ถังเก็บกรดอะคริลิก (Acrylic acid) ระเบิด (๒) MO Memoir : Tuesday 26 November 2567

บทความที่แล้วเล่าถึงการระเบิดของถัง (ที่ภาษาอังกฤษใช้คำว่า can หรือ drum) เก็บกรดอะคริลิกขนาด ๒๐๐ ลิตร ส่วนวันนี้จะเป็นกรณีของถัง (ที่ภาษาอังกฤษใช้คำว่า tank) ขนาด 70 m³ โดยยังคงเป็นเหตุการณ์ที่เกิดที่ประเทศญี่ปุ่นเช่นเดิม แต่เป็นที่เมือง Himeji เมื่อวันที่ ๒๙ กันยายน ค.ศ. ๒๐๑๒ (พ.ศ. ๒๕๕๕) ภาพความเสียหายเมื่อมองจากด้านบนเป็นดังแสดงในรูปที่ ๑ ข้างล่าง

รูปที่ ๑ ภาพความเสียหายหลังจากที่ถังเก็บกรดอะคริลิกเกิดการระเบิด (จากเอกสาร ๑)

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากเอกสาร ๓ ฉบับต่อไปนี้

เอกสาร ๑ "Explosion and fire on an acrylic acid tank at a chemical plant : 29th September 2012, Himeji Japan", เอกสารจัดทำโดย French Ministry for Sustainable Development เผยแพร่เมื่อตุลาคม ค.ศ. ๒๐๑๓

เอกสาร ๒ "Report on the overview of the accident : Explosion and fire at an acrylic acid production facility", จัดทำโดย The high pressure gas safety institute of Japan.

เอกสาร ๓ "Several small changes can add up to a big problem" จัดทำโดย Center for process safety ของ AIChE เผยแพร่เมื่อเดือนพฤศจิกายน ค.ศ. ๒๐๑๘ (พ.ศ. ๒๕๖๑)

แต่ก่อนอื่นเรามาลองดูคุณสมบัติางอย่างของกรดตัวนี้กันก่อน เพราะมันเกี่ยวข้องกับการเก็บรักษา

กรดอะคริลิกมีจุดหลอมเหลวที่ประมาณ 14ºC จุดเดือดที่ประมาณ 141ºC และจุดวาบไปที่ประมาณ 49ºC ด้วยการที่มันมีจุดเดือดที่สูง ทำให้สามารถเก็บในรูปของเหลวที่ความดันบรรยากาศได้

อุณหภูมิจุดหลอมเหลวที่ 14ºC นี้ถ้าอยู่ในภูมิภาคเขตร้อน (ที่ไม่มีฤดูหนาวหรืออุณหภูมิยากที่จะต่ำกว่านี้) ก็ไม่มีปัญหาใดในการจัดเก็บ แต่ถ้าเป็นเขตที่มีช่วงเวลาที่อุณหภูมิอากาศลดต่ำกว่านี้ต่อเนื่องเป็นเวลานาน ก็จำเป็นต้องมีการออกแบบระบบให้ความร้อนเพื่อให้สารเป็นของเหลว (จะได้ง่ายต่อการสูบจ่ายไปตามท่อ) และเพื่อป้องกันการสูญเสียความร้อนในช่วงฤดูหนาว ก็จำเป็นต้องมีการหุ้มฉนวนถังเก็บเอาไว้ด้วย (เรื่องนี้เป็นประเด็นที่จะกล่าวถึงอีกครั้งตอนเกิดเหตุ)

ในกรณีของไฮโดรคาร์บอนที่มีอุณหภูมิจุดวาบไฟสูงกว่าอุณหภูมิห้องแม้ว่าจะเป็นฤดูร้อนก็ตาม เราสามารถเก็บในถังเก็บที่ไม่จำเป็นต้องมีการใช้แก๊สไนโตรเจนปกคลุม (ที่เรียกว่า nitrogen blanketing หรือ tank blanketing คือการใช้แก๊สเฉื่อยเข้าแทนที่อากาศที่อยู่เหนือผิวของเหลว) แต่ถ้าสารนั้นมีความว่องไวกับออกซิเจนหรือความชื้นในอากาศ ก็จำเป็นต้องมีการใช้แก๊สเฉื่อยปกคลุม

กรดอะคริลิก ๒ โมเลกุลสามารถรวมตัวกันเกิดเป็นกรดไดอะคริลิก (diacrylic acid) ดังสมการที่ (1)

และในสภาวะที่เหมาะสม (เช่นมีตัวกระตุ้นหรืออุณหภูมิสูงพอ) จะเกิดเป็นพอลิเมอร์ได้ดังสมการที่ (2)

 

รูปที่ ๒ แผนผังกระบวนการผลิตกรดอะคริลิกและการทำให้บริสุทธิ์ (จากเอกสาร ๑)

รูปที่ ๒ เป็นแผนผังกระบวนการผลิตกรดอะคริลิกของโรงงานที่เกิดเหตุ การผลิตเริ่มจากการออกซิไดซ์โพรพิลีน (propylene H₃C-CH₂=CH) ด้วยออกซิเจนโดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาช่วย ผลิตภัณฑ์ที่ได้ประกอบด้วยกรดอะคริลิกและสารอื่นที่เกิดจากปฏิกิริยาข้างเคียง ซึ่งเมื่อนำผลิตภัณฑ์นี้เข้าสู่กระบวนการเพิ่มความบริสุทธิ์ก็จะได้ Crude acrylic acid (คือมีความบริสุทธิ์สูงมากขึ้น แต่ก็ยังไม่มากพอเนื่องจากมีสารอื่น (เช่น น้ำ และองค์ประกอบหนักตัวอื่น) ปะปนอยู่

Crude acrylic acid จะถูกส่งเข้าสูง Rectifying column เพื่อแยกออกเป็น Glacial acrylic acid (กรดบริสุทธิ์ที่ปราศจากน้ำและสิ่งปนเปื้อนอื่น) ที่เป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ สารที่เหลือค้างจากการแยก (ที่ยังมีกรดอะคริลิกหลงเหลืออยู่ในปริมาณที่มีนัยสำคัญ) จะถูกส่งต่อไปยัง Recovery column เพื่อแยกออกเป็น Crude acrylic acid (ที่สามารถวนกลับมาผลิตเป็น Glacial acrylic acid ได้อีก) และ Waste oil ที่ต้องกำจัดทิ้ง

กระบวนการของโรงงานที่เกิดเหตุ เดิมสารที่เหลือจากการแยกเอา Glacial acrylic acid ออกไปจะถูกส่งมายัง Intermediate tank (V-3138) ก่อน แล้วจึงค่อยสูบจาก Intermediate tank ตัวนี้ส่งไปยัง Recovery column แต่ต่อมามีการเปลี่ยนแปลงคือส่งจาก Rectivying column ไปยัง Recovery column ได้โดยตรงโดยไม่ต้องผ่าน Intermediate tank แต่ก็ยังคง Intermediate tank เอาไว้สำหรับการทำงานบางรูปแบบอยู่

บทบาทของ Intermediate tank คือการลดผลกระทบเมื่อหน่วยผลิตใดหน่วยผลิตหนึ่งมีปัญหา เข่นถ้า Recifying column มีปัญหา Recovery column ก็ยังทำงานเป็นปรกติได้จนกว่าสารที่สะสมใน Intermediate tank จะหมด และในทางกลับกันถ้า Recovery column มีปัญหา Rectifying column ก็ยังทำงานเป็นปรกติได้จนกว่า Intermediate tank เต็ม

รูปที่ ๓ แผนผังกระบวนการผลิตของโรงงานที่เกิดเหตุ (จากเอกสาร ๒)

ทีนี้มาลองไล่ดูลำดับเหตุการณ์ที่เกิด (จากเอกสาร ๒) โดยขอให้ดูรูปที่ ๓ ประกอบ โดยโรงงานนี้มี Rectifying column จำนวน ๕ หอ และ Recovery column อีก ๒ หอ ของเหลวที่ก้นหอ Rectifying column แต่ละหอสามารถส่งมาพักไว้ที่ Interdiate tank V-3138 ก่อน หรือส่งต่อไปยัง Recovery column โดยตรงเลยก็ได้

ช่วงระหว่างวันที่ ๑๘ ถึง ๒๐ กันยายน มีการตัดไฟฟ้าทั้งโรงงานเพื่อทำการซ่อมบำรุง

วันที่ ๒๐ กันยายน เวลาประมาณ ๒๑.๐๐ น เริ่มทำการเดินเครื่องใหม่อีกครั้ง ด้วยการเริ่มการทำงานของ Intermediate tank V-3138

วันที่ ๒๑ กันยายน ช่วงระหว่างเวลา ๑๑-๑๔ น เริ่มทำการป้อนของเหลวจาก V-3138 ไปยัง Recovery column T-6701 และเริ่มเดินเครื่อง T-6701 จากนั้นเริ่มทำการเดินเครื่อง Rectifying column T-6108 และส่งของเหลวจากก้นหอ T-6108 ตรงไปยัง T-6701

บทความไม่ได้บอกว่าของเหลวที่อยู่ใน V-3138 นั้นมาจากไหน แต่ในช่วงเวลานี้แสดงว่ามีการสูบของเหลวออกจาก V-3138 และ T-6701 ได้รับของเหลวที่ส่งมาจากทั้ง V-3138 และ T-6108

วันที่ ๒๔ กันยายน เวลาประมาณ ๑๐.๐๐ น เริ่มเดินเครื่อง Rectifying column T-5108 และที่เวลาประมาณ ๑๔.๑๐ น เริ่มทำการระบายของเหลวจากก้นหอ T-5108 ส่งไปยัง V-3138 เพื่อส่งต่อไปยัง T-6701 (ไม่ได้ส่งให้โดยตรงเหมือนกรณี T-6108)

วันที่ ๒๕ กันยายน เวลาประมาณ ๙.๓๐ น หยุดการป้อนของเหลวจาก V-3138 ไป T-6701 ทำให้ของเหลวเริ่มสะสมใน V-3138 (เพราะยังมีของเหลวจาก T-5108 ไหลเข้าอยู่)

วันที่ ๒๘ กันยายน เวลาประมาณ ๑๔.๐๐ น เมื่อระดับของเหลวใน V-3108 สูงถึง 60 m³ ก็หยุดการป้อนสารเข้า V-3108 ด้วยการส่งของเหลวจากก้นหอ T-5108 ไปยัง T-6701 โดยตรง (ดังนั้นช่วงเวลาจากนี้ไปจึงไม่มีการป้อนของเหลวเข้าหรือดึงของเหลวออกจาก V-3138)

วันที่ ๒๙ กันยายน เวลาประมาณ ๑๓.๑๗ น เกจวัดระดับของเหลวที่ V-3138 ส่งสัญญาณ "liquid high level alarm" หรือเตือนระดับของเหลวสูงเกิน

เวลาประมาณ ๑๓.๒๐ น พบเห็นควันลอยออกจากท่อ vent ของ V-3138

เวลาประมาณ ๑๓.๔๐ น โอเปอร์เรเตอร์เริ่มทำการฉีดน้ำลงไปบน V-3138

เวลาประมาณ ๑๓.๔๘ น เกจวัดระดับของเหลวที่ V-3138 อ่านค่าได้เกินค่าที่อุปกรณ์วัดสามารถอ่านได้ (84.8 m³)

เวลาประมาณ ๑๔.๓๕ น เกจวัดระดับของเหลวที่ V-3138 อ่านค่าได้ลดลงกระทันหันและส่งสัญญาณ "liquid level low alarm" หรือระดับของเหลวต่ำกว่าปรกติ V-3138 เกิดความเสียหายและเกิดการระเบิด ก่อให้เกิดเพลิงไหม้

วันที่ ๓๐ กันยายน เวลา ๑๕.๓๐ น เพลิงสงบ

ทีนี้เราลองมาดูว่าทำไมแม้ว่าไม่มีการส่งของเหลวไปยัง V-3138 แต่ทำไมระดับของเหลวใน V-3138 จึงเพิ่มได้

อุปกรณ์วัดระดับของเหลวมีหลายรูปแบบ สองรูปแบบหลักที่ใช้กันแพร่หลายเห็นจะได้แก่การวัดผลต่างความดันระหว่างความดันที่ก้นถังเก็บและความดันเหนือผิวของเหลว แต่วิธีการนี้จะให้ค่าที่ถูกต้องเมื่อ "ความหนาแน่น" ของเหลวนั้นคงที่และตรงกับค่าที่ปรับตั้งเอาไว้

รูปแบบที่สองคือการวัดระดับความสูงของของเหลวโดยตรง ที่อาจทำด้วยการใช้ลูกลอยหรือสวิตช์ที่จะทำงานเมื่อมีของเหลวสัมผัส

เมื่ออุณหภูมิของเหลวสูงขึ้น ความหนาแน่นจะลดลง ปริมาตรจะเพิ่มขึ้น (ด้วยเหตุนี้เวลาเติมน้ำใส่กระติกน้ำร้อนไฟฟ้า เขาจึงมีขีดบอกระดับสูงสุดที่ควรเติม) การวัดความดันจะไม่สามารถบ่งบอกระดับที่เปลี่ยนไปได้ แต่การวัดระดับโดยตรงจะมองเห็นเหตุการณ์นี้

ดังนั้นจึงเป็นไปได้ว่าเมื่อมีสัญญาณระดับสูงเกิน ของเหลวในถังนั้นกำลังร้อนมาก (หรือกำลังเดือด ???) ทำให้เห็นควันลอยออกมาทางช่อง vent

ส่วนการที่เห็นระดับของเหลวลดต่ำลงกระทันหันนั้นน่าจะเป็นผลจากการระเบิดของถัง ทำให้ของเหลวในถังนั้นเดือดกลายเป็นไอทันที (ตรงนี้มีประเด็นที่ต้องมาพิจารณาเหมือนกัน)

สภาพความเสียหายของถังเก็บพบว่าส่วนหลังคาถังฉีกขาดและปลิวออกไป และ "ส่วนลำตัวนั้นมีการฉีกขาดในแนวดิ่งและเปิดออกแบบบานหน้าต่าง" (ซึ่งไม่ใช่ลักษณะความเสียหายที่ควรเป็นของ atmospheric storage tank)

รูปที่ ๔ สถานะของ V-3138 เมื่อเริ่มเดินเครื่อง

ทีนี้เราลองมาดูการใช้งาน Intermediate tank V-3138 กันบ้าง ตรงนี้ดูรูปที่ ๔ ประกอบ

ของเหลวที่มาจาก Rectifing column จะไหลผ่านท่อที่มีการให้ความร้อน (เพื่อป้องกันไม่ให้กรดอะคริลิกแข็งตัวเมื่ออากาศเย็น) โดยเดิมนั้นให้ความร้อนด้วยน้ำร้อน ต่อมาเปลี่ยนเป็นใช้ไอน้ำ และต่อมาก็ยังมีการถอดเอา steam trap (ภาษาไทยเรียกกับดักไอน้ำ เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการระบายเอาน้ำที่เกิดจากการควบแน่นของไอน้ำในระบบออกไป โดยไม่ทำให้ไอน้ำในระบบรั่วไหลออกมา) ออกอีก ทำให้การควบคุมอุณหภูมิทำได้ไม่ดี (น้ำร้อนที่ใช้ให้ความร้อนจะมีอุณหภูมิต่ำกว่าไอน้ำ เรียกว่าไม่ถึง 100ºC ก็ได้ เพราะถ้าต้องการอุณหภูมิสูงกว่านั้นการใช้ไอน้ำก็จะดีกว่า)

ในเอกสาร ๓ กล่าวว่า ท่อนี้เดิมนั้นเป็นแบบ "jacketed" คือเป็นท่อซ้อนสองชั้น ที่มีน้ำร้อนไหลอยู่ระหว่างท่อชั้นนอกและท่อชั้นใน ต่อมาเปลี่ยนมาใช้ไอน้ำโดยไม่มีระบุว่าใช้ท่อแบบไหน ในขณะที่เอกสาร ๒ กล่าวถึงการใช้ไอน้ำให้ความร้อนให้ความร้อนแบบ "tracing" คือการใช้ท่อขนาดเล็ก (เช่นท่อทองแดง) พันไปรอบท่อขนาดใหญ่ และให้ไอน้ำไหลผ่านไปในท่อเล็กที่พันอยู่รอบท่อใหญ่นี้ แต่ไม่ว่าจะเป็นโดยวิธีไหนก็ตาม สิ่งที่ตามมาก็คือของเหลวที่ไหลเข้า V-3138 นั้นมีอุณหภูมิสูงกว่าเมื่อใช้น้ำร้อนเป็นแหล่งความร้อน และเอกสารนี้ยังกล่าวไว้อีกว่าถังใบนี้มีฉนวนความร้อนอยู่ทางด้านใน

ถังมีขดท่อน้ำหล่อเย็น (cooling coil) อยู่ทางด้านล่างของถัง เดิมนั้นมีการบรรจุของเหลวจนเต็มถัง เพื่อให้ของเหลวในถังมีอุณหภูมิสม่ำเสมอ จึงมีการไหลเวียนของเหลว (ที่เย็น) จากทางด้านล่าง (ด้วยปั๊ม P-3138C) ป้อนกลับไปทางด้านบน (ท่อ Recyle to top) แต่ต่อมามีการปรับการทำงานโดยให้ของเหลวจากก้นหอ Rectifying column ไหลตรงไปยัง Recovery column ได้โดยตรงโดยไม่ต้องผ่าน V-3138 ก่อน ทำให้ความจำเป็นในการเก็บของเหลวใน V-3138 ลดลง รูปแบบการทำงานเปลี่ยนเป็นให้บรรจุของเหลวได้ไม่เกิน 25 m³ (แค่พอท่วม cooling coil) และเปลี่ยนการไหลเวียนมาเป็นเข้าทางด้านล่าง ตรงจุดที่ใช้ในการติดตั้ง Level indicator (LI) รูปแบบการทำงานใหม่นี้ถูกนำมาใช้ในเดือนมกราคม ค.ศ. ๒๐๑๐ (พ.ศ. ๒๕๕๓) หรือประมาณ ๒ ปี ๘ เดือนก่อนการระเบิด

ถ้าอุณหภูมิสูงพอ กรดอะคริลิกสามารถเกิดการพอลิเมอร์ไรซ์กลายเป็นพอลิเมอร์ได้ ปฏิกิริยานี้คายความร้อนสูง ดังนั้นเพื่อป้องกันการเกิดปฏิกิริยาในระหว่างการจัดเก็บและการขนส่ง จึงต้องมีการเติมสารยับยั้ง (Inhibitor) บางชนิดลงไป และเนื่องจากการทำงานของสารยับยั้งนี้จะทำงานได้ดีขึ้นถ้าหากมีออกซิเจนละลายอยู่ในของเหลวด้วย (ออกซิเจนในอากาศที่ละลายเข้าไปในกรดอะคริลิกก็เป็นสารตัวหนึ่งที่ช่วยยับยั้งการเกิดปฏิกิริยา) ดังนั้นแก๊สที่ใช้ปกคลุมของเหลว (ในรูปที่ M-Gas) จึงเป็นแก๊สผสมที่ประกอบด้วยออกซิเจน 7% ที่เหลือเป็นไนโตรเจน (ความเข้มข้นต่ำสุดของออกซิเจนที่ยอมรับได้คือ 5%)

แต่สารยับยั้งนี้ไม่สามารถป้องกันการรวมตัวเป็นกรดไดอะคริลิก

รูปที่ ๕ สถานะของ V-3138 ขณะปฏิกิริยาเกิดการ runaway

ในวันที่เกิดเหตุนั้นถังมึกรดอะคริลิกบรรจุอยู่เต็ม (รูปที่ ๕) โดยของเหลวที่อยู่ทางด้านบนของถังมีอุณหภูมิสูงกว่าทางด้านล่าง และด้วยการที่ไม่มีการไหลเวียนของเหลวเย็นจากด้านล่างสู่ด้านบน ทำให้กรดอะคริลิกที่อยู่ทางด้านบนเกิดปฏิกิริยากลายเป็นกรดไดอะคริลิก การสอบสวนภายหลังพบว่าความร้อนที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยานี้มากพอที่จะสะสมจนทำให้เกิดปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์ตามมาภายหลัง

ประเด็นที่น่าบันทึกไว้หน่อยคือ ผู้ที่เกี่ยวข้อง (ไม่ว่าจะเป็นโอเปอร์เรเตอร์หรือผู้ที่ออกแบบวิธีการทำงานใหม่) ทราบความสำคัญของการ Recycle to top หรือไม่ และการ Recyle to top นั้นแตกต่างจาก Recycle to level gauge อย่างไร และเมื่อใดควรที่จะกลับไปใช้การ Recylcle to top สิ่งนี้มีการกล่าวไว้ในคู่มือการปฏิบัติงานหรือไม่

เมื่อโอเปอร์เรเตอร์พบเห็นหมอกควันรั่วไหลออกมาทางช่อง vent จึงได้ทำการฉีดน้ำหล่อเย็นถัง แต่ด้วยการที่ถังมีการหุ้มฉนวนกันความร้อนรั่วไหล (ซึ่งจำเป็นเวลาที่อากาศหนาว) อยู่ภายใน ทำให้การระบายความร้อนทำได้ไม่ดี ความร้อนที่เกิดขึ้นภายในทำให้กรดอะคริลิกในถังกลายเป็นไอมากขึ้น ความดันในถังจึงเพิ่มสูงขึ้น กรดที่อยู่ในถังกลายเป็นของเหลวที่มีอุณหภูมิสูงกว่าจุดเดือดที่ความดันบรรยากาศ ที่เวลาประมาณ ๑๔.๒๐ น ความดันในถังสูงถึง 2.5 bar ในขณะที่สารผสมในถังมีอุณหภูมิ 240ºC (ซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิจุดเดือดที่ความดันบรรยากาศ) ลำตัวถังก็เริ่มฉีกขาด การรั่วไหลของสารออกจากถังทำให้ความดันในถังลดลงทันที แต่การลดลงของความดันก็ทำให้ของเหลวในถังเดือดเป็นไอปริมาณมาก ถังเกิดการระเบิดเมื่อเวลาประมาณ ๑๔.๓๕ น โดยความดันตอนที่ถังระเบิดคือ 6 bar (แรงระเบิดประมาณไว้ที่ 3 kg TNT)

เมื่อถังระเบิดจากความดันสูงภายใน ของเหลวจึงกลายเป็นไอทันที และเกิดการลุกติดไฟทันที (ต้นตอของแหล่งพลังงานที่ทำให้เกิดการจุดระเบิดมีหลายแหล่งที่เป็นไปได้ ไม่สามารถระบุได้ว่าเกิดจากแหล่งได้) เป็นการระเบิดแบบที่เรียกว่า BLEVE หรือ Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion

มาตรฐาน API 650 Welded tanks for oil storage ที่ใช้ออกแบบถังเก็บน้ำมัน กำหนดความดันภายในสูงสุดไม่เกิน 0.17 bar ในกรณีของ atmospheric storage tank เมื่อความดันในถังสูงขึ้น (โดยที่ของเหลวยังไม่จำเป็นต้องเดือด) หลังคาถังจะปลิวออกแต่ลำตัวจะไม่ฉีกขาด ทำให้ของเหลวในถังไม่รั่วไหลออกมา และไม่สามารถทำให้เกิด BLEVE ได้

แต่ V-3138 นี้รับความดันได้ถึง 6 bar ก่อนการระเบิด แสดงว่า V-3138 คงได้รับการออกแบบมาเป็นถังที่สามารถรับความดันได้ในระดับหนึ่ง แต่ถูกนำมาใช้เก็บของเหลวที่ความดันบรรยากาศ

รูปที่ ๖ ภาพความเสียหายเมื่อมองจากทางด้านบน (จากเอกสาร ๑)

การระเบิดแบบ BLEVE ที่คุ้นเคยกันนั้นเกิดจากการที่ถังเก็บของเหลวภายใต้ความดันนั้นโดนไฟคลอกจากภายนอก พื้นผิวโลหะส่วนที่อยู่เหนือผิวของเหลวจะร้อนจัด ความแข็งแรงจะลดต่ำลงจนไม่สามารถทนต่อแรงดันภายในได้ ทำให้ถังฉีกขาดออกและปลดปล่อยของเหลวที่กลายเป็นไอนั้นให้พบกับเปลวเพลิงที่ไหม้อยู่ภายนอก กล่าวคือไอระเหยนั้นยังไม่มีเวลาที่จะผสมกับอากาศจนเป็นเนื้อเดียวกัน เปลวเพลิงที่เกิดขึ้นจะมีการแผ่รังสีความร้อนที่สูง ในกรณีของ BLEVE ขนาดใหญ่นั้นรังสีความร้อนที่แผ่ออกมาสามารถทำให้ผู้ที่อยู่ในบริเวณใกล้เคียง (ที่ไม่มีสิ่งกำบังรังสีความร้อน) เสียขีวิตได้ทันที

UVCE หรือ Unconfined Vapour Cloud Explosion นั้นแตกต่างออกไป ในรูปแบบนี้มีการรั่วไหลของไอเชื้อเพลิงปริมาณมากออกมาปกคลุมเป็นบริเวณกว้างและมีการผสมกับอากาศอย่างทั่วถึงก่อนที่จะเกิดการจุดระเบิด อันตรายสำคัญของ UVCE คือคลื่นแรงอัดของการระเบิดที่สามารถทำให้สิ่งก่อสร้างรอบข้างเกิดความเสียหายตามมาได้

ความแปลกของการระเบิดที่ Himeji นี้คือ การเกิด BLEVE จากความร้อนที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมีภายในถังเก็บ ไม่ใช่จากเพลิงภายนอกที่คลอกถังเก็บอยู่

ความรู้จากวิชาเคมีอินทรีย์ทำให้เรารู้ว่าสารที่เรากำลังทำงานอยู่ด้วยนั้นสามารถทำปฏิกิริยาใดได้บ้าง มีปัจจัยใดบ้างที่ช่วยส่งเสริมการเกิดหรือยับยั้งการเกิดปฏิกิริยาดังกล่าว ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการออกแบบกระบวนการ, หน่วยปฏิบัติการ, และขั้นตอนการทำงานต่าง ๆ ให้มีความปลอดภัยในการทำงาน ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการประกอบวิชาชีพของวิศวกรเคมี

ถังเก็บกรดอะคริลิก (Acrylic acid) ระเบิด (๑) MO Memoir : Thursday 21 November 2567

"We forget the lessons learned and the accident happens again. We need better training, by describing accidents first rather than principles, as accidents grab our attention, and we need discussion rather that lecturing, so that more is remembered. We need databases that can present relevant information without the user having to ask for it. Some actions that universities might take are discussed."

ข้อความในย่อหน้าข้างบนนำเป็นส่วนหนึ่งของบทคัดย่อในบทความเรื่อง "Improving safety performance in the new millennium and the role of universities" เขียนโดย Prof. T.A. Kletz เผยแพร่ในเว็บของ Mary Kay O'Connor Process Safety Center เมื่อปีค.ศ. ๒๐๐๐ (พ.ศ. ๒๕๔๓) Prof. Kletz จัดได้ว่าเป็นผู้งบุกเบิกงานด้าน Process Safety ในอุตสาหกรรมเคมี และบ่อยครั้งที่ท่านกล่าวไว้ในบทความของท่านด้วยข้อความทำนองว่า "ถ้าเราไม่เรียนรู้ความผิดผิดพลาดในอดีต เราก็จะทำมันซ้ำอีก"

อย่างเช่นกรณีการระเบิดของถังเก็บกรดอะคริลิก (Acrylic acid) ขนาด ๒๐๐ ลิตร ๓ เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้ ต่างเป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในประเทศญี่ปุ่นในช่วงเวลา ๓๐ ปี แต่สิ่งหนึ่งที่เหมือนกันก็คือวิธีการทำงานที่นำไปสู่การระเบิด แต่ก่อนที่จะเข้าสู่เรื่องดังกล่าว เรามาทำความรู้จักกับกรดอะคริลิกก่อนดีกว่า

กรดอะคริลิก (H₂C=CH-COOH) เป็นกรดอินทรีย์ที่มึควาไม่อิ่มตัว (คือพันธะ C=C) กรดนี้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตพอลิอะคริลิกแอซิค (poly acrylic acid) จุดเด่นของพอลิเมอร์ตัวนี้คือการที่มันมีหมู่ที่มีความเป็นขั้วที่แรง (หมู่ -COOH) ทำให้มันจับน้ำได้ดีไม่ปล่อยให้น้ำที่จับเอาไว้หลุดรอดออกมาได้ง่าย จึงมีการนำไปใช้เป็นสารดูดซับน้ำที่ใช้ในผ้าอ้อมสำเร็จรูปต่าง ๆ (ทั้งที่ใช้กับเด็กและผู้ใหญ่)

กรดอะคริลิกมีจุดหลอมเหลวที่ 14ºC ดังนั้นในช่วงเวลาที่อากาศเย็น กรดอะคริลิกก็จะกลายเป็นของแข็งในภาชนะบรรจุได้ ทำให้จำเป็นต้องให้ความร้อนเพื่อให้หลอมเหลวจึงจะถ่ายออกจากภาชนะบรรจุได้

กรดอะคริลิก ๒ โมเลกุลสามารถรวมตัวกันเกิดเป็นกรดไดอะคริลิก (diacrylic acid) ดังสมการที่ (1)

และในสภาวะที่เหมาะสม (เช่นมีตัวกระตุ้นหรืออุณหภูมิสูงพอ) จะเกิดเป็นพอลิเมอร์ได้ดังสมการที่ (2)

 

ทั้งสองปฏิกิริยาเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน โดยปฏิกิริยาที่ (1) เกิดได้ง่ายกว่าปฏิกิริยาที่ (2) แต่มีการคายความร้อนต่ำกว่า ปฏิกิริยาที่ (2) แม้ว่าจะเกิดยากกว่า แต่เมื่อเกิดแล้วยากที่จุดหยุด และด้วยการที่เป็นปฏิกิริยาคายความร้อนจึงสามารถเร่งตนเองได้ เพราะความร้อนที่คายออกมาจากปฏิกิริยาทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาจึงเพิ่มขึ้น ทำให้อัตราการคายความร้อนเพิ่มตามไปด้วย ด้วยเหตุนี้จึงต้องมีการเติมสารยับยั้ง (Inhibitor) บางชนิดเข้าไปเพื่อป้องกันการเกิดปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์

แต่สารยับยั้งนี้ไม่ป้องกันการเกิดปฏิกิริยาที่ (1)

เรื่องที่ ๑ ถังเก็บกรดอะคริลิกระเบิดหลังทำการหลอมเหลวกรดในถังบางส่วน

เรื่องนี้นำมาจากบทความเรื่อง "Explosion of acrylic acid under storage in a drum can after partial melting." (https://www.shippai.org/fkd/en/cfen/CC1000126.html) เป็นเหตุการณ์ที่เกิดที่เมื่อ Yokohama ประเทศญี่ปุ่น เมื่อวันที่ ๑๙ มกราคม ค.ศ. ๑๙๖๙ (พ.ศ. ๒๕๑๒) ซึ่งเป็นช่วงฤดูหนาวของประเทศญี่ปุ่น

รูปที่ ๑ ภาพรวมของเหตุการณ์ที่เกิด

กรดอะคริลิกถูกเก็บไว้ในถังเหล็กกล้าไร้สนิมขนาด ๒๐๐ ลิตร ความดันในถังทำให้ส่วนฝาถังปลิวออก ตามด้วยกรดในถังที่พุ่งออกมาก่อนที่จะเกิดการระเบิด (จากกลุ่มหมอกที่เกิดจากกรดประมาณ ๑๐๐ ลิตร) ทำให้อาคารโรงงานความสูง ๔ ชั้นพังลงมา

การสอบสวนพบว่าก่อนหน้านั้นประมาณหนึ่งเดือน โรงงานได้รับถังใส่กรดอะคริลิกดังกล่าวมาจำนวน ๕ ถัง แต่กรดในถังแข็งตัวเนื่องจากอากาศหนาวเย็น เพื่อที่จะนำกรดมาใช้งานจึงนำถังใบหนึ่งมาให้ความร้อนด้วยฮีทเตอร์ไฟฟ้าแบบแผ่นขนาด 100 V, 750 W เพื่อให้กรดอะคริลิกบางส่วนกลายเป็นของเหลว และใช้ปั๊มมือทำจากพลาสติกสูบออกมา การทำงานนี้ได้มีการกระทำหลายครั้ง การระเบิดเกิดขึ้นในวันที่สามหลังจากที่ได้ปิดฮีทเตอร์และปิดฝาถังเอาไว้

สาเหตุของการระเบิดเชื่อว่าเกิดจากรูปแบบการหลอมกรดที่แข็งตัวในถัง กล่าวคือความร้อนที่ให้นั้นทำให้กรดเพียงบางส่วนหลอมเหลว จากนั้นโอเปอร์เรเตอร์ก็ทำการสูบเฉพาะส่วนที่หลอมเหลวออกมา แล้วปล่อยให้ส่วนที่เหลือนั้นเย็นลงเป็นของแข็งตามเดิม

แต่ด้วยการที่สารยับยั้งการเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรซ์นั้นหลอมเหลวได้ง่ายกว่า ดังนั้นในการหลอมเหลวแต่ละครั้งจึงทำให้สารยับยั้งการเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรซ์ละลายออกไปกับกรดที่สูบออกไปมากขึ้น ความเข้มข้นที่เหลืออยู่ในถังจึงลดต่ำลงจนไม่สามารถหยุดปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรซ์ได้ ดังนั้นเมื่อปฏิกิริยาเกิดขึ้น ปฏิกิริยาจึงสามารถดำเนินไปข้างหน้าและคายความร้อนออกมาได้เรื่อย ๆ ความร้อนที่คายออกมาทำให้ปฏิกิริยาเกิดเร็วขึ้นอีก ซึ่งเป็นการเร่งการเกิด ทำให้ความดันในถังสูงขึ้นจนฝาถังปลิวออกและการระเบิดตามมา

แต่ตรงประเด็นการที่สารยับยั้งละลายออกมาได้มากกว่ากรดนี้ บทความกล่าวว่าความรู้นี้อาจยังไม่เป็นที่เข้าใจกัน ณ เวลานั้น (คือค่อยมารู้กันทีหลัง ดังนั้นอย่าเพิ่งไปกล่าวโทษวิธีการการทำงานว่าทำไมจึงทำแบบผิด ๆ)

การป้องกันที่บทความแนะนำคือให้ทำการหลอมเหลวกรดในถังให้สมบูรณ์ก่อนที่จะทำการสูบออกมา จึงจะทำให้มั่นใจว่าความเข้มข้นของสารยับยั้งการเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรซ์ที่เหลืออยู่ในถังจะยังคงเดิม

เรื่องที่ ๒ ถังเก็บกรดอะคริลิกระเบิดในระหว่างการให้ความร้อนด้วยการฉีดพ่นไอน้ำโดยตรง

เรื่องนี้นำมาจากบทความเรื่อง "Explosion of an acrylic acid monomer in a drum can during heating due to direct blowing of steam." (https://www.shippai.org/fkd/en/cfen/CC1200110.html) เป็นเหตุการณ์ที่เกิดที่เมื่อ Ichihara ประเทศญี่ปุ่น เมื่อวันที่ ๒๔ กุมภาพันธ์ ค.ศ. ๑๙๘๑ (พ.ศ. ๒๕๒๔) ซึ่งยังคงอยู่ในเป็นช่วงฤดูหนาวของประเทศญี่ปุ่น

รูปที่ ๒ ภาพรวมของเหตุการณ์ที่เกิด

ในเหตุการณ์นี้ในเวลาประมาณ ๒๑.๐๐ น โอเปอร์เรเตอร์นำถังเก็บกรดอะคริลิกซึ่งเป็นถังเหล็กกล้าไร้สนิมขนาด ๒๐๐ ลิตรจำนวน ๒ ถังมาปิดคลุมด้วยแผ่นกันไฟแล้วทำการฉีดพ่นด้วยไอน้ำเพื่อป้องกันไม่ให้กรดอะคริลิกในถังแข็งตัว การเปลี่ยนกะทำงานเกิดขึ้น ณ เวลา ๒๒.๐๐ น และการตรวจสอบ ณ เวลา ๒๒.๓๐ น ก็ยังไม่พบสิ่งผิดปรกติ (การตรวจสอบตรงนี้เข้าใจว่าเป็นการทำงานปรกติหลังการเปลี่ยนกะ ซึ่งทีมใหม่ที่เข้ามารับหน้าที่ต้องมีการเดินตรวจสอบความเรียบร้อย)

เวลาประมาณ ๒๓.๓๖ น ความดันในถังใบหนึ่งทำให้ถังเกิดการระเบิด ตามด้วยการระเบิดและเพลิงไหม้ของไอกรดที่กระจายตัวออกมา หลังจากนั้นประมาณ ๑๐ นาทีก็เกิดการระเบิดของถังใบที่สอง แรงระเบิดทำให้หน้าต่างบางบานของสถานีตำรวจที่อยู่ห่างออกไปจากจุดเกิดเหตุ ๑๒๐ เมตรนั้นได้รับความเสียหาย

การสอบสวนพบว่าปรกติการให้ความร้อนกระทำโดยใช้ heating pad ที่ได้รับความร้อนจากขดท่อไอน้ำ (heating pad ทำหน้าที่ช่วยกระจายความร้อนของไอน้ำและส่งต่อไปยังลำตัวถังเก็บกรด และอุณหภูมิของ heating pad น่าจะต่ำกว่าอุณหภูมิไอน้ำ) แต่ในวันเกิดเหตุโอเปอร์เรเตอร์คิดว่าสามารถทำการให้ความร้อนด้วยการฉีดพ่นไอน้ำโดยตรงได้ อุณหภูมิที่ถังเก็บกรดได้รับนั้นสูงกว่าที่ได้รับผ่าน heating pad และทำให้เกิดปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์ของกรดในถังได้ นอกจากนี้ยังมีความเป็นไปได้ว่าโอเปอร์เรเตอร์ไม่ได้รับการฝึกอบรมให้มีความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับอันตรายของการที่กรดอะคริลิกเกิดการพอลิเมอร์ไรซ์ได้เอง

ในบทความนี้ยังได้กล่าวถึงเหตุการณ์ที่คล้ายคลึงกัน (ไม่มีการระบุวันเวลาและสถานที่เกิดเหตุ) คือมีการให้ความร้อนแก่ถังเก็บกรดอะคริลิกขนาด ๒๐๐ ลิตรด้วยไอน้ำ แต่ว่าท่อไอน้ำมีการสัมผัสกับถังเก็บกรดโดยตรง ทำให้บริเวณจุดสัมผัสมีอุณหภูมิสูงกว่าบริเวณอื่นจนทำให้กรดอะคริลิกตรงบริเวณนั้นเกิดปฏิกิริยาและคายความร้อนออกมา ซึ่งนำไปสู่การระเบิดของถังเก็บกรด

เรื่องที่ ๓ ถังเก็บกรดอะคริลิกระเบิดจากการสัมผัสกับท่อไอน้ำโดยตรง

เรื่องนี้นำมาจากบทความเรื่อง "Explosion of acrylic acid in the drum can in the heating cabinet for dissolution." (https://www.shippai.org/fkd/en/cfen/CC1200102.html) เป็นเหตุการณ์ที่เกิดที่เมื่อ Kakogawa ประเทศญี่ปุ่น เมื่อวันที่ ๖ มีนาคม ค.ศ. ๑๙๙๘ (พ.ศ. ๒๕๔๑) ซึ่งก็ยังคงเป็นช่วงที่อากาศเย็นอยู่

รูปที่ ๓ ภาพรวมของเหตุการณ์ที่เกิด

ในเหตุการณ์นี้มีการนำเอาถังบรรจุกรดอะคริลิกจำนวน ๓ ถังไปใส่ในตู้อบเพื่อทำการหลอมเหลวกรดอะคริลิก เมื่อสังเกตเห็นว่าถังใบหนึ่งบวมผิดปรกติจึงจะนำออกมา แต่ในเวลานั้นเองก็มีแก๊สฉีดพุ่งออกมา จึงได้ทำการฉีดน้ำรดไปที่ถัง แต่ถังก็เกิดการระเบิดขณะที่ฉีดน้ำ

การตรวจสอบพบว่าถังใบดังกล่าวถูกวางสัมผัสกับท่อไอน้ำโดยตรง ทำให้บริเวณจุดสัมผัสนั้นมีอุณหภูมิสูงจนทำให้เกิดปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์ได้ ความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมาทำให้กรดบางส่วนระเหยกลายเป็นไอ (จุดเดือดของกรดอะคริลิกอยู่ที่ประมาณ 141ºC และมีจุดวาบไฟที่ประมาณ 49.4ºC)

Safety Data Sheet ของบริษัท Arkema ให้ข้อมูลเอาไว้ว่า ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอของกรดอะคริลิกมีค่า 621 kJ/kg ในขณะที่ความร้อนที่ปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์คายออกมามีค่า 1074 kJ/kg หรือประมาณ 1.7 เท่าของความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ และยังกล่าวไว้ว่าในกรณีที่กรดเกิดการแข็งตัวและต้องการหลอมเหลว ให้ละลายที่อุณหภูมิ 25ºC และทำการกวนผสมไปด้วยกัน เพื่อป้องกันไม่เกิดจุดร้อนเฉพาะที่ที่สามารถนำไปสู่การเกิดปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์ได้

เรื่องนี้คล้ายกับเรื่องที่ผู้เขียนเรื่องที่ ๒ กล่าวไว้ในตอนท้าย ที่ว่าถังบรรจุกรดมีการสัมผัสกับท่อไอน้ำโดยตรง ซึ่งอาจเป็นไปได้ว่าเรื่องที่ ๒ นั้นเขียนเผยแพร่หลังจากเกิดเรื่องที่ ๓ แล้ว