ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีน ตอนที่ ๑๐ Charge gas compression ภาค ๒ MO Memoir : Thursday 2 June 2559

ในหนังสือ Organic chemistry ของ Morrison และ Boyd (ที่ผมยืมมาเป็นฉบับ 3rd ed, 7th printing June 1976) กล่าวถึงปฏิกิริยา Diels-Alder ไว้ในบทของ α,β-unsaturated carbonyl compounds ว่าเป็นปฏิกิริยาระหว่าง Diene กับสารประกอบที่มีหมู่ carbonyl (-CO-) ที่มีพันธะคู่ไม่อิ่มตัวระหว่างอะตอม C ตัวที่อยู่ถัดจากตัวที่มีหมู่ carbonyl เกาะ โดยพันธะคู่ดังกล่าวสามารถทำปฏิกิริยากับสารประกอบ diene (โครงสร้างที่มีพันธะเดี่ยวระหว่างอะตอม C 1 พันธะ ที่คั่นแยกพันธะคู่ 2 พันธะออกจากกัน) ดังเช่นปฏิกิริยาระหว่าง 1,3-Butadiene กับ Acrolein ในรูปที่ ๑ ข้างล่าง

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยา Diels-Alderระหว่าง 1,3-Butadiene กับ Acrolein กลายเป็นสารประกอบวง 6 เหลี่ยม

ปฏิกิริยานี้จะเกิดได้ง่ายขึ้นถ้าตัวสารประกอบที่มีพันธะคู่ที่เข้ามาทำปฏิกิริยากับ diene นั้น หมู่ที่อยู่ถัดจากอะตอม C ที่มีพันธะคู่นั้นเป็นหมู่ดึงอิเล็กตรอน (electron withdrawing group) เช่นหมู่ carbonyl ในกรณีของ acrolein
 

แต่ทั้งนี้ใช่ว่าถ้าไม่มีหมู่ดึงอิเล็กตรอนเข้าร่วมแล้วมันจะไม่เกิดปฏิกิริยา มันก็เกิดได้เช่นเดียวกัน เพียงแต่เกิดยากกว่าหน่อย ดังเช่นในกรณีของ 1,3-Butadiene กับ Ethylene กลายเป็น Cyclehexeneในรูปที่ ๒ ข้างล่าง

รูปที่ ๒ ปฏิกิริยา Diels-Alderระหว่าง 1,3-Butadiene กับ Ethylene กลายเป็น Cyclohexene

Cyclohexene ที่เกิดขึ้นก็สามารถเกิดปฏิกิริยา Diels-Alder กับสารประกอบ diene ต่อไปได้อีก เช่นถ้ามันทำปฏิกิริยาต่อกับ 1,3-Butadiene ก็จะกลายเป็นสารประกอบ cyclic compound ที่มีขนาดใหญ่ขึ้นไปอีกดังแสดงในรูปที่ ๓
 

รูปที่ ๓ ปฏิกิริยา Diels-Alderระหว่าง 1,3-Butadiene กับ Cyclohexene กลายเป็น cyclic compound ขนาดใหญ่ขึ้น
 

มาถึงจุดนี้เชื่อว่าหลายคนคงจะงงว่าขึ้นตั้งชื่อบทความว่าเป็นเรื่องคอมเพรสเซอร์ แต่ดันเริ่มต้นด้วยเคมีอินทรีย์ แล้วมันเกี่ยวข้องกันอย่างไร ซึ่งในความเป็นจริงมันเกี่ยวข้องกัน เพราะปฏิกิริยาดังกล่าวมันก่อปัญหาให้กับการทำงานของระบบคอมเพรสเซอร์ที่ใช้เพิ่มความดันให้กับแก๊สเอทิลีน (รวมทั้งระบบท่อด้านขาเข้า-ออกของคอมเพรสเซอร์และระบบ inter-stage cooler ด้วย)

แก๊สที่มาจาก pyrolysis heater นั้นประกอบด้วยโอเลฟินส์ต่าง ๆ หลากหลายชนิด โดยมีเอทิลีนเป็นตัวหลัก นอกจากนี้ยังมีการเกิดสารประกอบที่มีออกซิเจนเป็นองค์ประกอบ (เช่นเปอร์ออกไซด์) ที่เกิดจากไอน้ำที่ผสมเข้าไปในไฮโดรคาร์บอนก่อนเข้า pyrolysis heater และยังมีสารในตระกูล acetylene ร่วมด้วย โอเลฟินส์และ acetylene นั้นเป็นแก๊สที่มีความว่องไวในการทำปฏิกิริยา ดังนั้นภายใต้สภาวะที่เหมาะสม (เช่นมี ตัวกระตุ้นหรือ initiator, อุณหภูมิและ/หรือความดันที่สูงพอ รวมทั้งโลหะบางชนิดที่สามารถทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา) โมเลกุลโอเลฟินส์ต่าง ๆ จะมีการรวมตัวเข้าด้วยกันกลายเป็นโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้น กลายเป็นของเหลวจุดเดือดสูงหรือของแข็งสะสมอยู่ในระบบ ซึ่งส่งผลต่อการทำงานของอุปกรณ์ (เช่นไปลดประสิทธิภาพการอัดของคอมเพรสเซอร์และการแลกเปลี่ยนความร้อน) 
  

ปฏิกิริยาที่สำคัญที่ทำให้เกิดการสะสมของของเหลวจุดเดือดสูงหรือของแข็งในระบบคอมเพรสเซอร์มีอยู่ด้วยกัน ๓ ปฏิกิริยาคือ free radical polymerisation, Diels-Alder reaction และ thermal degradation to coke
 

โมโนเมอร์บางชนิดเช่น butadiene, isoprene, styrene, vinyl acetate สามารถเกิดปฏิกิริยา free radical polymerisation ได้ง่าย โดยที่ตัวมันเมื่อมีอุณหภูมิสูงพอก็จะเกิดการสลายตัวกลายเป็นอนุมูลอิสระ (free radical) หรือไม่ก็สารประกอบเปอร์ออกไซด์ที่ปนเปื้อนอยู่ในระบบนั้นเกิดการสลายตัวเนื่องจากความร้อน กลายเป็นอนุมูลอิสระ และเมื่ออนุมูลอิสระที่เกิดจากสารประกอบเปอร์ออกไซด์มาจับเข้ากับโมโนเมอร์เหล่านั้น จำทำให้โมโนเมอร์นั้นกลายเป็นอนุมูลอิสระที่สามารถเชื่อมต่อโมเลกุลเข้ากับโมเลกุลอื่นที่มีพันธะคู่ได้ กลายเป็นสารประกอบที่มีโครงสร้างที่ใหญ่ขึ้น
 

ปฏิกิริยา Diels-Alder ทำให้โมเลกุลไฮโดรคาร์บอนที่มี conjugated double bond เชื่อมต่อเข้ากับโมเลกุลอื่นที่มีพันธะ C=C กลายเป็นโครงสร้างที่เป็นวงแหวนที่ขยายตัวโตขึ้นได้เรื่อย ๆ ในขณะที่ปฏิกิริยา thermal degradation นั้นทำให้อะตอม H หลุดออกจากอะตอม C และถ้าอะตอม C ดังกล่าวอยู่ในส่วนที่เป็นโครงสร้างวงแหวน alicyclic จะทำให้โครงสร้าง alicyclic เปลี่ยนเป็น aromatic ที่มีเสถียรภาพสูงขึ้นไปอีกได้

รูปที่ ๔ ภาพขยาย process flow diagram ของกระบวนการอัดแก๊สเอทิลีน ๓ ขั้นตอนแรก (รูปเต็มแสดงใน memoir ฉบับที่แล้ว) ที่มีการกล่าวถึงการฉีด wash oil เข้าไปทางด้านทางเข้าคอมเพรสเซอร์ และการคุมอุณหภูมิด้านขาออกของคอมเพรสเซอร์ (ก่อนเข้า inter-stage cooler) ไม่ให้เกิน 93ºC

มาถึงจุดนี้พอจะมองเห็นภาพแล้วนะครับว่าทำไปถึงต้องมีการกำหนดอุณหภูมิแก๊สด้านขาออกของคอมเพรสเซอร์เอาไว้ไม่ให้เกิน 93ºC (ดู PFD ในรูปที่ ๔) เรื่องอุณหภูมิตรงนี้มีประเด็นที่ต้องพิจารณาเหมือนกัน ยิ่งอัดแก๊สในแต่ละ stage ทำให้ความดันแก๊สเพิ่มขึ้นสูงเท่าใด แก๊สจากการอัดก็จะมีอุณหภูมิที่สูงตามไปด้วย การเกิดปฏิกิริยาเป็นสารประกอบโมเลกุลใหญ่ก็จะมากตามไปด้วย แต่จำนวน stage ของการอัดอาจลดจง แต่ถ้าไม่ต้องการให้แก๊สที่ผ่านการอัดนั้นมีอุณหภูมิที่สูงด้วยการเพิ่มความดันขึ้นทีละน้อย การเกิดปฏิกิริยาเป็นสารประกอบโมเลกุลใหญ่ก็จะลดลง แต่จำนวน stage การอัดก็อาจจะต้องเพิ่มมากขึ้น ดังนั้นมันก็จะเป็นการดีถ้าหากในการอัดแก๊สในแต่ละ stage นั้นสามารถเพิ่มความดันแก๊สให้สูงขึ้นได้มากโดยที่อุณหภูมิแก๊สที่ผ่านการอัดนั้นไม่สูงตามไปด้วย ซึ่งก็สามารถทำได้ด้วยวิธีการเช่นการลดอุณหภูมิแก๊สขาเข้าหรืออาจใช้การฉีดของเหลว (เช่นน้ำ) ผสมในปริมาณที่พอเหมาะเข้าไปในแก๊สขานั้น เพื่อให้การระเหยของของเหลวนั้นช่วยดูดซับความร้อนจากการอัด แล้วค่อยไปควบแน่นของเหลวที่ฉีดเข้าไปนั้นออกจากแก๊สที่ inter-stage cooler ด้านขาออก
 

แต่การฉีดของเหลวผสมเข้าไปในแก๊สขาเข้านั้นก็ต้องระวังเหมือนกัน เพราะถ้าฉีดมากเกินและต่อเนื่องเป็นเวลานาน อาจทำให้ใบพัดของคอมเพรสเซอร์เสียหายจาก erosion ได้ ตรงนี้ดูเหมือนว่าคอมเพรสเซอร์แบบ centrifugal type ที่ใช้ impeller (ใบพัดแบบของปั๊มหอยโข่ง) นั้นจะรองรับปัญหาการเกิด erosion ได้ดีกว่าใบพัดแบบ turbine
 

ที่อุณหภูมินี้ไม่ใช่ว่าจะไม่เกิดปฏิกิริยาการรวมตัวเป็นโมเลกุลใหญ่ขึ้น มันก็ยังมีอยู่แต่จัดได้ว่าอยู่ในระดับที่ยอมรับได้ คราบของแข็งที่เกาะติดอยู่บนพื้นผิวต่าง ๆ ของคอมเพรสเซอร์ (ไม่ว่าจะเป็น impeller เพลา หรือระบบ seal ต่าง ๆ) นั้นก่อให้เกิดปัญหากับสมรรถนะการทำงานของคอมเพรสเซอร์ วิธีการหนึ่งในการลดการสะสมคราบของแข็งดังกล่าวคือการฉีด "wash oil" ผสมเข้าไปในแก๊สด้านขาเข้าของคอมเพรสเซอร์ wash oil นี้จะไปเคลือบผิวชิ้นส่วนต่าง ๆ ของคอมเพรสเซอร์และชะล้างเอาคราบของแข็งให้หลุดออกไป

ตอนที่เราเรียนเคมีในเรื่องการละลายเข้าด้วยกันของของเหลวนั้น เรามักจะเรียนกันว่าของเหลวไม่มีขั้วจะละลายได้ในตัวทำละลายที่ไม่มีขั้ว ของเหลวที่มีขั้วจะละลายได้ในตัวทำละลายมีขั้ว ซึ่งตรงนี้ไม่ได้มีการพูดถึงรูปร่างหรือขนาดโมเลกุลเข้ามาเกี่ยวข้อง อันที่จริงการละลายเข้าด้วยกันได้นั้น โมเลกุลของสารหนึ่งจะต้องสามารถแทรกเข้าไปอยู่ระหว่างโมเลกุลของอีกสารหนึ่งได้ ถ้าแทรกเข้าไปไม่ได้มันก็ไม่ละลายเข้าด้วยกัน ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือภาชนะบรรจุน้ำมันต่าง ๆ ที่ปัจจุบันใช้พลาสติกกันทั้งนั้น หลากหลายชนิดทำจากพอลิเอทิลีนที่เป็นโมเลกุลไม่มีขั้ว แต่สามารถบรรจุน้ำมันได้โดยไม่มีปัญหาอะไร ทั้งนี้เพราะสายโซ่โมเลกุลของพอลิเอทิลีนชนิดที่ใช้ทำกระป๋องบรรจุนั้น ด้วยขนาดของโมเลกุลและการควบคุมกิ่งก้านของสายโซ่ ทำให้สายโซ่อยู่ใกล้ชิดกัน แรงยึดเหนี่ยวระหว่างสายโซ่จึงสูง ทำให้โมเลกุล
 
น้ำมันแม้ว่าจะเป็นโมเลกุลที่ไม่มีขั้วเช่นกัน ไม่สามารถแทรกเข้าไปอยู่ระหว่างสายโซพอลิเอทิลีนได้ พอลิเอทิลีนเกรดที่ใช้ทำกระป๋องบรรจุน้ำมันนี้แตกต่างไปจากเกรดที่ใช้ทำถุงพลาสติก เกรดทำถุงพลาสติกนั้นช่องว่างระหว่างโมเลกุลมันมากกว่า โมเลกุลน้ำมันแทรกเข้าไปในช่องว่างระหว่างสายโซ่พอลิเมอร์ได้ง่ายกว่า มันจึงไม่เหมาะสมที่จะนำมาใช้ในการบรรจุน้ำมัน
 

ในทำนองเดียวกัน ไฮโดรคาร์บอนพวก aliphatic เมื่อเทียบกับพวก cyclic หรือ aromatic แล้ว ด้วยรูปร่างโมเลกุลที่แตกต่างกันจึงทำให้แรงยึดเหนี่ยวกันระหว่างโมเลกุลแตกต่างกัน พวกที่มีโครงสร้างเป็นวงนั้นมีรูปร่างโมเลกุลที่ค่อนข้างแบน (แม้ว่าจะเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่) พื้นผิวสัมผัสกันระหว่างโมเลกุลที่ซ้อนเรียงกันจึงสูงกว่าพวก aliphatic การละลายของแข็งที่เกิดจากสารประกอบที่มีโครงสร้างเป็นวงด้วยตัวทำละลายที่เป็นพวก aliphatic จึงทำได้ยากกว่าการใช้ตัวทำละลายที่มีโครงสร้างเป็นวง (เช่นสารอะโรมาติก)
 

ด้วยเหตุนี้ wash oil ที่ใช้จึงควรมีสัดส่วนของสาร aromatic ที่สูง (บทความของ Sheri Sniderใน file ที่แนบส่งมาด้วยนั้นกล่าวว่า wash oil ที่ดีควรมีสัดส่วน aromatic ในปริมาณที่สูงกว่า 80%) และควรมีอุณหภูมิที่เริ่มเดือด (initial boiling point) ที่สูงเกินกว่า 200ºC นั้นนี้เพื่อให้มันใจว่าน้ำมันยังคงสถานเป็นของเหลวอยู่ มันจึงจะสามารถละลายและชะล้างของแข็งที่เกาะติดพื้นผิวอยู่ออกไปได้
 

ปิดท้ายด้วยรูปที่ถ่ายเอาไว้บ่ายวันวาน เป็นรูปของนิสิตป.โทรายหนึ่งที่กำลังกลุ้มใจตรงที่ไม่รู้ว่าจะเขียนอธิบายผลการทดลองอย่างไร ดูเหมือนว่าในขณะนี้ทั่วทั้งแลปจะเต็มไปด้วยคนที่มีอาการแบบนี้เต็มไปหมด

ก็เส้นตายของกำหนดการสอบวิทยานิพนธ์กำลังเดินใกล้เข้ามาเรื่อย ๆ นี่ครับ :) :) :)