เอาเบนซีนกับเอทานอลไปทำอะไรดี MO Memoir 2555 Dec 4 Tue

ถึงตอนนี้พวกคุณบางคนก็คงจะได้เห็นแล้วว่า กว่าที่ปฏิกิริยาเคมีสักปฏิกิริยาจะออกไปสู่ระดับการผลิตจริงได้นั้นมันมีปัจจัยหลัก ๆ ที่เกี่ยวข้องอยู่ด้วยกัน ๔ ปัจจัยคือ เทคนิค ความคุ้มค่าทางเศรษฐศาสตร์ (ตรงนี้จะมีนโยบายของหน่วยงานเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย) ข้อกำหนดทางด้านกฎหมาย และปัจจัยด้านการเมือง (ตอนนี้คิดได้เพียงแค่ ๔ ปัจจัย)

ในวงการอุตสาหกรรมนั้นทราบกันดีว่าการผลิตเอทานอลความบริสุทธิ์สูงนั้นมีค่าใช้จ่ายที่สูง และพลังงานที่ต้องใช้ในการแยกเอทานอลออกจากน้ำเพื่อให้ได้เอทานอลความบริสุทธิ์สูงนั้นสูงกว่าพลังงานที่ได้จากการเผาไหม้เอทานอล ดังนั้นถ้าพิจารณาในเรื่องการประหยัดพลังงานแล้ว การผลิตเอทานอลความบริสุทธิ์สูงในระดับที่ไม่ต่ำกว่าร้อยละ ๙๙ (ตามมาตรฐานมอก. ๒๓๒๔-๒๕๔๙) เพื่อนำไปผสมกับน้ำมันเบนซินเพื่อผลิตแก๊สโซฮอล์นั้นจัดว่าเป็นการสิ้นเปลืองพลังงาน เพียงแต่พลังงานที่ใช้ในการกลั่นเอทานอลนั้นอาจเป็นพลังงานที่เป็นวัสดุเหลือทิ้งจากการเกษตรหรือจากถ่านหินนำเข้า (ลดการนำเข้าน้ำมัน แต่นำเข้าถ่านหินแทน) ซึ่งเป็นพลังงานที่ไม่สามารถนำมาใช้กับรถยนต์หรือเครื่องยนต์สันดาปภายในได้โดยตรง

ใน Memoir ปีที่ ๔ ฉบับที่ ๔๕๕ วันเสาร์ที่ ๒๖ พฤษภาคม ๒๕๕๕ เรื่อง "เอาแป้งมันไปทำอะไรดี" ก็ได้กล่าวถึงการหาทางเอาแป้งมันสำปะหลังไปทำอย่างอื่นนอกเหนือจากการนำไปผลิตเอทานอล ในบันทึกฉบับนั้นได้กล่าวถึงการหาทางนำเอาผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการหมักไปทำปฏิกิริยาโดยตรงโดยที่ไม่ต้องทำการกลั่นแยกออกมาเป็นเอทานอลบริสุทธิ์ ซึ่งสิ่งหนึ่งที่อยู่ในแนวทางนั้นก็คืออาจทำการกลั่นเพื่อให้ได้เอทานอลความบริสุทธิ์สูงขึ้น โดยไม่จำเป็นต้องให้มีความบริสุทธิ์สูงมาก (เช่นเพียงแค่ประมาณร้อยละ ๕๐) และนำเอทานอลที่เข้มข้นมากขึ้นนั้นไปใช้ประโยชน์เช่นใช้ทำปฏิกิริยากับสารอื่นเพื่อผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ตัวอื่น

ในส่วนของเบนซีนเองนั้นก็จัดว่าเป็นอะโรมาติกที่มีความเป็นพิษมากตัวหนึ่ง ข้อกำหนดมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมในส่วนของน้ำมันเบนซินและน้ำมันแก๊สโซฮอล์เองก็กำหนดให้มีเบนซีนได้ไม่เกินร้อยละ ๑ โดยปริมาตร โดยยอมให้มีอะโรมาติกรวมทั้งหมดได้สูงถึงร้อยละ ๓๕ โดยปริมาตร ดังนั้นถ้านำปัจจัยเรื่องสิ่งแวดล้อมมาพิจารณา การใช้ประโยชน์จากเบนซีนนั้นควรที่จะทำการเปลี่ยนเบนซีนไปเป็นผลิตภัณฑ์อื่น (ที่ปลอดภัยกว่า) ณ โรงงานที่ทำการผลิตเบนซีนหรือโรงงานที่อยู่ข้างเคียงที่สามารถส่งเบนซีนถึงกันผ่านทางระบบท่อ ซึ่งจะเป็นการลดการรั่วไหลของเบนซีนออกสู่บรรยากาศ

Memoir ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๑๖ วันพุธที่ ๑๐ ตุลาคม ๒๕๕๕ เรื่อง "อะโรมาติก : การผลิต การใช้ประโยชน์ และปัญหา" ได้กล่าวถึงภาพโดยกว้างทั่วไปของการใช้ประโยชน์สารประกอบอะโรมาติก C₆-C₈ ที่เป็นผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นในโรงกลั่นน้ำมัน ว่ามีการนำเอาไปใช้ทำอะไรกันบ้าง แต่มาคราวนี้มีคำถามที่เฉพาะเจาะจงลงไปที่เบนซีนเพียงอย่างเดียว ซึ่งผมก็บอกคนที่ถามเขาไปแล้วว่าโจทย์ของเขาข้อนี้จัดว่ายาก (พอ ๆ กับคำถามที่ว่าเอา CH₄ ไปทำอะไรดีนอกจากเอาไปเผาเป็นเชื้อเพลิงกับเข้ากระบวนการ steam reforming) แต่ก็จะลองเสนอแนวทางให้พิจารณาดู

๑. ผลิตเอทิลเบนซีนจากเบนซีนและเอทานอล

เอทิลเบนซีน (Ethyl benzene C₆H₅-CH₂CH₃) เป็นสารตั้งต้นในการผลิตสไตรีน (Styrene C₆H₅-CH=CH₂) จากปฏิกิริยาระหว่างเบนซีนกับเอทิลีน ซึ่งเป็นกระบวนการผลิตที่ใช้กันอยู่ในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีเพื่อใช้ในการผลิตสไตรีนที่ใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตพอลิสไตรีน (Polystyrene - PS)

แต่เราก็สามารถผลิตเอทิลเบนซีนจากปฏิกิริยาระหว่างเบนซีนกับเอทานอลได้

แต่สำหรับโรงกลั่นน้ำมันที่ไม่ได้มีโรงงานผลิตสไตรีนอยู่เคียงข้าง การผลิตเอทิลเบนซีนเพื่อส่งต่อไปยังโรงงานผลิต สไตรีนที่อยู่ห่างออกไปนั้นคงไม่คุ้มค่า แต่ถ้าเป็นการผลิตเอทิลเบนซีนเพื่อใช้เป็นสารเพิ่มค่าออกเทนในน้ำมันเบนซินหรือน้ำมันแก๊สโซฮอล์ก็น่าที่จะลองพิจารณาดู เพราะจะทำให้มีการใช้เอทานอลเพิ่มขึ้น นอกจากนี้เอทิลเบนซีนยังไม่มีปัญหาเรื่องการผสมเข้ากับน้ำมันเบนซินดังเช่นที่เกิดกับเอทานอลด้วย

แต่ทั้งนี้เอทานอลที่นำมาผลิตเอทิลเบนซีนนั้นจะต้องไม่ใช่เอทานอลเกรดเดียวกับที่ใช้ผสมเพื่อผลิตเป็นน้ำมันแก๊สโซฮอล์ (เอทานอลบริสุทธิ์ไม่ต่ำกว่าร้อยละ ๙๙) แต่ควรเป็นเอทานอลเกรดที่มีความบริสุทธิ์ที่ต่ำกว่าเพราะมีต้นทุนการผลิตที่ต่ำกว่ามาก 

 

ประโยชน์อีกอย่างที่ควรจะได้คือ เอทิลเบนซีนที่ได้จากกระการนี้จะสามารถทดแทน toluene, xylenes และ tri-methyl benzene ที่ใช้เป็นสารเพิ่มออกเทนในน้ำมันเบนซินในปัจจุบัน ทำให้สามารถดึงเอาสารประกอบเหล่านี้ไปใช้ประโยชน์ด้านอื่นที่มีมูลค่าเพิ่มมากกว่าได้ (เช่นเอาไปผลิตเป็น p-xylene แทน)

รูปที่ ๑ (บน) องค์ประกอบของน้ำมันแก๊สโซฮอล์ในปัจจุบันที่มีการใช้เอทานอลผสม 10 %vol (ล่าง) ตัวอย่างแนวทางเลือกการผลิตแก๊สโซฮอล์ E10 ที่ใช้เอทิลเบนซีน (E vol%) เข้ามาผสมแทนอะโรมาติกส่วน C7+ ในส่วนสารประกอบเมทิลอะโรมาติก (toluene, xylene และ trimethybenzene) ซึ่งจะทำให้สามารถผลักอะโรมาติกส่วน C7+ E vol% ไปใช้ในการผลิต p-xylene ได้

รูปที่ ๑ เป็นการเปรียบเทียบการผลิตแก๊สโซฮอล์ E10 ในปัจจุบัน กับแนวทางเลือกหนึ่งที่ลองคิดขึ้นมาเล่น ๆ ที่ยังคงต้องมีการผสมเอทานอล 10 %vol ในแก๊สโซฮอล์อยู่ ตามรูปแบบทางเลือกที่แสดงนั้นยังคงใช้เอทานอลเข้มข้น 99 %vol ในปริมาณเท่าเดิม และยังมีการใช้เอทานอล 50 %vol เพิ่มมากขึ้น ดังนั้นจะทำให้ความต้องการการผลิตเอทานอลเพิ่มสูงขึ้น

ในอีกทางเลือกหนึ่งนั้นจะเป็นการผลิตน้ำมันเบนซินที่ไม่มีการผสมเอทานอลเข้าไปโดยตรง แต่ยังคงใช้เอทานอลอยู่โดยนำมาทำปฏิกิริยากับเบนซีนเพื่อผลิตเป็นเอทิลเบนซีนก่อน จากนั้นจึงนำเอทิลเบนซีนที่ได้มาทดแทนอะโรมาติก C7+ ซึ่งในกรณีหลังนี้โรงงานผลิตเอทานอลก็ยังเดินเครื่องอยู่ แต่จะเป็นการผลิตเอทานอลเข้มข้น 50 %vol แทน ซึ่งจะมีต้นทุนการผลิตที่ถูกกว่า (รูปที่ ๒) 

 

และที่สำคัญคือยังตอบโจทย์ความต้องการ (ของสังคม-การเมือง-นักอนุรักษ์สิ่งแวดล้อม) ที่จะใช้ผลิตผลทางการเกษตรมาผลิตเป็นเชื้อเพลิงเหลวด้วย 
 

แต่ปัญหาที่สำคัญคือต้องเปลี่ยนภาพที่คนส่วนใหญ่เข้าใจว่า "การใช้เอทานอลเป็นเชื้อเพลิงนั้นต้องใช้ในรูปเอทานอล" มาเป็น "การนำเอทานอลไปเปลี่ยนเป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอน" ซึ่งตรงจุดนี้พัวพันไปถึงข้อกฎหมายด้วย

รูปที่ ๒ อีกแนวทางเลือกหนึ่งในการผลิตในการผลิตน้ำมันเบนซิน ที่มีการใช้เอทานอลในการผลิต

ส่วนที่ว่าจะผลิตเอทิลเบนซีนจากปฏิกิริยาระหว่างเบนซีนกับเอทานอล (50 %vol) อย่างไรให้คุ้มค่านั้น คงต้องยกกันไปคุยกันเป็นหัวข้อต่างหาก เพราะคงมีเรื่องทางเทคนิคที่ต้องพิจารณากันน่าดูอยู่เหมือนกัน

นอกจากนี้ยังมีประเด็นอื่นที่ต้องพิจารณาอีกเช่น

(ก) ต้นทุนการผลิตเอทิลเบนซีนโดยใช้เอทานอลความบริสุทธิ์ต่ำ (คิดราคาเบนซีนและเอทานอลความบริสุทธิ์ต่ำและค่าใช้จ่ายในการผลิตเอทิลเบนซีน) กับการผลิตเอทานอลความบริสุทธิ์สูง (คิดราคาเอทานอลความบริสุทธิ์สูง) นั้นแบบไหนจะคุ้มค่ามากกว่ากัน 

 

(ข) การขนส่งวัตถุดิบอีกถ้าหากโรงงานผลิตเอทานอลและโรงงานที่มีการผลิตเบนซีนนั้นอยู่คนละแหล่งกันและไม่สามารถส่งให้กันทางระบบท่อได้ ดังนั้นจำเป็นต้องใช้รถลำเลียง (เช่นรถไฟ) การขนส่งเบนซีนนั้นจะมีปัญหากับสิ่งแวดล้อมมากกว่า แต่การขนส่งเอทานอลเข้มข้น 50 %vol ก็จะสิ้นเปลืองมากกว่า เพราะจะได้เนื้อเอทานอลเพียง 50% ส่วนที่เหลืออีก 50% นั้นเป็นน้ำที่ต้องทิ้งไป แต่ถ้าผลิตเอทานอลความบริสุทธิ์สูงขึ้นก็จะมีค่าใช้จ่ายในการผลิตมากขึ้น แต่จะลดค่าใช้จ่ายในการขนส่งลง (เพราะต่อเที่ยวขนส่งจะมีเนื้อเอทานอลเพิ่มมากขึ้น)

๒. ผลิตฟีนอลจากเบนซีน

ผมเดาว่าแนวทางนี้ด้วยสภาพในขณะนี้คิดว่าคงยากที่จะเกิด แต่โครงการที่ยังไม่เหมาะสมในปัจจุบันก็ไม่ได้หมายความว่าจะไม่เหมาะสมในอนาคต เพราะราคาสิ่งต่าง ๆ มันเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา

การผลิตฟีนอล (Phenol C₆H₅-OH) ในปัจจุบันใช้เส้นทาง cumene ซึ่งจะได้ฟีนอลและ acetone เป็นผลิตภัณฑ์ร่วมกัน 
 

เส้นทางนี้เริ่มจาก benzene กับ propylene ไปเป็น cumene ก่อน จากนั้นจึงทำการออกซิไดซ์ cumene ให้กลายเป็นสารประกอบเปอร์ออกไซด์ ตามด้วยการทำให้สารประกอบเปอร์ออกไซด์ดังกล่าวสลายตัวเป็นฟีนอลและ acetone

แต่กระบวนการที่สะอาดกว่าในการผลิตฟีนอลก็มีอยู่ และต่างก็เป็นปฏิกิริยาในขั้นตอนเดียวโดยที่ไม่มีการเกิดผลิตภัณฑ์ข้างเคียงร่วมคือ (ก) ปฏิกิริยาระหว่างเบนซีนและไนตรัสออกไซด์ (N₂O) และ (ข) ปฏิกิริยาระหว่างเบนซีนกับไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (H₂O₂)

ดูเหมือนว่าปฏิกิริยาระหว่างเบนซีนและไนตรัสออกไซด์นั้นมีการผลิตในเชิงพาณิชย์แล้ว และมีการจดสิทธิบัตรวิธีการเอาไว้หลากหลายฉบับด้วย แต่ปฏิกิริยาระหว่างเบนซีนกับไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์นั้นไม่แน่ใจว่าจะมีการผลิตในเชิงพาณิชย์แล้วหรือยัง เท่าที่พอจะมีเวลาค้นดูสิทธิบัตรโดยใช้ google ก็ยังหาไม่เจอ เจอแต่ปฏิกิริยาในข้อ (ก)

ในขณะนี้ดูเหมือนว่าการใช้งานหลักของฟีนอลคือนำไปผลิตเป็น bisphenol-A ซึ่งผลิตจากปฏิกิริยาระหว่างฟีนอล 2 โมเลกุลกับ acetone 1 โมเลกุล แต่ในการผลิตฟีนอลจากกระบวนการ cumene นั้นจะได้ฟีนอล 1 โมเลกุลและ acetone 1 โมเลกุล ดังนั้นจะมี acetone เหลืออยู่ ซึ่งต้องขายไปในรูปของตัวทำละลาย

แต่ถ้าใช้กระบวนการผลิตฟีนอลที่ไม่ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ข้างเคียงร่วม (เช่นปฏิกิริยาสองปฏิกิริยาที่กล่าวมาข้างต้น) ก็สามารถใช้ฟีนอลที่ได้จากกระบวนการดังกล่าวเข้าไปเสริมฟีนอลที่ได้จากกระบวนการ cumene ก็จะทำให้สามารถเพิ่มความต้องการการใช้ acetone ให้สูงขึ้นได้

หรือไม่ก็พิจารณาการใช้ฟีนอลในการผลิตเป็นสารอื่นต่อไป โดยอาศัยคุณสมบัติของฟีนอลที่มีความว่องไวสูงกว่าวงแหวนเบนซีน ทำให้สามารถที่จะเติมหมู่อื่นเข้าไปในวงแหวนได้ง่ายขึ้น หรือไม่ก็อาศัยการทำปฏิกิริยากับหมู่ -OH ของโมเลกุลฟีนอลเองเลย ซึ่งประเด็นตรงจุดนี้คงต้องค่อย ๆ พิจารณากันต่อไป

ไม่รู้ว่า Memoir ฉบับนี้จะช่วยให้เขามีการบ้านไปส่งหรือเปล่า :)