รู้ทันนักวิจัย (๒๖) บน simulation ทุกอย่างเป็นได้หมด (ภาค ๕) MO Memoir : Sunday 3 December 2566

หลายปีที่แล้วช่วงปีใหม่ วิศวกรจากโรงแยกแก๊สรายหนึ่งแวะมาคุยกับผม และถามคำถามผมว่าจะเอาแก๊สมีเทนไปทำอะไรดีนอกจากเป็นเชื้อเพลิง (และ steam reforming ที่ต้องใช้อุณหภูมิสูง) โดยดูเหมือน่วาตัวเขาเองนั้นก็ได้ค้นคว้างานวิจัยว่าที่ผ่านมานั้นมีการทำอะไรกันมาแล้วบ้าง

ผมก็บอกเขาไปว่า อย่างแรกคือ "ให้โยนบทความที่เป็นงาน simulation ทิ้งไปก่อน"

เขาก็ตอบผมกลับมาเลยว่า "แล้วจะเหลืออะไรล่ะ อาจารย์"

กลางเดือนที่แล้วได้ไปนั่งฟังนิสิตปริญญาเอกบรรยายในวิชาสัมมนา เขาก็เอาบทความของเขาที่ "ตีพิมพ์ไปแล้ว" มาบรรยายให้ฟัง งานของเขาเป็นงานที่เกี่ยวข้องกับการดักจับเอาคาร์บอนไดออกไซด์ออกจาก "Flue gas" เพื่อไปผลิตเป็นสารเคมีที่มีมูลค่าสูงขึ้น

ที่ผมสะกิดใจคือแก๊สที่เป็นแหล่งที่มาของคาร์บอนไดออกไซด์คือแก๊สอะไร เขาก็บอกว่าเป็น "Flue gas" (แก๊สที่เกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิง)

ก็เลยถามต่อว่าแล้วเขาแยกคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาด้วยวิธีใด เขาก็บอกว่าใช้การดูดชับด้วย zeolite 13X

ก็เลยถามต่อไปอีกว่า แล้วดึงเอาคาร์บอนไดออกไซด์ออกจาก zeolite 13X ด้วยวิธีใด เขาก็บอกว่าใช้ concentration gradient (ความแตกต่างของความเข้มข้น) ด้วยการเอาแก๊สมีเทนเข้าไป purge ไล่คาร์บอนไดออกไซด์ที่ zeolite 13X ดูดซับเอาไว้ออกมา เพราะวิธีนี้เป็นวิธีที่ประหยัดพลังงาน เพราะไม่จำเป็นต้องใช้ความร้อนหรือการลดความดันช่วย

ผมก็ถามเขาต่อว่าแล้วใน "Flue gas" ของคุณประกอบด้วยแก๊สอะไรบ้าง เขาก็บอกว่าประกอบด้วย ไนโตรเจน, ออกซิเจน และคาร์บอนไดออกไซด์

"แล้ว "น้ำ" ล่ะ" ผมถามต่อ เขาก็ตอบกลับมาว่า "ไม่มี"

รูปที่ ๑ แผนผังกระบวนการที่นำเสนอและคำบรรยายกระบวนการ

จะว่าไปอากาศที่ส่งเข้าไปเพื่อเผาไหม้เชื้อเพลิงนั้น มันก็มีความชื้นปนอยู่เล็กน้อย และตัวเชื้อเพลิงฟอสซิลเองนั้นก็มีไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบอยู่ ส่วนจะมีมากน้อยแค่ไหนนั้นก็ขึ้นอยู่กับว่าเชื้อเพลิงนั้นคืออะไร ถ้าเป็นพวกแก๊สธรรมชาติ, ไฮโดรคาร์บอน หรือชีวมวล ก็จะมีมากหน่อย ถ้าเป็นพวกถ่านหินก็ขึ้นอยู่กับเกรด แต่ที่แน่ ๆ ก็คือมันจะมีน้ำปนอยู่เสมอ และก็ไม่แปลกถ้าจะมีพวกสารประกอบกำมะถันปนอยู่ด้วย

สิ่งที่ผมบอกเขาไปก็คือ องค์ประกอบของ flue gas ที่เขาใช้นั้น มันไม่ตรงกับความเป็นจริงที่มันจะมีน้ำปนอยู่เสมอ และน้ำที่ปนอยู่นั้นมันจะจับกับ zeolite 13X ไว้แน่น ไม่หลุดออกมาง่าย ๆ อย่างที่เขาคิดหรอก จากประสบการณ์ของผมเองที่วิเคราะห์แก๊สตัวอย่างที่มีไอน้ำปนด้วยเครื่องแก๊สโครมาโทกราฟและใช้คอลัมน์ที่บรรจุ zeolite เอาไว้ ช่วงแรก ๆ คอลัมน์จะทำงานได้ดี แต่เมื่อมันดูดซับเอาน้ำไว้มากขึ้น มันจะเริ่มไม่ทำงาน (คือไม่สามารถแยกสารได้) ทำให้จำเป็นต้องไล่น้ำที่ค้างอยู่ในคอลัมน์ออก และวิธีการที่ใช้ก็คือใช้อุณหภูมิสูง (ระดับ 230-240ºC) ทิ้งไว้เป็นเวลานาน (เรียกว่าข้ามวันก็ได้) จึงจะไล่น้ำออกจากคอลัมน์ได้หมด

จริงอยู่แม้ว่าในแผนผังกระบวนการของเขาจะมี Cooler อยู่ทางด้านขาออกของเครื่องคอมเพรสเซอร์ แต่มันจะดึงไอน้ำออกได้เหลือเพียงแค่ไม่เกินความดันไออิ่มตัวของไอน้ำที่อุณหภูมิด้านขาออก ดังนั้นแก๊สด้านขาออกของ Cooler ก็ยังคงมีความชื้นปนด้วยอยู่ดี

ดังนั้นในความเป็นจริง (ถ้ามีการทดลองทำจริง) พอใช้งานไปสักพักกระบวนการนี้มันจะไม่ทำงาน คือแม้ว่าในช่วงแรกมันจะดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์เอาไว้จนอิ่มตัว และการผ่านแก๊สมีเทนเข้าไปแทน Flue gas จะดึงเอาคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาได้ แต่พอใช้งานไปจน zeolite ดูดซับไอน้ำเอาไว้จนอิ่มตัว มันจะไม่ดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์อีกต่อไป คือไม่สามารถทำการแยกเอาคาร์บอนไดออกไซด์ออกจาก Flue gas ได้ เว้นแต่จะมีการไล่น้ำออก

รูปที่ ๒ ผลการทดลองการดูดซับและคายซับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ด้วย zeolite 13X โดยแก๊สที่ใช้ในการทดลองนั้นไม่มีไอน้ำปนอยู่ การทดลองเป็นการใช้สารดูดซับตัวเดิมทำซ้ำ 5 รอบ

รูปที่ ๓ ผลการทดลองการดูดซับและคายซับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ด้วย zeolite 13X ในแก๊สที่มีน้ำปน (CO₂ 48% น้ำ 2.5%) การทดลองเป็นการใช้สารดูดซับตัวเดิมทำซ้ำ 5 รอบ

รูปที่ ๒ และ ๓ นำมาจากเอกสารของบริษัท micromeritics เป็นการทดลองใช้ zeolite 13X บรรจุในเบดนิ่งดูดซับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากแก๊สผสม โดยทำการดูดซับจนกระทั่งเบดอิ่มตัว จากนั้นก็ทำการไล่คาร์บอนไดออกไซด์ออกและทำการดูดซับใหม่ รูปที่ ๒ เป็นการทดลองด้วยแก๊สที่ไม่มีน้ำปน จะเห็นว่าผลการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์นั้นทำซ้ำได้ดี แต่พอมีน้ำปน (รูปที่ ๓) ปรากฏว่าความสามารถในการดูดซับน้ำลดต่ำลงอย่างรวดเร็ว แม้ว่าความเข้มข้นของไอน้ำในแก๊สน้ำเป็นเพียงแค่ความเข้มข้นอิ่มตัวที่อุณหภูมิ 30ºC เท่านั้นเอง นั่นเป็นเพราะว่า zeolite 13X จับน้ำเอาไว้แน่น ไม่สามารถไล่ได้ด้วยการผ่านแก๊สที่ไม่มีไอน้ำบน (แก๊สแห้ง แต่ไม่ร้อน) เมื่อใช้ซ้ำไปเรื่อย ๆ น้ำจะเข้าไปสะสมในรูพรุนจนทำให้พื้นที่ผิวรูพรุนที่จะดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์นั้นลดต่ำลงเรื่อย ๆ เมื่อใช้ซ้ำ

เอกสารของบริษัท BASF (รูปที่ ๔) และบทความที่มีการกล่าวถึงอุณหภูมิที่ต้องใช้ในการไล่น้ำออกจาก zeolite 13X (รูปที่ ๕) ก็บอกไว้ชัดเจนว่าต้องใช้อุณหภูมิในช่วงประมาณ 200-300ºC ดังนั้นถ้าใช้ zeolite 13X ในการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ออกจาก flue gas (ที่มีไอน้ำปนอยู่ด้วยเสมอ) จนมันดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์จนอิ่มตัว การเอาแก๊สมีเทน (ที่ไม่ร้อน) ไหลผ่านเบด concentration gradient ที่มีนั้นจะดึงเอาเฉพาะคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาได้เท่านั้น โดยน้ำจะยังตกค้างอยู่บนพื้นผิว zeolite 13X ทำให้พื้นผิวที่สามารถทำการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ได้เมื่อนำ zeolite 13X มาใช้งานซ้ำนั้นลดต่ำลง และจะเป็นอย่างนี้ไปเรื่อย ๆ จนกระทั่งมันไม่สามารถทำการแยกคาร์บอนไดออกไซด์ได้ (คือองค์ประกอบของแก๊สที่ไหลเข้าเหมือนกับของแก๊สที่ไหลออก

โดยความเห็นส่วนตัวรู้สึกว่า งานนี้เป็นเหมือนบทความของผู้ที่ไม่มีประสบการณ์ทำการทดลอง และได้รับการประเมินด้วยผู้ไม่มีประสบการณ์ในการทำการทดลองเช่นกัน

รูปที่ ๔ เอกสารของบริษัท BASF เกี่ยวกับคุณสมบัติของ zeolite 13X เอกสารนี้ระบุชัดเจนว่าถ้าต้องการไล่น้ำออกต้องใช้แก๊สที่มีอุณหภูมิสูงระดับ 200-300ºC

รูปที่ ๕ บทความวิจัยที่มีการกล่าวถึงการไล่น้ำออกจาก zeolite 13X ในบทความนี้กล่าวว่าถ้าต้องการไล่น้ำออกต้องใช้แก๊สที่มีอุณหภูมิสูงระดับ 250-300ºC