วันเสาร์ที่ 8 เมษายน พ.ศ. 2560

รู้ทันนักวิจัย (๓) ข้อเสียที่ถูกละเอาไว้ MO Memoir : Saturday 8 April 2560

รถบรรทุก : น้ำหนักมาก ออกตัวช้า เข้าตรอกซอกซอยเล็กลำบากหรือเข้าไม่ได้ ติดเวลาวิ่ง
 
รถยนต์นั่นส่วนบุคคล : ราคาสูง วิ่งได้ดีกับถนนที่ผิวทางเรียบ ประสบปัญหารถติดในช่วงชั่วโมงเร่งด่วน
 
รถจักรยานยนต์ : ราคาถูก ประหยัดน้ำมัน มุดตรอกซอกซอยต่าง ๆ ได้ดี เดินทางได้คล่องแม้การจราจรติดขัด

สรุป : รถจักรยานยนต์ดีที่สุด

ข้อความข้างบนผมเขียนขึ้นมาเองเล่น ๆ ว่าแต่พออ่านข้อความข้างบนแล้วพวกคุณรู้สึกอย่างไรบ้างครับ เหตุผลกับข้อสรุปมันไปด้วยการได้ไหม


รูปที่ ๑ การเปรียบเทียบเครื่องปฏิกรณ์เคมี (chemical reactor) รูปแบบต่าง ๆ

เวลาที่ผมสอนหนังสือนิสิต ผมจะบอกกับนิสิตเสมอว่า ถ้ามันมีอะไรสักอย่างที่มันดีที่สุด ไม่มีอันอื่นเทียบได้ ใช้ได้ดีกับทุกสถานการณ์ เราเองก็จะเรียนหนังสือกันสบายมากขึ้น คนสอนก็สบายไปด้วย เพราะไม่ต้องสอนอะไรกันมาก สอนเพียงเรื่องเดียวพอ แต่สภาพความเป็นจริงมันไม่ได้เป็นเช่นนั้น ไม่ว่าจะเป็นภาษาคอมพิวเตอร์หรืออุปกรณ์ต่าง ๆ แต่ละอย่างต่างก็มีข้อดีข้อเสียในตัวของมันเอง ตรงนี้มันเป็นหน้าที่ของคนเลือกที่ต้องพิจารณาว่า ในสภาพการณ์ที่ตนเองกำลังเผชิญอยู่นั้น ตัวเลือกไหนเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุด
 
อย่างเช่นในกรณีของรถที่ยกตัวอย่างมาข้างต้น ก็คงต้องกลับไปพิจารณาว่าวัตถุประสงค์ของการใช้รถนั้นคืออะไร ถ้าต้องการใช้บรรทุกของเป็นหลัก ก็คงต้องเลือกซื้อรถบรรทุก ถ้าต้องการบรรทุกผู้โดยสารเป็นหลัก ก็ควรต้องไปดูว่าจำนวนผู้โดยสารที่จะบรรทุกนั้นมีจำนวนเท่าใด ถ้าเป็นประเภทรับส่งระยะทางใกล้ ๆ ในซอยที่ไม่ค่อยมีรถวิ่ง รถจักรยานยนต์ก็เป็นตัวเลือกที่ดี ถ้าต้องการรับส่งเป็นระยะทางไกลหน่อย รถยนต์ก็จะเป็นทางเลือกที่ดีกว่า แต่ถ้าต้องการบรรทุกคนจำนวนมากเป็นประจำ (เช่นรถขนคนงานก่อสร้างระหว่างที่พักกับสถานที่ทำงาน) การเลือกซื้อรถบรรทุกแล้วเอามาดัดแปลงให้มีที่นั่งสำหรับผู้โดยสารได้ก็คงจะดีกว่า เพราะเวลาที่ไม่ได้ใช้บรรทุกผู้โดยสาร ก็ยังสามารถเอามาบรรทุกของได้
 
ที่นี้สมมุติว่าการส่งของหรือเอกสารขนาดเล็ก ๆ ถ้าเป็นการส่งในตัวเมืองที่จราจรติดขัด รถจักรยานยนต์ก็มีข้อดีกว่าตรงที่สามารถซอกแซกไปตามถนนได้ง่าย ทำให้ถึงที่หมายได้เร็ว (จึงเป็นเรื่องปรกติใช่ไหมครับ พวกส่งอาหาร delivery ตามบ้านจึงใช้รถจักรยานยนต์เป็นหลัก) แต่ถ้าต้องส่งเป็นระยะทางไกล ๆ สักหลายสิบหรือเป็นร้อยกิโล (เช่นกรุงเทพ - ชลบุรี หรือกรุงเทพ - ระยอง) ถามว่าใช้รถจักรยานยนต์ทำหน้าที่ดังกล่าวได้ไหม คำตอบก็คือทำได้ (ตราบเท่าที่ฉันไม่ได้เป็นคนขับรถมอเตอร์ไซค์) แถมประหยัดน้ำมันด้วย แต่การใช้รถยนต์หรือรถบรรทุกมันให้ความสะดวกสบายในการเดินทางมากกว่าการใช้รถมอเตอร์ไซค์ แต่การใช้รถยนต์จะเหมาะสมกว่า โดยเฉพาะเรื่องความสะดวกสบายในการเดินทางและประหยัดน้ำมันมากกว่ารถบรรทุก

เรื่องเล่าในวันนี้เกี่ยวข้องกับงานวิจัยงานหนึ่งที่นำเสนอการทำปฏิกิริยา steam reforming ด้วยเครื่องปฏิกรณ์ที่เขาเรียกว่า "circulating fluidised bed" แต่พอดูรายละเอียดในงานของเขาแล้วผมว่ามันก็ไม่ได้แตกต่างอะไรไปจากเครื่องปฏิกรณ์ชนิด "Riser reactor" ที่ผมติดใจคือการที่เขานำเอาการทำปฏิกิริยาใน fixed-bed, fluidised bed และเครื่องปฏิกรณ์ที่เขานำเสนอคือ circulating fluidised bed โดยเฉพาะประเด็นตรงความดันลดหรือ pressure drop ที่เขาบอกว่ามีค่า "สูงมาก" ในกรณีของ fixed-bed มีค่าปานกลางในกรณีของ fluidised bed และมีค่าต่ำในกรณีของ circulating fluidised bed
 
ก่อนอื่นเราลองทบทวนการเกิด fluidisation กันหน่อยดูไหมครับ กราฟในรูปที่ ๒ ข้างล่างแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง ความดันลดคร่อมเบดกับความเร็วแก๊สที่ไหลผ่านเบด (ไหลจาก "ล่างขึ้นบน" นะครับ) ในช่วงแรกนั้นตัวเบดจะยังคงเป็น fixed-bed อยู่ และเมื่อเพิ่มความเร็วแก๊สขึ้นเรื่อย ๆ ค่าความดันลดก็จะ "เพิ่มสูงขึ้น" ตามไปด้วย จนถึงจุดที่เริ่มเกิดปรากฏการณ์ fluidisation ซึ่งตรงนี้ค่าความดันคร่อมเบดค่อนข้างจะ "คงที่" แต่ก็ "สูงกว่า" ช่วงที่เป็น Fixed-bed


รูปที่ ๒ กราฟความสัมพันธ์ระหว่างความดันลด (pressure drop) กับความเร็วแก๊สทีไหลผ่านเบดจากการศึกษาของ Kunii และ Levenspiel กราฟรูปนี้กล่าวได้ว่าเป็นรูปที่ผู้เรียนทางวิศวกรรมเคมีทุกคนต้องเคยผ่านตามา 
  
ในช่วงที่เกิด fluidisation นี้ อนุภาคจะยังไม่หลุดลอยไปจากเบด แต่ถ้าเพิ่มความเร็วแก๊สให้สูงขึ้นไปอีกจนถึงระดับหนึ่งที่ทำให้อนุภาคหลุดลอยไปกับแก๊สได้ ความดันลดคร่อมเบดจะลดลง (ขอไม่กล่าวว่าลดลงอย่างรวดเร็วนะครับ เพราะสเกลแกนนอนมันเป็น log scale เลยทำให้ในรูปมันดูลงเร็ว)

เวลาเรียนเรื่อง fluidised bed นั้น เรามักจะได้เรียนว่าเบดชนิดนี้มันมีข้อดีที่เหนือกว่า fixed-bed อย่างไร เราเรียนกันแบบนี้จนแทบไม่มีนิสิตคนใดตอบได้ว่าถ้า fluidised bed มันดีจริงอย่างนั้น แล้วทำไมจึงมีการนำไปใช้ "น้อยมาก" เมื่อเทียบกับ fixed-bed นั่นแสดงว่า fluidised bed มันต้องมีข้อเสียอะไรบางอย่างอยู่ ทำให้มันมีการใช้งานที่จำกัด 
  
ข้อเสียข้อนั้นก็คือ อนุภาคของแข็งใน fluidised bed นั้นต้องทนต่อการกระแทกระหว่างกันและกับผนังอุปกรณ์ได้โดยที่ไม่แตกหัก ไม่เช่นนั้นมันจะบดตัวเองจนมีขนาดอนุภาคเล็กลงและหลุดลอยออกไปกับแก๊สได้ เรื่องนี้เป็นเรื่องสำคัญมากในกรณีของ fluidised bed ที่ใช้เป็นเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้อนุภาคของแข็งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา และอีกข้อเสียหนึ่งที่เกิดขึ้นตามมาได้คือการสึกหรอ (erosion) ที่ตัวอุปกรณ์และระบบท่อ อันเป็นผลจากการเสียดสีของอนุภาคของแข็งที่ไหลเวียนอยู่ในระบบ (โดยเฉพาะตรงข้องอ ซึ่งไม่จำเป็นต้องมีของแข็งอยู่ในระบบ แก๊สที่ไหลผ่านด้วยความเร็วสูงก็ทำให้การเกิด erosion ตรงข้องอสูงกว่าบริเวณอื่นอยู่แล้ว)

การนำการเกิด fluidisation ไปใช้ในการเผาถ่านหินนั้นมันมีข้อดีตรงที่มันเผาไหม้ได้สมบูรณ์และรวดเร็ว เพราะต้องใช้ถ่านหินที่เป็นผงละเอียด ไม่เช่นนั้นมันจะเกิดปรากฏการณ์ fluidisation ไม่ได้ นอกจากนี้ขี้ถ้าที่เกิดขึ้นยังหลุดลอยออกไปกับแก๊สร้อน ไม่สะสมอยู่ในเตาเผา แต่ก็ต้องไปดักจับและแยกออกทางด้านปลายทาง ไปก่อปัญหาที่ปลายทางแทน 
  
ในกรณีของกระบวนการ fluidised bed catalytic cracking หรือที่เรียกกันย่อ ๆ ว่า FCC ที่ใช้ในการเปลี่ยนน้ำมันหนักให้กลายเป็นน้ำมันเบานั้น มันมีปัญหาเรื่องตัวเร่งปฏิกิริยาเสื่อมสภาพจาก coking เร็วมาก (ในระดับวินาที) การใช้ fixed-bed จึงมีปัญหาเรื่องการฟื้นคืนสภาพตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst regeneration) และด้วยการที่ตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถทนต่อการกระทบกันใน fluidised bed ได้ จึงสามารถนำเทคนิคนี้ไปใช้งานได้ เพราะมันยอมให้สามารถทำการฟื้นคืนสภาพตัวเร่งปฏิกิริยาได้อย่างต่อเนื่อง อาจกล่าวได้ว่ากระบวนการนี้เป็นกระบวนการแรก ๆ ที่นำเอาเทคนิค fluidisation มาประยุกต์ใช้ในกระบวนการผลิตและมาประสบความสำเร็จอย่างสูงโดยเฉพาะในช่วงเริ่มต้นสงครามโลกครั้งที่สอง
 
ในปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์ (polymersation) พอลิเมอร์บางชนิด (เช่นพอลิเอทิลีนหรือพอลิโพรพิลีน) สาเหตุหนึ่งที่ใช้เครื่องปฏิกรณ์ชนิด fluidised bed ได้ก็เพราะอนุภาคพอลิเมอร์ที่เกิดขึ้นนั้นมันไม่มีความแข็งเมื่อเทียบกับโลหะที่ใข้ทำอุปกรณ์ และด้วยความเหนียวนุ่มของมันจึงทำให้ไม่มีปัญหาเรื่องการแตกหัก (แต่อาจเกาะตัวหรือหลอมรวมเป็นก้อนใหญ่ได้ถ้าอุณหภูมิสูงเกินไป)

บ่อยครั้งที่พบว่าสิ่งที่มีข้อดีหลากหลายนั้น ไม่สามารถนำมาใช้งานได้เนื่องจากข้อเสียเพียงข้อเดียว ในกรณีของ fluidisation ก็เช่นกัน ถ้าอนุภาคของแข็งมันทนสภาพการทำงานใน fluidised bed ไม่ได้แล้ว ทุกอย่างก็จบ ต้องหันไปใช้ fixed-bed แทน และเมื่อหันไปใช้เครื่องปฏิกรณ์ชนิด fixed-bed ก็ต้องหาทางป้องกันไม่ให้เกิดปรากฏการณ์ fluidisation ไม่ว่าแก๊สจะไหลผ่านเบดเร็วเท่าใด ด้วยเหตุนี้ในกรณีของ fixed-bed นั้นจึงมักจะให้แก๊สไหลจาก "บนลงล่าง" ด้วยเหตุนี้จึงทำให้ fixed-bed นั้นมีความดันลดคร่อมเบด "สูงกว่า" fluidised bed ได้ เพราะ fixed-bed ยอมให้แก๊สไหลผ่านด้วยความเร็วที่สูงกว่าความเร็วที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์ fluidisation ได้ถ้าหากแก๊สไหลจาก "ล่างขึ้นบน"
 
คำถามที่น่าสนใจคือทั้งปฏิกิริยา steam reforming ที่ใช้ในการผลิตไฮโดรเจนจากมีเทนและ fluidised bed นั้นต่างก็เป็นที่รู้จักกันมานานแล้ว (นับถึงปัจจุบันจะเรียกว่าอยู่ที่ระดับร้อยปีแล้วก็ได้) แล้วทำไมจึงไม่มีการนำเอาการทำปฏิกิริยาด้วย fluidised-bed มาใช้กับปฏิกิริยา steam reforming ซึ่งเหตุผลก็คงไม่ใช่เพราะไม่มีใครคิดถึง
 
การทดลองในห้องปฏิบัติการนั้นมักเป็นการทดลองในช่วงเวลาสั้น ทำให้ข้อเสียบางอย่างยังไม่ปรากฏให้เห็นชัด เช่นการบดกันของอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาจนแตกเป็นผงละเอียดเล็กลง และการสึกหรอของอุปกรณ์ ซึ่งตรงนี้ต่างก็ใช้เวลา (โดยเฉพาะในเรื่องการสึกหรอ) และก็เป็นส่วนที่ยังไม่สามารถใส่เข้าไปในโปรแกรม simulation ได้ด้วย

พฤติกรรมที่เกิดขึ้นภายในเบดที่อัตราการไหลต่าง ๆ ก็เป็นสิ่งที่บ่อยครั้งไม่ได้มีการนำมารวมเข้าไว้ในแบบจำลอง ในกรณีของ fixed-bed นั้นจะมีก็แต่เรื่อง external mass และ heat transfer resistance ที่จะเกิดขึ้นเมื่อความเร็วแก๊สที่ไหลผ่านเบดนั้นลดต่ำลงถึงระดับหนึ่ง ในกรณีของ fluidised bed นั้นจะมีปัญหาเรื่องรูปแบบการไหลของแก๊สที่ไหลผ่านเบดที่ขึ้นกับรูปแบบตัวกระจายแก๊สที่ใช้ (ซึ่งมักไม่ถูกกล่าวถึงในแบบจำลอง) และอัตราการไหลของแก๊ส โดยยิ่งแก๊สไหลเร็วเท่าใดก็จะทำให้แก๊สจำนวนพุ่งผ่านเบดไปในรูปแบบ bubble ขนาดใหญ่หลุดพ้นเบดออกไปโดยไม่เกิดปฏิกิริยาใด ๆ และในกรณีของ riser reactor นั้นยังมีเรื่องของความเร็วสัมพัทธ์ระหว่างแก๊สและอนุภาคของแข็ง ที่ความเร็วของอนุภาคของแข็งนั้นจะต่ำกว่าความเร็วแก๊สที่ไหลผ่านอยู่เล็กน้อย (เรียกว่าเกิด slip) ที่เปลี่ยนแปลงไปตามความเร็วแก๊สที่ไหลผ่านด้วย

ปิดท้ายด้วยผลการวิเคราะห์ปริมาณธาตุในตัวเร่งปฏิกิริยานาโนคาร์บอนที่มีการตีพิมพ์ในวารสารวิชาการระดับนานาชาติฉบับหนึ่ง (รูปที่ ๓) ที่มีนิสิตป.เอกเอามานำเสนอในชั่วโมงสัมมนา ปรกติถ้าพบว่าผลรวมธาตุที่วัดได้นั้นไม่ถึง 100% ก็ไม่ใช่เรื่องแปลก เพราะเป็นไปได้ว่าไม่ได้วัดธาตุบางธาตุด้วยว่าไม่รู้ว่ามันคืออะไร แต่ถ้าพบว่ามันเกิน 100% จะหมายความว่าอะไรดีครับ เรื่องอย่างนี้บางทีมันบ่งบอกถึงคุณภาพผู้ประเมินของวารสารนั้นด้วยครับ


รูปที่ ๓ ผลการวิเคราะห์ธาตุใน nanacarbon catalyst ของบทความวารสารอินเตอร์ฉบับหนึ่ง สังเกตเห็นอะไรผิดปรกติไหมครับ ถ้ายังมองไม่เห็นก็ลองเอาตัวเลขมาบวกกันก็ได้ครับ ว่าได้ผลรวมเท่ากับเท่าใด นอกจากนี้ลองสังเกตความเหมือนกันของตัวเลขในช่องสุดท้ายด้วยก็ดีครับ

ไม่มีความคิดเห็น: