ปัจจัยที่ส่งผลต่อค่า flammability limit (๑) MO Memoir : Friday 28 July 2560

เนื้อหาใน Memoir ฉบับนี้เป็นเรื่องต่อเนื่องจาก Memoir ปีที่ ๙ ฉบับที่ ๑๓๖๙ วันศุกร์ที่ ๒๘ เมษายน ๒๕๖๐ เรื่อง "ผลของคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ต่อค่า flammability limits" โดยรูปต่าง ๆ ในฉบับนี้นำมาจากเอกสารที่มีชื่อเรื่องว่า "Flammability characteristics of combustible gases and vapors" โดย Michael G. Zabetakis, U.S. Bureau of Mines, Bulletin 627 ที่ค้นได้ทางอินเทอร์เน็ต เผยแพร่ในปีค.ศ. ๑๙๖๕

รูปที่ ๑ ค่า Flammability limits ของอีเทน + อากาศ + (N₂ หรือ CO₂) ที่ 25ºC ความดันบรรยากาศ

ใน Memoir ฉบับที่ ๑๓๖๙ นั้นได้กล่าวถึงผลของค่าความจุความร้อนของแก๊สเฉื่อยที่ทำให้ช่วง flammability limit ของเชื้อเพลิงนั้นแคบลง และได้นำเอากราฟของสารบางสารมาให้ดูกัน มาคราวนี้บังเอิญไปพบกราฟของสารตัวอื่น ก็เลยขอนำมาเผยแพร่เพิ่มเติม (รูปกราฟจากเอกสารต้นฉบับมีบางกราฟมีความผิดพลาด ที่จะได้กล่าวถึงในรูปนั้น)
 

ในรูปกราฟแต่ละรูปนั้น ค่า flammability limit หรือ explosive limit ของแต่ละสารในอากาศนั้นคือค่าที่ตำแหน่งแกน x เป็นศูนย์ รูปที่ ๑-๕ แสดงผลของแก๊สเฉื่อยที่มีการเพิ่มเติมเข้าไป (นอกเหนือไปจากไนโตรเจนที่มีอยู่ในอากาศแต่แรก) ที่มีต่อช่วง flammability limit โดยรูปที่ ๑-๓ เป็นกรณีของ อีเทน โพรเพน และบิวเทน เมื่อมีการเพิ่มไนโตรเจน (นอกเหนือไปจากที่มีอยู่ในอากาศ) หรือคาร์บอนไดออกไซด์เข้าไป รูปที่ ๔ และรูปที่ ๕ เป็นกรณีของมีเทนและนอร์มัลเพนเทน ที่มีการผสมแก๊สเฉื่อยหลากหลายชนิด
 

สิ่งหนึ่งที่น่าสนใจคือผลของ CO₂ ที่มีต่อช่วง flammability limit ของมีเทนในรูปที่ ๔ โดยเฉพาะตรงส่วนผสมที่มี CO₂ 18% เพราะแก๊ส CNG เติมรถยนต์ที่ขายในบ้านเรานั้นมี CO₂ ผสมอยู่ 18%

รูปที่ ๒ ค่า Flammability limits ของโพรเพน + อากาศ + (N₂ หรือ CO₂) ที่ 25ºC ความดันบรรยากาศ
  

การทำงานของเครื่องยนต์เบนซิน (หรือดีเซล) นั้น เราใช้เชื้อเพลิงเผาไหม้ให้เกิดความร้อนและแก๊สร้อนที่ขยายไปดันลูกสูบ เชื้อเพลิงที่มีพลังงานความร้อนในตัวสูงกว่าก็จะใช้ปริมาณน้อยกว่าเชื้อเพลิงที่มีพลังงานความร้อนในตัวต่ำกว่า (พูดง่าย ๆ คือในกรณีของเชื้อเพลิงเหลว เทียบกันลิตรต่อลิตร เชื้อเพลิงที่มีค่าความร้อนสูงกว่าจะวิ่งได้กิโลเมตรต่อลิตรที่มากกว่า) เนื่องจาก CO₂ นั้นมีค่าความจุความร้อนที่สูงกว่าไนโตรเจน ดังนั้นถ้าเรามีส่วนผสมแก๊สสองส่วนผสมที่มีอัตราส่วนผสมระหว่างมีเทนและออกซิเจนเท่ากัน โดยส่วนผสมแรกนั้นแก๊สส่วนที่เหลือคือไนโตรเจน ส่วนส่วนผสมที่สองนั้นแก๊สส่วนที่เหลือคือไนโตรเจนและ CO₂ เมื่อทำการเผาไหม้แก๊สทั้งสองชนิดในปริมาณที่เท่ากัน (คิดเทียบเท่าปริมาณมีเทนที่เผาไหม้เท่ากัน) แก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงที่มีส่วนผสม CO₂ สูงจะมีอุณหภูมิที่ต่ำกว่า ทำให้มีการขยายตัวของแก๊สน้อยกว่า หรือถ้าคิดเทียบระยะทางที่รถวิ่งได้ต่อปริมาณมีเทนที่เผาไหม้ แก๊สผสมที่มี CO₂ ผสมอยู่จะให้ระยะทางที่รถวิ่งได้ต่อปริมาณมีเทนที่เผาไหม้นั้นต่ำกว่าแก๊สผสมที่ไม่มี CO₂ ผสมอยู่

รูปที่ ๓ ค่า Flammability limits ของบิวเทน + อากาศ + (N₂ หรือ CO₂) ที่ 25ºC ความดันบรรยากาศ

รูปที่ ๔ ค่า Flammability limits ของมีเทน + อากาศ + แก๊สเฉื่อยชนิดต่าง ๆ ที่ 25ºC ความดันบรรยากาศ

CNG เติมรถยนต์ที่ขายกันอยู่ทั่วไปในบ้านเรานั้นมี CO₂ ผสมอยู่ 18% รถยนต์ที่ใช้ CNG เป็นเชื้อเพลิงจึงมีปัญหาตรงที่ถ้าหากไปลดปริมาณ CO₂ ลงเพื่อให้รถวิ่งได้ระยะทางเพิ่มมากขึ้นต่อปริมาณแก๊สที่เติม ระบบฉีดจ่ายเชื้อเพลิงจะต้องสามารถลดปริมาณแก๊สที่ฉีดเพื่อเป็นการชดเชยค่าพลังงานความร้อนของเชื้อเพลิงที่สูงขึ้น เพราะถ้าไม่ทำเช่นนี้จะเกิดปัญหาเครื่องยนต์ร้อนจัดจนอาจเกิดความเสียหายได้ ในทางกลับกันเครื่องยนต์ที่ออกแบบมาสำหรับใช้ CNG ที่ไม่มี CO₂ ผสมนั้น ถ้านำเอา CNG ที่มี CO₂ ผสมอยู่ 18% มาใช้โดยไม่มีการฉีดเชื้อเพลิงเพิ่มเพื่อชดเชยค่าพลังงานความร้อนที่ลดลงของเชื้อเพลิง ก็จะทำให้เครื่องยนต์มีกำลังตกลง ปัญหาของรถยนต์ที่ใช้ CNG เป็นเชื้อเพลิงดูเหมือนว่าจะอยู่ตรงที่ระบบจ่ายเชื้อเพลิงนั้นไม่สามารถปรับเปลี่ยนปริมาณการฉีดให้เหมาะสมกับปริมาณ CO₂ ที่มีอยู่ในเชื้อเพลิงได้ ทำให้เมื่อมีแผนการณ์ที่จะนำเอา CNG ที่มี CO₂ ผสมอยู่น้อยมาชาย จึงต้องแยกขายให้กับกลุ่มที่มีความต้องการเฉพาะ
 

ก๊าชธรรมชาติสำหรับยานยนต์นี้ ชื่อเรียกภาษาอังกฤษและชื่อย่อตามมาตรฐานสากลและตามกฎหมายไทยคือ Compressed Natural Gas หรือ CNG ตัวย่อว่า NGV นั้นตามมาตรฐานสากลหมายถึงรถที่ใช้ CNG เป็นเชื้อเพลิงหรือNatural Gas Vehicle (บริษัทหนึ่งในบ้านเราเอาคำย่อ NGV นี้มาแปลความหมายผิดคือแปลเป็น Natural Gas for Vehicle) ดังนั้นถ้าจะคุยกับคนต่างชาติโดยต้องการสื่อความหมายไปที่ตัวเชื้อเพลิง ก็ต้องใช้คำว่าย่อว่า CNG ห้ามใช้คำว่า NGV เพราะมันเป็นคนละเรื่องกัน

รูปที่ ๕ ค่า Flammability limits ของนอร์มัลเพนเทน + อากาศ + แก๊สเฉื่อยชนิดต่าง ๆ ที่ 25ºC ความดันบรรยากาศ
 

ประกาศกรมธุรกิจพลังงาน เรื่อง กำหนดลักษณะและคุณภาพของก๊าซธรรมชาติสำหรับยานยนต์ พ.ศ. ๒๕๕๖ ได้แยกก๊าซธรรมชาติสำหรับยานยนต์ออกเป็นสองชนิด ชนิดแรกนั้นคือชนิดที่มีขายมาแต่ดั้งเดิมที่มี CO₂ ผสมอยู่ 18% ส่วนชนิดที่สองที่ตั้งขึ้นมาใหม่นั้นมี CO₂ ผสมอยู่เพียง 10% (ประกาศปีพ.ศ. ๒๕๕๒ มีเฉพาะชนิดมี CO₂ 18%) เครื่องยนต์รถที่ตั้งเครื่องมาเพื่อใช้กับแก๊สชนิดแรกนั้น ถ้าเปลี่ยนไปใช้แก๊สชนิดที่สองก็มีสิทธิเครื่องพังได้เนื่องจากร้อนจัด (เว้นแต่ว่าจะไปทำการปรับแต่งปริมาณการฉีดเชื้อเพลิงให้ลดต่ำลง) ส่วนเครื่องยนต์รถที่ตั้งมาเพื่อใช้กับแก๊สชนิดที่สองนั้น ถ้าเปลี่ยนไปใช้แก๊สชนิดแรกก็จะมีปัญหาเครื่องยนต์กำลังตก ปัญหานี้เคยเกิดทางภาคอีสานราว ๆ ปี ๒๕๕๐ - ๒๕๕๓ เห็นจะได้ ที่ตอนแรกนั้น CNG ที่ขายอยู่ทางภาคอีสานมี CO₂ น้อยกว่าที่อื่น รถที่ปรกติใช้งานอยู่ในกรุงเทพพอไปเติม CNG ทางภาคอีสานเกิดปัญหาเครื่องยนต์ร้อนจัด ส่วนรถที่ปรกติใช้งานอยู่ทางภาคอีสาน พอมาเติมเชื้อเพลิงแถวกรุงเทพก็เกิดปัญหาเครื่องยนต์กำลังตก ทางผู้จำหน่ายเลยแก้ปัญหาด้วยการเพิ่มปริมาณ CO₂ ให้กับแก๊สที่จำหน่ายทางภาคอีสาน (แต่ไม่ได้ลดราคาให้นะ)

รูปที่ ๖ ค่า flammability limit ของนอร์มัลเฮปเทนเมื่อมีไอน้ำผสม กราฟนี้แสดงผลของอุณหภูมิ จะเห็นว่าอุณหภูมิที่เพิ่มสูงขึ้นทำให้ช่วง flammability limit กว้างขึ้น
 

รูปที่ ๖ เป็นตัวอย่างผลของอุณหภูมิที่มีต่อค่า flammability limit ของนอร์มัลเฮปเทน รูปนี้แสดงให้เห็นว่าเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ช่วงความกว้างของค่า flammability limit ก็จะเพิ่มขึ้นด้วย (ที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศ อุณหภูมิ autoignition temperature ของเฮปเทนอยู่ที่ 200ºC ต้น ๆ เท่านั้น ดังนั้นไม่ต้องแปลกใจว่าทำไปเขาจึงทำการทดลองได้เพียงแค่อุณหภูมิ 200ºC)
 

รูปที่ ๗-๑๑ แสดงผลของความดันต่อค่า flammability limit ของ มีเทน อีเทน และโพรเพน ในระบบ เชื้อเพลิง-ไนโตรเจน-อากาศ หรือ เชื้อเพลิง-คาร์บอนไดออกไซด์-อากาศ ซึ่งจะเห็นว่าที่ความดันสูงขึ้น ช่วงความกว้างของค่า flammability limit ก็จะเพิ่มขึ้นด้วยทำนองเดียวกับกรณีของอุณหภูมิ

รูปที่ ๗ ผลต่อความดันที่มีต่อค่า flammability limit ของแก๊สมีเทน-ไนโตรเจน-อากาศ

ค่า flammability limit ที่มีเผยแพร่กันทั่วไปนั้นมักจะเป็นค่าที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศ แต่ก็มีหลายกระบวนการผลิตในงานวิศวกรรมเคมีที่ทำการผสมเชื้อเพลิง (สารอินทรีย์ที่เป็นสารตั้งต้นเช่นไฮโดรคาร์บอนต่าง ๆ) กับอากาศ และให้ทำปฏิกิริยากันที่อุณหภูมิสูงและความดันที่สูงกว่าความดันบรรยากาศ (พวกปฏิกิริยาการออกซิไดซ์แบบเลือกเกิด หรือที่เรียกเป็นภาษาอังกฤษว่า selective oxidation หรือ partial oxidation) และวิธีการพื้นฐานวิธีการแรกในการป้องกันอันตรายจากการระเบิดในขณะทำปฏิกิริยาคือการใช้ส่วนผสมที่อยู่นอกช่วง flammability limit
 

จากรูปที่ ๖-๑๑ จะเห็นว่าที่อุณหภูมิและความดันที่สูงขึ้น ความกว้างของช่วง flammbility limit จะเพิ่มมากขึ้น แต่ด้านที่เพิ่มมากจะเป็นด้านขอบเขตบน (upper limit หรือ upper explosive limit) คือค่าความเข้มข้นสูงสุดของเชื้อเพลิงที่ทำให้เกิดการเผาไหม้ได้เพิ่มขึ้นไปมาก ในขณะที่ด้านขอบเขตล่าง (lower limit หรือ lower explosive limit) จะได้รับผลกระทบน้อยกว่าหรือแทบไม่ได้รับผลกระทบ คือค่าความเข้มข้นต่ำสุดที่ทำให้เกิดการเผาไหมได้แทบจะไม่ได้ลดต่ำลงไปอีก

รูปที่ ๘ ผลต่อความดันที่มีต่อค่า flammability limit ของแก๊สอีเทน-ไนโตรเจน-อากาศ กราฟรูปนี้เอกสารต้นฉบับที่นำบทความเดิมในปี ๑๙๖๕ มาทำใหม่นั้น ไม่ได้ใส่ตัวเลขสเกลทั้งแกน x และ y ให้ แต่เมื่อเทียบรูปในบทความต้นฉบับปี ๑๙๖๕ แต่ละขีดของแกน x และแกน y จะอยู่ห่างกัน 8 หน่วย

แต่ทั้งนี้ไม่ได้หมายความว่าการทำปฏิกิริยาโดยที่ส่วนผสมนั้นอยู่ในช่วง flammability limit จะทำไม่ได้นะ ในปฏิกิริยา gas phase partial oxidation ของหลายกระบวนการใช้การทำปฏิกิริยาโดยที่ส่วนผสมสารตั้งต้นอยู่ในช่วง flammability limit แต่ก็ยังสามารถเดินเครื่องได้อย่างปลอดภัย เพราะมันมีเรื่องของ autoignition temperature หรืออุณหภูมิลุกติดไฟได้เองเข้ามาเกี่ยวข้องอีก 
  

คือการทำปฏิกิริยาในเครื่องปฏิกรณ์มันไม่มีเปลวไฟหรือประกายไฟอยู่แล้ว สิ่งเดียวที่สามารถทำให้ส่วนผสมเกิดการระเบิดได้คือความร้อนที่คายออกมาจากการเกิดปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่นในระหว่างการเกิดปฏิกิริยา gas phase partial oxidation (ที่เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน) นั้นสารตั้งต้นจะมีความเข้มข้นลดต่ำลงในขณะที่ปฏิกิริยากำลังเดินไปข้างหน้า แต่อุณหภูมิของระบบจะเพิ่มสูงขึ้น ถ้าสามารถมั่นใจได้ว่าสามารถออกแบบระบบการทำปฏิกิริยาที่ความเข้มข้นของสารตั้งต้นจะลดต่ำลงจนอยู่นอกช่วง flammability limit ก่อนที่อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาจะขึ้นสูงถึง autoignition temperature ได้ ก็สามารถทำปฏิกิริยาได้อย่างปลอดภัย
 

เรื่อง flammability limit นี้ยังไม่จบนะ ยังมีต่ออีกตอนหนึ่ง จากนั้นก็จะไปยังเรื่อง autoignition temperature ก่อน แล้วค่อยไปคุยกันเรื่องเหตุการณ์ที่เกิดเมื่อเย็นวันอังคารที่ ๒๕ ที่ผ่านมา

รูปที่ ๙ ผลต่อความดันที่มีต่อค่า flammability limit ของแก๊สอีเทน-คาร์บอนไดออกไซด์-อากาศ รูปนี้บทความที่จัดทำใหม่มีที่ผิดนิดนึงตรงการคำนวณ %air ที่ต้องเป็น %CO₂ ไม่ใช่ %N₂ แต่ในบทความต้นฉบับปี ๑๙๖๕ นั้นระบุไว้ถูกต้องแล้ว

รูปที่ ๑๐ ผลของความดันที่มีต่อค่า flammability limit ของแก๊สโพรเพน-ไนโตรเจน-อากาศ รูปนี้เอกสารที่จัดทำขึ้นใหม่มีที่ผิดนิดนึงตรงลูกศรชี้เส้นความดันบรรยากาศที่ชี้ผิดเส้น รูปนี้ต้นฉบับปี ๑๙๖๕ ก็ผิดที่นี่เช่นกัน

หมายเหตุ : บทความที่เป็นต้นเรื่องของเนื้อหา Memoir ฉบับนี้สามารถดาวน์โหลดได้ฟรีทางอินเทอร์เน็ตด้วยการใช้ใส่ชื่อบทความ "Flammability characteristics of combustible gases and vapors" ลงไปในช่องคำค้นหา จะปรากฏลิงค์เชื่อมโยงไปทั้งบทความต้นฉบับที่พิมพ์เผยแพร่ในปี ค.ศ. ๑๙๖๕ และบทความที่มีการจัดทำขึ้นใหม่ราว ๆ ปีค.ศ. ๑๙๙๙ (ที่ยังเป็นรายงานฉบับร่าง) บทความที่จัดทำขึ้นใหม่ในปีค.ศ. ๑๙๙๙ นี้มีการวาดรูปใหม่ให้ชัดเจนกว่าบทความปี ๑๙๖๕ และรูปที่นำมาลงใน Memoir นี้ก็นำมาจากบทความฉบับหลังนี้ (เพราะรูปมันชัดเจนกว่า) แต่รูปที่วาดขึ้นใหม่ในบทความฉบับหลังนี้มีผิดอยู่บางรูป (รูปที่ ๘ และ ๙ ในที่นี้) เมื่อเทียบกับบทความต้นฉบับปี ค.ศ. ๑๙๖๕

รูปที่ ๑๑ ผลของความดันที่มีต่อค่า flammability limit ของแก๊สโพรเพน-คาร์บอนไดออกไซด์-อากาศ