วันศุกร์ที่ 6 พฤศจิกายน พ.ศ. 2552

GHSV หรือ WHSV MO Memoir : Friday 6 November 2552

ในการศึกษาการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์เคมีนั้น มีค่าพารามิเตอร์หนึ่งที่ถูกกล่าวถึงอยู่เสมอคือค่า GSHV ซึ่งย่อมาจาก Gas Hourly Space Velocity ถ้าเป็นของเหลวก็จะเรียกว่า Liquid Hourly Space Velocity แต่ในที่นี้จะกล่าวโดยยกตัวอย่างเป็นแก๊สเท่านั้น ซึ่งกรณีที่เป็นของเหลวก็จะเหมือนกัน ซึ่งค่านี้มีค่าเท่ากับ อัตราการไหลของแก๊ส (ปริมาตรต่อเวลา) หารด้วยปริมาตรของเครื่องดังสมการข้างล่าง

ประโยชน์ของการใช้ค่า GHSV คือในทางทฤษฎีแล้ว สำหรับปฏิกิริยาหนึ่งนั้น ถ้าทำปฏิกิริยาในเครื่องปฏิกรณ์ที่มีปริมาตรที่แตกต่างกัน และมีอัตราการไหลของแก๊สที่แตกต่างกัน แต่ถ้ามีค่า GHSV เท่ากันแล้ว เครื่องปฏิกรณ์ทั้งสองก็จะให้ค่า conversion ที่เหมือนกัน

แต่ในทางปฏิบัตินั้นอาจแตกต่างกันได้ถ้านำปัจจัยด้วย พฤติกรรมการไหล การถ่ายเทมวลสาร การถ่ายเทความร้อน เข้ามาพิจารณาร่วม เพราะเครื่องปฏิกรณ์ที่มีขนาดที่แตกต่างกันและการทำปฏิกิริยาที่อัตราการไหลที่แตกต่างกัน ก็สามารถส่งผลต่อค่า conversion ได้เช่นกัน

สำหรับกรณีของ Catalytic reactor นั้น จะว่าไปแล้วค่าที่เหมาะสมมากกว่าคือ WHSV ซึ่งย่อมาจาก Weight Hourly Space Velocity ซึ่งค่านี้มีค่าเท่ากับ อัตราการไหลของแก๊ส (ปริมาตรต่อเวลา) หารด้วยน้ำหนักของตัวเร่งปฏิกิริยาที่อยู่ในเครื่องปฏิกรณ์ดังสมการข้างล่าง

สาเหตุที่นำน้ำหนักตัวเร่งปฏิกิริยามาคิดก็เพราะ ในกรณีของ catalytic reaction นั้น ปฏิกิริยาจะเกิดได้ก็ต้องมีตัวเร่งปฏิกิริยา ดังนั้นไม่ว่าเครื่องปฏิกรณ์จะมีปริมาตรเท่าใดก็ตาม แต่ถ้าไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยาแล้วก็จะไม่มีปฏิกิริยาเกิดขึ้น เครื่องปฏิกรณ์ที่มีขนาดปริมาตรต่างกัน แต่ใส่ตัวเร่งปฏิกิริยาในปริมาณที่เท่ากัน ก็ควรจะให้ค่า conversion ที่เหมือนกัน (ปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยาในที่นี้ หมายถึงส่วนที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาตัวจริง เช่นเครื่องปฏิกรณ์หนึ่งใส่ตัวเร่งปฏิกิริยา x kg เป็น packing เพียงอย่างเดียว ส่วนเครื่องปฏิกรณ์อีกเครื่องหนึ่งใส่ตัวเร่งปฏิกิริยา x kg ร่วมกับ inert packing อีก y kg ก็ถือว่าเครื่องปฏิกรณ์ทั้งสองมีปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยาเท่ากัน แม้ว่าเครื่องปฏิกรณ์ตัวหลังจะมีปริมาตรของ packing มากกว่าของเครื่องปฏิกรณ์ตัวแรก)

ปัญหาที่มักเกิดขึ้นเสมอในการรายงานผลการทดลองคือ ทำการทดสอบตัวเร่งปฏิกิริยาในเครื่องปฏิกรณ์แบบ fixed-bed แต่รายงานภาวะการทำปฏิกิริยาเป็น GHSV ทั้งนี้อาจเป็นเพราะผู้ทำการทดลองคิดว่าทุกครั้งที่ใส่ตัวเร่งปฏิกิริยาลงไป ถ้าใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเท่าเดิม (กล่าวคือทุกครั้งใช้น้ำหนักเท่ากัน) ก็จะได้ปริมาตรของเบดเท่ากันทุกครั้ง

จะว่าไปแล้วความคิดดังกล่าวก็ไม่ได้ผิดอะไรนัก "ถ้าหากว่า" ตัวเร่งปฏิกิริยาแต่ละตัวที่ทำการทดสอบนั้นมีความหนาแน่นเท่ากัน เช่นคุณใช้ support ชนิดเดียวกันแต่มีปริมาณ active species ที่แตกต่างกัน โดยที่น้ำหนักของตัวเร่งปฏิกิริยาส่วนใหญ่เป็นน้ำหนักของ support แต่ถ้าคุณใช้ support ต่างชนิดกันที่มีความหนาแน่นแตกต่างกันก็ต้องระวัง เพราะที่ปริมาตรของเบดเท่ากัน ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ support ที่มีความหนาแน่นสูงกว่าจะมีน้ำหนักมากกว่า

โดยปรกติแล้วเมื่อเราเทของแข็งใส่ภาชนะนั้น ถ้าขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของภาชนะใหญ่กว่าขนาดอนุภาคของแข็งมากเพียงพอแล้ว จะไม่เกิดปัญหาการขัดตัวกันของของแข็ง (กล่าวคือของแข็งเกิดการขัดตัวกีดขวางกันเอง ไม่ตกลงสู่เบื้องล่าง ทำให้เกิดช่องว่างขึ้นในเบด) แต่ถ้าขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของภาชนะใหญ่กว่าขนาดอนุภาคของแข็งไม่มาก โอกาสที่ของแข็งจะเกิดการขัดตัวกันเองในขณะที่เทลงไปก็จะสูงขึ้น ดังนั้นแม้ว่าจะใส่ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีน้ำหนักที่เท่ากันลงไป เบดที่มีการขัดตัวกันของของแข็งก็จะมีปริมาตรมากกว่า (เพราะมีช่องว่างภายในเบด)

คุณสมบัติอย่างหนึ่งของเบดของแข็งคือเบดนั้นสามารถยุบตัวลงได้แม้ว่าจะไม่มีช่องว่างที่เกิดจากการขัดตัวกันเองก็ตาม เรื่องนี้ทดลองได้โดยการที่เราเทน้ำตาลหรือกาแฟลงในโถแก้วจนเต็ม จากนั้นทำการเคาะโถแก้วเบา ๆ เราก็จะเห็นระดับน้ำตาลหรือกาแฟยุบตัวลงไปได้อีกเพราะเบดเกิดการอัดตัวเพิ่มขึ้น จากตัวอย่างนี้จะเห็นได้ว่าการวัดปริมาตรของแข็งที่เป็นผงอนุภาคนั้นค่อนข้างจะมีปัญหา เพราะเราสามารถเทผงอนุภาคที่มีน้ำหนักเท่ากันลงสู่ภาชนะบรรจุโดยให้มีปริมาตรที่แตกต่างกันได้ โดยทำให้เบดของผงอนุภาคนั้นมีการอัดตัวที่แตกต่างกัน (WHSV คงเดิมแต่ GHSV มีได้หลายค่าแตกต่างกันได้) ดังนั้นในกรณีของการบรรจุผลอนุภาคนั้นการวัดน้ำหนักจะแน่นอนกว่าเพราะไม่ขึ้นกับการอัดตัวของเบด

ในกรณีของ catalytic reactor ที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เคลือบบนโมโนลิท (monolith) เช่นในกรณีของเรื่องปฏิกิรณ์กำจัด NOx นั้นจะใช้วิธีการวางเรียงโมโนลิทลงไปในเครื่องปฏิกรณ์ ไม่ได้ใช้วิธีเทลงไปดังเช่นกรณีของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นอนุภาค ปริมาตรของตัวเร่งปฏิกิริยาก็คือปริมาตรของโมโนลิทที่บรรจุเข้าไป เพราะโมโนลิทไม่สามารถอัดตัวได้ ดังนั้นในกรณีของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เคลือบลงบนโมโนลิท ที่ค่า WHSV (คิดจากน้ำหนักรวมของโมโนลิท) ใด ๆ ก็จะมีค่า GHSV ค่าเดียวเสมอ

ไม่มีความคิดเห็น: