น้ำมันเบนซินและเลขออกเทน (๓) MO Memoir : Monday 30 October 2566

น้ำมันเบนซินที่ขายกันอยู่นั้นประกอบด้วย

(ก) ไฮโดรคาร์บอน (ที่เป็นตัวเชื้อเพลิงหลัก)
(ข) สารเพิ่มเลขออกเทน (ที่ปัจจุบันทำหน้าที่เป็นตัวเชื้อเพลิงหลักด้วย)
(ค) สี (ที่มีไว้จำแนกประเภทและตรวจสอบการปลอมปน) และ
(ง) สารเติมแต่ง (เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของน้ำมัน)

สิ่งที่หน่วยงานรัฐกำหนดไว้ชัดเจนคือ ตัวไฮโดรคาร์บอน, สารเพิ่มเลขออกเทน และสี ส่วนพวกสารเติมแต่งนั้นไม่ได้กำหนดไว้โดยตรง แต่ต้องไม่ทำให้คุณสมบัติรวมของน้ำมันนั้นเปลี่ยนไปจากข้อกำหนด

รูปที่ ๑ ประกาศกระทรวงพาณิชย์ฉบับที่ ๒ ปีพ.ศ. ๒๕๒๓ เรื่องกำหนดคุณภาพน้ำมันเบนซินธรรมดา

ย้อนหลังไปปีพ.ศ. ๒๕๒๓ น้ำมันเบนซินที่ขายในบ้านเรานั้นมี ๒ ชนิดคือ เบนซินชนิดธรรมดาออกเทน ๘๓ และเบนซินชนิดพิเศษออกเทน ๙๕ (รูปที่ ๑ และ ๒) ตอนนั้นยังใช้สารตะกั่ว (Tetra Ethyl Lead (C₂H₅)₄Pb) เป็นสารเพิ่มเลขออกเทนอยู่ ดูจากปริมาณธาตุตะกั่วที่ยอมให้มีในน้ำมัน ๑ ลิตรแล้วจะเห็นว่าน้อยมากเมื่อเทียบกับปริมาณน้ำมัน (ประมาณว่าน้ำมัน ๑ ลิตรหนักประมาณ ๗๐๐ - ๘๐๐ กรัม ดังนั้นปริมาณตะกั่วก็อยู่ที่ราว ๆ 0.1%)

ผ่านมาอีก ๑๐ ปีในปีพ.ศ. ๒๕๓๓ (รูปที่ ๓) ก็มีการแยกเบนซินธรรมดาออกเป็น ๒ ชนิด คือชนิดที่ ๑ มีเลขออกเทน ๘๓ และชนิดที่ ๒ มีเลขออกเทน ๘๗ ส่วนเบนซินพิเศษยังคงไว้ที่เลขออกเทน ๙๕ อยู่ (ตอนนั้นยังไม่มีเบนซินธรรมดาออกเทน ๙๑ จำหน่าย)

รูปที่ ๒ ประกาศกระทรวงพาณิชย์ฉบับที่ ๓ ปีพ.ศ. ๒๕๒๓ เรื่องกำหนดคุณภาพน้ำมันเบนซินพิเศษ

รูปที่ ๓ ประกาศกระทรวงพาณิชย์ฉบับที่ ๑ ปีพ.ศ. ๒๕๓๓ เรื่องกำหนดคุณภาพน้ำมันเบนซินชนิดธรรมดาและชนิดพิเศษ พึงสังเกตว่ามีการลดปริมาณสารตะกั่วลงเหลือไม่เกิน ๐.๔๐ กรัมต่อลิตร และจะให้ไม่เกิน ๐.๑๕ กรัมต่อลิตร

เบนซินไร้สารตะกั่วมาปรากฏในปีพ.ศ. ๒๕๓๔ (รูปที่ ๔) แต่ตอนนั้นมีเฉพาะเบนซินพิเศษออกเทน ๙๕ ปีนี้มีการกำหนดปริมาณสูงสุดของเบนซีน (Benzene C₆H₆) ที่ยอมให้มีได้ในน้ำมันเบนซินไว้ที่ไม่เกิน 5 %vol โดยยังไม่มีการกำหนดปริมาณรวมสูงสุดของสารอะโรมาติกที่ยอมให้มีได้ และยังยอมให้จุดเดือดสุดท้ายของน้ำมันนั้นอยู่ที่ 215ºC

การออกน้ำมันไร้สารตะกั่วมาก็เพื่อลดมลพิษจากสารตะกั่วในอากาศ และเพื่อรองรับรถยนต์ที่มีการติดตั้งเครื่องกรองไอเสีย (catalytic converter) ที่จำเป็นต้องใช้น้ำมันไร้สารตะกั่วเพื่อป้องกันไม่ให้ตัวเร่งปฏิกิริยาถูกทำลาย และเพื่อรองรับกฎหมายที่จะบังคับให้รถใหม่ทุกคันต้องมีเครื่องกรองไอเสียเป็นอุปกรณ์มาตรฐาน

รูปที่ ๔ ประกาศปีพ.ศ. ๒๕๓๔ ฉบับนี้มีน้ำมันไร้สารตะกั่วปรากฏแล้ว

สารตะกั่วในน้ำมันเชื้อเพลิงเมื่อถูกเผาไหม้จะระเหยกลายเป็นไอ ไอระเหยบางส่วนจะควบแน่นเป็นของแข็งที่บริเวณบ่าวาล์ว (จุดที่วาล์วมีการปิดกระแทก) เนื่องจากตะกั่วเป็นโลหะอ่อน มันจึงทำหน้าที่รองรับการกระแทกของวาล์ว รถที่ผลิตจากประเทศที่ใช้น้ำมันมีสารตะกั่วก็ใช้ประโยชน์จากตรงนี้ คือไม่ได้ทำให้บ่าวาล์วแข็งแรงพอรับการกระแทก (เรียกว่าบ่าวาล์วอ่อน) ในขณะที่รถที่ผลิตจากประเทศที่ลดหรือเลิกการใช้สารตะกั่วก็มีการเปลี่ยนบ่าวาล์วให้รับการกระแทกตรงนี้ได้โดยไม่ต้องพึ่งตะกั่วที่ควบแน่นบริเวณนั้น (เรียกว่าบ่าวาล์วแข็ง) ตอนที่บ้านเราเลิกใช้น้ำมันชนิดมีสารตะกั่วนั้นก็มีบริษัทหนึ่งออกน้ำมันเบนซินไร้สารที่มีการเพิ่มสารปกป้องบ่าวาล์วแทนสารตะกั่ว และจำหน่ายในราคาที่สูงกว่าปรกติ แต่จำหน่ายได้ไม่นานก็เลิกไป (ค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนบ่าวาวล์มันถูกกว่าค่าน้ำมัน)

มาตรฐานปี ๒๕๓๔ นี้ยังไม่มีการกำหนดว่าจะเพิ่มเลขออกเทนให้ถึง ๙๕ โดยไม่ใช้สารตะกั่วต้องทำอย่างไร คือจะเลือกใช้การเพิ่มสัดส่วนปริมาณสารประกอบอะโรมาติกก็ได้ เพราะสารประกอบอะโรมาติกเป็นพวกที่มีเลขออกเทนสูง (เกิน ๑๐๐ ขึ้นไปทั้งนั้น) และมีพลังงานในตัวสูง แต่ด้วยการที่เบนซีนมีความเป็นพิษสูงจึงต้องมีการควบคุมเป็นพิเศษ (ปัจจุบันอยู่ที่ไม่เกิน 1 %vol) หรือจะเลือกใช้การเติมสารออกซีจีเนตด้วยก็ได้ (มีไม่ได้เกิน 10%vol)

สารออกซีจีเนตตอนนั้นที่ใช้กันคือ MTBE ที่ย่อมาจาก Methyl Tertiary Butyl Ether สารประกอบอีเทอร์ตัวนี้มีความเป็นขั้วต่ำ คุณสมบัติใกล้เคียงกับน้ำมันเบนซิน ไม่ก่อให้เกิดปัญหากับชิ้นส่วนที่เป็นยางหรือพอลเมอร์ในระบบจ่ายเชื้อเพลิง แต่มันมีข้อเสียอย่างหนึ่งคือพลังงานในตัวต่ำกว่าไฮโดรคาร์บอน ทำให้เทียบกันต่อลิตรแล้วจะวิ่งได้ทางน้อยกว่าน้ำมันที่ไม่มีสารออกซีจีเนตเป็นส่วนผสม

มาตรฐานปีพ.ศ. ๒๕๓๕ (รูปที่ ๕) เบนซินออกเทน ๘๓ หายไปแล้ว เหลือแค่เบนซินธรรมดาออกเทน ๘๗ และเบนซินพิเศษออกเทน ๙๕ โดยเบนซินพิเศษแต่ละชนิดยังถูกแบ่งออกเป็นอีก ๒ ชนิดย่อยคือ ชนิดที่ ๑ ไม่บังคับใช้สารออกซีจีเนตเป็นสารเพิ่มเลขออกเทน (แต่กำหนดปริมาณขั้นสูง) ส่วนชนิดที่ ๒ มีการกำหนดปริมาณขั้นต่ำ (และขั้นสูง) ของสารออกซีจีเนตที่ใช้เป็นสารเพิ่มเลขออกเทน (แต่สำหรับคนเติมน้ำมันตามปั๊มจะเห็นเพียงแค่เบนซินพิเศษแบบมีสารตะกั่วและไร้สารตะกั่วเท่านั้น) 

รูปที่ ๕ มีการแยกเบนซินพิเศษทั้งแบบมีสารตะกั่วและไม่มีสารตะกั่วออกเป็น ๒ ชนิด คือชนิดที่ ๑ ไม่มีการกำหนดปริมาณขั้นต่ำของสารออกซีจีเนตที่ใช้เพิ่มเลขออกเทน ส่วนชนิดที่ ๒ มีการกำหนดปริมาณขั้นต่ำ

มาตรฐานปี ๒๕๓๕ นี้ยังมีการกำหนดปริมาณรวมของสารอะโรมาติกจากเดิมที่ไม่เกิน 50 %vol ให้เหลือ 35%vol ลดปริมาณเบนซีนให้เหลือไม่เกิน 3.5 %vol และลดอุณหภูมิจุดเดือดสูงสุดให้เหลือไม่เกิน 200ºC ทั้งนี้เป็นเพราะแม้ว่าสารประกอบอะโรมาติกจะมีเลขออกเทนสูงและมีพลังงานในตัวสูง แต่การที่มันมีจุดเดือดสูงก็ก่อให้เกิดปัญหาในการใช้งาน โดยเฉพาะเมื่อเครื่องยนต์เดินรอบต่ำหรือเมื่ออากาศเย็น เพราะมันไม่ค่อยจะระเหย ในกรณีของเครื่องยนต์ที่ใช้คาร์บิวเรเตอร์ผสมน้ำมันกับอากาศนั้น ถ้าไอระเหยของน้ำมันนั้นมีแต่สารประกอบที่มีเลขออกเทนต่ำ ก็จะทำให้เครื่องยนต์เกิดการน็อคได้ ในกรณีของเครื่องยนต์ที่ใช้หัวฉีดนั้น ถ้าน้ำมันระเหยไม่หมดก่อนเข้าไปในกระบอกสูบ น้ำมันเชื้อเพลิงจะละลายเข้าไปในน้ำมันหล่อลื่น ทำให้ความหนืดของน้ำมันหล่อลื่นลดต่ำลง ถ้าลดลงมากเกินไปก็ก่อให้เกิดปัญหาในการหล่อลื่นได้

สิ่งหนึ่งที่ยอมให้มีในน้ำมันไร้สารตะกั่วชนิดที่ใช้สารออกซีจีเนตเพิ่มเลขออกเทนคือ "น้ำ" ทั้งนี้เพราะความมีขั้วของโมเลกุลสารออกซีจีเนตที่แม้ว่าจะมีอยู่เพียงเล็กน้อย แต่ก็ทำให้มีน้ำละลายปนมากับสารออกซีจีเนตและเข้าไปผสมในน้ำมันได้ แต่จะไม่เกิดการแยกชั้นออกมา ในกรณีของแก๊สโซฮอล์ที่ใช้เอทานอลเป็นส่วนผสมก็มีลักษณะเช่นนี้เหมือนกัน เพราะเอทานอลที่นำมาผสมนั้นเป็นเอทานอลบริสุทธิ์ 99.5% โดยส่วนที่เหลือก็คือน้ำ

มาตรฐานปี ๒๕๓๗ (รูปที่ ๖) ทำการยกเลิกเบนซินธรรมดาชนิดมีสารตะกั่ว แต่ยังคงเลขออกเทนไว้ที่ ๘๗ ในขณะที่เบนซินพิเศษยังมีตัวเลือกให้อยู่ว่าจะใช้ชนิดมีหรือไม่มีสารตะกั่ว ดังนั้นใครใช้รถยนต์ที่เดิมเติมเบนซินธรรมดาแบบมีสารตะกั่ว ถ้ายังอยากใช้น้ำมันมีสารตะกั่วก็ต้องเปลี่ยนไปเติมเบนซิน ๙๕ แทน โดยเบนซินธรรมดานั้นยังไม่มีการบังคับให้ต้องมีการผสมสารออกซีจีเนต

รูปที่ ๖ ประกาศปีพ.ศ. ๒๕๓๗ ยกเลิกเบนซินธรรมดาชนิดมีสารตะกั่ว เปลี่ยนเป็นชนิดไม่มีสารตะกั่ว ในขณะที่เบนซินพิเศษยังมีทั้งแบบมีและไม่มีสารตะกั่ว

มาตรฐานปีพ.ศ. ๒๕๓๘ ยกเลิกเบนซินพิเศษชนิดที่ไม่มีสารออกซีจีเนต (รูปที่ ๗) คือกำหนดให้ต้องมีสารออกซีจีเนตเป็นส่วนผสม แต่ไม่บังคับสำหรับเบนซินธรรมดา

วันหนึ่ง เพื่อนบ้านบ้านติดกันเขาชวนให้ไปฟังเสียงเครื่องยนต์รถเขาที่เพิ่งจะเปลี่ยนมาใช้เบนซินไร้สารออกเทน ๙๘ แทนเบนซินมีสารตะกั่วออกเทน ๙๗ ปรากฏว่าพอเปลี่ยนมาใช้เบนซินไร้สารออกเทน ๙๘ เครื่องมีอาการน็อคที่รอบเดินเบา (รอบเครื่องต่ำ) ในขณะที่ก่อนหน้านั้นที่ใช้แบบมีสารตะกั่วออกเทน ๙๗ ไม่มีปัญหานี้ (สมัยนั้นเครื่องยนต์เบนซินยังใช้คาร์บิวเรเตอร์เป็นหลัก) เหตุการณ์นี้ส่งผลต่อภาพลักษณ์ของเบนซินไร้สารตะกั่วมากจนทำให้คนไม่กล้าเปลี่ยนไปใช้เบนซินไร้สารตะกั่ว ทางผู้ผลิตจึงต้องมีการปรับองค์ประกอบของน้ำมันเพื่อให้ปัญหาดังกล่าวหายไป สาเหตุหนึ่งเข้าใจว่าเกิดจากส่วนผสมที่มีองค์ประกอบที่เป็นอะโรมาติกจุดเดือดสูงมากเกินไป คืออะโรมาติกที่มีจำนวนอะตอมคาร์บอน8 หรือ 9 อะตอมมีเลขออกเทนสูงกว่าเบนซีนมาก แต่ก็มีจุดเดือดที่สูงกว่าด้วย ทำให้ระเหยน้อยที่ความเร็วรอบต่ำ

ในยุคที่สมัยยังใช้คาร์บิวเรเตอร์ในการผสมไอระเหยน้ำมันกับอากาศ การตั้งองศาการจุดระเบิด คือจะให้จุดระเบิดเมื่อลูกสูบอยู่ที่ตำแหน่งก่อนหรือหลังจุดศูนย์ตายบนแค่ไหนก็ทำได้ง่าย ดังนั้นคนที่มีรถที่ต้องการน้ำมันที่มีเลขออกเทนต่างไปจากมาตรฐาน (เช่นรถญี่ปุ่นที่ต้องการน้ำมันออกเทน ๙๐ หรือ ๙๑) ก็มักจะมีการปรับองศาการจุดระเบิดให้เหมาะสมสำหรับน้ำมันเบนซินพิเศษ (เพื่อให้ได้กำลังเพิ่มขึ้นบ้าง เพราะถ้าปรับให้ไปรับกับน้ำมันที่มีเลขออกเทนต่ำกว่า กำลังเครื่องยนต์จะตกลง) และจุดนี้ก็ก่อให้เกิดปัญหาภายหลังเมื่อมีการรณรงค์ให้ใช้น้ำมันที่มีเลขออกเทนที่ตรงกับที่ผู้ผลิตกำหนดไว้ เพราะผู้ที่ใช้รถยนต์ที่คู่มือบอกว่าใช้ออกเทน ๙๑ (รถญี่ปุ่นเป็นหลัก) ไม่รู้ว่าเครื่องได้รับการปรับให้ทำงานกับน้ำมันออกเทน ๙๕ พอกลับมาเติมน้ำมันออกเทน ๙๑ เครื่องยนต์ก็เกิดการน็อค

รูปที่ ๗ ประกาศปีพ.ศ. ๒๕๓๘ ยกเลิกเบนซินพิเศษชนิดที่ไม่มีสารออกซีจีเนตเป็นส่วนผสม

การใช้น้ำมันออกเทนสูงเกินความต้องการของเครื่องยนต์ถูกมองว่าเป็นการสิ้นเปลือง (แน่นอนว่าน้ำมันประเภทเดียวกันที่มีเลขออกเทนสูงจะมีต้นทุนสูงกว่าน้ำมันที่มีเลขออกเทนต่ำ) ก็เลยมีการรณรงค์ให้ใช้น้ำมันที่มีเลขออกเทนถูกชนิดกับเครื่องยนต์ มาตรฐานปีพ.ศ. ๒๕๔๑ (รูปที่ ๘) จึงมีการแยกน้ำมันเบนซินออกเป็น ๓ เกรดคือ ออกเทน ๘๗, ๙๑ และ ๙๕ (ออกเทน ๙๑ โผล่มาแล้ว) แต่เอาเข้าจริงในช่วงเวลานั้นเครื่องยนต์ที่ใช้เบนซินออกเทน ๘๗ มีน้อยมากเมื่อเทียบกับรถทั้งหมด ผู้ผลิตเบนซินออกเทน ๘๗ ออกจำหน่ายก็มีอยู่รายเดียว และจำหน่ายเพียงแค่บางปั๊มด้วย ก่อนที่จะเลิกจำหน่ายไป

และในขณะเดียวกันก็เลิกการจำหน่ายเบนซินชนิดมีสารตะกั่ว (แต่ในข้อกำหนดลักษณะและคุณภาพยังยอมให้มีอยู่ในปริมาณเล็กน้อยนะ)

ปีพ.ศ. ๒๕๔๐ ประเทศไทยเกิดวิฤตการณ์การเงิน มีการลอยตัวค่าเงินบาท จากเดิม ๒๗ บาทต่อ ๑ ดอลล่าร์สหรัฐอเมริกา ช่วงแรกมีความผันผวนมากแบบหลุดไปเกิน ๕๐ บาทต่อ ๑ ดอลล่าร์สหรัฐอเมริกา ก่อนที่จะกลับมานิ่งที่ราว ๆ ๓๗ บาทต่อ ๑ ดอลล่าร์สหรัฐอเมริกา ทำให้มีแนวความคิดที่จะลดการพึ่งพาพลังงานน้ำมันที่ต้องใช้เงินตราต่างประเทศซื้อ และตัวเลือกที่มาเป็นอันดับต้น ๆ ก็คือการใช้แก๊สโซฮอล์โดยใช้เอทานอลที่ผลิตจากผลิตผลทางการเกษตรในประเทศมาผสมกับน้ำมันเบนซิน นั่นหมายถึงการต้องตั้งโรงงานผลิตเอทานอลและโรงงานสำหรับผสมเอทานอลกับน้ำมันเบนซิน ซึ่งกว่าจะมีน้ำมันแก๊สโซฮอล์ให้ออกมาใช้ก็เป็นปีพ.ศ. ๒๕๔๕ (รูปที่ ๙) ซึ่งตอนนั้นมีแต่ออกเทน ๙๕ (ชนิด E10 เท่านั้น)

ในช่วงเวลาถัดจากนั้น เวลาที่มีประกาศข้อกำหนดลักษณะและคุณภาพก็จะแยกประกาศกันระหว่างน้ำมันเบนซิน (คือพวกที่ไม่ใช้เอทานอลเป็นสารเพิ่มเลขออกเทน) และน้ำมันแก๊สโซฮอล์ (พวกที่ใช้เอทานอลเป็นสารเพิ่มเลขออกเทน)

รูปที่ ๘ มาตราฐานปีพ.ศ. ๒๕๔๑ เป็นครั้งแรกที่มีการกำหนดมาตรฐานเบนซิน ๙๑

เอทานอลมีพลังงานในตัวใกล้เคียงกับอีเทอร์ ดังนั้นน้ำมันเบนซินที่ใช้อีเทอร์เป็นสารเพิ่มออกเทนกับแก๊สโซฮอล์ที่มีสัดส่วนเท่ากันจะให้พลังงานพอ ๆ กัน ความแตกต่างที่สำคัญไปอยู่ตรงที่ความเป็นขั้วของเอทานอลที่สูงกว่าอีเทอร์มาก ก่อให้เกิดปัญหากับชิ้นส่วนที่เป็นยางกับพอลิเมอร์ในระบบเชื้อเพลิงได้ ช่วงเวลานั้นรถยนต์ส่วนใหญ่ไม่ค่อยมีปัญหา พวกที่มีปัญหามากกว่าคือมอเตอร์ไซค์และเครื่องยนต์ขนาดเล็ก (เช่นเครื่องยนต์อเนกประสงค์ เครื่องตัดหญ้า) ที่พอเปลี่ยนมาใช้แก๊สโซฮอล์แล้วพบว่าชิ้นส่วนที่เป็นพลาสติกหรือยางเดิมนั้นเกิดการบวม ต้องมีการเปลี่ยนชิ้นส่วนเหล่านี้

รูปที่ ๙ มาตรฐานปีพ.ศ. ๒๕๔๕ กับการปรากฏตัวครั้งแรกของแก๊สโซฮอล์ ๙๕

รูปที่ ๑๐ ปีพ.ศ. ๒๕๔๗ เบนซินออกเทน ๘๗ หายไปแล้ว

ในปีพ.ศ. ๒๕๔๗ ก็มีการเปลี่ยนแปลงอีก คือยกเลิกน้ำมันเบนซินออกเทน ๘๗ เหลือไว้เฉพาะออกเทน ๙๑ และ ๙๕ (รูปที่ ๑๐) และการปรากฏตัวของแก๊สโซฮอล์ ๙๑ (รูปที่ ๑๑) โดยน้ำมันแก๊สโซฮอล์ในยุคแรกนั้นมีเฉพาะที่มีเอทานอลเป็นส่วนผสมแค่ 10%

รูปที่ ๑๑ มาตรฐานแก๊สโซฮอล์ปีพ.ศ. ๒๕๔๗ กับการปรากฏตัวของแก๊สโซฮอล์ ๙๑

อย่างที่กล่าวไว้ก่อนหน้าว่าเอทานอลมีพลังงานในตัวพอ ๆ กับอีเทอร์ ดังนั้นถ้าระบบเชื้อเพลิงของรถยนต์นั้นทนต่อการกัดกร่อนของเอทานอลได้ การเปลี่ยนมาใช้แก๊สโซฮอล์ก็จะไม่แตกต่างกันในแง่ความสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง แต่ถ้าผสมเอทานอลในปริมาณที่สูงขึ้น เช่น E20 ที่ผสมเอทานอล 20% หรือใช้เอทานอลเป็นเชื้อเพลิงหลัก เช่น E85 ที่มีเอทานอล 85% ค่าพลังงานในตัวของเชื้อเพลิงเหล่านี้จะต่ำกว่าของแก๊สโซฮอล์ E10 หรือน้ำมันเบนซินอย่างเห็นได้ชัด รถยนต์ที่จะใช้เชื้อเพลิงเหล่านี้ได้ต้องสามารถที่จะปรับปริมาณน้ำมันที่จ่ายให้เหมาะสมกับน้ำมันที่ใช้ คือต้องจ่ายน้ำมันเพิ่มมากขึ้นเพื่อให้ได้กำลังเท่าเดิม ดังนั้นจึงไม่แปลกถ้าผู้ใช้จะพบว่าแม้ว่าน้ำมัน E20 จะมี "ราคาขาย" ที่ถูกกว่า E10 (ทั้ง ๆ ที่ต้นทุน E20 สูงกว่า) แต่ระยะทางที่วิ่งได้ต่อลิตรจะน้อยกว่า

รูปที่ ๑๒ น้ำมันเบนซินออกเทน ๘๗ กลายเป็นน้ำมันเบนซินพื้นฐานสำหรับนำไปผสมเป็นน้ำมันตัวอื่นที่มีเลขออกเทนสูงขึ้น

แต่การผลิตน้ำมันเบนซิน ๘๗ ก็ไม่ได้หมดไป เพียงแต่ไปปรากฏในน้ำมันเบนซินพื้นฐาน (รูปที่ ๑๒) ประกาศปีพ.ศ. ๒๕๔๘ แบ่งน้ำมันเบนซินพื้นฐานออกเป็นออกเทน ๘๗ และ ๘๙ เพื่อใช้สำหรับผสมกับเอทานอลเพื่อให้ได้แก๊สโซฮอล์ E10 ออกเทน ๙๑ และ ๙๕ (ตอนนั้นยังไม่มีแก๊สโซฮอล์ E20)

ตอนที่ ๓ นี้ถือได้ว่าเป็นการรีวิวการเปลี่ยนแปลงลักษณะและคุณภาพของน้ำมันเบนซินในบ้านเรา จากยุคสมัยที่ยังใช้สารตะกั่วและเบนซินธรรมดาออกเทน ๘๓ มาจนถึงยุคแก๊สโซฮอล์ E10 ออกเทน ๙๑ และ ๙๕ แต่การผลิตน้ำมันเบนซินที่ไม่ใช่แก๊สโซฮอล์ก็ยังมีอยู่ มาตรฐานปีพ.ศ. ๒๕๖๒ (รูปที่ ๑๓) เป็นของน้ำมันเบนซินที่ไม่ใช่แก๊สโซฮอล์ แต่ก็มีเฉพาะเบนซิน ๙๕ ที่ตอนนี้ขายแพงกว่าแก๊สโซฮอล์มาก (ทั้ง ๆ ที่ต้นทุนมันถูกกว่าแก๊สโซฮอล์เสียอีก เพราะเอทานอลราคาแพงกว่าน้ำมัน ยิ่งมีเอทานอลเป็นส่วนผสมมากขึ้นต้นทุนก็จะยิ่งสูงขึ้น เช่นเดียวกับน้ำมันดีเซลที่ไบโอดีเซลต้นทุนสูงกว่าน้ำมันดีเซล ยิ่งผสมไบโอดีเซลมากต้นทุนก็ยิ่งสูงขึ้นตาม)

สำหรับตอนที่ ๓ นี้คงขอจบเพียงเท่านี้

รูปที่ ๑๓ มาตรฐานสำหรับน้ำมันเบนซินที่ไม่ใช่แก๊สโซฮอล์ก็ยังมีอยู่ ฉบับปีพ.ศ. ๒๕๖๒ นี้มีเฉพาะเบนซิน ๙๕

น้ำมันเบนซินและเลขออกเทน (๒) MO Memoir : Thursday 26 October 2566

ก่อนจะเข้าเรื่องว่าเลขออกเทนสำคัญอย่างไรกับเครื่องยนต์เบนซิน เรามาทบทวนความรู้เรื่องการทำงานของเครื่องยนต์เบนซินกันก่อนดีกว่า

รูปที่ ๑ ข้างล่างแสดงการทำงานของเครื่องยนต์เบนซิน 4 จังหวะ โดยเริ่มจากการที่ลูกสูบเครื่องที่ลงและวาล์วไอดีเปิด (Intake stroke) โดยวาล์วไอเสียปิดอยู่ การเคลื่อนที่ลงของลูกสูบทำให้เกิดสุญญากาศในกระบอกสูบ ไอดี (อากาศ + ไอระเหยของเชื้อเพลิง) จะถูกดูดเข้ามาในกระบอกสูบเข้าทางวาล์วไอดีจนกระทั่งลูกสูบเคลื่อนที่ลงจนสุด ตำแหน่งที่ลูกสูบเคลื่อนที่ลงจนสุดนี้มีชื่อเรียกว่า "Bottom Dead Centre (ย่อว่า BDC)" หรือเรียกเป็นภาษาไทยว่า "ศูนย์ตายล่าง"

เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ลงจนสุดแล้วก็จะเคลื่อนที่ขึ้นไปใหม่ โดยที่วาล์วไอดีและวาล์วไอเสียปิดอยู่ (Compression stroke) ในขณะนี้ลูกสูบจะทำการอัดไอดีในกระบอกสูบให้มีปริมาตรเล็กลง (ทำให้อุณหภูมิและความดันในกระบอกสูบเพิ่มขึ้น) การอัดจะเกิดต่อเนื่องไปจนถึงตำแหน่งที่ลูกสูบเคลื่อนที่สูงสุด ตำแหน่งที่ลูกสูบเคลื่อนที่สูงจนสุดทางนี้มีชื่อเรียกว่า "Top Dead Centre (ย่อว่า TDC)" หรือเรียกเป็นภาษาไทยว่า "ศูนย์ตายบน"

ปริมาตรกระบอกสูบเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ลงจนสุดต่อปริมาตรกระบอกสูบเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นจนสุดเรียกว่า "อัตราส่วนการอัด" หรือ "Compression ratio" สำหรับเครื่องยนต์เบนซินจะอยู่ที่ประมาณ 9:1 ถึง 12:1 ในขณะที่เครื่องยนต์ดีเซลนั้นจะขึ้นไปได้ถึง 20:1 ส่วนที่ว่าอัตราส่วนนี้สำคัญอย่างไรเดี๋ยวค่อยมาว่ากัน

จังหวะถัดไปคือจังหวะกำลัง (Power stroke) โดยหัวเทียน (spark plug) จะทำการจุดระเบิดไอดีที่ถูกอัด ทำให้เกิดเปลวไฟวิ่งจากเขี้ยวหัวเทียนแผ่กระจายออกไปทั่วกระบอกสูบ ทำให้อุณหภูมิและความดันในกระบอกสูบเพิ่มสูงขึ้น ลูกสูบจะถูกดันลงล่างจากการขยายตัวของแก๊สร้อน

รูปที่ ๑ การทำงานของเครื่องยนต์เบนซิน ๔ จังหวะ (ที่มาของภาพปรากฏอยู่ในรูปแล้ว)

ในทางปฏิบัตินั้น จังหวะการจุดระเบิดของหัวเทียนไม่จำเป็นต้องเป็นจังหวะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นสูงสุด อาจจะจุดระเบิดก่อนหรือหลังก็ได้ ขึ้นอยู่กับการตั้งเครื่องยนต์และออกเทนของน้ำมันที่ใช้

จังหวะถัดไปคือจังหวะคาย (Exhaust stroke) คือเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ลงจนสุดแล้วก็จะเคลื่อนที่กลับขึ้นไปใหม่ โดยในจังหวะนี้วาล์วไอเสียจะเปิด ลูกสูบจะดันให้ไอเสียระบายผ่านวาล์วไอเสียออกไป และพอลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นจนสุดก็จะกลับไปเริ่มจังหวะดูดหรือ Intake stroke ใหม่

อันที่จริงเครื่องยนต์เบนซินมีทั้งแบบ 2 และ 4 จังหวะ ในกรณีของเครื่องยนต์ 4 จังหวะจะเห็นว่ามีจังหวะกำลัง 1 ครั้งต่อ 2 รอบการหมุน ในขณะที่เครื่องยนต์ 2 จังหวะมีจังหวะกำลัง 1 ครั้งทุก 1 รอบการหมุน เครื่องยนต์ 4 จังหวะจึงต้องมีล้อตุนกำลังหรือล้อช่วยแรง (flywheel) เพื่อช่วยให้เครื่องยนต์หมุนได้ตั้งแต่ช่วงจังหวะคายไปจนถึงช่วงจังหวะกำลังใหม่ เครื่องยนต์เบนซินขนาดใหญ่จะเป็นเครื่อง 4 จังหวะเพราะให้ประสิทธิภาพการทำงานที่สูงกว่าในขณะที่เครื่องยนต์ 2 จังหวะจะใชักับเครื่องเบนซินขนาดเล็ก รถมอเตอร์ไซค์บ้านเราแต่ก่อนก็ใช้เครื่อง 2 จังหวะกันเยอะมาก แต่ด้วยเรื่องการประหยัดน้ำมันและมลพิษ เครื่อง 2 จังหวะจึงถูกแทนที่ด้วยเครื่อง 4 จังหวะไปมาก

ทีนี้ลองมาดูในแง่เทอร์โมไดนามิกส์กันบ้าง วัฏจักรกำลังของเครื่องยนต์เบนซินคือ Otto cycle ที่มี PV diagram ดังแสดงในรูปที่ ๒ โดยรูปซ้ายเป็นแผนผังการทำงานทางทฤษฎี ส่วนรูปขวาเป็นแผนผังการทำงานในทางปฏิบัติ

รูปที่ ๒ แผนผัง PV (Pressure-Volume หรือความดัน-ปริมาตร) แสดงการทำงานของเครื่องยนต์เบนซินที่ทำงานตาม Otto cycle รูปซ้ายเป็นแผนผังการทำงานในอุดมคติ ส่วนรูปขวาเป็นแผนผังการทำงานแบบที่เป็นจริง (รูปจาก https://nuclear-power.com/wp-content/uploads/2017/04/Otto-engine-vs.-Otto-cycle.png)

จังหวะดูด (Intake stroke) คือแนวเส้น 0-1 (ในทางทฤษฎีปริมาตรเพิ่มขึ้นแต่ความดันไม่เพิ่มเพราะไอดีไหลเข้ามา) จังหวะอัดคือเส้น 1-2 (อันที่จริงอุณหภูมิเพิ่มขึ้นด้วยจากการที่แก๊สถูกอัดให้มีปริมาตรเล็กลง) จังหวะจุดระเบิดคือเส้น 2-3 ซึ่งเป็นจังหวะที่เชื้อเพลิงเกิดการเผาไหม้คายความร้อนออกมาในเวลาอันสั้น ตามด้วยเส้น 3-4 คือจังหวะกำลังที่แก๊สร้อนขยายตัวดันลูกสูบลงล่าง ท้ายสุดก็เป็นจังหวะคายไอเสียคือเส้น 4-1-0 (ในทางทฤษฎีปริมาตรลดลงแต่วาล์วไอเสียเปิด ทำให้ความดันในระบบไม่เพิ่มขึ้น)

งานที่ได้จากการเปลี่ยนพลังงานความร้อนของเชื้อเพลิงให้เป็นพลังงานกลคือพื้นที่ในรูปปิด 1-2-3-4-1 นี้ และความเข้าใจตรงนี้สำคัญในการทำความเข้าใจว่าเชื้อเพลิงที่มีองค์ประกอบทางเคมีต่างกันนั้นส่งผลต่อการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงอย่างไร

ช่วง 2-3 คือช่วงที่มีการเผาไหม้เชื้อเพลิงทำให้เกิดแก๊สร้อนที่ขยายตัวดันลูกสูบ ดังนั้นถ้าเปรียบเทียบที่ต้องการให้ได้พลังงานความร้อนเท่ากัน เชื้อเพลิงที่มีค่าพลังงานความร้อนสูง (kJ/kg) จะใช้ในปริมาณที่น้อยกว่าเชื้อเพลิงที่มีค่าพลังงานความร้อนต่ำกว่า ค่าเฉลี่ยของไฮโดรคาร์บอนในช่วงน้ำมันเบนซินไม่ว่าจะมีเลขออกเทนเท่าใด จะมีค่าพอ ๆ กัน สารประกอบที่มีอะตอมออกซิเจนแทรกอยู่ในโมเลกุล (เช่นแอลกอฮอล์หรืออีเทอร์) จะมีค่าพลังงานความร้อนต่ำกว่าไฮโดรคาร์บอน ดังนั้นถ้าใช้เชื้อเพลิงที่มีสารเหล่านี้ผสมอยู่ ต้องใช้ในปริมาณที่มากกว่าการใช้เชื้อเพลิงที่ประกอบด้วยไฮโดรคาร์บอนล้วน ๆ

ในช่วงวิกฤตการณ์น้ำมันทศวรรษ ๑๙๗๐ มีการหาแหล่งพลังงานอื่นเพื่อลดการใช้น้ำมันปิโตรเลียม และหนึ่งในนั้นก็คือแอลกอฮอล์ ผลการทดลองในช่วงนั้นแสดงให้เห็นว่าน้ำมันที่มีแอลกอฮอล์ผสมนั้นวิ่งได้ระยะทางน้อยกว่าน้ำมันที่ไม่มีแอลกอฮอล์ผสม แต่ตรงนี้ต้องเข้าใจว่าในยุคนั้นสารที่ใช้เพิ่มเลขออกเทนให้กับน้ำมันคือสารตะกั่วที่ใช้ในปริมาณน้อยมากเมื่อเทียบกับปริมาตรน้ำมัน ดังนั้นน้ำมันเบนซินที่ไม่มีแอลกอฮอล์ผสมในยุคนั้นจะหมายถึงน้ำมันที่ประกอบด้วยไฮโดรคาร์บอนล้วน ๆ แต่ถ้าเปรียบเทียบกับน้ำมันที่ใช้อีเทอร์ (ตัวหลักคือ methyl tertiary butyl ether - MTBE) เป็นสารเพิ่มเลขออกเทน ผลจะไม่แตกต่างกัน เพราะอีเทอร์มีค่าพลังงานในตัวพอ ๆ กับแอลกอฮอล์

รูปที่ ๓ เห็นกระทู้นี้ปรากฏบนหน้า facebook ก็เลย save เอามาไว้ที่นี่หน่อย การพบว่าแก๊สโซฮอล์ E20 วิ่งได้ทางน้อยกว่า แก๊สโซฮอล์ E10 นั้นเป็นแก๊สโซฮอล์ E20 มีค่าพลังงานต่อหน่วยปริมาตรที่ต่ำกว่า

คุณสมบัติน้ำมันเบนซินนั้นกำหนดไว้กว้าง ๆ คือกำหนดอุณหภูมิสูงสุดที่ทำให้น้ำมันระเหยจนหมด ของเขตความดันไอ ณ อุณหภูมิต่าง ๆ และปริมาณอะโรมาติกที่ยอมให้มี ไฮโดรคาร์บอนพวกโครงสร้างเป็นสายโซ่อะลิฟาติก (aliphatic) ไม่ว่าโซ่ตรงหรือโซ่กิ่ง และพวกวงอะโรมาติกนั้นค่าพลังงานความร้อนต่อหน่วยน้ำหนักนั้นพอ ๆ กัน แต่เราขายน้ำมันด้วย "ปริมาตร" และด้วยการที่อะโรมาติกนั้นมีความหนาแน่นสูงกว่าพวกอะลิฟาติกประมาณ 10% ดังนั้นที่ "ปริมาตร" เท่ากัน พวกอะโรมาติกก็จะให้พลังงานมากกว่า และนี่ก็เป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้ทำไมน้ำมันต่างยี่ห้อกันจึงทำให้รถวิ่งได้ระยะทางไม่เท่ากัน (แต่มีอะโรมาติกมากไปก็ไม่ได้ เพราะมันมีจุดเดือดสูง ก่อให้เกิดปัญหาที่รอบเครื่องยนต์ต่ำได้)

ถ้าต้องการให้ได้พลังงานสูงขึ้นก็ต้องหาทางเพิ่มขนาดพื้นที่ผิว 1-2-3-4-1 นี้ ระดับความสูงของเส้น 1-2 ถูกกำหนดด้วยอุณหภูมิของแหล่งรับความร้อน ซึ่งในทางปฏิบัติก็คือน้ำที่ไหลเวียนผ่านหม้อน้ำ ดังนั้นระดับความสูงของเส้น 1-2 นี้คงจะไม่สามารถลดต่ำลงได้ สิ่งที่ทำได้ก็คือการเพิ่มระดับความสูงของเส้น 3-4 หรือขยายช่วงความกว้างระหว่าง TDC กับ BDC หรือการเพิ่มอัตราส่วนการอัดนั่นเอง แต่การเพิ่มตรงนี้จะทำได้แค่ไหนก็ขึ้นอยู่กับตัวเชื้อเพลิงด้วยว่าทนต่อการจุดระเบิดด้วยตนเองได้มากน้อยแค่ไหน

ในจังหวะที่ไอดีถูกอัดนั้น อุณหภูมิและความดันในกระบอกสูบจะเพิ่มสูงขึ้น และเมื่อหัวเทียนจุดระเบิดไอดี เปลวไฟที่แผ่ออกมาจากหัวเทียนก็จะทำให้อุณหภูมิและความดันในกระบอกสูงเพิ่มสูงขึ้นไปอีก (คือช่วงเส้น 2-3) ในขณะนี้เชื้อเพลิงที่ยังไม่ถูกเผาไหม้จะต้องไม่ลุกไหม้เอง (ผลจาก auto-ignition temperature) จะต้องลุกไหม้ด้วยเปลวไฟที่แผ่ออกมาจากหัวเทียน เพราะถ้าหากมันชิงจุดระเบิดเองก่อนที่เปลวไฟจากหัวเทียนวิ่งมาถึง ก็จะเกิดหน้าคลื่นการเผาไหม้จากหลายจุดวิ่งมาชนกัน ทำให้เกิดการกระแทกและเสียงดังเหมือนโลหะถูกเคาะให้เราได้ยิน นี่คือการ "knock" ของเครื่องยนต์

การเพิ่มอัตราส่วนการอัด (ความกว้างระหว่าง TDC กับ BDC) ทำให้ความดันและอุณหภูมิไอดีก่อนการจุดระเบิดเพิ่มสูงขึ้น โอกาสที่จะเกิดการน็อคก็จะเพิ่มตามไปด้วย ดังนั้นเครื่องยนต์ที่มีค่าอัตราส่วนการอัดที่สูงก็ต้องการน้ำมันเชื้อเพลิงที่มีคุณสมบัติต้านทานการน็อก (ที่บ่งบอกด้วยเลขออกเทน) ที่สูงตามไปด้วย

อย่างในกรณีของเอทานอลนั้น แม้ว่าเอทานอลจะมีค่าพลังงานความร้อนต่อหน่วยปริมาตรที่ต่ำกว่าไฮโดรคาร์บอน แต่ด้วยการที่เอทานอลมีเลขออกเทนที่สูงกว่า (ระดับ 100+) จึงสามารถทำงานกับเครื่องยนต์ที่มีค่าอัตราส่วนการอัดที่สูงขึ้นไปอีกได้ ประสิทธิภาพที่ได้จากการเผาไหม้เอทานอลในเครื่องยนต์นี้จะสูงกว่าที่ได้จากการเผาไหม้ในเครื่องยนต์เบนซินทั่วไป แต่เครื่องยนต์นี้จะเติมน้ำมันเบนซินไม่ได้

เครื่องยนต์ทั่วไปจะทำงานที่ค่าอัตราส่วนการอัดคงที่ การเพิ่มงานที่จะได้จากการเผาไหม้เชื้อเพลิงต้องทำด้วยการทำให้จุด 3 นั้นขึ้นไปสูงที่สุดเท่าที่จะทำได้ ตรงนี้ต้องอาศัยจังหวะการจุดระเบิด ในทางทฤษฎีนั้นการจุดระเบิดจะเกิดเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นถึง TDC แล้ว แต่ในทางปฏิบัตินั้นการจุดระเบิดมักจะเกิดก่อนที่ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นสูงสุดเล็กน้อย ถ้าเป็นช่างแบบเก่ายุคสมัยที่ใช้คาร์บิวเรเตอร์ผสมน้ำมันกับอากาศ เขาจะเรียกว่า "ตั้งไฟแก่" ส่วนจะตั้งให้จุดระเบิดได้ก่อนมากน้อยแค่ไหนก็ขึ้นอยู่กับว่าน้ำมันนั้นมีเลขออกเทนสูงเท่าใด เพราะการจุดระเบิดในขณะที่ลูกสูบกำลังเคลื่อนที่ขึ้นนั้น ความดันในกระบอกสูบจะเพิ่มสูงกว่าการจุดระเบิดเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่จนถึงจุด TDC หรือเคลื่อนที่ลง (ผลจากการอัดไอดีและความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้เป็นไปในทิศทางเดียวกัน

การจุดระเบิดในจังหวะที่ลูกสูบกำลังเคลื่อนที่ลงจะทำให้ความดันสูงสุดในกระบอกสูบลดลง กำลังเครื่องยนต์ก็จะตกลง แต่บางครั้งก็จำเป็นที่ต้องตั้งจังหวะจุดระเบิดแบบนี้ (ที่เรียกว่า "ตั้งไฟอ่อน) เมื่อพบว่าเครื่องยนต์มีปัญหาเรื่องการน็อก ซึ่งอาจเกิดจากน้ำมันเชื้อเพลิงที่ใช้นั้นมีเลขออกเทนต่ำเกินไป ถ้าเป็นยุคสมัยใช้คาร์บิวเรเตอร์ผสมน้ำมันกับอากาศก็สามารถใช้ไขควงปรับตั้งองศาการจุดระเบิดได้ แต่สำหรับเครื่องยนต์ปัจจุบันที่ใช้ระบบหัวฉีดอิเล็กทรอนิสก์ควบคุมและมี knock sensor ระบบจะทำการปรับองศาการจุดระเบิดให้อัตโนมัติ ดังนั้นจึงไม่แปลกถ้าพบว่าทำไมรถยนต์ที่ตามคู่มือบอกว่าใช้เบนซินออกเทน 95 แต่เมื่อเติมออกเทน 91 กลับไม่พบว่าเครื่องเกิดการน็อค เพียงแต่กำลังที่ได้นั้นลดต่ำลง

รูปที่ ๔ ความดันในกระบอกสูบกับองศาการจุดระเบิด BTDC คือ before top dead centre และ ATDC คือ after top dead centre (จาก http://www.mbs.id.au/tuning/Tuning/Ign_advance.htm)

รูปที่ ๔ แสดงค่าความดันในกระบอกสูบที่องศาการจุดระเบิดต่างกัน ในอุดมคตินั้นจังหวะที่ความดันเพิ่มขึ้นสูงสุดควรเป็นจังหวะเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นสูงสุด (ถึงระดับ TDC) การตั้งการจุดระเบิดให้เร็วเกินไปจะทำให้ความดันจากการเผาไหม้เพิ่มขึ้นสูงสุดก่อนที่ลูกสูบจะเคลื่อนทึ่ขึ้นสูงสุดซึ่งเป็นการขัดกัน (เส้นสีม่วงหรือ 40 deg BTDC) เพราะความดันจากการเผาไหม้จะผลักลูกสูบออกไปในขณะที่ลูกสูบยังต้องเคลื่อนที่เข้าไปให้ถึง TDC ก่อน แต่ถ้าตั้งจังหวะการจุดระเบิดล่าช้าเกินไป (เส้นสีเหลืองหรือ 15 deg ATDC) ความดันในกระบอกสูบก็จะลดต่ำลง กำลังเครื่องยนต์ก็จะลดลงตามไปด้วย

รถระบบหัวฉีดอิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบัน เวลาที่เราใช้น้ำมันที่มีเลขออกเทนต่ำกว่าที่ผู้ผลิตกำหนด ตัว knock sensor ก็จะปรับองศาการจุดระเบิดให้ล่าช้าลด (ลดความดันสูงสุดในห้องเผาไหม้) แต่ถ้าใช้น้ำมันที่มีเลขออกเทนสูงกว่าที่ผู้ผลิตกำหนด อันนี้ก็ไม่รู้ว่ามันจะตั้งองศาการจุดระเบิดให้เร็วขึ้นหรือไม่ เพราะรถที่ขับอยู่ผู้ผลิตก็บอกให้ใช้ออกเทน 91 เวลาที่ต้องเติมออกเทน 95 (เมื่อเจอปั๊มที่ไม่ขายออกเทน 91) ก็ไม่รู้สึกว่าแตกต่างอะไร ระยะทางที่วิ่งได้ก็ยังคงเดิม ตรงนี้ไม่รู้เป็นเพราะว่าระบบอิเล็กทรอนิกส์ของรถที่ใช้นั้นมันจำกัดองศาการจุดระเบิดเอาไว้หรือเปล่า และรถแต่ละรุ่นแต่ละยี่ห้อนั้นระบบอิเล็กทรอนิกส์มันปรับแต่งตรงนี้ได้ดีแค่ไหน

สำหรับตอนที่ ๒ คงขอจบตรงนี้ก่อน

น้ำมันเบนซินและเลขออกเทน (๑) MO Memoir : Wednesday 25 October 2566

เห็นช่วงนี้มีโฆษณาขายน้ำมันเบนซินค่าออกเทนสูงกว่ามาตรฐาน (และแน่นอนว่าราคาแพงกว่าหลายบาทด้วย) ทำให้นึกย้อนไปเมื่อราว ๆ ๒๕ ปีที่แล้วที่น้ำมันเบนซินที่ขายในบ้านเรานั้นมีเลขออกเทนสูงกว่ามาตรฐานไปมาก ด้วยการทำให้คนเชื่อว่าน้ำมันออกเทนยิ่งสูงก็ยิ่งดี ก่อนที่จะมีการรณรงค์ให้ใช้ออกเทนให้เหมาะกับเครื่องยนต์ และให้โรงกลั่นผลิตน้ำมันที่มีเลขออกเทนไม่สูงเกินมาตรฐาน เพื่อลดต้นทุนการผลิตน้ำมัน

แต่ก่อนอื่น อยากให้ลองอ่านบทความที่เผยแพร่ในหน้าเว็บแห่งหนึ่งก่อน เกี่ยวกับกระบวนการเพิ่มเลขออกเทนให้กับน้ำมันเบนซิน (รูปที่ ๑) และกระบวนการเพิ่มเลขซีเทนให้กับน้ำมันดีเซล (รูปที่ ๒)

รูปที่ ๑ คำอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างเลขออกเทนกับสัดส่วนไฮโดรเจนในเชื้อเพลิงจากเว็บแห่งหนึ่ง

รูปที่ ๒ คำอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างเลขซีเทนกับสัดส่วนไฮโดรเจนในเชื้อเพลิงจากเว็บแห่งหนึ่ง

การน็อคของเครื่องยนต์เบนซินและเครื่องยนต์เซลนั้นแตกต่างกัน ในกรณีของเครื่องยนต์เบนซินนั้นเกิดจากการจุดระเบิดของไอผสม เชื้อเพลิง + อากาศ ณ เวลาที่ไม่ควรจุดระเบิด (ค่อยมาว่ากันอีกที) ส่วนในกรณีของเครื่องยนต์ดีเซลนั้นเกิดจากการไม่เกิดการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงเมื่อผสมกับอากาศ ณ เวลาที่ควรเกิดการเผาไหม้ ในกรณีของน้ำมันเบนซินนั้นจะใช้ "เลขออกเทน (octane number)" เป็นตัวบ่งบอกว่าเชื้อเพลิงนั้นป้องกันการจุดระเบิด ณ เวลาที่ไม่เหมาะสมได้ดีแค่ไหน กล่าวคือเลขออกเทนยิ่งสูงก็ยิ่งป้องกันได้ดี ส่วนในกรณีของน้ำมันดีเซลนั้นจะใช้ "เลขซีเทน (cetane number)" เป็นตัวบ่งบอกว่าเชื้อเพลิงนั้นป้องกันการไม่เกิดการเผาไหม้ ณ เวลาที่ควรเกิดการเผาไหม้ได้ดีแค่ไหน

การที่จะบอกว่าเชื้อเพลิงนั้นติดไฟได้ง่ายมันมีอุณหภูมิ ๒ ค่าต้องพิจารณาคือ

ค่าแรกคือจุดวาบไฟ (flash point) คืออุณหภูมิที่เชื้อเพลิงนั้นสามารถระเหยเป็นไอผสมกับอากาศจนมีความเข้มข้นต่ำสุดที่สามารถลุกติดไฟได้ "ถ้ามี" แหล่งพลังงานที่อาจเป็นเปลวไฟหรือประกายไฟมากระตุ้น

ค่าที่สองคือจุดลุกติดไฟได้เอง (autoignition temperature) คืออุณหภูมิที่ส่วนผสมที่ประกอบด้วยเชื้อเพลิงและอากาศที่มีความเข้มข้นอยู่ในสัดส่วนที่สามารถลุกติดไฟได้ (อยู่ในช่วง explosive limit) สามารถลุกติดไฟได้เองโดยไม่ต้องมีเปลวไฟหรือประกายไฟมากระตุ้น

สองค่านี้ไม่ได้เป็นไปในทางทิศเดียวกันหรือต้องข้ามกันเสมอไป เชื้อเพลิงที่มีอุณหภูมิจุดวาบไฟต่ำก็อาจมีอุณหภูมิจุดลุกติดไฟได้เองสูงหรือต่ำก็ได้ และในทำนองเดียวกันเชื้อเพลิงที่มีอุณหภูมิจุดวาบไฟสูงก็อาจมีอุณหภูมิจุดลุกติดไฟได้เองสูงหรือต่ำก็ได้ เช่นแก๊สมีเทน (methane CH₄) มีอุณหภูมิจุดวาบไฟอยู่ที่ประมาณ -188ºC และอุณหภูมิจุดลุกติดไฟได้เองอยู่ที่ 537ºC (รูปที่ ๓) ในขณะที่เฮกซะเดคเคนหรือซีเทน (hexadecane/cetane C₁₆H₃₄) มีอุณหภูมิจุดวาบไฟอยู่ที่ประมาณ 136ºC และอุณหภูมิจุดลุกติดไฟได้เองอยู่ที่ 202ºC (แต่อุณหภูมิจุดเดือดอยู่ที่ 287ºC)

ดังนั้นถ้าแก๊สมีเทนที่มีอุณหภูมิ 220ºC ที่ไหลอยู่ในท่อนั้นรั่วออกมาและยังไม่พบกับเปลวไฟหรือประกายไฟใด ๆ มันจะไม่เกิดการลุกไหม้ ในขณะที่ถ้าซีเทนที่อุณหภูมิเดียวกันนั้นรั่วไหลออกมา มันจะลุกติดไฟทันที

และค่าอุณหภูมิจุดลุกติดไฟได้เองตัวนี้มีบทบาทในการบ่งบอกเลขออกเทน (ของน้ำมันเบนซิน) หรือเลขซีเทน (ของน้ำมันดีเซล) โดยน้ำมันเบนซินนั้นต้องการเชื้อเพลิงที่มีค่าอุณหภูมิจุดลุกติดไฟได้เองนี้สูง ในขณะที่น้ำมันดีเซลนั้นต้องการเชื้อเพลิงที่มีค่าอุณหภูมิจุดลุกติดไฟได้เองนี้ต่ำ

ทีนี้เรากลับมาที่สัดส่วนไฮโดรเจนในเชื้อเพลิงก่อนว่ามันมีความสัมพันธ์กับเลขออกเทนหรือเลขซีเทนหรือไม่อย่างไร ในกรณีของน้ำมันเบนซินนั้น ไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวที่เป็นโซ่ตรงจะมีเลขออกเทนที่ต่ำกว่าไฮโดรคาร์บอนที่เป็นโซ่กิ่งแม้ว่าโมเลกุลจะมีจำนวนอะตอมคาร์บอนและไฮโดรเจนเท่ากัน เช่น n-octane (C₈H₁₈) มีเลขออกเทน -20 ในขณะที่ iso-octane (C₈H₁₈ เช่นกัน) มีเลขออกเทน 100 หรือในกรณีของ n-pentane (C₅H₁₂) มีเลขออกเทน 62 ในขณะที่ 1-pentene (C₅H₁₀) มีเลขออกเทนเพียงแค่ 34 หรือในกรณีของมีเทนที่เป็นเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนที่องค์ประกอบเป็นไฮโดรเจนมากสุด ปรากฏว่ามีเลขออกเทนสูงถึง 120

ดังนั้นคำกล่าวที่ว่า "เชื้อเพลิงยิ่งมีองค์ประกอบเป็นไฮโดรเจนน้อยลง ยิ่งจุดระเบิดได้ยากขึ้น" จึงไม่ถูกต้อง

สารอีกกลุ่มหนึ่งที่มีเลขออกเทนสูงคือสารประกอบอะโรมาติก โมเลกุลสารเหล่านี้มีสัดส่วนไฮโดรเจนต่อคาร์บอนต่ำกว่าพวกโครงสร้างที่เป็นเส้นหรือกิ่ง ที่นำมาใช้ในน้ำมันเบนซินได้จะเป็นพวกมีจำนวนอะตอมคาร์บอนอยู่ในช่วง 7-8 อะตอม เบนซีนที่มีเป็นสารที่มีจำนวนอะตอมคาร์บอน 6 อะตอมจัดเป็นสารก่อมะเร็งที่อันตราย จึงถูกควบคุมปริมาณไว้ต่ำมาก ในขณะที่พวก trimethyl benzene ที่มีจำนวนอะตอมคาร์บอน 9 อะตอม เป็นกลุ่มที่มีจุดเดือดสูง แทบจะสูงเกินอุณหภูมิการกลั่นสูงสุดของน้ำมันเบนซินที่ใช้งานกันอยู่ จึงไม่สามารถผสมเข้าไปได้มาก

การบอกว่าที่จำนวนอะตอมคาร์บอนเท่ากัน สารประกอบอะโรมาติก (ที่เป็นพวกที่มีสัดส่วนไฮโดรเจนต่อคาร์บอนต่ำ) มีเลขออกเทนสูงกว่าพวกที่มีโครงสร้างเป็นเส้นหรือกิ่งหรือวงอิ่มตัว เป็นเรื่องไม่ผิด แต่ถ้าบอกว่าถ้าลดสัดส่วนไฮโดรเจนลงแล้วจะทำให้เลขออกเทนสูงขึ้นนั้น มันไม่จริงเสมอไป

รูปที่ ๓ เลขออกเทนของเชื้อเพลิงต่าง ๆ นำมาจาก https://en.wikipedia.org/wiki/Octane_rating โดยเลือกมาเพียงส่วนหนึ่งเท่านั้น RON คือ Research Octane Number บ้านเราใช้ตัวนี้ MON คือ Motor Octane Number แต่ในบางประเทศจะใช้เป็นค่าเฉลี่ยคือ (RON + MON)/2

ทีนี้มาลองดูกรณีของน้ำมันดีเซลบ้าง ตรงที่เขาบอกว่า "เชื้อเพลิงที่มีองค์ประกอบเป็นไฮโดรเจนสูง ก็ยิ่งจุดระเบิดได้ง่ายขึ้น" ขอทบทวนนิดนึงว่าสำหรับเครื่องยนต์ดีเซลนั้น เมื่อฉีดน้ำมันเข้าไปเจอกับอากาศร้อนในกระบอกสูบ น้ำมันควรต้องลุกติดไฟทันที เลขซีเทนที่สูงแสดงว่าน้ำมันนั้นลุกติดไฟได้ง่ายขึ้น ข้อมูลในรูปที่ ๔ ที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างจำนวนอะตอมคาร์บอนของไฮโดรคาร์บอนกับเลขซีเทน สังเกตเห็นอะไรไหมครับ

รูปที่ ๔ เลขซีเทนของไฮโดรคาร์บอนที่มีจำนวนอะตอมคาร์บอนต่าง ๆ นำมาจากบทความเรื่อง Fuels ใน Encyclopedia of Physical Science and Technology (Third Edition), 2003

ที่จำนวนอะตอมคาร์บอนเดียวกัน n-paraffins (พวกโซ่ตรง) กับ i-paraffins (พวกโซ่กิ่ง) olefins (พวกโมเลกุลเป็นเส้นแต่มีพันธะคู่ อาจมีกิ่งหรือไม่มีกิ่งก็ได้) กับ mono-cyclo-naphthenes (โครงสร้างเป็นวงไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัว) จะมีจำนวนอะตอมไฮโดรเจนเท่ากัน แต่เลขซีเทนต่างกันคนละระดับเลย ดังนั้นการจะไปบอกว่าน้ำมันดีเซลที่ดีต้องเป็นไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวสูงก็ไม่ถูกต้องเสมอไป เพราะมันมีเรื่องรูปร่างโมเลกุลเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย

ไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัวพวกโครงสร้างเป็นเส้น (aliphatic) ที่อยู่ในน้ำมัน มันก่อปัญหาเรื่องคราบสกปรกในระบบเชื้อเพลิงได้ง่าย เพราะตำแหน่งพันธะคู่ C=C มันมีความว่องไวในการทำปฏิกิริยา ยิ่งเป็นบริเวณที่มีอุณหภูมิสูง มันก็เกาะรวมกันเป็นโมเลกุลใหญ่ขึ้น ทำให้ระบบจ่ายเชื้อเพลิงอุดตันได้ จึงจำเป็นต้องมีการควบคุมปริมาณไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัวในน้ำมัน วิธีการหนึ่งคือการเติมไฮโดรเจนเข้าไปที่พันธะ C=C เพื่อให้มันกลายเป็นไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัว

ขอเริ่มเรื่องบทความชุดนี้ด้วยเนื้อหาเพียงแค่นี้ก่อน

API 2000 Venting Atmospheric and Low-Pressure Storage Tanks (ตอนที่ ๙) MO Memoir : Sunday 22 October 2566

หมายเหตุ : เนื้อหาในบทความชุดนี้อิงจากมาตราฐาน API 2000 7th Edition, March 2014. Reaffirmed, April 2020 โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นพื้นฐานในการทำความเข้าใจ ดังนั้นถ้าจะนำไปใช้งานจริงควรต้องตรวจสอบกับมาตรฐานฉบับล่าสุดที่ใช้ในช่วงเวลานั้นก่อน

ถังบรรจุของเหลวที่โดนไฟลน ผนังโลหะส่วนที่อยู่ต่ำกว่าระดับผิวของเหลวประมาณได้ว่าจะมีอุณหภูมิที่จุดเดือดของของเหลวที่บรรจุอยู่ในถัง (ถ้าเป็นถังความดันบรรยากาศ ก็เป็นจุดเดือดที่ความดันบรรยากาศ ถ้าเป็นถังความดัน ก็จะเป็นจุดเดือดที่ความดันนั้น) ทั้งนี้เป็นเพราะโลหะนำความร้อนได้ดี จึงพอประมาณได้ว่าอุณหภูมิทั้งสองฝั่งของผนังโลหะ (คือด้านนอกที่โดนไฟลน และด้านในที่สัมผัสของเหลว) มีค่าเท่ากันแม้ว่าถังจะมีความหนาก็ตาม ความร้อนที่ส่งผ่านผนังโลหะจะถ่ายเทให้กับของเหลวในถัง ทำให้ของเหลวในถังเดือดกลายเป็นไอ แต่ถ้าไฟนั้นลามสูงกว่าระดับของเหลวที่บรรจุอยู่ในถัง ผิวโลหะที่อยู่สูงกว่าระดับของเหลวในถังจะร้อนจัด และเมื่อโลหะมีอุณหภูมิสูงขึ้นก็จะสูญเสียความแข็งแรง ผนังก็จะยุบตัวลงเนื่องจากรับน้ำหนักตัวมันเองไม่ได้ และถ้าเป็นกรณีของถังความดัน ลำตัวถังก็จะฉีกขาดออก

ถังความดันบรรยากาศจะอยู่ในบริเวณที่มีกำแพงหรือผนังกั้น (dike หรือ bund) ล้อมรอบ ผนังกั้นนี้ทำหน้าที่ป้องกันในกรณีที่ถังได้รับความเสียหายจนไม่สามารถกักเก็บของเหลวที่อยู่ภายในได้ โดยป้องกันไม่ให้ของเหลวที่รั่วออกมานั้นแผ่กระจายออกไปเป็นบริเวณกว้าง แต่ในกรณีที่ของเหลวนั้นเป็นเชื้อเพลิงและเกิดการลุกไหม้ ก็จะทำให้เกิดเปลวไฟลนผนังถังใบอื่นที่อยู่ในบริเวณกักเก็บเดียวกันได้

หัวข้อ 3.3.3 นี้ (เริ่มด้วยรูปที่ ๑) เกี่ยวข้องกับการระบายความดันอันเป็นผลจากการที่ถังโดนไฟลน ความร้อนจากเปลวไฟจะทำให้ของเหลวในถังระเหยกลายเป็นไอด้วยอัตราที่สูงเกินกว่าระบบระบายความดันที่ออกแบบมาเพื่อการทำงานในสภาวะปรกตินั้นจะระบายได้ทัน ในกรณีของถังที่ออกแบบมาให้รอยเชื่อมต่อระหว่างลำตัวกับหลังคานั้นเป็นจุดอ่อน (หัวข้อ 3.3.3.2) ความดันที่เพิ่มขึ้นจะทำให้หลังคาปลิวหลุดออกไป (ส่วนจะไปตกลงที่ไหนและทำความเสียหายอะไรอีกนั้นเป็นอีกเรื่องหนึ่ง ดังนั้นการออกแบบตามหัวข้อนี้จึงอาจไม่จำเป็น

รูปที่ ๑ เริ่มหัวข้อ 3.3.3 ที่เป็นกรณีของการระบายความดันฉุกเฉินในกรณีที่ถังโดนไฟลน

แต่ตอนท้ายของหัวข้อ 3.3.3.2 เองก็กล่าวไว้ว่า อาจออกแบบให้มีระบบระบายความดันฉุกเฉินในกรณีนี้ด้วยก็ได้ (คือลดโอกาสที่ฝาถังจะปลิวหลุดไปทำความเสียหายที่อื่นในกรณีที่เพลิงไหม้นั้นไม่รุนแรงเกินไป) แต่ทั้งนั้นต้องมั่นใจว่าการออกแบบ (ซึ่งควรรวมถึงการก่อสร้างด้วย) ให้ฝาถังปลิวหลุดออกไปได้นั้นเป็นไปตามข้อกำหนด โดยเฉพาะอย่างยิ่งถังที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า 15 เมตร (หรือ 50 ฟุต)

รูปทรงลำตัวถังที่เป็นทรงกระบอกนั้น เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กลง อัตราส่วนระหว่างพื้นที่ผิวต่อหน่วยปริมาตรจะเพิ่มขึ้น อัตราการเดือดของของเหลวในถังเมื่อเทียบกับปริมาตรของเหลวทั้งหมดในถังก็จะเพิ่มสูงขึ้นด้วย แรงที่กระทำต่อฝาถัง (F) เพื่อให้ฝาถังปลิวนั้นมีค่าเท่ากับผลคูณระหว่างความดัน (P) ภายในถังและพื้นที่หน้าตัด (A) ของหลังคาถัง (F = PA) สำหรับถังสองใบที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่างกันเท่าตัว ถังใบเล็กจะมีพื้นที่หน้าตัดเพียง 1 ใน 4 ของถังใบใหญ่ ดังนั้นถ้าถังสองใบนั้นมีรอยเชื่อมระหว่างลำตัวกับฝาถังที่แข็งแรงเท่ากัน ถังใบเล็กต้องใช้ความดันมากกว่าถังใบใหญ่ถึง 4 เท่าเพื่อทำให้ฝาถังปลิวหลุดออกไป และนี่คือสาเหตุว่าทำไปจึงไปให้ความสำคัญในเรื่องนี้กับถังใบเล็กมากกว่าถังใบใหญ่

รูปที่ ๒ หัวข้อ 3.3.3.3 เป็นการเริ่มกรณีของถังที่ไม่ได้ออกแบบให้ฝาถังปลิวหลุดออกไปได้ โดยหัวข้อ 3.3.3.3.2 เป็นสมการสำหรับหน่วย SI

ในกรณีของถังที่ไม่ได้ออกแบบให้มีจุดอ่อนตรงรอยต่อระหว่างลำตัวกับฝาถังนั้น หัวข้อ 3.3.3.3.1 กล่าวว่าให้ใช้วิธีที่ให้ไว้ในหัวข้อ 3.3.3.3.2 - 3.3.3.3.7 ในการประเมินค่าความสามารถในการระบายที่ต้องมี (รูปที่ ๒ และ ๓) สมการที่ (14) เป็นกรณีที่ใช้หน่วย SI และสมการที่ (15) เป็นกรณีที่ใช้หน่วย USC โดยค่าอัตราการไหล (q คิดในรูปอัตราการไหลของ "อากาศ") นั้นขึ้นกับปริมาณความร้อนที่เปลวไฟป้อนให้ (Q), ปัจจัยสภาพแวดล้อม (F), อุณหภูมิ (T) ของไอที่ระบายออก, ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ (L) ของของเหลวที่บรรจุอยู่ในถัง และมวลโมเลกุล (M) ของไอ

ค่า Q นั้นดูได้จากตารางที่ 3 (หน่วย SI) หรือตารางที่ 4 (หน่วย USC) โดยค่านี้ขึ้นอยู่กับ "Wetted Surface Area" หรือพื้นที่ของผนังถังที่อยู่ต่ำกว่าระดับของเหลวที่บรรจุอยู่ในถัง (ตัวที่ทำให้เกิดไอได้มากที่ทำให้ความดันในถังเพิ่มขึ้นได้เร็วก็คือตัวของเหลวที่บรรจุอยู่ในถัง) ค่า F นั้นขึ้นอยู่กับว่าเป็น ถังหุ้มฉนวนหรือไม่หุ้มฉนวน, ถังอยู่บนดิน ฝังดินบางส่วน หรือฝังดินทั้งหมด ซึ่งต้องไปดูค่าดังกล่าวในตารางที่ 9 (รูปที่ ๘) ค่า L นั้นเป็นตัวบอกให้รู้ว่าของเหลวนั้นเดือดง่ายเพียงใด ในกรณีของการได้รับความร้อนในปริมาณที่เท่ากัน ของเหลวที่มีค่าความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอต่ำจะเดือดกลายเป็นไอในปริมาณที่สูงกว่าของเหลวที่มีค่าความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอที่สูงกว่า

 

รูปที่ ๓ เหมือนรูปที่ ๒ แต่เป็นกรณีของหน่วย USC

T คืออุณหภูมิของไอ ในกรณีที่เป็นของเหลวบริสุทธิ์จะถือว่ามีอุณหภูมิเดียวกับของเหลวที่เดือด แต่ในกรณีของของเหลวที่เป็นสารผสม (เช่นน้ำมันปิโตรเลียมต่าง ๆ) จะสมมุติว่าเท่ากับอุณหภูมิจุด "bubble point" ของของเหลวนั้น

ของเหลวที่เป็นสารผสมนั้น เวลาที่ได้รับความร้อน แต่ละองค์ประกอบจะกลายเป็นไอ องค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่ำจะระเหยออกมาเป็นไอมากกว่าองค์ประกอบที่มีจุดเดือดสูง และเมื่ออุณหภูมิสูงพอจนทำให้ความดันไอของทุกองค์ประกอบรวมกันเท่ากับความดันภายในถัง ของเหลวนั้นก็จะเริ่มเดือด (คือเกิดฟองหรือ bubble นั่นเอง) ซึ่งอุณหภูมินี้ไม่จำเป็นต้องตรงกับจุดเดือดขององค์ประกอบใดเลยในของเหลวนั้น

ค่าของ M ในมาตราฐานปีค.ศ. ๒๐๑๔ ใช้คำว่า "relative molecular mass" แต่ในมาตรฐานปีค.ศ. ๑๙๙๒ (รูปที่ ๔) ใช้คำว่า "molecular weight" ถ้านำคำว่า "relative molecular mass" ไปสืบค้นในอินเทอร์เน็ตก็จะพบว่าชื่อเดิมของคำนี้คือ "molecular weight"

สมการที่ (14) และ (15) ได้จากการแปลงอัตราจริงของการเกิดไอมาเป็นอัตราการไหลเทียบเท่าของอากาศที่สภาวะ "normal" หรือ "standard" (หน่วย SI และ USC นิยามที่อุณหภูมิและความดันที่แตกต่างกัน) รายละเอียดเพิ่มเติมตรงนี้ให้ไปอ่านเพิ่มเติมในภาคผนวก D.9

รูปที่ ๔ จากมาตรฐานฉบับปีค.ศ. ๑๙๙๒ สมการที่ (4) ในรูปนี้เป็นสมการเดียวกับสมการที่ (15) ในรูปที่ ๓ พึงสังเกตว่านิยามของค่า M ในฉบับนี้ใช้คำว่า "molecular weight" ไม่ได้มีคำว่า "relative" เหมือนสมการที่ (15) ในรูปที่ ๓

ต่อไปเป็นหัวข้อ 3.3.3.3.3 ที่เป็นกรณีของของเหลวที่มีคุณสมบัติใกล้เคียงเฮกเซน (hexane C₆H₁₄) โดยบอกว่าให้ไปดูค่าได้เลยในตารางที่ 5 (หน่วย SI รูปที่ ๕) หรือตารางที่ 6 (หน่วย USC รูปที่ ๖) ซึ่งจะส่งต่อไปยังตารางที่ 7 (หน่วย SI ในรูปที่ ๘) หรือตารางที่ 8 (หน่วย USC ในรูปที่ ๙) โดยขึ้นกับ wetted surface area ของถัง

สาเหตุที่เลือกเฮกเซนน่าจะเป็นเพราะมันมีคุณสมบัติ (ในแง่จุดเดือดและความดันไอ) อยู่ในช่วงค่าเฉลี่ยของน้ำมันเบนซิน (gasoline) คือคุณสมบัติของน้ำมันเบนซินมันมีการกำหนดไว้เป็นช่วงกว้าง ๆ ดังนั้นการใช้น้ำมันเบนซินมาเป็นตัวมาตรฐานก็ก่อปัญหาเรื่องการทำซ้ำผลการทดลองได้

ในกรณีของถังที่มี wetted are ตั้งแต่ 260 ตารางเมตร (หรือ 2,800 ตารางฟุต) การคำนวณความสามารถในการระบายความดันให้นำเอาความดันที่ใช้ในการออกแบบถังมาพิจารณาด้วย กล่าวคือถ้าความดันออกแบบไม่เกิน 7 kPa (หรือ 1 psig) ให้ใช้ค่าที่กำหนดไว้ในตาราง และถ้าความดันสูงเกินกว่าค่าดังกล่าวแต่ไม่เกิน 103.4 kPa (หรือ 15 psig) ให้คำนวณโดยใช้สมการที่ (16) ในกรณีของหน่วย SI หรือสมการที่ (17) ในกรณีของหน่วย USC

รูปที่ ๕ ความสามารถในการระบาย (หน่วย SI) ถ้าของเหลวนั้นมีคุณสมบัติใกล้เคียงเฮกเซน

ในหัวข้อนี้ยังมีหมายเหตุต่าง ๆ เพิ่มเติมดังนี้

ในกรณีของถังทรงกลม (หรือที่เราเรียกถังลูกโลก spherical tank) หรือถังทรงรี (spheriod tank ซึ่งถังรูปแบบนี้ไม่รู้ว่าในบ้านเรามีใช้ที่ไหนบ้าง ปรกติจะเห็นแต่ถังทรงกลม) ให้คิด wetted area เป็น 55% ของพื้นที่ผิวทั้งหมดหรือพื้นที่ผิวจนสูงถึงระดับ 9.14 เมตร (มาจาก 30 ฟุต) จากพื้น ขึ้นอยู่กับว่าตัวเลขไหนมากกว่าก็ใช้ตัวเลขนั้น

ถ้านึกไม่ออกว่าถัง spheroid หน้าตาเป็นอย่างไร ดูได้ในรูปที่ ๗

ในกรณีของถังวางนอน (horizontal tank คือถังทรงกระบอกวางนอน) ให้คิด wetted area เป็น 75% ของพื้นที่ผิวทั้งหมดหรือพื้นที่ผิวจนสูงถึงระดับ 9.14 เมตร (มาจาก 30 ฟุต) จากพื้น ขึ้นอยู่กับว่าตัวเลขไหนมากกว่าก็ใช้ตัวเลขนั้น

ในกรณีของถังที่วางในแนวตั้ง (vertical tank) ถ้าถังนั้นตั้งอยู่บนพื้น ให้คิดเฉพาะพื้นที่ผนังรอบถัง พื้นที่ส่วนพื้น (ground plate) ไม่ต้องนำมาคิด (เพราะมันไม่มีไฟเข้าไปลนก้นถัง) แต่ถ้าเป็นถังที่วางเหนือพื้น ให้นำพื้นที่ส่วนที่เป็นก้นถังมาคิดเป็น wetted area ด้วย (เพราะไฟมันลนก้นถังได้)

จากที่สืบค้นดู เข้าใจว่าตัวเลข 9.14 เมตรหรือ 30 ฟุตนั้นมาจากความสูงของเปลวไฟ (คงเป็นข้อมูลจากประสบการณ์ที่ผ่านมา) ในกรณีที่เชื้อเพลิงแผ่กระจายออกเป็นบริเวณกว้างและเกิดการลุกไหม้แบบที่เรียกว่า pool fire โดยความสูงของเปลวไฟนั้นจะเพิ่มขึ้นตามขนาดการแผ่กว้างของเชื้อเพลิงและปริมาณความร้อนที่ปลดปล่อยออกมา (ขึ้นอยู่กับชนิดเชื้อเพลิงและอัตราการเผาไหม้) 

รูปที่ ๖ ความสามารถในการระบาย (หน่วย USC) ถ้าของเหลวนั้นมีคุณสมบัติใกล้เคียงเฮกเซน

รูปที่ ๗ ถังใบซ้ายและขวาคือ spheroid tank ส่วนอีก ๓ ใบตรงกลางภาพนั้นคือ spherical tank
(รูปจาก https://www.spicoatings-me.com/clients-new/lng-tank-flare-reduction)

รูปที่ ๘ ค่าความสามารถในการระบายความดัน (หน่วย SI) ในกรณีที่ wettted area ไม่เกิน 2800 ตารางฟุต

รูปที่ ๙ ค่าความสามารถในการระบายความดัน (หน่วย USC) ในกรณีที่ wettted area ไม่เกิน 260 ตารางเมตร

รูปที่ ๑๐ Environmental factor สำหรับปรับลดค่าความสามารถในการระบาย ในกรณีที่ผนังของถังนั้นได้รับการป้องกันจากเปลวไฟ

รูปที่ ๑๐ เป็นตารางค่า environmental factor สำหรับปรับลดค่าความสามารถในการระบาย ในกรณีที่ผนังของถังนั้นได้รับการป้องกันจากเปลวไฟ เช่น มีการหุ้มฉนวน ฝังดิน ปิดคลุมด้วยดิน แต่ค่า F ในตารางนี้อิงจากฉนวนความร้อนที่มีคุณสมบัติตามหมายเหตุ a ด้านล่างของตาราง โดยในหมายเหตุ a นี้กล่าวไว้ด้วยว่าถ้าฉนวนที่ใช้นั้นมีคุณสมบัติไม่ถึงเกณฑ์ที่กำหนดนี้ ก็ให้ถือว่าเป็นถังที่ไม่มีฉนวนหุ้ม

ในหมายเหตุ b ก็กล่าวไว้ว่าค่า F ที่ให้นี้อิงจากค่าผลต่างอุณหภูมิและอัตราการป้อนความร้อนที่เป็นไปตามมาตรฐาน ISO 23251 ถ้าสภาพการใช้งานนั้นไม่เป็นไปตามเงื่อนไขนี้ ให้ใช้การตัดสินใจโดยอิงจากความรู้ทางวิศวกรรมที่เหมาะสมในการเลือกค่า F (คืออย่าหยิบเอาค่า F ในตารางไปใช้โดยไม่อ่านหมายเหตุและพิจารณาสภาพความเป็นจริงที่อาจเกิดขึ้น)

หมายเหตุ d บอกว่าแม้ว่าชั้นน้ำที่ไหลลงมาตามผนังถังจะช่วยดูดซับความร้อนได้ แต่ชั้นฟิล์มที่เกิดขึ้นนั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่างทำให้เกิดความไม่แน่นอนว่าจะเกิดได้สมบูรณ์มากน้อยเพียงใด ดังนั้นจึงไม่ควรนำเอาการมีน้ำหล่อเย็นผนังถังมาใช้ปรับให้ค่า F ลดต่ำลง

ในหมายเหตุ f ยังกล่าวถึงเงื่อนไขต่าง ๆ ที่เป็นเป็นตามในการเลือกค่า F ที่ให้มา เงื่อนไขหนึ่งก็คือพื้นผิวรอบถังต้องมีความลาดเอียงออกจากถังอย่างน้อย 1% (ลดลง 1 เมตรในระยะ 100 เมตร) ไปยังบริเวณกักเก็บของเหลวที่รั่วออกมา (impounding area) ทั้งนี้เพื่อให้ของเหลวที่รั่วออกจากถังนั้นไหลห่างออกไปจากถัง

รูปที่ ๑๑ ๓ หัวข้อสุดท้ายของการระบายความดันเนื่องจากถังโดนไฟคลอก

รูปที่ ๑๑ เป็น ๓ หัวข้อสุดท้ายของการระบายความดันเนื่องจากถังโดนไฟคลอก หัวข้อ 3.3.3.3.5 กล่าวว่าสามารถนำเอาระบบระบายความดันที่ออกแบบไว้สำหรับการระบายความดันตามปรกติมาใช้ร่วมเป็นส่วนหนึ่งของระบบระบายความดันเมื่อถังโดนไฟคลอกได้

หัวข้อ 3.3.3.3.6 กล่าวว่า ถ้าหากระบบระบายความดันตามปรกตินั้นมีความสามารถในการระบายความดันฉุกเฉินไม่เพียงพอ ก็สามารถติดตั้งระบบระบายความดันฉุกเฉินชนิดที่บรรยายไว้ในหัวข้อ 3.4.2 เพิ่มเติมเพื่อให้ความสามารถในการระบายความดันมีค่าอย่างน้อยเท่ากับค่าที่ให้ไว้ในตารางที่ 5 หรือ 6 หรือตามสมการที่ (14) หรือ (15)

หัวข้อ 3.3.3.3.7 กล่าวว่า ความสามารถรวมในการระบายความดันควรอิงจากค่าความดันที่ให้ไว้ในหัวข้อ 3.6.2

จะเห็นว่าการคำนวณไม่ได้จบในหัวข้อนี้ ยังมีอิงไปยังหัวข้อถัดออกไปอีก

แล้วก็ถึงเวลา ที่ผมควรต้องวางประแจ MO Memoir : Friday 6 October 2566

ตอนที่ไปเรียนที่อังกฤษนั้น Mascot ของโรงเรียนวิศวกรรมที่ผมไปเรียนคือ Spanner หรือประแจปากตาย และจะว่าไปแล้ว ตลอดช่วงเวลาการทำงานที่ผ่านมา อุปกรณ์เครื่องมือช่างที่ผมใช้งานมากที่สุดก็คือประแจ ไม่ว่าจะเป็นงานซ่อมแซมเครื่องใช้ต่าง ๆ ภายในบ้าน หรืองานประกอบและซ่อมแซมชุดทดลอง รองลงไปก็เห็นจะไปไขควง ที่จะใช้กับพวกอุปกรณ์ไฟฟ้าเสียมากกว่า เรียกว่าไม่ว่าจะเป็นที่ทำงานหรือที่บ้าน หรือแม้แต่กล่องเครื่องมือประจำรถ ก็ต้องมีอย่างน้อยประแจปากตายและประแจเลื่อนติดอยู่

และจะว่าไปนั้น เวลาที่นิสิตบอกว่าระบบชุดทดลองมีปัญหา ไม่ว่าจะเป็นระบบท่อหรือแก๊สโครมาโทกราฟ พอตรวจพบว่าปัญหานั้นเกิดจากอะไร ก็มักจะพบว่าอุปกรณ์ที่จำเป็นต้องใช้ในการแก้ปัญหามักต้องมีประแจด้วยเสมอ และมันก็เป็นอุปกรณ์ที่อยู่คู่มือเวลาที่ได้เรียนรู้สิ่งใหม่ ๆ เสมอ

สัปดาห์ที่แล้วได้สนทนากับอาจารย์รุ่นใหม่ท่านหนึ่งที่กำลังจะสร้างอุปกรณ์ทดลอง ก็เลยได้เล่าประสบการณ์บางเรื่องที่เคยประสบมาให้ฟัง และส่งลิงก์สำหรับดาวน์โหลด Memoir ฉบับรวมบทความไปให้

มาเมื่อวานก็ได้พบกับศิษย์เก่าของภาควิชา รายหนึ่งกำลังศึกษาระดับปริญญาโท มีปัญหาเรื่องการแปลผลการทดลอง มาขอคำปรึกษา ก็เลยอธิบายให้ฟังถึงการทำงานของอุปกรณ์และการอ่านผลสัญญาณ อีกรายหนึ่งมาร่วมงานรับปริญญาของรุ่นน้อง เขาเล่าให้ฟังว่า team leader ของเขาเป็นศิษย์เก่าของภาควิชา (และเรียนปริญญาโทกับผมด้วย แต่นั่นก็นานแล้ว) เชาเล่าให้ฟังเรื่องการเริ่มต้นเดินเครื่องปั๊มหอยโข่ง ที่เขาต้องกลับไปทบทวนเรื่อง NPSH (Net Positive Suction Head) และระบบ piping รอบปั๊มหอยโข่ง โดยอาศัยบทความที่ผมเคยเขียนไว้ใน blog

หลายเดือนก่อนหน้านี้อาจารย์ท่านหนึ่งที่เคยร่วมทำงานวิจัยด้าน SCR (Selective Catalytic Reduction) ด้วยกันในช่วงแรก ๆ ของโครงการ โทรมาขออนุญาตรื้ออุปกรณ์ SCR เดิมที่ไม่ได้ใช้งานมาหลายปีเนื่องจากสถานการณ์โควิด และตัวผมเองก็บังเอิญมีงานวิจัยด้านอื่นให้ทำ ผมเองก็ไม่ว่าอะไร เพราะอุปกรณ์ชุดนี้คิดว่าคงจะไม่ใช้อะไรแล้ว และมันก็ไม่ได้เป็นของผม มันเป็นสิ่งที่จัดซื้อมาด้วยเงินทุนวิจัยที่ทำร่วมกัน เที่ยงวันนี้แวะไปดูก็พบว่าเขารื้อถอนอุปกรณ์เดิมออกไปหมดแล้ว เหลือเอาไว้แต่โครง แล้ววางระบบใหม่เพื่อใช้กับปฏิกิริยา แก๊ส + ของเหลว ที่ความดันสูง (รูปแรก)

ช่วงปีที่ผ่านมามีหลายรายมาถามผมว่าจะรับนิสิตป.โทอีกไหม ผมก็บอกเขาไปว่าถ้าจะให้เป็นอาจารย์ที่ปรึกษาหลักก็คงจะไม่รับแล้ว แต่ถ้ามีใครจะเชิญไปเป็นอาจารย์ที่ปรึกษาร่วมและเห็นว่าพอจะช่วยได้ก็ยังยินดีอยู่ เริ่มรับนิสิตป.โทมาตั้งแต่เข้าทำงานคือปีการศึกษา ๒๕๓๗ จนถึงรุ่นสุดท้ายคือรุ่นปีการศึกษา ๒๕๖๔ (ที่เข้ารับพระราชทานปริญญาบัตรในวันนี้) ยังไม่ได้นับว่าได้เป็นอาจารย์ที่ปรึกษาวิทยานิพนธ์มาแล้วกี่คน แต่จำได้ดีว่า เป็นอาจารย์ที่ปรึกษาหลักของนิสิตปริญญาเอกเพียงคนเดียว ที่ตอนนี้เขาก็ทำงานเป็นอาจารย์อยู่ที่ประเทศญี่ปุ่น ส่วนตัวผมเองก็คิดว่าถึงเวลาแล้วที่จะวาง "ประแจ" (ที่เป็นเสมือนสัญญลักษณ์การทำงานภาคปฏิบัติ) สักที เพื่อเป็นการหลีกทางออกไป แล้วให้คนใหม่เข้ามามีบทบาทแทน

รูปสุดท้ายเป็นรูปที่เจ้าหน้าที่ของภาควิชาถ่ายไว้ให้เมื่อวาน ปรกติก็แทบไม่ได้ลงรูปตัวเองใน memoir อยู่แล้ว ฉบับนี้ก็ขอเอามาลงเต็มหน้าบ้าง และก็เช่นกัน สำหรับนิสิตที่รับพระราชทานปริญญาบัตรในวันนี้ MO Memoir ฉบับนี้ก็จะเป็นฉบับสุดท้ายที่จะส่งตรงให้พวกคุณทางอีเมล์ และเนื่องจากผมก็ไม่ได้มีนิสิตบัณฑิตศึกษาเหลืออยู่แล้ว ดังนั้นการส่ง MO Memoir ให้กับนิสิตทางอีเมล์ก็จะสิ้นสุดไปพร้อมกับการส่งอีเมล์ฉบับนี้ด้วย และขอให้ทุกคนที่เป็นนิสิตบัณฑิตศึกษารุ่นสุดท้ายของผม ประสบแต่ความสุขความสำเร็จในหน้าที่การงานและชีวิตครอบครับทุกคน

ในที่สุดก็ถึงวลาที่ "สามแยก SCR" ต้องปิดฉากลง สิ่งที่เหลืออยู่ก็คงมีเพียงแค่สิ่งที่อยู่ในความทรงจำของผู้คนที่มีโอกาสได้มานั่งพักยามเหน็ดเหนื่อยจากการทำการทดลอง นั่งพักรับประทานอาหารและของว่าง หรือหาเพื่อนเพื่อร่วมวงสนทนา สังสรรค์ เฮฮา ระบายความรู้สึก รอรับพัสดุ

หรือเพียงแค่รอใครบางคน

ขอขอบคุณทุกคน ไม่ว่าจะทำวิทยานิพนธ์กับอาจารย์ท่านใด ที่ได้แวะมาเยี่ยมเยียนพวกเราที่สามแยก SCR นี้ เพราะพวกคุณต่างได้สร้างความทรงจำต่าง ๆ ทิ้งไว้ให้กับพวกเรา