การสกัดเอทานอลด้วยตัวทำละลายในเบดนิ่ง (Solvent extraction of ethanol from a packed-bed) MO Memoir : Wednesday 22 August 2555

Memoir ฉบับนี้เป็นการนำเสนอการทดลองการสกัดเอทานอลด้วยตัวทำละลายในเบดนิ่งเพื่อทำประชาพิจารณ์ โดยมีรายละเอียดการทดลองพร้อมภาพชุดทดลองประกอบ คาดว่าถ้ามีการปรับหลักสูตรอีกครั้งจะลองเสนอให้แทรกการทดลองดังกล่าวลงไปในวิชาปฏิบัติการเฉพาะหน่วย (ไม่รู้ว่าจะผ่านความเห็นชอบหรือเปล่า)

การไหลของของเหลว/แก๊สผ่านชั้นของแข็งที่มีรูพรุน เป็นปรากฏการณ์หนึ่งที่พบได้ทั่วไปในในโรงงานอุตสาหกรรมและการขุดเจาะน้ำมัน แก๊สธรรมชาติ และน้ำบาดาล

ในโรงงานอุตสาหกรรมนั้นเหตุการณ์นี้คือสิ่งที่เกิดขึ้นใน packed bed และ packed column ต่าง ๆ โดยของไหลที่ไหลผ่านเบดเหล่านั้นอาจเป็นเพียงแค่ แก๊ส หรือของเหลว หรือมีทั้งแก๊สและของเหลวอยู่ด้วยกัน (กรณีของ trickle-bed reactor) ส่วนในวงการขุดเจาะน้ำมันนั้นคือสิ่งที่เกิดขึ้นภายในหลุมขุดเจาะ ที่แก๊ส น้ำมัน น้ำ ที่อยู่ใต้ดินต้องซึมผ่านชั้นหิน/ทรายออกมายังบ่อที่เจาะเอาไว้ ก่อนที่จะทำการสูบขึ้นมา

สมการที่ใช้ในการคำนวณค่าความดันลดของการไหลผ่านเบดเหล่านี้ก็มี Ergun equation และ Kozeny-Carman equation

McCabe และคณะ (1985)^(๑) ให้สมการ Ergun equation ในรูปที่มีค่าความเป็นทรงกลม (sphericity) ปรากฏร่วมอยู่ในสมการ แต่สมการที่ให้นั้นเป็นรูปแบบเก่าคือมีค่า g_c (ใครที่ได้เคยเรียนหน่วยระบบอังกฤษคงเคยปวดหัวกับค่านี้มาแล้ว) ปรากฏอยู่ด้วย และในส่วนของ Kozeny-Carman equation ได้ระบุไว้ว่าสมการดังกล่าวใช้ได้กับการไหลแบบ lamina เมื่อค่า Reynolds number มีค่าประมาณไม่เกิน 1.0

 

ส่วน Bird และคณะ (1960)^(๒) กล่าวไว้ว่า Ergun equation นั้นใช้ได้ดีกับแก๊สโดยใช้ค่าความหนาแน่นเฉลี่ย (ค่าเฉลี่ยเลขคณิต) ที่ความดันที่ปลายสองข้างของเบด

 

สมการทั้งสองมีหน้าตาดังแสดงข้างล่าง ส่วนนิยามของแต่ละเทอมนั้นคืออะไรขอความกรุณาไปค้นเอาเอง (ดูใน wikipedia ก็ได้ มีทั้งสมการและนิยามของเทอมต่าง ๆ เรียบร้อย แม้ว่ารูปแบบสมการจะดูแตกต่างกันไป แต่เป็นสมการเดียวกัน)

หมายเหตุ

^(๑) McCabe W.L., Smith, J.C., and Harriott, P., "Unit operations of chemical engineering 4th ed.", McGraw Hill, 1985. (หน้า 137-138 ในหนังสือ)

^(๒) Bird, R.B., Stewart, W.E., and Lightfoot, E.N., "Transport phenomena", John Wiley & Son, 1960. (หน้า 200 ในหนังสือ)

ตอนนี้เราก็ได้ทบทวนความรู้เกี่ยวกับเบดนิ่งไปบ้างแล้ว ต่อไปก็จะเป็นการแนะนำอุปกรณ์ วิธีการทดลอง และรายงานผลการทดลอง “การสกัดเอทานอลด้วยตัวทำละลายในเบดนิ่ง”

๑. อุปกรณ์และชุดทดลอง

"อุ" เป็นเครื่องดื่มชนิดหนึ่งของชนท้องถิ่นในภูมิภาคนี้ (ของประเทศไทยน่าจะเป็นช่วงบริเวณภาคเหนือต่อกับทางภาคอีสาน) เรียกให้เข้าใจง่าย ๆ ก็คือ "เหล้าพื้นบ้าน" นั่นเอง

ลักษณะที่ถูกต้องของมันนั้นต้องมาในรูปของ "ไห" ปิดฝามาเรียบร้อย (ที่ผมได้มาเขาปิดพลาสติกก่อน แล้วใช้ปูนซีเมนต์โบกทับอีกที) ส่วนไหจะมีขนานไหนนั้นไม่ได้มีการกำหนด

ไหที่แสดงในรูปข้างล่างผมได้มาเมื่อเดือนที่แล้ว (ของฝากจากคนกลับเยี่ยมบ้านที่ปากช่อง) ก่อนเข้าพรรษา แต่เพิ่งจะมาได้โอกาสเปิดดื่มเมื่อวันเสาร์ที่ผ่านมาหลังผ่านวันเข้าพรรษาไปแล้ว (วันนั้นมีคนบอกว่า เข้าพรรษาให้งดกินเหล้า ค่อยกินใหม่ตอนออกพรรษา แสดงว่าในหนึ่งปีกินเหล้า ๙ เดือน ไม่กิน ๓ เดือน แต่ถ้าเปลี่ยนเป็นออกพรรษาไม่กินเหล้า ค่อยกินใหม่ตอนเข้าพรรษา แสดงว่าในหนึ่งปีกินเหล้า ๓ เดือน ไม่กิน ๙ เดือน น่าจะเป็นการดีกว่า)

รูปที่ ๑ ไหอุที่เป็นต้นเรื่องในวันนี้ มาพร้อมกับไม้ซางสำหรับดื่มอีก ๒ อัน

ไหอุที่ได้มานั้นใส่มาในชะลอมสานจากพลาสติกเรียบร้อย หิ้วไปไหนมาไหนได้สะดวก แถมเหน็บไม้ซางได้ด้วย (สิ่งสำคัญสำหรับการบริโภคที่ขาดไม่ได้) ผมลองเอามาถามใครต่อใครหลายคนในแลป ปรากฏว่าส่วนใหญ่ไม่รู้จักกัน พอเห็นไหก็มักจะบอกว่าปลาร้าทุกที

สำหรับการทดลองในกลุ่มที่มีสมาชิก ๓-๔ คน ขนาดของไหในภาพที่สูงประมาณ 20 เซนติเมตรนั้นก็เพียงพอแล้ว

๒. วิธีการทดลอง

การบริโภคนั้นเริ่มจากเปิดฝา จะเห็นแกลบอยู่ข้างใน ตอนแรกนึกว่ามีน้ำบรรจุอยู่แล้ว แต่ปรากฏว่าไม่มีน้ำบรรจุอยู่ ก็เลยต้องเทน้ำลงไปให้มันซึมผ่านชั้นแกลบนั้น (น้ำที่เทจะเป็นน้ำอะไรก็ได้ที่สามารถบริโภคได้ จะเป็น น้ำเปล่า น้ำแร่ น้ำอัดลม เหล้าขาว ไวน์ เบียร์ ฯลฯ ได้ทั้งนั้น ขั้นตอนนี้เป็นขั้นตอนการสกัด) ในวันนั้นผมทดลองใช้น้ำแร่ (ที่ได้เป็นของแถมจากการเติมน้ำมัน) จากขนาดไหที่เห็นในภาพปรากฏว่าเติมน้ำเข้าไปได้ราว ๆ สามในสี่ลิตร

การเทนั้นต้องค่อย ๆ เท เพราะน้ำต้องใช้เวลาซึม (ผ่านชั้นของแข็งมีพรุน) น้ำที่เทเข้าไปนั้นจะเข้าไปละลาย/สกัดสารที่บรรจุอยู่ในไหอุ (มีอะไรบ้างผมก็ไม่รู้เหมือนกัน) หลังจากเทลงไปจนเต็มแล้วก็ให้รอสักพัก เพื่อให้น้ำนั้นละลายสารที่บรรจุอยู่ในไหออกมา

จากนั้นก็เริ่มการเก็บตัวอย่าง (บริโภค) ได้เลย

ตรงนี้เราอาจทดลองปรับเปลี่ยนพารามิเตอร์ต่าง ๆ ที่ใช้ในการทดลอง เช่น

- เปลี่ยนชนิดตัวทำละลายที่ใช้ในการสกัด เช่นจากน้ำแร่ เป็น น้ำเปล่า เบียร์ ไวน์ เหล้าขาว ฯลฯ

- เปลี่ยนอัตราการเทตัวทำละลาย เช่น เทช้า เทเร็ว เทต่อเนื่อง เทเป็นชุด ๆ ฯลฯ

- เปลี่ยนรูปแบบการเทตัวทำละลาย เช่น เทที่ตำแหน่งเดิม เทวนไปรอบ ๆ ปากไห เป็นต้น

๓. การเก็บตัวอย่าง

การดื่มอุนั้นต้องใช้ไม้ซางปักลงไปให้ถึงก้นไห ใช้หลอดกาแฟไม่ได้เพราะมันไม่สามารถแทงผ่านแกลบได้ ไม้ซางที่ใช้นั้นปลายด้านหนึ่งจะตัดเปิด ด้านนี้เป็นด้านดูด ส่วนปลายอีกด้านหนึ่งจะตัดเอาข้อเอาไว้ และเจาะรูเล็ก ๆ รูหนึ่งทางด้านข้างแทน ด้านที่มีข้อเหลือนี้เป็นด้านปัก (ดูรูปที่ ๒) เหตุที่ต้องเหลือข้อและเจาะรูด้านข้างก็เพื่อเวลาที่แทงลงไปในไห จะได้ไม่มีแกลบเข้ามาอุดตันไม้ซางได้ ซึ่งทำให้เสียความรู้สึกในการบริโภคได้มาก

รูปที่ ๒ ไม้ซางที่ใช้สำหรับบริโภค "อุ" รูปซ้ายเป็นปลายด้านดูด รูปขวาเป็นปลายด้านปัก จะเห็นรูที่เจาะไว้ด้านข้าง

พอดูดไปสักพักน้ำที่อยู่บริเวณรอบ ๆ ปลายไม้ซางก็จะหมด (ดูดต่อไม่ได้) ต้องรอสักพักให้น้ำมันไหลเข้ามาท่วมบริเวณนั้นก่อน จึงจะดูดต่อได้อีก บางทีก็ต้องช่วยด้วยการ "กระซวก" (ดึงไม้ซางขึ้นและปักลงไปใหม่) ทำให้บริเวณรอบ ๆ ไม้ซางมีที่ว่างมากขึ้น จะได้สะสมของเหลวได้มากขึ้น

หลังจากที่ดูดจนน้ำแรกหมดแล้ว (หรือไม่ต้องหมดก็ได้) ก็สามารถเทตัวทำละลายเพิ่มเติมลงไปได้อีก จำนวนครั้งการเทตัวทำละลายเพิ่มเติมลงไปนั้นขึ้นอยู่กับว่ายังมีรสชาติเหลืออยู่หรือเปล่า ถ้าไม่มีรสชาติเหลือแล้ว (เหลือแต่รสชาติตัวทำละลาย) ก็แสดงว่าทำการสกัดเอทานอลจากเบดจนหมดสิ้นแล้ว ตัวทำละลายที่เติมลงไปเพิ่มแต่ละครั้งไม่จำเป็นต้องเหมือนครั้งก่อนหน้า จะเป็นตัวทำละลายอะไรก็ได้ที่สามารถบริโภคได้อย่างปลอดภัย

ปรกติเวลาที่เราใช้หลอดกาแฟดูดน้ำจากแก้วหรือขวดน้ำนั้น การดูดของเราจะทำให้เกิดสุญญาศในหลอด ความดันอากาศภายนอกที่อยู่เหนือผิวของเหลว (ซึ่งเท่ากับความดันบรรยากาศและคงที่เสมอ) จะดันของเหลวเข้าไปในหลอดได้อย่างต่อเนื่อง ทำให้เราดูดของเหลวได้ต่อเนื่อง แต่การดูดสารสกัดผ่านชั้นเบดนิ่งนี้ การดูดของเราไม่เพียงแต่จะดึงเอาของเหลวเข้ามาในท่อดูด แต่ยังทำให้เกิดสุญญากาศขึ้นบางส่วนที่ปลายไม้ซางด้วย เพราะของเหลวต้องใช้เวลามากขึ้นในการไหลซึมไปที่ปลายท่อดูดเนื่องจากต้องค่อย ๆ ซึมผ่านช่องว่างระหว่าง packing ที่บรรจุอยู่ในเบด (ตรงนี้แนะนำให้อ่าน Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๒๘ วันพฤหัสบดีที่ ๔ มีนาคม ๒๕๕๓ เรื่อง “ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ (ตอนที่ ๘) Net Positive Suction Head (NPSH)” ประกอบด้วย)

ในส่วนนี้เราสามารถทดลองปรับเปลี่ยนวิธีเก็บตัวอย่างได้หลายอย่างเช่น

- เปลี่ยนขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของอุปกรณ์ที่ใช้เก็บตัวอย่าง

- เปลี่ยนขนาดรูที่ปลายท่ออุปกรณ์ที่ใช้เก็บตัวอย่าง

- เปลี่ยนจำนวนรูที่ปลายท่ออุปกรณ์ที่ใช้เก็บตัวอย่าง

- เปลี่ยนตำแหน่งเก็บตัวอย่างเพื่อดูความสม่ำเสมอของสารสกัด

- เปลี่ยนเวลาการเก็บตัวอย่าเพื่อดูผลของระยะเวลาต่อความเข้มข้นสารสกัดที่ได้

๔. การบันทึกผลการทดลองและการวิเคราะห์ผล

เนื่องจากตัวอย่างที่เก็บได้นั้นอาจส่งผลต่อความสามารถของผู้ทดลองในการเขียนบันทึก การพูด การมอง การฟัง การทรงตัว หรือการรับรู้ใด ๆ รวมทั้งการรู้สึกผิดชอบชั่วดี ดังนั้นเพื่อให้การทดลองแต่ละครั้งสูญเปล่าจึงควรมีกล้องวีดีโอหรือกล้องวงจรปิดที่สามารถบันทึกได้ทั้งภาพและเสียงเพื่อบันทึกผลการทดลองเอาไว้ดูภายหลัง และทางที่ดีควรมีการตั้งกล้องเอาไว้หลาย ๆ มุมเพื่อให้ได้ข้อมูลชัดเจนด้วย

ตัวอย่างของพารามิเตอร์ที่ควรจะศึกษามีดังนี้

- ระยะเวลาที่ใช้ในการสกัด (ช่วงเวลาระหว่างการเทสารละลายเสร็จสิ้นจนถึงเวลาที่เริ่มเก็บตัวอย่าง) ต่อความเข้มข้นของเอทานอลที่สกัดได้

- อัตราการเก็บตัวอย่างสารละลายในไหส่งผลต่อพฤติกรรมผู้ทำการทดลองอย่างไรบ้าง

- ชนิดของตัวทำละลายที่ใช้ในการสกัดว่ามีผลต่ออัตราการเก็บตัวอย่างหรือไม่

- ผลของปัจจัยข้างเคียง (เช่น กับแกล้ม ผู้ช่วยประคองไหหรือประคองท่อเก็บตัวอย่าง) ต่ออัตราการเก็บตัวอย่างและพฤติกรรมผู้ทำการทดลอง

- ประสบการณ์ของผู้ที่ทำการเก็บตัวอย่างส่งผลหรือไม่ อย่างไรบ้าง

- อุณหภูมิการสกัด (ตรงนี้คงยากสักหน่อย เพราะอุปกรณ์ไม่ได้ออกแบบมาเพื่อให้ปรับอุณหภูมิได้ ปรกติจะทำการสกัดกันที่อุณหภูมิห้อง)

- ความเข้มข้นของเอทานอลที่ได้จากการสกัดแต่ละครั้ง

- ช่วงเวลาของวันที่ใช้ในการสกัด (เช้า เที่ยง เย็น หัวค่ำ หรือดึก ๆ) ต่อความสามารถในการเก็บตัวอย่าง

และเมื่อทำการวิเคราะห์ข้อมูลเสร็จสิ้นแล้ว ขอแนะนำให้ทำการทำลายสื่อเก็บข้อมูลทิ้งทั้งหมด ชนิดที่ไม่สามารถกู้คืนกลับได้ เพราะหลักฐานในนั้นอาจมีผลกระทบข้างเคียงต่อภาพลักษณ์ของผู้ทำการทดลองได้

รูปที่ ๓ ภายในไห หลังจากที่ควักแกลบออกมาได้สักหนึ่งในสามของไห ปรากฏว่ามีน้ำเหลืออยู่ ไม่รู้เหมือนกันว่าเป็นของเดิมหรือเป็นน้ำฝนที่ตกลงไป (วางทิ้งไว้นอกอาคารทั้งคืน แถมฝนตกอีก) แต่กลิ่นนั้นเหมือนกับของน้ำแรก

รูปที่ ๔ ในกระถางคือสิ่งที่บรรจุอยู่ในไห ไม่รู้เหมือนกันว่านอกจากแกลบแล้วมีอะไรอยู่อีกบ้าง (ดูไม่ออก) ส่วนน้ำที่เหลืออยู่พอทิ้งให้ตกตะกอนก็เป็นดังรูปขวา

๕. คำถามท้ายการทดลอง

คำถามต่อไปนี้ตอบในใจก็พอ ไม่ต้องเขียนส่งหรือพูดออกมา

๕.๑ มีผู้กล่าวว่า "พระเจ้าสร้างเหล้ามาเพื่อให้ผู้หญิงไม่สวยได้มีโอกาส" ท่านเห็นด้วยกับคำกล่าวนี้หรือไม่ อย่างไร ให้เหตุผลประกอบ

๕.๒ จากท่อนหนึ่งของบทเพลงที่ร้องโดยวิศวกรดังแสดงข้างล่าง

สาปแล้วความรัก ไม่ขอปองใจ

ขอเพียงแต่ ความรักเมรัย เท่านี้ก็สุขกมล

อุทิศเงินตรา ให้กับสุรา เพื่อปลอบใจตน

ฝากชีวิต วิศวะจน ๆ ไว้กับคนที่ขายสุรา

ในฐานะที่ท่านเป็น/จะเป็นวิศวกร ท่านรู้สึกอย่างไรกับบทเพลงท่อนนี้ (เช่น โดนใจ แทงใจดำ แทนคำพูดเป็นล้าน ๆ คำ ขออย่าให้เกิดเหตุการณ์นั้นเลย ฯลฯ) ให้บรรยายความรู้สึกออกมาโดยละเอียด 

 

ดูเนื้อเพลงฉบับเต็มได้ใน Memoir ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๕๒ วันอังคารที่ ๑ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๔ เรื่อง "ก่อนจะเลือนหายไปจากความทรงจำ ตอนที่ ๑ ฝากชีวิตวิศวจน ๆ ไว้กับคนที่ขายสุรา"

หรือที่ http://www.tamagozzilla.blogspot.com/2011/02/mo-memoir-tuesday-1-february-2554.html

ข้าพเจ้าไม่ได้ชมชอบในรสชาติของสุรา แต่ชมชอบในบรรยากาศการร่ำสุรา

(ยืมคำโกวเล้งมาอีกที)