต แต่เมื่อพิจารณาจากความรุนแรงของการระเบิดแล้ว (เชื้อเพลิงแต่ละชนิดให้ความรุนแรงของการระเบิดที่ไม่เท่ากัน ไฮโดรเจนและอะเซทิลีนนั้นให้ความรุนแรงของการระเบิดที่สูงกว่าไฮโดรคาร์บอนทั่วไป) ทางคณะกรรมการสอบสวนจึงลงความเห็นว่าน่าจะเกิดจากอะเซทิลีน แต่คำถามที่ตามมาก็คืออะเซทิลีนที่ผลิตอยู่ในอีกอาคารหนึ่งรั่วไหลย้อนจากถังผลิตมายังอาคารนี้ได้อย่างไร ตรงนี้ต้องกลับไปดูตำแหน่งวาล์วแต่ละตัวว่าตัวไหนเปิดตัวไหนปิด ในรูปที่ ๒ นั้นวาล์วที่ปิดอยู่จะมีการระบายสีทึบ วาล์วที่เปิดอยู่จะไม่มีการระบายสี 
  

แต่ตำแหน่งวาล์วก่อนการเกิดเหตุกับหลังการเกิดเหตุนั้นไม่จำเป็นต้องเหมือนกัน เพราะบอกไม่ได้เหมือนกันว่าในระหว่างการเข้าไประงับเหตุนั้น ผู้ที่เข้าไประงับเหตุมีการเปิดหรือปิดวาล์วตัวไหนบ้างหรือเปล่า ตรงนี้ก็เลยเป็นประเด็นที่ผมใส่กรอบสีเขียวให้กับวาล์วในรูปที่ ๒ เพราะพบว่าหลังการเกิดเหตุนั้นวาล์วตัวนี้อยู่ในตำแหน่ง "ปิด" เพราะถ้าวาล์วตัวนี้อยู่ในตำแหน่งปิด โอกาสที่อะเซทิลีนจะไหลย้อนไปยังอาคารปั๊มน้ำได้ก็จะน้อยมาก เว้นแต่ว่าเกิดเหตุการณ์ที่วาล์วตัวดังกล่าวปิดไม่สนิทและวาล์วกันการไหลย้อนกลับปิดไม่สนิทด้วยในเวลาเดียวกัน
 

ก่อนเกิตเหตุนั้น ทางคณะผู้สอบสวนเชื่อว่ามีการตัดสินใจที่จะใช้ระบบน้ำ recycle จากถังตกตะกอนใช้ในการทำปฏิกิริยา ดังนั้นจึงไม่มีการเปิดวาล์วน้ำประปาเข้าระบบ และมีการเปิดวาล์วด้านขาออกของปั๊มจ่ายน้ำทิ้งเอาไว้ (ตรงนี้มีการกล่าวถึงเอาไว้ในคลิปวิดิทัศน์ แต่ไม่ปรากฏในเอกสารไฟล์ pdf) โดยที่ตัว drain valve ยังเปิดทิ้งเอาไว้อยู่ แต่เนื่องจากวาล์วกันการไหลย้อนกลับนั้นเปิดค้างอยู่ (ผลจากการออกแบบโครงสร้างที่ไม่ดีดังแสดงในรูปที่ ๓) จึงทำให้อะเซทิลีนที่ใช้ในการเพิ่มความดันในถังผลิตนั้นรั่วไหลย้อนมายังอาคารปั๊มน้ำได้ ก่อนที่จะเกิดการระเบิด โดยต้นตอของการจุดระเบิดเชื่อว่าคือ propane heater ที่ใช้ให้ความร้อนในอาคาร ทั้งนี้เนื่องจากอะเซทิลีนมีค่าอุณหภูมิการจุดระเบิดได้ด้วยตนเองหรือ autoignition temperature ที่ประมาณ 580ºF หรือ 300ºC ในขณะที่พื้นผิวของ propane heater นั้นมีอุณหภูมิสูงถึง 1100ºF หรือ 590ºC
 

ส่วนที่ว่าวาล์วตัวที่เป็นปัญหานั้นมาอยู่ ณ ตำแหน่งปิดได้อย่างไรหลังเกิดเหตุนั้นไม่ได้มีการกล่าวเอาไว้ แต่ผมเดาว่าน่าจะเกิดขึ้นระหว่างการระงับเหตุ เพราะถ้าไม่มีใครไปปิดวาล์วดังกล่าวก็จะยังคงมีอะเซทิลีนรั่วไหลออกมาต่อเนื่องที่อาจทำให้เกิดการระเบิดหรือเพลิงไหม้ตามมาอีกได้
 

คลิปวิดิทัศน์และไฟล์ pdf รายงานเหตุการณ์ดังกล่าวดูได้ที่ลิงค์ข้างล่างนี้

https://www.csb.gov/acetylene-service-company-gas-explosion/

รูปที่ ๔ ภาพจากคลิปวิดิทัศน์บริเวณโรงเรือนที่เกิดการระเบิด
 

ในเอกสารที่ CSB จัดทำนั้นยังมีการกล่าวถึงประเภทอุปกรณ์ไฟฟ้าที่เหมาะสมสำหรับการใช้งาน ซึ่งตรงนี้มีการจำแนกเป็น Class (ประเภทของเชื้อเพลิงว่าเป็น ไอ ฝุ่นผง เส้นใย) Division (โอกาสที่จะพบเจอ เช่น ตลอดเวลาที่มีการเดินเครื่องการผลิต หรือเป็นครั้งคราวขึ้นอยู่กับงานเฉพาะ) Group (ความดันสูงสุดของการระเบิดที่เกิดขึ้นได้ถ้าเชื้อเพลิงนั้นเกิดการระเบิดขึ้นมา ในกรณีของอะเซทิลีนนั้นจะให้ความดันที่สูงกว่าโพรเพนกว่า ๕๐ เท่าตัว) รายละเอียดตรงส่วนนี้สามารถอ่านได้ใน Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๔๐ วันพุธที่ ๓๑ มีนาคม ๒๕๕๓ เรื่อง "Electrical safety for chemical processes"
 

สำหรับผู้ที่ยังไม่รู้จักว่าวาล์วกันการไหลย้อนกลับนั้นมีหน้าตาแบบไหนและโครงสร้างอย่างไรบ้าง สามารถอ่านเพื่อทำความรู้จักได้ใน Memeoir

ปีที่ ๑ ฉบับที่ ๓๓ วันพุธที่ ๒๙ เมษายน ๒๕๕๒ เรื่อง "วาล์วและการเลือกใช้ (ตอนที่ 2)" และ

ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๕๗ วันศุกร์ที่ ๔ มกราคม ๒๕๕๖ เรื่อง "การติดตั้งวาล์วกันการไหลย้อนกลับ"

สำหรับฉบับนี้ คงจบลงเพียงแค่นี้

รูปที่ ๕ propane heater ที่ใช้ให้ความอบอุ่นในอาคารที่เชื่อว่าเป็นต้นตอของการจุดระเบิด ในการทำงานนั้นเปลวไฟจะลุกไหม้อยู่ใน combustion chamber และส่งความร้อนให้กับอากาศในห้องผ่านทางผนังของ combustion chamber (เป็นการป้องกันไม่ให้แก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ไปเพิ่ม CO₂ ในห้อง) พึงสังเกตว่าในการออกแบบนี้ท่อดึงอากาศเข้าเพื่อการเผาไหม้จะล้อมรอบท่อแก๊สร้อนจากการเผาไหม้ที่ระบายทิ้ง ซึ่งไม่เพียงแต่เป็นการป้องกันท่อแก๊สปล่อยทิ้งที่ร้อน แต่ยังช่วยอุ่นอากาศที่จะนำมาเผาไหม้ให้ร้อนขึ้นด้วย ซึ่งเป็นการประหยัดพลังงาน ส่วนคำว่า "Pilot" ที่ปรากฏในที่นี้คือหัวเตาเล็ก ๆ ที่มีเปลวไฟจุดล่อเอาไว้ตลอดเวลา เพื่อที่ว่าเมื่อใดที่ต้องการจุดหัวเตาหลัก (หรือตัว burner) พอเปิดแก๊สเข้าหัวเตาหลัก แก๊สนั้นก็จะลุกติดไฟได้ทันที เตาแก๊สที่ผู้ประกอบการร้านอาหารบางราย (โดยเฉพาะร้านอาหารตามสั่งที่มีการเปิด-ปิดเตาแก๊สบ่อยครั้งตามอาหารที่ลูกค้าสั่ง) ก็มีการใช้เตาแบบนี้ คือจะมีการเดินท่อแก๊สเล็ก ๆ แยกต่างหากมา ๑ ท่อที่ไปจ่อเอาไว้ที่หัวเตาหลัก ท่อแก๊สนี้ทำหน้าที่เป็น pilot คือจะมีการจุดไฟติดเอาไว้ตลอดเวลา พอเปิดแก๊สเข้าหัวเตาหลัก ไฟที่หัวเตาหลักก็จะติดทันทีโดยไม่ต้องเสียเวลาจุดไฟ พอปิดแก๊สเข้าหัวเตาหลัก ไฟที่หัวเตาหลักก็จะดับ แต่ที่หัว pilot นั้นจะยังคงลุกติดอยู่