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

วาล์วและการเลือกใช้ ตอนที่ ๓ MO Memoir : Sunday 4 September 2554

ก่อนอื่นก็ต้องขอกล่าวต้อนรับว่าที่สมาชิกใหม่ของกลุ่ม ที่คาดว่าจะมาเข้าร่วมงานกันในภาคต้นปีการศึกษา ๒๕๕๕ จำนวน ๕ คน (เลข ๕ มาเยอะหน่อย) งานนี้ต้องขอขอบคุณสาวน้อยนักแสดงและสาวน้อยหน้าบาน (คนหลังตั้งชื่อให้อย่างนี้ไม่รู้เจ้าตัวจะชอบหรือเปล่า) ที่ช่วยประชาสัมพันธ์ให้เป็นอย่างดี หวังว่าปีการศึกษาหน้าคงมาครบกันทุกคน แต่ถ้าเปลี่ยนใจจะไปทำอย่างอื่นก็ขอความกรุณาช่วยแจ้งให้ทราบด้วย ทางกลุ่มจะได้เปิดรับคนอื่นเข้ามาแทน ตอนนี้อยากทราบเรื่องอะไรเกี่ยวกับทางกลุ่มก็ขอให้ติดตามทาง blog นี้ไปก่อนก็แล้วกัน ผมจะะเริ่มส่ง Memoir ฉบับ pdf ให้กับสมาชิกใหม่ก็ต่อเมื่อเริ่มเข้ามาเรียนแล้ว

ผมเขียนเรื่อง "วาล์วและการเลือกใช้ ตอนที่ ๑" ไปใน Memoir ปีที่ ๑ ฉบับที่ ๓๒ วันจันทร์ที่ ๒๗ เมษายน ๒๕๕๒ และเรื่อง "วาล์วและการเลือกใช้ ตอนที่ ๒" ไปใน Memoir ปีที่ ๑ ฉบับที่ ๓๓ วันพุธที่ ๒๙ เมษายน ๒๕๕๒ ในตอนที่ ๒ นั้นผมขึ้นเรื่องวาล์วระบายความดันเอาไว้ แต่ก็ไม่ได้เขียนสักที นี่ก็ค้างมาเกือบสองปีครึ่งแล้ว แถมมี Memoir คั่นกลางอีกกว่า ๓๐๐ ฉบับ ก็เลยคิดว่าได้เวลาที่ต้องลงมือเขียนแล้ว

อันที่จริงก่อนหน้านี้ก็ได้เขียนเรื่องเกี่ยวกับ Breather valve ใน Memoir ๓ ฉบับที่ ๓๐๑ วันศุกร์ที่ ๑๓ เมษายน ๒๕๕๔ เรื่อง "การควบคุมความดันในถังบรรยากาศ (Atmospheric tank)" ซึ่งก็เป็นเรื่องเกี่ยวกับวาล์วระบายความดัน แต่วาล์วดังกล่าวไม่เพียงแต่ยอมให้แก๊สในถังระบายออกเมื่อความดันในถังสูงเกินไป แต่ยังยอมให้อากาศข้างนอกเข้าไปในถังได้เมื่อความดันในถังต่ำเกินไป

ส่วนวาล์วระบายความดันใน Memoir ฉบับนี้เป็นวาล์วที่ใช้ระบายความดันในกรณีที่ความดันภายในภาชนะนั้นสูงเกินกว่าความดันที่กำหนดไว้ และเนื้อหาในนี้ไม่ได้เน้นไปที่การออกแบบหรือการเลือกใช้ เพียงแต่ต้องการให้รู้จักว่าวาล์วระบายความดันนั้นทำงานอย่างไร

ตามมาตรฐานอเมริกานั้นจะแยกวาล์วระบายความดันออกเป็น ๓ ประเภทตามชนิดของไหลดังนี้

(ก) Safety valve ใช้กับแก๊ส

(ข) Relief valve ใช้กับของเหลว

(ค) Safety relief valve ใช้ได้ทั้งแก๊สและของเหลว

แต่ถ้าเป็นตามมาตรฐานอังกฤษนั้น (BS 6759 ปีค.ศ. 1984) เรียกรวม ๆ ว่าวาล์วที่ทำงานด้วยระบบกลไกใด ๆ ก็ตามที่ออกแบบมาเพื่อเปิดอัตโนมัติเพื่อการระบายความดันที่สูงเกินนั้น เรียกรวมว่า safety valve โดยไม่มีการกำหนดว่าใช้กับของเหลวหรือแก๊ส⁽¹⁾

ที่ระดับความดันที่ใช้งานกันทั่วไปในอุตสาหกรรมนั้น ถือได้ว่าไม่สามารถทำให้ของเหลวมีปริมาตรเปลี่ยนแปลงได้ ดังนั้นถ้าถัง (หรือท่อ) ที่บรรจุของเหลวนั้นมีความดันสูงเกินไป ถ้าเปิดวาล์วให้ของเหลวรั่วไหลออกมาได้หรือมีที่ว่างให้ขยายตัวได้ ความดันในระบบก็จะลดลงอย่างรวดเร็ว

แต่ในกรณีของแก๊สนั้นเนื่องจากเป็นของไหลที่อัดตัวได้ ดังนั้นถ้าความดันในถัง (หรือท่อ) ที่บรรจุแก๊สนั้นสูงเกินไป การเปิดช่องว่างให้แก๊สรั่วไหลออกมาได้ก็จะทำให้ความในระบบนั้นลดลง แต่การลดลงจะช้ากว่าของเหลว

ดังนั้นในกรณีของวาล์วระบายความดันที่ใช้กับแก๊สนั้น ทันทีที่ความดันในระบบสูงเกินค่าที่กำหนดไว้ (แม้ว่าจะเกินไปเพียงเล็กน้อย) วาล์วจะต้องเปิดเต็มที่ทันทีอย่างรวดเร็ว เพื่อให้การระบายความดันเป็นไปได้อย่างสะดวกและทันท่วงที ในขณะที่วาล์วที่ใช้ในการระบายความดันของของเหลวนั้น จะเปิดกว้างมากน้อยเท่าใดก็ขึ้นอยู่กับว่าความดันในระบบนั้นสูงเกินค่าที่กำหนดไว้มากน้อยเท่าใด ถ้าความดันสูงเกินไปมาก วาล์วก็เปิดเพียงเล็กน้อย ถ้าความดันสูงเกินไปมาก วาล์วก็เปิดกว้างมากขึ้น

ทีนี้เรามาดูกันว่าวาล์วแต่ละแบบนั้นมีหลักการทำงานอย่างไรโดยจะใช้รูปวาดแบบง่าย โดยจะเริ่มจากวาล์วระบายความดันสำหรับของเหลวที่แสดงในรูปที่ ๑ ก่อน

รูปที่ ๑ หลักการทำงานของวาล์วระบายความดันสำหรับของเหลว

สมมุติว่าท่อที่ต่อเข้าวาล์วนั้นมีพื้นที่หน้าตัด 10 cm² ตัววาล์วเองที่ปิดท่อระบายความดันก็มีขนาดพื้นที่หน้าตัด 10 cm² และแรงกด (ปรกติจะใช้สปริงกด แต่ในรูปแสดงเป็นก้อนน้ำหนัก) ที่กดให้วาล์วปิดนั้นคือ 100 kg (ตัวนี้เทียบได้กับ set pressure หรือความดันที่กำหนดให้วาล์วเปิด) ตราบใดก็ตามที่ความดันในระบบต่ำกว่า 10 kg/cm² ผลคูณระหว่างความดันกับพื้นที่หน้าตัดก็จะน้อยกว่า 100 kg กล่าวอีกนัยหนึ่งคือความดันในระบบยังไม่สามารถทำให้วาล์วยกตัวขึ้นได้

แต่ถ้าความดันในระบบเท่ากับ 10 kg/cm² ผลคูณระหว่างความดันกับพื้นที่หน้าตัดก็จะเท่ากับ 100 kg วาล์วก็พร้อมที่จะยกตัวขึ้น

และเมื่อความดันในระบบสูงเกินกว่า 10 kg/cm² ผลคูณระหว่างความดันกับพื้นที่หน้าตัดก็จะมากกว่า 100 kg วาล์วก็เริ่มยกตัวขึ้น และเปิดช่องให้ของเหลวในระบบระบายออกไปได้ (รูปที่ ๑ กลาง)

แต่อย่างที่บอกไว้ในหน้าที่แล้วคือ ของเหลวนั้นถ้าเราเปิดช่องให้มันรั่วไหลไปได้หรือมีที่อยู่มากขึ้น ความดันในระบบก็จะลดลงอย่างรวดเร็ว ดังนั้นทันทีที่วาล์วเริ่มเปิดออก ความดันในระบบก็จะลดต่ำลงอย่างรวดเร็วโดยที่วาล์วไม่จำเป็นต้องเปิดจนสุด แต่ถ้าความดันในระบบยังคงสูงอยู่ วาล์วก็จะยกตัวเปิดกว้างมากขึ้นอีกเพื่อให้ของเหลวระบายได้รวดเร็วขึ้นอีก (รูปที่ ๑ ขวา)

และเมื่อความดันในระบบลดลง วาล์วก็จะค่อย ๆ ปิดตัวลงตามความดัน จนกระทั่งปิดสนิทเมื่อความดันในระบบลดลงต่ำกว่า 10 kg/cm²

รูปที่ ๒ แสดงวาล์วระบายความดันสำหรับระบบที่เป็นแก๊ส ตัววาล์วจะมีโครงสร้างที่แตกต่างไปจากวาล์วที่ใช้กับระบบที่เป็นของเหลวอยู่เล็กน้อย โดยเฉพาะตรงส่วนพื้นที่หน้าตัดของส่วนที่เป็นวาล์วซึ่งจะมีพื้นที่หน้าตัดใหญ่กว่าพื้นที่หน้าตัดของท่อที่ต่อเข้าวาล์ว ในกรณีนี้สมมุติว่าท่อที่ต่อเข้าวาล์วนั้นมีพื้นที่หน้าตัด 10 cm² ตัว plug ของวาล์วเองที่ใช้ปิดท่อระบายความดันก็มีขนาดพื้นที่หน้าตัด 12.5 cm² และแรงกดที่กดให้วาล์วปิดนั้นคือ 100 kg ตราบใดก็ตามที่ความดันในระบบต่ำกว่า 10 kg/cm² ผลคูณระหว่างความดันกับพื้นที่หน้าตัดก็จะน้อยกว่า 100 kg วาล์วก็จะยังไม่เปิด

ทีนี้ถ้าความดันในระบบสูงกว่า 10 kg/cm² เพียงเล็กน้อย ผลคูณระหว่างความดัน (10+ kg/cm²) กับพื้นที่หน้าตัดของท่อ (10 cm²) ก็จะมากกว่า 100 kg ตัววาล์วก็จะยกตัวสูงขึ้น แต่ทันทีที่ตัววาล์วยกตัวสูงขึ้นเพียงเล็กน้อย พื้นที่หน้าตัดที่ความดันในระบบกระทำจะเพิ่มจาก 10 cm² เป็น 12.5 cm² ซึ่งจะทำให้ผลคูณระหว่างความดัน (10+ kg/cm²) กับพื้นที่หน้าตัดของวาล์ว (12.5 cm²) เพิ่มขึ้นเป็นกว่า 125 kg ซึ่งสูงกว่าน้ำหนักที่กดเอาไว้มาก วาลว์ก็จะเปิดตัวขึ้นอย่างรวดเร็วจนสุดเพื่อระบายความดันส่วนเกินในระบบออกไป

รูปที่ ๒ หลักการทำงานของวาล์วระบายความดันสำหรับแก๊ส

ที่นี้ถ้าความดันในระบบลดลงเหลือต่ำกว่า 10 kg/cm² เช่นลงมาเหลือแค่ 9 kg/cm² ผลคูณะหว่างความดัน (9 kg/cm²) กับพื้นที่หน้าตัดของวาล์ว (12.5 cm²) ก็จะเท่ากับ 112.5 kg ซึ่งยังคงมากกว่า 100 kg วาล์วก็จะยังคงไม่ปิด วาล์วจะเริ่มปิดตัวได้ก็ต่อเมื่อความดันในระบบลดลงเหลือ 8 kg/cm² ซึ่งเป็นค่าความดันที่ทำให้ผลคูณะหว่างความดัน (8 kg/cm²) กับพื้นที่หน้าตัดของวาล์ว (12.5 cm²) เท่ากับ 100 kg และทันทีที่ความดันในระบบลดลงต่ำกว่า 8 kg/cm² วาล์วก็จะปิดตัวลงทันที

ดังนั้นจากตัวอย่างข้างบนจะเห็นว่าในกรณีของวาล์วระบายความดันสำหรับแก๊สนั้น วาล์วจะเริ่มเปิดก็ต่อเมื่อความดันสูงเกินกว่า 10 kg/cm² แต่จะปิดก็ต่อเมื่อความดันในระบบต่ำกว่า 8 kg/cm² ซึ่งจะเห็นว่ามีความแตกต่างกันอยู่ ช่วงความดันนี้มีชื่อว่าช่วง blowdown

วาล์วระบายความดันนั้นแม้ว่าทางผู้ผลิตจะทำการปรับตั้งความดันตามที่ผู้ใช้กำหนดไว้ แต่ก็เป็นหน้าที่ของผู้ใช้ว่า "ต้องตรวจสอบ" ด้วยการอัดความดันว่าวาล์วทุกตัวว่าเปิดได้จริงตามความดันที่ผู้ผลิตกล่าวอ้าง สิ่งหนึ่งที่ต้องระวังคือปรกติแล้ววาล์วระบายความดันมักจะใช้สปริงในการกดให้วาล์วปิด (ไม่ได้ใช้น้ำหนักแบบที่แสดงในรูป) ความแข็งแรงของสปริงที่อุณหภูมิต่ำและอุณหภูมิสูงนั้นแตกต่างกัน โดยปรกติแล้วโลหะจะอ่อนตัวลงที่อุณหภูมิสูงทำให้แรงกดของสปริงลดลงได้เมื่อสปริงร้อนขึ้น ดังนั้นเวลาตั้งความดันที่จะให้วาล์วเปิดก็ต้องคำนึงถึงเรื่องนี้ด้วย เพราะปรกติการตั้งความดันวาล์วมักจะกระทำที่อุณหภูมิห้อง แต่ถ้าต้องนำวาล์วตัวนั้นไปใช้กับระบบที่มีอุณหภูมิสูงก็ต้องมีการเผื่อความดันเอาไว้ด้วย

การติดตั้งวาล์วระบายความดันนั้นจะติดตั้งให้วาล์วตั้งในแนวดิ่ง ในหลายแห่งนั้นจะใช้กฎที่ว่าท่อระหว่างตัววาล์วและภาชนะที่ต้องการระบายความดัน "ต้อง" ไม่มีวาล์วใดที่สามารถทำให้การไหลถูกปิดกั้นได้ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือต้องไม่มีการติดตั้งวาล์วใด ๆ เลย แต่การทำเช่นนี้อาจเกิดปัญหาได้ถ้าหากตัววาล์วระบายความดันเกิดการรั่วไหล ทำให้ไม่สามารถถอดออกมาซ่อมแซมได้เว้นแต่ต้องหยุดการเดินเครื่อง ดังนั้นจึงมีอีกกลุ่มหนึ่งที่พิจารณากฎการติดตั้งว่าท่อระหว่างวาล์วระบายความดันกับภาชนะที่ต้องการระบายความดัน "ต้องไม่มีโอกาส" ที่ภาชนะนั้นจะไม่ได้รับการป้องกันจากวาล์วระบายความดัน ซึ่งทำได้โดยการติดตั้งวาล์วระบายความดัน 2 ตัว และมีวาล์วควบคุมทิศทางการไหล ถ้าหมุนวาล์วควบคุมทิศทางการไหลนั้นให้เปิดในทิศทางหนึ่ง อีกทิศทางหนึ่งก็จะปิด ลักษณะเช่นนี้ก็ทำให้ภาชนะความดันนั้นได้รับการป้องกันจากวาล์วระบายความดันตลอดเวลาเช่นเดียวกัน (รูปที่ ๓)

รูปที่ ๓ รูปด้านซ้ายเป็นการติดตั้งวาล์วระบายความดันที่ไม่สามารถถอดออกมาซ่อมได้ถ้าเกิดการรั่วไหล เว้นแต่จะมีการหยุดเดินเครื่อง ส่วนรูปด้านขวาเป็นการติดตั้งวาล์วระบายความดันสองตัวโดยมีระบบวาล์วที่ทำให้ต้องมีวาล์วระบายความดันอย่างน้อยหนึ่งตัวปกป้องภาชนะเอาไว้ตลอดเวลา

ในกรณีที่คาดการณ์ว่าความดันในระบบอาจมีการเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็วได้นั้น (เช่นเกิดการระเบิดภายใน) วาล์วระบายความดันจะไม่สามารถระบายความดันที่เพิ่มขึ้นนี้ได้ทัน จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า rupture disc หรือ bursting disc ซึ่งมีลักษณะเป็นแผ่นโลหะบางสำหรับปิดกั้นระหว่างภายในภาชนะกับท่อระบายความดัน bursting disc นี้ออกแบบมาให้ฉีกขาดหรือแตกออก ณ ความดันที่กำหนดไว้ การระบายความดันของ bursting disc นั้นอาจระบายออกสู่บรรยากาศโดยตรง (ให้พุ่งขึ้นตรงไปข้างบน) เพราะการระบายออกสู่อากาศโดยตรงเป็นเส้นทางที่มีการต้านทานการไหลน้อยที่สุด ไม่เหมือนกับการระบายเข้าระบบ flare (ระบบเผาแก๊สทิ้ง) ของโรงงาน

รูปที่ ๔ Bursting disc รูปซ้ายเป็นรูปก่อนการฉีกขาด รูปขวาเป็นรูปหลังการฉีกขาดแล้ว⁽²⁾

หมายเหตุ

(1) Cyril F. Parry, "Relief Systems Handbook", Institute of Chemical Engineers, 1992.

(2) http://www.directindustry.com/prod/bs-b-safety-systems-llc/bursting-discs-61984-403736.html