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