วันพฤหัสบดีที่ 13 ธันวาคม พ.ศ. 2555

กราฟอุณหภูมิการกลั่นของน้ำมันเบนซิน (Gasoline distillation curve) MO Memoir : Thursday 13 December 2555

ใน Memoir ฉบับวันที่ ๖ ธันวาคมเรื่องคาร์บูเรเตอร์นั้นผมได้เกริ่นถึงกราฟอุณหภูมิการกลั่นของน้ำมันเบนซิน ซึ่งเป็นตัวบ่งบอกองค์ประกอบของน้ำมันเบนซินในแง่ที่ว่าประกอบด้วยไฮโดรคาร์บอนที่มีจุดเดือดเท่าใดบ้าง ซึ่งอัตราการระเหยของไฮโดรคาร์บอนเหล่านี้จะส่งผลกระทบต่อสมรรถนะการทำงานของเครื่องยนต์ได้

เนื่องจากในการทำงานของเครื่องยนต์เบนซินต้องทำการระเหยน้ำมันและผสมเข้ากับอากาศ (กลายเป็นแก๊สที่เรียกว่า "ไอดี") ก่อนที่จะป้อนเข้าสู่กระบอกสูบเพื่อทำการจุดระเบิด ดังนั้นความยาก-ง่ายในการระเหยของน้ำมันจึงส่งผลต่อการทำงานของเครื่องยนต์ น้ำมันที่ระเหยได้ง่ายจะช่วยให้เครื่องยนต์ทำงานได้ดีในขณะที่เครื่องยนต์เย็นอยู่ รอบเครื่องต่ำ หรือเมื่ออากาศหนาวเย็น แต่ถ้านำมาใช้ในเขตอากาศร้อนก็จะทำให้น้ำมันระเหยมากเกินไป เกิดการสูญเสียไป ส่วนน้ำมันที่ระเหยได้ยากนั้นจะเหมาะสมกับการใช้งานในเขตอากาศร้อน ทำให้เครื่องยนต์ทำงานได้ดีที่รอบเครื่องสูงและเมื่อเครื่องยนต์มีอุณหภูมิสูง แต่จะทำให้เครื่องยนต์สตาร์ทติดยากเมื่ออากาศเย็น และยังทำงานได้ไม่ดีที่รอบเครื่องยนต์ต่ำ นอกจากนี้พวกที่ไม่ระเหยกลายเป็นไอ เมื่อเข้าไปในกระบอกสูบจะละลายเข้าไปในน้ำมันหล่อลื่นได้ ทำให้ความหนืดของน้ำมันหล่อลื่นลดลงและประสิทธิภาพการหล่อลื่นจะลดลงไปด้วย

ดังนั้นเพื่อให้น้ำมันเบนซินนั้นสามารถใช้งานได้ตลอดช่วงการทำงานของเครื่องยนต์และสภาพอากาศ ในแต่ละท้องถิ่นจึงต้องมีการกำหนดค่าการระเหยของน้ำมันเบนซินให้เหมาะสมกับแต่ละประเทศนั้น พารามิเตอร์ที่ใช้บ่งบอกค่าการระเหยมีอยู่ด้วยกัน ๒ ตัวคืออุณหภูมิการกลั่นและความดันไอ

ค่าความดันไอของน้ำมันเบนซินนั้นเรียกว่าค่า Reid vapour pressure หรือย่อว่า RVP ซึ่งตามมาตรฐานสากลนั้นจะวัดที่อุณหภูมิ 100ºF หรือ 37.8ºC ถ้าค่าความดันนี้สูงจะทำให้เครื่องยนต์สตาร์ทติดงานเมื่ออากาศเย็น แต่ถ้าสูงเกินไปจะทำให้เกิดปัญหา vapour lock คือเชื้อเพลิงกลายเป็นไอในระบบจ่ายน้ำมัน ทำให้ระบบจ่ายเชื้อเพลิงทำงานได้ไม่เต็มที่ ซึ่งอาจส่งผลให้เครื่องยนต์สูญเสียกำลังหรือหยุดการทำงานได้ ซึ่งเกิดปัญหากับระบบคาร์บูเรเตอร์มากกว่าระบบหัวฉีด

สำหรับประเทศไทยเองนั้นก็มีการกำหนดค่าอุณหภูมิการกลั่นและความดันไอของน้ำมันเบนซินและน้ำมันแก๊สโซฮอล์เอาไว้เหมือน ๆ กัน ตามที่แสดงไว้ในรูปที่ ๑ และ ๒ ที่นำมาจากรายละเอียดแนบท้ายประกาศกรมธุรกิจพลังงาน เรื่องกำหนดลักษณะและคุณภาพของน้ำมัน 
 
กราฟอุณหภูมิการกลั่นนี้สร้างโดยการนำเอาน้ำมันเบนซินมาให้ความร้อนด้วยอัตราที่กำหนด และทำการควบแน่นไอที่ได้รองใส่กระบอกตวง เพื่อให้เห็นภาพขอยกตัวอย่างว่าเราอาจเอาน้ำมันเบนซินมา 100 ml มาให้ความร้อนอย่างช้า ๆ และทำการควบแน่นไอที่ระเหยออกนั้นกลับเป็นของเหลวใหม่รองใส่กระบอกตวงอีกใบหนึ่ง อุณหภูมิที่ต้มจนเก็บรวบรวมของเหลวในกระบอกตวงได้ 10 ml ก็คืออุณหภูมิการกลั่นร้อยละ ๑๐ และเมื่อต้มต่อไปจนถึงอุณหภูมิที่สามารถเก็บรวบรวมของเหลวในกระบอกตวงได้ 50 ml ก็คืออุณหภูมิการกลั่นร้อยละ ๕๐ ซึ่งทำอย่างนี้ไปเรื่อย ๆ จนกว่าน้ำมันเบนซินจะระเหยหมด ส่วนที่ตกค้างอยู่ก็จะกลายเป็นกากตะกอนไป (ทางที่ดีไม่ควรมีกากตะกอนหลงเหลืออยู่) 
 
พึงสังเกตว่าในข้อกำหนดนั้นไม่ได้ระบุว่าจะเก็บรวบรวมน้ำมันได้ร้อยละ ๑๐๐ แต่กำหนดอุณหภูมิสูงสุดที่ส่วนที่เป็นของเหลวจะระเหยออกมา เพราะเขาเปิดช่องให้มีกากตะกอนปะปนอยู่ในน้ำมันได้ส่วนหนึ่ง


รูปที่ ๑ ข้อกำหนดเรื่องอุณหภูมิการกลั่นและความดันไอของน้ำมันเบนซิน ๙๕ ตามประกาศกรมธุรกิจพลังงาน เรื่อง กำหนดลักษณะและคุณภาพของน้ำมันเบนซิน พ.ศ. ๒๕๕๕



รูปที่ ๒ ข้อกำหนดเรื่องอุณหภูมิการกลั่นและความดันไอของน้ำมันแก๊สโซฮอล์ ตามประกาศกรมธุรกิจพลังงาน เรื่อง กำหนดลักษณะและคุณภาพของน้ำมันแก๊สโซฮอล์ พ.ศ. ๒๕๕๓

รูปที่ ๓ ขอบเขตกราฟอุณหภูมิการกลั่นของน้ำมันเบนซิน เส้นสีส้มคือกรณีที่น้ำมันเบนซินมีองค์ประกอบที่มีจุดเดือดสูงอยู่มาก ส่วนเส้นสีเขียนคือกรณีที่น้ำมันเบนซินมีองค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่ำอยู่มาก ส่วนเส้นสีน้ำเงินเป็นตัวอย่างกราฟของน้ำมันที่ประกอบด้วยสารที่มีจุดเดือดต่ำในปริมาณมากกับสารที่มีจุดเดือดสูงในปริมาณมาก โดยมีสารที่มีจุดเดือดปานกลางในปริมาณน้อย และเส้นสีม่วงเป็นกรณีของน้ำมันที่มีองค์ประกอบที่มีจุดเดือดปานกลางในปริมาณมาก โดยมีองค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่ำและจุดเดือดสูงในปริมาณน้อย

ถ้าเราเอาขอบเขตอุณหภูมิและร้อยละการกลั่นที่กำหนดไว้ในมาตรฐานไปเขียนกราฟ เราก็จะได้กราฟขอบเขตอุณหภูมิการกลั่นของน้ำมันเบนซินดังแสดงในรูปที่ ๓ ข้างล่าง

สมมุติว่าเราเอาน้ำมันเบนซินชนิดที่หนึ่งที่เริ่มระเหยที่อุณหภูมิ -40ºC น้ำมันนี้ต้องระเหยออกมาร้อยละ 10 ก่อนที่อุณหภูมิจะเกิน 70ºC (ดูตามเส้นสีส้ม) และต้องระเหยออกมาร้อยละ 50 ที่อุณหภูมิไม่เกิน 110ºC และต้องระเหยออกมาร้อยละ 90 ที่อุณหภูมิไม่เกิน 170ºC และน้ำมันหยดสุดท้ายที่ระเหยออกมาต้องออกมาก่อนอุณหภูมิสูงเกิน 200ºC

ที่นี้ถ้าเราเอาน้ำมันอีกชนิดที่เริ่มระเหยที่อุณหภูมิ -40ºC เหมือนกัน แต่น้ำมันตัวหลังนี้มีองค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่ำอยู่มาก แล้วเราพบว่ามันระเหยออกมาได้ร้อยละ 50 ที่อุณหภูมิ 70ºC นั่นก็แสดงว่ามันระเหยออกมาได้ร้อยละ 10 ที่อุณหภูมิไม่เกิน 70ºC ซึ่งก็เป็นไปตามข้อกำหนด (ตามเส้นสีเขียว) แต่น้ำมันตัวนี้ยังต้องระเหยออกมาร้อยละ 90 ที่อุณหภูมิไม่เกิน 170ºC และน้ำมันหยดสุดท้ายที่ระเหยออกมาต้องออกมาก่อนอุณหภูมิสูงเกิน 200ºC

เส้นที่ลากในรูปที่ ๓ นั้นเป็นการลากเส้นตรงเชื่อมจุด แต่เส้นกราฟการกลั่นนั้นไม่จำเป็นต้องเป็นเส้นตรง โดยปรกติก็เป็นเส้นโค้งที่อยู่ในขอบเขตของจุดเหล่านั้น ดังเช่นเส้นสีน้ำเงินก็ได้ ซึ่งถ้าเป็นดังเส้นสีน้ำเงินก็แสดงว่าน้ำมันเบนซินดังกล่าวประกอบด้วยองค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่ำมากและจุดเดือดสูงมากปนกันอยู่ เพราะน้ำมันระเหยได้เร็วในช่วงอุณหภูมิต่ำและช่วงอุณหภูมิสูง แต่ระเหยได้น้อยในช่วงอุณหภูมิปานกลาง (ดูจากการที่อุณหภูมิในแกน y เปลี่ยนแปลงไม่มาก แต่ปริมาตรที่กลั่นได้ในแกน x เปลี่ยนแปลงมาก) 
 
ส่วนเส้นสีม่วงก็จะเป็นกรณีของน้ำมันที่มีองค์ประกอบที่มีจุดเดือดปานกลางในปริมาณมาก โดยมีองค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่ำและจุดเดือดสูงในปริมาณน้อย

กราฟการกลั่นเส้นสีน้ำเงินและเส้นสีม่วงที่วาดให้ดูค่อนข้างจะเป็นน้ำมันที่มันสุดขั้วไปหน่อย โดยเฉพาะเส้นสีน้ำเงิน เพราะแม้ว่ามันจะผ่านข้อกำหนดเรื่องการกลั่น แต่ก็อาจไม่ผ่านข้อกำหนดเรื่องความดันไอก็ได้ และน้ำมันที่มีองค์ประกอบที่เน้นไปที่ส่วนใดส่วนหนึ่งมากเกินไปนั้นก็จะทำให้ไม่สามารถตอบสนองต่อการทำงานของเครื่องยนต์ได้ทุกสภาวะ ดังนั้นเพื่อให้น้ำมันสามารถตอบสนองการทำงานของเครื่องยนต์ได้ทุกสภาวะ น้ำมันดังกล่าวก็ควรต้องมีสัดส่วนองค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่าง ๆ กันในสัดส่วนที่เหมาะสม ตัวอย่างเช่นน้ำมันที่มีกราฟอุณภูมิการกลั่นเป็นไปตามเส้นสีเหลืองแสดงว่าน้ำมันชนิดนี้มีองค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่าง ๆ กันโดยที่ไม่มีกลุ่มใดกลุ่มหนึ่งมากเกินไป

ที่ต้องเอาเรื่องนี้ขึ้นมากล่าวก็เพราะมันเกี่ยวข้องกับชนิดของสารเพิ่มเลขออกเทนที่ใช้กับน้ำมัน (โดยเฉพาะอะโรมาติกที่จะกล่าวถึงต่อไป) สารเร่งออกเทนที่ดีนั้นควรต้องสามารถระเหยออกมากับน้ำมันได้ทุกสัดส่วน ไม่ใช่ระเหยได้ดีที่อุณหภูมิต่ำจนระเหยออกหมดก่อนใช้น้ำมันหมดถัง หรือระเหยได้ดีที่อุณภูมิสูงแต่พออากาศเย็นกลับไม่ระเหย ไอน้ำมันที่ระเหยออกมามีแต่พวกออกเทนต่ำ ก็จะทำให้การจุดระเบิดมีปัญหาได้