เก็บตกจากการประชุมวิชาการ ๒๕๖๘ MO Memoir : Sunday 25 May 2568

พูดอย่างไรให้คนอื่นเชื่อโดยไม่คิด ผมสอนไม่เป็นหรอก แต่ฟังอย่างไรไม่ให้ถูกหลอก พอให้คำแนะนำได้ :) :) :)

เมื่อสัปดาห์ที่ผ่านมาได้เข้าร่วมงานประชุมวิชาการแห่งหนึ่ง ก็เลยมีเรื่องมาเล่าสู่กันฟัง อันที่จริงพอเข้าร่วมงานเหล่านี้มา ๓๐ ปี ก็เห็นว่าเรื่องเดิม ๆ มันก็วนกลับมาอีก ก็เลยขอเลือกมาสัก ๓ เรื่องมาเล่าสู่กันฟัง

๑. พลังงานของวัตถุดิบ ควรต้องมีค่ามากกว่าพลังงานที่ใช้ในการแปรรูปวัตถุดิบเป็นเชื้อเพลิง

ในกระบวนการกลั่นน้ำมันดิบเพื่อแยกออกเป็นผลิตภัณฑ์เชื้อเพลิงต่าง ๆ นั้น พลังงานที่ใช้ในการแยกน้ำมันดิบออกเป็นผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ นั้นจะน้อยว่าพลังงานที่มีอยู่ในตัวน้ำมันดิบเริ่มต้น กล่าวอีกอย่างก็คือเราสามารถดึงเอาผลิตภัณฑ์น้ำมันที่กลั่นได้เพียงบางส่วนกลับมาเป็นแหล่งพลังงานเพื่อการกลั่น เราก็ยังเหลือผลิตภัณฑ์น้ำมันเพื่อจำหน่ายอยู่เยอะ

ในการผลิตเอทานอลที่ได้จากการหมัก (เข้มข้นเพียงประมาณ 10%) ให้กลายเป็นเชื้อเพลิงเอทานอลเพื่อใช้กับเครื่องยนต์เบนซินนั้น (เข้มข้น 99.5%) วิธีการหลักคือการกลั่นซึ่งใช้พลังงานมาก ประเด็นที่ควรถามก็คือพลังงานที่ต้องใช้ในการแยกเอทานอลความเข้มข้นต่ำออกจากน้ำเพื่อผลิตเอทานอลความเข้มข้นสูงนั้น กับพลังงานที่ได้จากเอทานอลที่กลั่นได้ ส่วนไหนมีค่ามากกว่ากัน

ถ้าหากพลังงานที่ได้จากเอทานอลที่กลั่นได้มีค่ามากกว่าพลังงานที่ต้องใช้ในการกลั่นแยก เราก็ควรจะได้เห็นโรงงานผลิตเอทานอลนำเอาเอทานอลที่กลั่นได้นั้นมากใช้เป็นเชื้อเพลิงในการกลั่นแยก โดยจะยังมีเอทานอลเหลือสำหรับขาย แต่ถ้าพลังงานที่ได้จากการนำเอาเอทานอลที่กลั่นได้นั้นมากกว่าพลังงานที่ต้องใช้เป็นเชื้อเพลิงในการกลั่นแยก ในทางเศรษฐศาสตร์มันก็จะไม่มีความคุ้มค่าในการผลิตเอทานอลความเข้มข้นสูงเพื่อนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงเหลว เพราะมันต้องมีการนำเอาเชื้อเพลิงอื่นมาใช้เพิ่มเติมอีก และในทางปฏิบัติที่เรามักเห็นกันก็คือ จะมีการใช้เชื้อเพลิงอื่น (ที่ปลดปล่อย CO₂ เยอะกว่าเอทานอลอีก) มาใช้เป็นแหล่งพลังงานความร้อนเพื่อใช้ในการกลั่นเอทานอล (ที่เขาบอกว่าเป็นเชื้อเพลิงสะอาด)

รูปที่ ๑ แผนผังอย่างง่ายของการเปลี่ยนชีวมวลเป็นแก๊สไฮโดรเจนเพื่อใช้เป็น "เชื้อเพลิงสะอาด" ???

เรื่องการผลิตไฮโดรเจนหรือมีเทนจากชีวมวล (biomass) เนี่ยมีการทำกันมานานแล้ว ที่เห็นในบ้านเราก็ราว ๆ ๓๐ ปีแล้ว ตอนนั้นทำเพื่อให้ได้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับเซลล์เชื้อเพลิง (fuel cell) แต่เอาเข้าจริงก็ไม่มีใครเคยลองเอาแก๊สที่ได้ไปใช้กับเซลล์เชื้อเพลิงเลย เพราะคนที่ทำงานทางด้านตัวเร่งปฏิกิริยา (กลไกการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงก็มีพื้นฐานเดียวกันกับตัวเร่งปฏิกิริยา) ต่างรู้ดีว่าองค์ประกอบของแก๊สที่ได้นั้นมันเป็นพิษต่อตัวเร่งปฏิกิริยา มันทำลายตัวเร่งปฏิกิริยาได้ในเวลาอันสั้น

การทำให้ชีวมวลสลายตัวกลายเป็นแก๊สจะใช้ความร้อนเป็นหลัก ผลิตภัณฑ์ที่ได้ขึ้นอยู่กับชนิดชีวมวลและอุณหภูมิที่ใช้ กระบวนการที่ใช้คือ pyrolyis (สลายตัวโดยไม่มีอากาศ) หรือ gasification (สลายตัวโดยมีการป้อนอากาศในปริมาณไม่มากเข้าร่วม โดยอาจมีการใช้แหล่งพลังงานอื่นให้ความร้อนร่วมด้วย) แก๊สที่ได้มีชื่อว่า synthesis gas แต่มักจะเรียกกันสั้น ๆ ว่า syn gas ชีวมวลบางส่วนจะสลายตัวเป็นแก๊สโดยมีส่วนที่เหลือเป็นของแข็ง (ขี้เถ้า (ash), ถ่าน) หรือของเหลวจุดเดือดสูง (tar ที่ได้จากการทำให้แก๊สที่ได้นั้นเย็นตัวลงก่อนนำแก๊สไปใช้งาน) ในช่วงที่เชื้อเพลิงขาดแคลน (เช่นช่วงสงครามโลกครั้งที่ ๒) ก็มีการใช้กระบวนการ gasification นี้เปลี่ยนชีวมวลเป็นแก๊สเชื้อเพลิงเพื่อใช้กับรถยนต์ โดยความร้อนที่ใช้ในการสลายตัวนั้นก็ได้มาจากการเผาชีวมวลบางส่วนนั่นเอง

ทีนี้มาดูการเปลี่ยนชีวมวลเป็นแก๊สไฮโดรเจนเพื่อใช้เป็นพลังงานสะอาดสำหรับผลิตไฟฟ้ากันบ้าง อาจกล่าวได้ว่าวิธีที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในการเปลี่ยนไฮโดรเจนเป็นพลังงานไฟฟ้าคือการใช้เซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งตรงนี้ก่อนหน้านี้สมัยที่คิดจะใช้ไฟฟ้าที่ได้จากเซลล์เชื้อเพลิงก็มีการอ้างกันว่ามันมีประสิทธิภาพสูงกว่าเครื่องยนต์สันดาปภายใน ซึ่งมันก็สูงกว่าจริงแต่มีข้อแม้ว่าห้ามถามว่าการผลิตไฮโดรเจนเพื่อให้ได้มาเป็นเชื้อเพลิงนั้นมีการสูญเสียพลังงานเท่าใด ไม่งั้นเขาจะเลิกคุยด้วย มาคราวนี้ก็ได้มาเจอทำนองเดียวกันอีก แต่เป็นว่าเป็นการจ่ายไฟฟ้าให้กับโรงไฟฟ้าพลังงานสะอาด

ลองพิจารณาแผนผังอย่างง่ายของการผลิตไฮโดรเจนจากชีวมวลด้วยกระบวนการ pyrolysis หรือ gasification เพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับโรงไฟฟ้าในรูปที่ ๑ (งานนี้เป็นการจำลองกระบวนการบนคอมพิวเตอร์) การทำให้ชีวมวลสลายตัวเป็น syn gas นั้นใช้อุณหภูมิที่สูง (เขาบอกว่าในช่วง 800-1000ºC) จากนั้นก็นำ syn gas นั้นไปเข้ากระบวนการเพื่อเปลี่ยนแก๊สบางส่วนให้กลายเป็นไฮโดรเจนเพิ่มขึ้น (converter) ทำการแยกไฮโดรเจนออกมา (separation) และทำให้ไฮโดรเจนที่ได้นั้นมีความบริสุทธิ์มากพอที่จะใช้กับเซลล์เชื้อเพลิงได้ (purification)

การทำให้ชีวมวลสลายตัว, กระบวนการเพิ่มปริมาณไฮโดนเจนให้กับ syn gas, กระบวนการแยก และการทำให้บริสุทธิ์ ต่างก็ต้องใช้พลังงาน คำถามก็คือพลังงานที่ต้องใช้ในกระบวนการเหล่านี้เมื่อเทียบกับพลังงานที่ได้จากไฮโดรเจนนั้น ส่วนไหนมากกว่ากัน และพลังงานที่ใช้ในขั้นตอนเหล่านี้ มาจากกระบวนการที่ผลิต CO₂ หรือไม่

และที่สำคัญคือกระบวนการนี้ควรต้องสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องตลอด ๒๔ ชั่วโมง ได้อย่างน้อยตลอดทั้งปี โดยไม่ขึ้นกับลมฟ้าอากาศและแสงอาทิตย์

ถ้าพลังงานที่ใช้ในขั้นตอนเหล่านี้มาจากพลังงานที่ไม่ผลิต CO₂ การเอาพลังงานนี้ไปผลิตเป็นกระแสไฟฟ้าโดยตรงจะไม่เหมาะสมกว่าหรือ โดยเฉพาะพลังงานที่สามารถสร้างอุณหภูมิสูงจนทำให้ชีวมวลสลายตัวได้ ความร้อนระดับนี้สามารถผลิตไอน้ำความดันสูงเพื่อใช้ในการผลิตไฟฟ้าได้อย่างสบาย

๒. ใช้เยอะ ๆ ก็ได้ 100% ทุกตัว

งานนี้เป็นการเปรียบเทียบความสามารถในการกรองของเยื่อแผ่น 3 ชนิดที่แตกต่างกัน ผู้นำเสนอบอกว่าแผ่นเยื่อทั้ง 3 ชนิดมีประสิทธิภาพในการกรองที่ดีเยี่ยมเหมือนกัน คือสามารถแยกสารได้ 100% (รูปที่ ๒ ซ้าย) ผมก็บอกเขาไปว่าผลการทดลองนี้ใช้เปรียบเทียบประสิทธิภาพการทำงานไม่ได้ เพราะใช้ขนาดของแผ่นเยื่อที่ใหญ่เกินไป ทำให้สามารถเห็นประสิทธิภาพการกรองนั้นสูงถึง 100% ทุกตัว แม้ว่าในความเป็นจริงมันจะแตกต่างกันก็ตาม

รูปที่ ๒ ประสิทธิภาพการกรองด้วยเยื่อแผ่นกรอง 3 ชนิด รูปซ้ายเป็นรูปที่มีการนำเสนอ ส่วนรูปขวาควรจะเป็นผลการทดลองที่ได้ถ้าหากมีการลดขนาดเยื่อแผ่นให้ต่ำลง โดยให้ค่าสูงสุดที่กรองได้นั้นต่ำกว่า 100%

เพื่อให้เห็นภาพจะขอสมมุติว่า ถ้าต้องการกรองสารได้ทั้งหมด ถ้าใช้แผ่นเยื่อ A ต้องใช้พื้นที่การกรอง 0.5 m², ถ้าใช้แผ่นเยื่อ B ต้องใช้พื้นที่การกรอง 0.7 m² และถ้าใช้แผ่นเยื่อ C ต้องใช้พื้นที่การกรอง 1.0 m²

แต่ถ้าในการทดลองนั้นนำแผ่นเยื่อแต่ละชนิดที่มีพื้นที่ผิวการกรอง 1.5 m² มาทำการทดลอง สิ่งที่เราจะเห็นก็คือแผ่นเยื่อทุกชนิดจะสามารถกรองสารได้ 100% เหมือนกัน แต่ถ้าเรานำแผ่นเยื่อแต่ละชนิดมาเพียง 0.4 m² มาทำการทดลอง เราก็จะเห็นผลการทดลองดังรูปที่ ๒ ขวา คือประสิทธิภาพในการกรองของแผ่นเยื่อแต่ละตัวนั้นไม่เท่ากัน

ตัวเลข 100% มันดูดีก็จริง แต่บ่อยครั้งที่มันซ่อนความไม่เหมาะสมอยู่

๓. เก็บตัวอย่างครั้งแรกที่เวลาเท่าใด

เรื่องนี้ก็มาในทำนองเดียวกันกับเรื่องที่ ๒ คือเขาบอกว่าพบว่าเกิดการดูดซับสมบูรณ์ได้ภายในการเก็บตัวอย่างมาวิเคราะห์ตั้งแต่ครั้งแรก (รูปที่ ๓ ซ้าย)

แล้วหลังจากเริ่มการทดลอง เขารอนานเท่าใดจึงเก็บตัวอย่างครั้งแรก จากรูปที่เขานำเสนอคำตอบก็คือ 15 นาที ผมก็บอกเขาไปว่าการทดลองแบบนี้ถ้าใส่สารดูดซับเข้าไปเยอะ ๆ แล้วรอนาน ๆ ก่อนเก็บตัวอย่างครั้งแรก มันก็ได้ตัวเลข 100% เหมือนกันหมด ถ้าต้องการเปรียบเทียบอัตราเร็วในการดูดซับ ก็ควรต้องเก็บตัวอย่างให้เร็วขึ้นกว่านี้อีก (ดังเช่นรูปที่ ๓ ขวา) และควรใช้ปริมาณสารดูดซับให้น้อยกว่านี้ (ไม่ให้สูงถึง 100%) จะได้เปรียบเทียบได้ว่าสารดูดซับแต่ละชนิดเมื่อดูดซับได้จนอิ่มตัวแล้ว ตัวไหนสามารถดูดซับได้มากกว่ากัน โดยดูจากปริมาณสารที่เหลือ

ผลการทดลองที่เขาว่าดี ยิ่งควรต้องได้รับการตรวจสอบว่ามันได้มาด้วยวิธีการที่ถูกต้องและเหมาะสม

รูปที่ ๓ รูปซ้ายคือผลการทดลองที่มีการนำเสนอ แต่ถ้าเริ่มเก็บตัวอย่างแรกให้เร็วขึ้น ก็คงจะได้ผลดังรูปขวา

ปัญหาการใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับรถยนต์ MO Memoir : Thursday 7 November 2567

เมื่อต้นสัปดาห์ที่ผ่านมามีข่าวว่าประเทศมาเลเซียจะยกเลิกการจำหน่ายแก๊สธรรมชาติอัดความดัน (compressed natural gas - CNG) สำหรับรถยนต์ และยกเลิกการจดทะเบียนรถใช้แก๊สธรรมชาติอัดความดันเป็นเชื้อเพลิง สาเหตุหลักก็คืออายุการใช้งานของถังแก๊สที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงเมื่อถึงเวลาที่เหมาะสม จะว่าไปจากข่าวนี้ก็ทำให้เพิ่งรู้ว่านอกจากไทยแล้วก็ยังมีมาเลยเซียอีกที่ ที่เรียกแก๊สธรรมชาติอัดความดันว่า NGV ไม่ได้เรียกว่า CNG เหมือนทือื่นที่เรียกกันมานาน (รูปที่ ๑)

ถ้าสงสัยว่าหัวข้อบทความวันนี้ขึ้นเรื่องเกี่ยวกับแก๊สไฮโดรเจน แล้วมันเกี่ยวอะไรกับแก๊สธรรมชาติอัดความดัน ก็เพราะว่ามันต้องใช้ถังความดันสูง (และสูงกว่าด้วย) ในการเก็บเช่นเดียวกัน ดังนั้นเมื่อใช้งานไปมันก็จะมีปัญหาแบบเดียวกัน

รูปที่ ๑ ข่าวการยกเลิกการใช้รถยนต์ที่ใช้แก๊สธรรมชาติอัดความดัน (CNG) เป็นเชื้อเพลิงของประเทศมาเลเซีย

ความเสียหายของวัสดุจากการรับแรงดึงมีด้วยกัน 3 รูปแบบ รูปแบบแรกคือการเสียหายจากการรับแรงดึงสูงเกินกว่าที่วัสดุจะรับแรงได้ (tensile strength) การทดสอบความแข็งแรงเรื่องนี้ทำได้ไม่ยาก ก็ด้วยการนำเอาวัสดุนั้นมารับแรงดึงแล้วหาว่าแรงดึงสูงสุดที่รับได้ก่อนฉีกขาดนั้นมีค่าเท่าใด ถ้าเป็นถังความดันก็เอาถังนั้นมาอัดความดันแล้วก็ดูว่าต้องใช้ความดันสูงเท่าใดลำตัวถังจึงจะฉีกขาด

รูปแบบที่สองคือความเสียหายจาก creep หรือที่แปลเป็นไทยว่าความคืบ ความเสียหายแบบนี้เกิดจากการที่วัสดุนั้นรับแรงดึงที่ต่ำกว่าค่าแรงดึงสูงสุดที่รับได้ แต่ต้องรับต่อเนื่องเป็นเวลานาน โดยทั่วไปมักจะเกิดเมื่อต้องรับแรงที่ทำให้วัสดุนี้มีการเปลี่ยนแปลงขนาด ตัวอย่างเช่นถ้าเอาลวดเส้นหนึ่งมาดึงด้วยแรงดึงที่สูงพอ แรงดึงนั้นจะทำให้ลวดเส้นนั้นยืดออกโดยมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางลดลง พอขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางลดลง ความเค้นในเนื้อวัสดุบริเวณนั้นก็จะสูงขึ้น (เพราะความเค้นคืออัตราส่วนระหว่างแรงที่กระทำต่อพื้นที่รับแรง) ส่งผลให้เส้นลวดยืดตัวออกไปอีกอย่างช้า ๆ ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางก็จะลดลงไปอีก จนกระทั่งถึงจุดหนึ่งเส้นลวดนั้นก็จะขาด

รูปแบบที่สามคือความเสียหายจากความล้าหรือ fatigue เกิดเมื่อเนื้อวัสดุสั้นรับแรงที่ต่ำกว่าค่าแรงดึงสูงสุดที่รับได้ แต่แรงนั้นกระทำในรูปแบบที่เป็นวงรอบ (cycle) ต่อเนื่องกันเป็นเวลานาน ความเสียหายจากเหตุการณ์นี้ที่เป็นที่รู้จักกันมากที่สุดคือกรณีของเครื่องบินเจ็ตโดยสาร de Havilland Comet ที่ลำตัวเกิดการแตกออกขณะบินอยู่ในอากาศถึง ๓ ลำในปีค.ศ. ๑๙๕๔ (พ.ศ. ๒๔๙๗) อันเป็นเพราะจากความล้า เพราะในขณะที่เครื่องบินจอดอยู่บนพื้น ลำตัวเครื่องไม่ต้องรับแรงดัน แต่เมื่อบินสูงในอากาศ อากาศภายนอกเครื่องมีความดันต่ำกว่าภายในเครื่อง ลำตัวเครื่องจึงเสมือนกับต้องรับความดันเพิ่มขึ้นเมื่อเครื่องบินขึ้น และรับความดันน้อยลงเมื่อเครื่องบินลงจอด และการที่เครื่องบินขึ้นลงหลาย ๆ ครั้งก็เปรียบเสมือนการอัดความดัน/ระบายความดันซ้ำไปมาหลายครั้ง ทำให้รอยแตกเล็ก ๆ ในเนื้อโลหะค่อย ๆ ขยายตัว และเมื่อมารวมตัวกันกลายเป็นรอยแตกขนาดใหญ่ ก็เกิดความเสียหายขนาดใหญ่ขึ้นทันที

ถังแก๊สธรรมชาติ/แก๊สไฮโดรเจนที่นำมาใช้กับรถยนต์ ก็เป็นถังความดันที่มีรูปแบบการทำงานเช่นนี้ คือความดันในถังจะเพิ่มสูงขึ้นเมื่อทำการเติมแก๊ส และลดลงเมื่อดึงแก๊สไปใช้งาน (เพราะแก๊สจะกลายเป็นของเหลวเมื่อเพิ่มความดันได้ก็ต่อเมื่ออุณหภูมิของแก๊สนั้นต่ำกว่าค่าอุณหภูมิวิกฤต (critical temperature) แก๊สหุงต้มมีค่าอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่าอุณหภูมิห้อง ในขณะที่มีเทนและไฮโดรเจนมีค่าอุณหภูมิวิกฤตที่ต่ำมาก)

ถังแก๊สหุงต้ม (LPG หรือ Liquified Petroleum Gas) ที่ใช้กับรถยนต์ไม่มีปัญหานี้ เพราะแก๊สหุงต้นมันอยู่ในรูปของเหลวภายใต้ความดัน ความดันในถังจึงคงที่ (แต่ก็ยังเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิสภาพแวดล้อม) เวลาที่ดึงแก๊สออกไป ส่วนที่เป็นของเหลวก็จะระเหยมาชดเชย ความดันในถังจะไม่ลดจนกว่าของเหลวในถังจะไม่เหลือ เวลาที่เติมแก๊สเข้าไป ถ้าเป็นถังเปล่า พอความดันในถังเพิ่มสูงขึ้นถึงระดับหนึ่ง แก๊สที่เติมเข้าไปจะควบแน่นเป็นของเหลว ทำให้ความดันในถังไม่สูงขึ้น ดังนั้นถ้าการเติมแก๊สนั้นทำก่อนที่แก๊สในถังจะหมด ความดันในถังก็ถือได้ว่าคงที่ (ตรงนี้แตกต่างจากถังแก๊สหุงต้มที่ใข้กันตามบ้าน ที่จะใช้จนแก๊สหมดถังเลย แล้วค่อยเปลี่ยนถังแก๊ส)

รูปที่ ๒ ความหนาแน่นพลังงาน (พลังงานความร้อนต่อหน่วย "ปริมาตร" เชื้อเพลิง) ของเชื้อเพลิงชนิดต่าง ๆ

มีหลายปัจจัยที่ต้องพิจารณาในการเลือกชนิดเชื้อเพลิงที่จะนำมาใช้กับรถยนต์ รถยนต์นั้นมีพื้นที่สำหรับบรรทุกเชื้อเพลิงที่จำกัด (เพราะถูกกำหนดด้วยขนาดรถ พื้นที่ห้องโดยสาร และพื้นที่สำหรับบรรทุกสิ่งของ รูปที่ ๒ แสดงค่าความหนาแน่นพลังงานของเชื้อเพลิงแต่ละชนิด จะเห็นว่าเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนเหลวนั้นมีความหนาแน่นพลังงานที่สูง ถังเก็บก็มีน้ำหนักเบา เติมเชื้อเพลิงแต่ละครั้งก็วิ่งได้ระยะทางมากกว่าเชื้อเพลิงที่เป็นแก๊สที่ต้องใช้ถังความดัน (น้ำหนักมากกว่า) ในการเก็บเชื้อเพลิง ที่ความดัน 200 bar.g (200 เท่าของความดันบรรยากาศ) ไฮโดรเจนมีพลังงานเพียงแค่ประมาณ 25% ของแก๊สมีเทน ดังนั้นถ้าเก็บไฮโดรเจนที่ความดันและปริมาตรเดียวกันกับถัง CNG รถจะวิ่งได้ระยะทางที่น้อยกว่ามาก

แนวทางหนึ่งในการแก้ปัญหาคือเก็บไฮโดรเจนที่ความดันที่สูงขึ้น ซึ่งก็ได้มีการวิจัยและพัฒนาถังความดันไปจนถึงระดับ 700 bar.g จึงทำให้พลังงานต่อหน่วยปริมาตรของไฮโดรเจนเข้าใกล้เคียงกับของมีเทน แต่นั่นก็หมายความว่าน้ำหนักของถังบรรจุต้องเพิ่มมากขึ้นตามไปด้วย

จริงอยู่ที่ไฮโดรเจนมีค่าพลังงานต่อหน่วย "น้ำหนัก" สูงกว่าเชื้อเพลิงชนิดอื่น และหลายงานวิจัยมักจะอ้างถึงจุดนี้เวลาบอกว่าไฮโดรเจนนั้นดีกว่าเชื้อเพลิงชนิดอื่น แต่ในการใช้งานจริงนั้น "ปริมาตร" ถังเก็บเป็นตัวกำหนดปริมาณเชื้อเพลิงที่รถยนต์จะขนไปได้ และถ้าอิงที่น้ำหนักเชื้อเพลิงเท่ากัน ปริมาตรและน้ำหนักของถังบรรจุไฮโดรเจนจะมากกว่า ซึ่งส่งผลถึงค่ากำลังที่ได้จากเครื่องยนต์ต่อหน่วยน้ำหนักของ เครื่องยนต์ + ระบบเก็บและจ่ายเชื้อเพลิง

ด้วยระยะทางที่วิ่งได้ต่อการเติมเชื้อเพลิงแต่ละครั้งที่ต่ำ ทำให้ต้องมีการเติมเชื้อเพลิงบ่อยครั้ง ยิ่งเป็นรถที่ใช้งานต่อเนื่อง (เช่นรถยนต์รับจ้างหรือเดินทางไกลเป็นประจำ) ถังบรรจุก็ต้องรับความดันสูง-ต่ำสลับไปมาบ่อยครั้งกว่า โอกาสที่จะเกิดความเสียหายจากความล้าจึงสูงกว่า

การออกแบบถังเก็บ CNG ก็มีการพิจารณาประเด็นเรื่องความล้านี้ และก็ได้ออกแบบเผื่อไว้ ทำให้ถังพวกนี้มีอายุการใช้งาน กล่าวคือถึงแม้ว่าลำตัวถังเองนั้นไม่มีการผุกร่อน และถ้านำมาทดสอบความสามารถในการรับความดันก็ยังสามารถรับความดันได้อยู่ แต่ก็ต้องเปลี่ยนเป็นถังใหม่ และถังเก่าก็ไม่ควรนำมาใช้งานเพื่อเก็บแก๊สความดันสูงอีก แต่จากความเป็นจริงที่ถังเหล่านี้มีราคาสูง และการพิจารณาด้วยสายตาก็ยังเห็นว่าถังเหล่านี้ยังดูดีอยู่ ก็เลยมักไม่มีการเปลี่ยนถังกันเมื่อครบกำหนดอายุการใช้งาน

ขณะนี้มีการนำเสนอไฮโดรเจนมาแข่งกับแบตเตอรี่ ด้วยการโฆษณาว่าการเติมเชื้อเพลิงจนเต็มถังนั้นใช้เวลาน้อยกว่าการชาร์จแบตเตอรี่มาก (ซึ่งก็จริง) แต่มักไม่กล่าวถึงปริมาณเชื้อเพลิงที่สามารถเติมได้ และระยะทางที่รถสามารถวิ่งได้เมื่อเติมเชื้อเพลิงแต่ละครั้ง รูปที่ ๓ ข้างล่างนำมาจากหน้าเว็บของบริษัทหนึ่งที่ทำงานเกี่ยวกับการพัฒนาถังเก็บไฮโดรเจนสำหรับยานพาหนะ จะเห็นว่าสำหรับรถยนต์ขนาดเล็กที่ใช้ถังความดัน 350 bar จะบรรทุกเชื้อเพลิงได้ประมาณ 4-5 kg ในขณะที่รถขนาดใหญ่ที่ใช้ถังความดัน 700 bar จะบรรทุกได้ประมาณ 20-40 kg

รูปที่ ๓ ปริมาณเชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่ยานพาหนะสามารถบรรทุกไปได้

เทียบต่อกิโลกรัม แม้ไฮโดรเจนมีพลังงานสูงกว่าน้ำมันเบนซินประมาณ 3 เท่า แต่รถยนต์สามารถบรรทุกน้ำมันได้มากกว่าไฮโดรเจนประมาณ 6 เท่า (น้ำมัน 40-45 ลิตรหนักประมาณ 30 kg) และถังเก็บน้ำมันยังมีน้ำหนักที่เบากว่าด้วย และใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับรถยนต์ ก็ต้องมีการลงทุนระบบโครงสร้างพื้นฐานในการส่งไฮโดรเจนไปยังสถานีบริการต่าง ๆ ซึ่งจะมีความคุ้มหรือไม่ก็คงเรียนรู้ได้จากการขยายสถานนีบริการ CNG ในบ้านเรา ที่เป็นการขนส่งแก๊สความดันสูงไปยังสถานีบริการต่าง ๆ ว่ามีการเปลี่ยนแปลงอย่างไร และกรณีของไฮโดรเจนน่าจะมีปัญหามากกว่า เพราะใช้ความดันที่สูงกว่า

ปัญหาการใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายใน MO Memoir : Thursday 25 April 2567

กลับมาทำงานใหม่ ๆ เมื่อ ๓๐ ปีที่แล้วก็เห็นอาจารย์ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลท่านหนึ่งทำวิจัยเรื่องใช้แก๊สไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับรถยนต์แทนน้ำมันเบนซิน รถที่ใช้ก็คือ Mazda Familia เครื่องเบนซิน 1300 CC ซึ่งมันก็วิ่งได้โดยใช้ถังไฮโดรเจนบรรทุกไว้บนกระบะหลัง แต่หลังจากนั้นเท่าที่ทราบก็ไม่เห็นใครทำวิจัยเรื่องทำนองนี้อีกเลย เห็นมีแต่ข่าวรถใช้พลังน้ำที่บอกว่าไม่ง้อน้ำมันออกมาเป็นระยะ

แม้ว่าไฮโดรเจนจะเป็นแก๊สแบบเดียวกับมีเทนและแก๊สหุงต้มที่ต่างเป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนเช่นเดียวกับน้ำมันเบนซิน แต่พฤติกรรมการเผาไหม้ของแก๊สไฮโดรเจน (โดยเฉพาะแก๊สไฮโดรเจนบริสุทธิ์) แตกต่างจากไฮโดรคาร์บอนหลายด้าน ทำให้เครื่องยนต์ที่ใช้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์เป็นเชื้อเพลิงนั้นแตกต่างไปจากเครื่องยนต์ที่ใช้ไฮโดรคาร์บอนเป็นเชื้อเพลิง

U.S. Department of Energy (https://www1.eere.energy.gov) ได้จัดทำเอกสารเรื่อง "Hydrogen Fuel Cell Engines and Related Techgiesnology เผยแพร่ไว้เมื่อเดือนธันวาคม ค.ศ. ๒๐๐๑ (พ.ศ. ๒๕๔๔) โดยใน Module 3 เรื่อง "Hydrogen use in internal cumbustion engines" ในหัวข้อ 3.2 (รูปที่ ๑) มีการกล่าวถึงคุณสมบัติการเผาไหม้ของไฮโดรเจน ซึ่งบรรยายให้เห็นถึงปัญหาและข้อควรระวังในการนำเอาไฮโดรเจนมาใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายใน (เครื่องเบนซิน) แต่การทำความเข้าใจเนื้อหาตรงนี้จำเป็นต้องมีพื้นฐานความรู้เกี่ยวกับเครื่องยนต์เบนซินและทางเคมี ดังนั้นวันนี้ก็เลยขอเอาเฉพาะหัวข้อนี้มาขยายความเพื่อให้ผู้อ่านสามารถทำความเข้าใจได้ดีขึ้น

รูปที่ ๑ หัวข้อ 3.2 ของ Module 3 ที่เกี่ยวกับคุณสมบัติการเผาไหม้ของไฮโดรเจน

เอกสารชุดนี้แยกเป็นไฟล์ pdf จำนวน ๑๑ ไฟล์ตามจำนวน Module เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้สามารถดาวน์โหลดเอกสารต้นฉบับได้ที่ https://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/tech_validation/pdfs/fcm03r0.pdf

ต่อไปจะเป็นการขยายความหัวข้อย่อยแต่ละข้อเรียงลำดับไป

- Wide range of flammability

Flammability คือช่วงความเข้มข้นของสารในอากาศที่สามารถลุกติดไฟได้ เมื่อโมเลกุลเชื้อเพลิงส่วนหนึ่งเริ่มเกิดการเผาไหม้ ความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมาต้องมากพอที่จะไปกระตุ้นให้โมเลกุลเชื้อเพลิงโมเลกุลอื่นเกิดปฏิกิริยาตามมา และถ้าปฏิกิริยาเกิดต่อเนื่องไปได้เรื่อย ๆ ก็จะเกิดการเผาไหม้ขึ้น

ในกรณีที่ความเข้มข้นเชื้อเพลิงต่ำเกินไป ความร้อนที่เชื้อเพลิงที่เริ่มเกิดการเผาไหม้คายออกมาจะไม่เพียงพอที่จะทำให้ปฏิกิริยาการเผาไหม้เลี้ยงตัวเองได้ ในทางตรงกันข้ามถ้าความเข้มข้นเชื้อเพลิงสูงเกินไป ออกซิเจนในอากาศจะไม่เพียงพอที่จะทำให้ปฏิกิริยาการเผาไหม้เลี้ยงตัวเองได้

ไฮโดยเจนมีช่วง flammability ระหว่าง 4 - 75 vol% ส่วนน้ำมันเบนซินจะอยู่ระหว่าง 1.4 - 7.6 vol% ช่วงความเข้มข้นที่มีอากาศมากเกินพอสำหรับการเผาไหม้เชื้อเพลิงได้สมบูรณ์เรียกว่า "ส่วนผสมบาง" หรือ "lean" ช่วงความเข้มข้นที่มีอากาศไม่เพียงพอสำหรับการเผาไหม้เชื้อเพลิงได้สมบูรณ์เรียกว่า "ส่วนผสมหนา" หรือ "rich" ความเข้มข้นที่ปริมาณออกซิเจนในส่วนผสมสามารถเผาไหม้เชื้อเพลิงได้พอดีในทางทฤษฎี (คือออกซิเจนมากพอที่จะเปลี่ยนคาร์บอนเป็น CO₂ และไฮโดรเจนเป็น H₂O โดยไม่มีออกซิเจนเหลือ) เรียกว่า "stoichiometric ratio"

เครื่องยนต์ดีเซลทำงานในช่วงปริมาณอากาศมากกว่าปริมาณที่สามารถทำให้น้ำมันเผาไหม้ได้สมบูรณ์ (แต่ที่มันเกิดควันดำได้ก็เพราะมันมีเรื่องการผสมเข้ากับอากาศที่ไม่ดีและเผาไหม้ยังไม่ทันหมดก็ถูกไล่ออกจากกระบอกสูบแล้ว) ส่วนเครื่องยนต์เบนซินในยุคก่อนจะบังคับติดตั้งเครื่องกรองไอเสีย (catalytic converter) ถ้าเป็นช่วงเร่งเครื่องก็จะทำงานที่ส่วนผสมหนา ถ้าเป็นช่วงขับรถใช้ความเร็วคงที่ (เช่นบนทางหลวง) ก็จะทำงานที่ส่วนผสมบาง แต่พอต้องติดเครื่องกรองไอเสียแล้วก็ต้องบังคับให้ทำงานที่ส่วนผสม stoichiometric ratio

การที่เชื้อเพลิงสามารถเผาไหม้ได้ด้วยส่วนผสมที่บางก็มีข้อดีบางประการเช่น ติดเครื่องได้ง่ายเมื่ออากาศเย็น (ตรงนี้มักจะเป็นปัญหาของเชื้อเพลิงเหลวเพราะต้องใช้การระเหยให้กลายเป็นไอก่อน), ประหยัดเชื้อเพลิง แต่จะใช้ส่วนผสมได้บางแค่ไหนนั้นก็ขึ้นอยู่กับว่าต้องการพลังงานเท่าใด ถ้าต้องการพลังงานมากก็ต้องใช้เชื้อเพลิงในปริมาณมากขึ้น

- Low ignition energy

ส่วนผสมที่มีความเข้มข้นของเชื้อเพลิงอยู่ในช่วง flammability limit จะสามารถลุกติดไฟได้ถ้าได้รับพลังงานกระตุ้น โดยพลังงานกระตุ้นนั้นอาจมาในรูปของ ความร้อน (การทำให้ส่วนผสมทั้หงมดร้อนขึ้น), เปลวไฟ, ตัวเร่งปฏิกิริยา, พื้นผิวโลหะร้อนเช่นขดลวดความร้อน, หรือประกายไฟ ในหัวข้อนี้เป็นเรื่องของการใช้ประกายไฟในการจุดระเบิด ซึ่งก็คือการใช้หัวเทียนจุดระเบิด

ค่าพลังงานที่ใช้ในการจุดส่วนผสม อากาศ + ไฮโดรเจน ให้ลุกติดไฟนั้นมีค่าน้อยกว่าค่าพลังงานที่ใช้ในการจุดส่วนผสม อากาศ + น้ำมันเบนซินประมาณ 10 เท่า (ในบทความใช้คำว่า one order of magnitude) พลังงานกระตุ้นที่ต่ำนี้ทำให้สามารถจุดติดไฟได้ง่าย (ถ้าเป็นรถยนต์ก็คือสตาร์ทติดง่าย) แต่ก็มีข้อเสียคือถ้าไปสัมผัสกับพื้นผิวที่ร้อนจัด (หรือจุด hot spot) ในเครื่องยนต์ ส่วนผสมดังกล่าวก็จะชิงติดไฟขึ้นเอง ซึ่งตรงนี้จะก่อปัญหาในการเผาไหม้ได้ เพราะการเผาไหม้เชื้อเพลิงในกระบอกสูบนั้น ส่วนผสมที่ยังไม่เผาไหม้ต้องรอให้เปลวไฟที่แผ่กระจายมาจากหัวเทียนเป็นตัวจุดระเบิด เพื่อให้หน้าคลื่นการเผาไหม้แผ่ออกไปในทิศทางเดียวกัน

ข้อเสียอีกข้อหนึ่งของไฮโดรเจนคือ โลหะบางชนิดเช่นพลาทินัม (Pt) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำให้ไฮโดรเจนเกิดการเผาไหม้ได้ และหัวเทียนบางชนิดก็มีการใช้พลาทินัมทำเขี้ยวหัวเทียน ดังนั้นหัวเทียนที่ใช้ในการจุดระเบิดส่วนผสมไฮโดรเจนจึงต้องไม่มีโลหะที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่สามารถทำให้ส่วนผสมลุกติดไฟได้เองโดยไม่พึ่งประกายไฟที่เขี้ยวหัวเทียน

- Small quenching distance

ในการทำงานของเครื่องยนต์เบนซินนั้น จะทำการผสมเชื้อเพลิงกับอากาศเข้าเป็นเนื้อเดียวกันก่อน จากนั้นจึงให้นส่วนผสมนี้ไหลเข้ากระบอกสูบผ่านทางวาล์ไอดี (intake valve) ที่เปิดอยู่ จากนั้นจึงทำการอัดส่วนผสมให้มีปริมาตรเล็กลงก่อนที่จะทำการจุดระเบิด

เมื่อเริ่มเกิดการเผาไหม้ เปลวไฟจะแผ่กระจายออกไปจากเขี้ยวหัวเทียน แต่เมื่อเปลวไฟเข้าไปใกล้กับผนังโลหะ (ไม่ว่าจะเป็น ลูกสูบ, ผนังกระบอกสูบ) เปลวไฟจะดับเนื่องจากสูญเสียความร้อนให้กับผนัง (คือเปลวไฟไม่เข้าไปสัมผัสกับผนัง) ระยะทางจากผนังถึงตำแหน่งที่เปลวไฟดับนี้คือ quenching distance

ไฮโดรเจนมีค่า quenching distance นี้ที่เล็ก กล่าวคือเปลวไฟไฮโดรเจนจะดับใกล้กับผนังมากกว่าเปลวไฟไฮโดรคาร์บอน สิ่งนี้อาจก่อให้เกิดปัญหาได้คือถ้าวาล์วไอดีนั้นไม่ได้ปิดสนิท เปลวไฟมีโอกาสสูงที่จะวิ่งย้อนออกทางท่อไอดีที่เรียกว่าเกิด "back fire" ได้

- High autoignition temperature

Autoignition temperature คืออุณหภูมิที่สารนั้นสามารถลุกติดไฟได้เองโดยไม่ต้องใช้พลังงานจากเปลวไฟหรือประกายไฟ ตัวอย่างเช่นค่า autoignition temperature ของน้ำมันเบนซินอยู่ที่ประมาณ 280ºC ส่วนของน้ำมันดีเซลอยู่ที่ประมาณ 210ºC น้ำมันสองตัวนี้ถ้าต่างมีอุณหภูมิ 220ºC ถ้ารั่วออกจากระบบท่อสัมผัสกับอากาศที่อยู่ภายนอก น้ำมันดีเซลจะลุกติดไฟทันที ในขณะที่น้ำมันเบนซินจะไม่ลุกติดไฟ ค่า autoignition temperature ของแต่ละสารที่วัดได้นั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่างในการวัด ดังนั้นอย่าแปลกใจถ้าพบว่าค่าที่ค้นได้จากแต่ละแหล่งนั้นไม่เท่ากัน อย่างเช่นกรณีของไฮโดรเจน ค่าที่มีรายงานไว้ที่เห็นก็อยู่ในช่วง 535-585ºC

เชื้อเพลิงที่มีค่าอุณหภูมินี้สูงจะเหมาะกับเครื่องยนต์เบนซิน เพราะในระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิงนั้นความดันและอุณหภูมิในกระบอกสูบจะเพิ่มสูงขึ้น เชื้อเพลิงจะต้องไม่ชิงลุกติดไฟเอง ต้องรอจนกว่าเปลวไฟที่แผ่มาจากหัวเทียนวิ่งมาถึง ด้วยเหตุนี้ไฮโดรเจนจึงเหมาะกับเครื่องยนต์เบนซิน แต่ไม่เหมาะกับเครื่องยนต์ดีเซล เพราะเครื่องยนต์ดีเซลนั้นทำงานด้วยการอัดอากาศให้ร้อน และเมื่อฉีดน้ำมันเข้าไป น้ำมันจะต้องเกิดการเผาไหม้ทันที ดังนั้นเชื้อเพลิงที่เหมาะกับเครื่องยนต์ดีเซลจึงควรต้องมีค่า autoignition temperature นี้ต่ำ

- High flame speed at stoichiometric ratios

ในทางทฤษฎี ในกรณีของวัฎจักรการทำงานของเครื่องยนต์เบนซินนั้น (OTTO cycle) เมื่อเกิดการจุดระเบิด ความดันในห้องเผาไหม้จะเพิ่มสูงขึ้นทันที (กราฟตั้งในแนวดิ่ง) ในขณะที่ปริมาตรคงที่ ไฮโดรเจนกับอากาศที่ stoichiometric ratio จะมีค่าความเร็วในการเคลื่อนที่ของเปลวไฟนี้สูงมาก ประมาณ 10 เท่าของเปลวไฟที่เกิดจากไฮโดรคาร์บอน (ในบทความใช้คำว่า one order of magnitude) ทำให้เครื่องยนต์ไฮโดรเจนนั้นสามารถทำงานได้ใกล้เคียงกับวัฏจักรในอุดมคติ แต่ถ้าส่วนผสมบางลง ความเร็วในการเผาไหม้ก็จะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ

กล่าวคือในทางทฤษฎี ประสิทธิภาพการทำงานของวัฏจักรในอุดมคติจะมีค่ามากที่สุด แต่ในทางปฏิบัตินั้นจะมีการเบี่ยงเบนออกไป ทำให้ประสิทธิภาพจริงนั้นต่ำกว่า ดังนั้นถ้าสามารถทำให้เครื่องยนต์สามารถทำงานใกล้กับวัฎจักรในอุดมคติได้มากเท่าใด ประสิทธิภาพก็จะยิ่งมากขึ้น

แต่ความเร็วในการเคลื่อนที่ของเปลวไฟสูง ๆ ก็ใช้ว่าจะดี ความเร็วในการเคลื่อนที่ที่ต่ำกว่าความเร็วเสียงจะเรียกว่าเป็น "deflagration" แต่ปฏิกิริยาการเผาไหม้เป็นปฏิกิริยาที่เร่งตนเอง เพราะความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมาทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเร็วขี้น ดังนั้นเมื่อเปลวไฟเคลื่อนที่ออกไปก็จะเร่งความเร็วขึ้นเรื่อย ๆ และเมื่อใดก็ตามที่ความเร็วนี้เร็วผ่านความเร็วเสียง ก็จะกลายเป็น "detonation" ที่มีอำนาจการทำลายล้างสูงกว่า

- High diffusivity

ความสามารถในการแพร่จะลดลงเมื่อมวลโมเลกุลสารเพิ่มขึ้น ไฮโดรเจนเป็นแก๊สที่มีมวลโมเลกุลต่ำสุด จึงสามารถแพร่ได้เร็วที่สุด ซึ่งก็มีตรงที่เวลาฉีดแก๊สไฮโดรเจนผสมเข้ากับอากาศ ส่วนผสมจะกลายเป็นเนื้อเดียวกันได้อย่างรวดเร็ว

แต่การที่มันมีโมเลกุลเล็กและแพร่ได้ง่ายบางทีก็อาจเป็นข้อเสียได้ คือมันสามารถรั่วได้ง่าย ตรงนี้ดูได้จากลูกโป่งสวรรค์ที่ทำจากยาง ที่ในวันแรกจะยังคงลอยได้ดีอยู่ แต่พอวันรุ่งขึ้นมันก็เล็กลง ในกรณีของไฮโดรเจนนั้นเชื้อเพลิงส่วนที่ไม่เผาไหม้ อาจหลุดรอดผ่านแหวนลูกสูบเข้าไปสะสมอยู่ในห้องข้อเหวี่ยง (crankcase) ของเครื่องยนต์ได้ และด้วยการที่ไฮโดรเจนต้องการพลังงานที่ไม่สูงในการจุดระเบิด ดังนั้นจุดร้อนจัด (hot spot) ในห้องข้อเหวี่ยงก็อาจทำให้ไฮโดรเจนที่สะสมอยู่นั้นเกิดการระเบิดได้ ด้วยเหตุนี้เครื่องยนต์ที่ใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงจึงควรต้องมีวาล์วระบายความดันเพื่อระบายความดันออกจากห้องข้อเหวี่ยงด้วย

- Very low density

ด้วยการที่ไฮโดรเจนมีความหนาแน่นต่ำมาก (และไม่สามารถใช้ความดันอัดให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องได้) ก่อให้เกิดปัญหาเรื่องการกักเก็บเพื่อให้มีปริมาณมากเพียงพอสำหรับระยะการเดินทาง นอกจากนี้แม้ว่าไฮโดรเจนมีค่าพลังงานต่อหน่วย "น้ำหนัก" ที่สูงกว่าเชื้อเพลิงอื่น แต่ค่าพลังงานต่อหน่วย "ปริมาตร" นั้นต่ำกว่ามาก (รูปที่ ๓) ส่งผลให้พลังงานที่ได้จากการเผาไหม้เชื้อเพลิงนั้นต่ำกว่า

การพิจารณาว่าเครื่องยนต์ชนิดหนึ่งจะเหมาะสมกับการใช้งานหรือไม่โดยดูเพียงแค่กำลังที่เครื่องยนต์ผลิตได้นั้นไม่เพียงพอ ในกรณีของยานพาหนะเช่นรถยนต์ ควรต้องพิจารณากำลังที่ได้ต่อหน่วยน้ำหนัก (หรือปริมาตร) ของ เครื่องยนต์ + ระบบเก็บ-เติม-จ่ายเชื้อเพลิง ด้วย เพราะรถยนต์นั้นมีพื้นที่สำหรับติดตั้งอุปกรณ์ที่จำกัด ดังจะเห็นได้จากรถยนต์ที่ใช้แก๊สมีเทนเป็นเชื้อเพลิง ที่ต้องติดตั้งถังบรรจุแก๊สความดันสูงที่มีน้ำหนักมากและจะกินพื้นที่ติดตั้งมากถ้าหากต้องการให้วิ่งได้ระยะทางเท่ากับรถยนต์ที่ใช้น้ำมันเบนซินด้วยการเติมเชื้อเพลิงเพียงครั้งเดียว (คือถ้าแก้ปัญหาด้วยการติดตั้งถังแก๊สเพิ่ม ก็จะสูญเสียพื้นที่ใช้สอยด้านอื่นแทน)

 

รูปที่ ๒ ความหนาแน่นพลังงานต่อหน่วยน้ำหนัก (แกนนอน) และต่อหน่วยปริมาตร (แกนตั้ง) ของเชื้อเพลิงชนิดต่าง ๆ (รูปจาก https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-storage)

- การเกิด Nitrogen oxide (NO)

หัวข้อนี้ไม่มีอยู่ในเอกสารที่กล่าวถึงในตอนต้นเรื่อง แต่เห็นว่าควรที่จะนำมารวมเอาไว้ในที่นี้ด้วย นั่นก็คือองค์ประกอบของแก๊สไอเสียที่เกิดจากการเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้แก๊สไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง

ไฮโดรเจนมักจะได้รับการกล่าวอ้างว่าเป็นเชื้อเพลิงที่ไม่ผลิตมลพิษเพราะไม่ผลิต CO₂ แต่ในความเป็นจริงด้วยอุณหภูมิที่สูงของการเผาไหม้ จะทำให้ไนโตรเจนและออกซิเจนในอากาศรวมตัวกันเป็นไนโตรเจนออกไซด์ (NO) และปริมาณที่เกิดขึ้นก็ไม่ได้น้อยไปกว่าที่เกิดจากเครื่องยนต์ที่ใช้น้ำมันเบนซินเป็นเชื้อเพลิง (รูปที่ ๓)

รูปที่ ๓ (ซ้าย) ความเข้มข้นไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) ในไอเสียของเครื่องยนต์ไฮโดรเจน (ขวา) ความเข้มข้น ไนโตรเจนออกไซด์ (NOx), คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) และไฮโดรคาร์บอนที่ไม่เผาไหม้ (HC) ในไอเสียของเครื่องยนต์เบนซิน เนื่องจากสารประกอบไนโตรเจนออกไซด์หลายขนิด (สัดส่วนไนโตรเจนและออกซิเจนต่างกัน) จึงเรียกรวม ๆ กันว่า NOx (เมื่อ x เป็นตัวเลข) โดยตัวหลักที่มีมากที่สุดคือ NO (จากบทความเรื่อง "Hydrogen use in internal combustion engine : A review" โดย Murat CINIVIZ และ Huseyin KOSE ในวารสาร International Journal of Automotive Engineering and Technologies, Vol 1, Issue 1, pp. 1-15, 2012)

ในกรณีของเครื่องยนต์เบนซินนั้นสามารถใช้ catalytic converter เพื่อทำให้ CO และไฮโดรคาร์บอนทำปฏิกิริยากับ NO เพื่อเปลี่ยน NO ให้กลายเป็นไนโตรเจนได้ (โดย CO และไฮโดรคาร์บอนจะกลายเป็น CO₂ และน้ำไป) แต่ไอเสียของครื่องยนต์ที่ใช้แก๊สไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงจะไม่มีสารที่ทำหน้าที่เป็นตัวรีดิวซ์ NO ได้ จำเป็นต้องใช้วิธีการอื่นแทน เช่นการใช้ระบบ Exhaust gas recirculation (EGR) เช่นกรณีของที่ใช้กับเครื่องยนต์ดีเซล

การวัดปริมาณไฮโดรเจนด้วย GC-TCD MO Memoir : Wednesday 3 February 2564

Thermal Conductivity Detector (ที่เรียกกันย่อ ๆ ว่า TCD) หรือในชื่อเดิมคือ Katharometer นั้นเป็นตัวตรวจวัดที่มีการนำมาใช้กับเครื่องแก๊สโครมาโทกราฟ (Gas Chromatograph - GC) มานานแล้ว และก็ยังใช้กันอยู่อย่างแพร่หลายในปัจจุบันด้วย เพราะมันมีจุดเด่นที่มีราคาไม่แพง และให้การตอบสนองต่อสารต่าง ๆ แบบจะเรียกว่าแทบทุกชนิดก็น่าจะได้ เรียกว่าถ้ามีสิทธิซื้อเครื่อง GC ได้เพียงเครื่องเดียวเพื่อเอาทำงานหลาย ๆ อย่าง (เช่นงานวิจัยที่เปลี่ยนหัวข้อไปเรื่อย ๆ) ตัว TCD ก็จะเป็นตัวเลือกตัวแรก

รูปที่ ๑ ค่าการนำความร้อนของแก๊สผสมระหว่าง He กับ H₂ ที่สัดส่วนโมลของ H₂ ต่าง ๆ จะเห็นว่าในช่วงแรกค่าการนำความร้อนจะลดลง ก่อนจะเพิ่มสูงขึ้นเมื่อสัดส่วน H₂ เพิ่มขึ้น (จากบทความเรื่อง "Thermal Conductivity of Binary Mixtures of Gases. I. Hydrogen-Helium Mixtures, The Journal of Physical Chemistry, Vol. 72, No. 6, pp. 1924-1926, June 1968 โดย Clarke C. Minter)

การทำงานของตัวตรวจวัดชนิดนี้จะอาศัยสมดุลที่เปลี่ยนไประหว่างความร้อนที่เกิดขึ้นเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวด และการระบายความร้อนออกจากขดลวดโดยแก๊สไหลผ่านขดลดนั้น ณ สภาวะการทำงานหนึ่ง (ที่อุณหภูมิ ความดัน อัตราการไหล และกระแสไฟฟ้า คงที่) ถ้าองค์ประกอบของแก๊สที่ไหลผ่านนั้นเปลี่ยนไป ก็จะทำให้ความสามารถในการระบายความร้อนของแก๊สนั้นเปลี่ยนไปด้วย ผลที่ตามมาก็คืออุณหภูมิของขดลวดจะเปลี่ยนไป พออุณหภูมิขดลวดเปลี่ยน ความต้านทานของขดลวดก็จะเปลี่ยน ดังนั้นถ้าจะให้กระแสไหลขดลวดผ่านเท่าเดิม ก็ต้องมีการปรับความต่างศักย์ และขนาดของความต่างศักย์ที่ต้องปรับเพื่อให้กระแสไหลผ่านเท่าเดิมนี้ เป็นตัวบ่งบอกว่าแก๊สที่ไหลผ่านขดลวดนั้นมีองค์ประกอบเปลี่ยนไปมากน้อยเพียงใด

ความว่องไว (sensitivity) ของตัวตรวจวัดชนิดนี้แปรผันตามขนาดกระแสไฟฟ้า (I) ที่ไหลผ่านขดลวดยกกำลัง 3 (I³) แต่ความร้อนที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดจะแปรผันตามกระแสไฟฟ้ายกกำลัง 2 (I²) กล่าวอีกนัยหนึ่งคือถ้าเราเพิ่มขนาดกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านขดลวดเป็น 2 เท่า ความว่องไวในการตรวจวัดจะเพิ่มเป็น 8 เท่า แต่ในขณะเดียวกันความร้อนที่เกิดขึ้นจะเพิ่มขึ้นเป็น 4 เท่า ดังนั้นถ้าแก๊สที่ไหลผ่านนั้นมีความสามารถในการระบายความร้อนที่ไม่เพียงพอ ขดลวดก็จะร้อนจัดจนทำให้อายุการใช้งานสั้นลงหรือขาดได้

ความสามารถในการนำความร้อนของแก๊สแปรผกผันคร่าว ๆ ก็ประมาณรากที่สองของน้ำหนักโมเลกุล ดังนั้นแก๊สที่เบากว่า (คือมีน้ำหนักโมเลกุลต่ำกว่า) ก็จะระบายความร้อนได้ดีกว่า ทำให้สามารถใช้กระแสที่สูงได้ ทำให้ตัวตรวจวัดมีความว่องไวในการวัดสูงไปด้วย แก๊สที่เบาที่สุดคือไฮโดรเจน (H₂) แต่ H₂ เป็นแก๊สที่ติดไฟได้ จึงไม่นิยมนำมาใช้เป็น carrier gas ตัวที่นิยมมากกว่าและใช้กันแพร่หลายที่สุดคือฮีเลียม (He) ที่นอกจากจะเป็นแก๊สที่เบาเป็นอันดับสองรองจาก H₂ แล้ว He ยังเป็นแก๊สเฉื่อยที่ทำให้มั่นใจได้ว่ามันจะไม่ทำปฏิกิริยากับตัวขดลวดที่อุณหภูมิสูง

รูปที่ ๒ ค่าการนำความร้อนของแก๊สผสมระหว่าง He กับ H₂ ที่สัดส่วนโมลของ H₂ ต่าง ๆ (จากบทความเรื่อง "Thermal Conductivity of the Hydrogen-Helium Mixture", โดย A.G. Shashkov, F.P. Kamchatov and T.N. Abramenko วารสารต้นฉบับเป็นภาษารัสเซียตีพิมพ์ในวารสาร Inzhenerno-Fizicheskii Zhurnal, Vol. 24, No. 4, pp 657-662, April 1973 ซึ่งได้รับการแปลและตีพิมพ์เป็นภาษาอังกฤษในปีค.ศ. ๑๙๗๕)

ถ้าไม่นับ H₂ แล้ว แก๊สตัวอื่นล้วนแต่มีน้ำหนักโมเลกุลมากกว่า He ทั้งสิ้น ดังนั้นเวลาที่ He มีแก๊สเหล่านั้นปนเข้ามาก็จะทำให้ค่าการนำความร้อนของแก๊สผสมนั้นลดต่ำลง และลดต่ำลงมากตามปริมาณที่ผสมเข้ามา ดังนั้นเวลาที่แก๊สผสมของ He นี้ไหลผ่านขดลวดความร้อน การเปลี่ยนแปลงก็จะเกิดในทิศทางเดียวคือ ความสามารถในการระบายความร้อนลดลง Chromatogram ที่ได้ก็จะมีพีคชี้ไปในทิศทางเดียวกันหมด

มีหลายงานด้วยกันที่ต้องการวัดปริมาณ H₂ ในแก๊สผสมโดยใช้เครื่อง GC ที่ติดตั้งตัวตรวจวัดชนิด TCD โดย H₂ นี้จะเกิดรวมอยู่กับแก๊สอื่น ไม่ว่าจะเป็นอากาศ (N₂ + O₂), CO, CO₂, CH₄, H₂O เป็นต้น แก๊สเหล่านี้ต่างมีน้ำหนักโมเลกุลมากกว่าและมีค่าการนำความร้อนต่ำกว่าของ He ดังนั้นเวลาที่สารเหล่านี้หลุดออกมาจากคอลัมน์ GC ก็จะทำให้แก๊สที่ไหลผ่าน TCD นั้นมีค่าการนำความร้อนที่ต่ำลง จะมีก็ตัว H₂ ที่มีค่าการนำความร้อนที่สูงกว่า ที่ทำให้เกิดปัญหา

แต่แก๊สผสมระหว่าง He และ H₂ มีพฤติกรรมที่ประหลาด กล่าวคือแม้ว่า H₂ จะมีค่าการนำความร้อนที่สูงกว่า He แต่แก๊ส He ที่มี H₂ ปนอยู่เล็กน้อยกลับมีค่าการนำความร้อนที่ "ต่ำกว่า" ของ He บริสุทธิ์ (รูปที่ ๑ - ๓)

รูปที่ ๓ ค่าการนำความร้อนของแก๊สผสมระหว่าง He กับ H₂ ที่สัดส่วนโมลของ H₂ ต่าง ๆ และที่อุณหภูมิต่าง ๆ (จากบทเดียวกับรูปที่ ๒)

และด้วยพฤติกรรมเช่นนี้จึงทำให้แก๊สผสม He + H₂ ไหลผ่าน TCD พีค H₂ ที่ TCD มองเห็นนั้นมีสิทธิเป็นได้ทั้ง พีคที่ตั้งขึ้น (เหมือนสารอื่น) หรือพีคที่คว่ำลง (ตรงข้ามกับสารอื่น) หรือมีทั้งตั้งขึ้นและคว่ำลงรวมกัน (ตัวปัญหา) ซึ่งตรงนี้ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของ H₂ ในแก๊ส He ที่ไหลผ่าน TCD (รูปที่ ๔)

รูปที่ ๔ รูปร่างพีค H₂ ที่อุณหภูมิการทำงานของ TCD ต่าง ๆ พึงสังเกตว่าที่อุณหภูมิการทำงานสูงขึ้น พีคมีแนวโน้มที่จะหันไปในทิศทางเดียวกัน (จากบทความเรื่อง "Thermal Conductivity Detector Analysis of Hydrogen Using Helium Carrier Gas and HayeSep^® D Columns", Journal of Chromatographic Science, Vol. 36, pp. 191-196, April 1998. โดย Kirk Snavely and ฺBala Subramaniam)

เพื่อที่จะอธิบายรูปร่างของพีคที่ปรากฏในรูปที่ ๔ เรามาลองพิจารณาความเข้มข้นของ H₂ ในแก๊ส He ที่ไหลผ่าน TCD ว่ามันส่งผลต่อรูปร่างสัญญาณ TCD ได้อย่างไร ตรงนี้ขอให้พิจารณารูปที่ ๕ ประกอบ

ในกรณีที่ความเข้มข้นของ H₂ ในพีคที่เคลื่อนที่ผ่าน TCD นั้นมีค่าต่ำ (พีค 1) จนทำให้แก๊สผสมนั้นมีค่าการนำความร้อน-ของแก๊สผสมนั้นต่ำกว่าค่าการนำความร้อนของแก๊ส He พีคที่ได้ก็จะปรากฏในทิศทางเดียว (คือตั้งขึ้น) แต่ถ้าความเข้มข้นของ H₂ ช่วงตอนกลางของพีคนั้นสูงจนทำให้ค่าการนำความร้อนสูงกว่าของ He (พีค 2) จะทำให้เห็นพีคที่มีลักษณะเหมือนกับเป็นพีคหัวแตกเช่นที่ 150ºC ในรูปที่ ๔ เพราะสัญญาณมีการกลับทิศ

รูปที่ ๕ ระดับความเข้มข้นของ H₂ ในแก๊ส He ที่ไหลผ่าน TCD จะทำให้ได้พีคที่มีรูปร่างต่างกัน เส้นประสีน้ำเงินคือค่าการนำความร้อนของ He บริสุทธิ์

การกลับทิศของสัญญาณ TCD นี้จะมากขึ้นไปอีกถ้าหากความเข้มข้นของ H₂ เพิ่มขึ้น (เช่นพีค 3) ที่อาจทำให้เป็นเป็น 2 พีคติดกัน (เช่นที่ 200ºC ในรูปที่ ๔) หรือเริ่มมีพีคกลับหัว (เช่นที่ 250ºC ในรูปที่ ๔) แต่ถ้าความเข้มข้นของพีคตอนกลางนั้นสูงกว่าด้านข้างมาก (เช่นพีค 4) พีคที่ได้ก็จะมีลักษณะกลับหัวที่เด่นชัน (เช่นที่ 300ºC ในรูปที่ ๔) โดยยังมีส่วนด้านข้างของพีคที่สัญญาณมีการเพิ่มขึ้นเล็กน้อยเมื่อเทียบกับตอนกลาง

อันที่จริงพีคในรูปที่ ๔ นั้นได้มาจากการฉีดตัวอย่างในปริมาณที่เท่ากัน (พูดง่าย ๆ คือรูปร่างพีคความเข้มข้น H₂ ที่เคลื่อนที่ผ่าน TCD นั้นมีรูปร่างเดียวกันและเท่ากัน) เพียงแค่อุณหภูมิการทำงานของ TCD แตกต่างกัน บทความนี้แสดงให้เห็นว่าเมื่อเพิ่มอุณหภูมิการทำงาน TCD ให้สูงขึ้น ค่าการนำความร้อนของแก๊สผสม He + H₂ นั้นมีแนวโน้มที่จะให้การเปลี่ยนแปลงไปในทิศทางเดียว คือเพิ่มขึ้นตามความเข้มข้น H₂ ที่เพิ่มขึ้น (แม้ว่าจะมีลดต่ำลงเล็กน้อยในช่วงแรก)

การทำให้สัญญาณ H₂ ที่ TCD วัดได้นั้นหันไปในทิศทางเดียวตลอดทั้งช่วงความเข้มข้นของพีค H₂ ที่เคลื่อนที่ผ่านตัว TCD จึงอาจทำได้โดยการใช้แก๊สผสม He + H₂ ที่มีค่าการนำความร้อนต่ำสุดมาใช้เป็น carrier gas วิธีการนี้จะทำให้สัญญาณ TCD ของพีค H₂ นั้นอยู่ในทิศทางที่ตรงข้ามกับพีคสารตัวอื่น แต่ก็แก้ปัญหาได้ด้วยการกลับทิศทางสัญญาณของ TCD หลังจากพีค H₂ เคลื่อนที่ผ่าน TCD แล้ว

อีกวิธีการหนึ่งก็คือการไปใช้ carrier gas ที่มีน้ำหนักโมเลกุล "สูงกว่า" ตัวอย่างทุกตัวที่ต้องการวิเคราะห์ (เช่นใช้แก๊ส Ar เป็น carrier gas) แต่การทำแบบนี้หมายถึงต้องไปลดขนาดกระแส (I) ที่ไหลผ่าน TCD นั่นหมายถึงความว่องไวในการวัดที่ลดต่ำลงไปด้วย และจะไม่สามารถใช้อุณหภูมิการทำงานของ TCD ที่สูงได้

ด้วยเหตุนี้การรายงานสภาวะการทำงานของเครื่อง GC ที่ใช้ในการวิเคราะห์ปริมาณ H₂ จึงเป็นสิ่งสำคัญ เพราะจะเป็นตัวบอกว่าตัวเลขปริมาณ H₂ ที่ปรากฏในรายงานนั้นมีความน่าเชื่อถือเพียงใด

รู้ทันนักวิจัย (๒๐) ลดโลกร้อนด้วยการเปลี่ยน CO2 กลับเป็นสารอินทรีย์ MO Memoir : Thursday 4 April 2562

แม้ว่าโมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์ (carbon dioxide CO₂) จะมีอะตอม O ที่มีค่า electronegativity สูงมาเกาะถึง 2 อะตอม แต่ด้วยการที่แรงที่อะตอม O ออกแรงดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอม C ในทิศทางตรงข้ามกัน ทำให้โมเลกุล CO₂ มีค่า dipole moment ที่เป็นศูนย์ และอะตอม C เองยังมีความสามารถที่ต่ำในการดึงอิเล็กตรอนจาก nulceophile (กล่าวอีกอย่างก็คือ CO₂ เป็น electrophile ที่ไม่ดี) ความว่องไวในการทำปฏิกิริยาของอะตอม C ของ CO₂ จึงต่ำมากเมื่อเทียบกับพวกที่มีอะตอม O มาเกาะเพียงอะตอมเดียวเช่นคาร์บอนมอนออกไซด์ (carbon monoxide CO) หรือ ฟอร์มัลดีไฮด์ (formaldehyde H(CO)H) แต่ถึงกระนั้นก็ตามก็ยังมีการนำเอา CO₂ ทำปฏิกิริยาสร้างหมู่คาร์บอกซิล (carboxyl -COOH) ให้กับสารประกอบฟีนอล (phenol C₆H₅-OH) เพื่อสังเคราะห์สารประกอบ monohydroxy benzoic acid เพียงแต่ต้องใช้ความดันสูงและอุณหภูมิสูงช่วยในการทำให้ปฏิกิริยาเกิด (รูปที่ ๑)

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยา Kolbe–Schmitt reaction ที่ใช้ในการสังเคราะห์กรดซาลิซัยลิก (salicylic acid) ที่เป็นสารตั้งต้นของยาแอสไพริน (aspirin) จากฟีนอลและ CO₂ โดยใช้ NaOH เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ปฏิกิริยาเกิดที่ความดันประมาณ 100 atm อุณหภูมิ 125ºC (รูปภาพและเนื้อหาส่วนนี้นำมาจาก https://en.wikipedia.org/wiki/Kolbe-Schmitt_reaction) ในกรณีนี้ CO₂ จะเข้าไปเกาะที่ตำแหน่ง ortho (คือข้างอะตอม O ของฟีนอล) แต่ถ้าใช้ KOH เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา CO₂ จะเข้าไปเกาะที่ตำแหน่ง para (คือตรงข้ามอะตอม O ของฟีนอล) ได้ผลิตภัณฑ์เป็น 4-hydroxy benzoic acid แทน ซึ่งคงเป็นผลจากการที่ไอออน K⁺ มีขนาดใหญ่กว่า Na⁺ จึงไปขวางไม่ให้ CO₂ เข้าแทนที่ที่ตำแหน่ง ortho ได้

ปฏิกิริยาระหว่าง CO₂ กับไฮโดรเจนที่เกิดเป็นแก๊สมีเทน (methane CH₄) ที่อุณหภูมิสูง (ประมาณ 300-400ºC) โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วย (เช่นโลหะ Ni) ก็เป็นอีกปฏิกิริยาหนึ่งที่เป็นที่รู้จักกันมานานแล้วในชื่อ Sabatier reaction สมการรวมของปฏิกิริยานี้คือ

CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O

ปฏิกิริยานี้มีการคายความร้อนออกมา 165 kJ/mol ของมีเทนที่ผลิตได้ ถ้าอ่านถึงตรงนี้แล้วใครสงสัยว่าทำไมปฏิกิริยาคายความร้อนจึงต้องใช้ "อุณหภูมิสูง" ในการทำให้เกิด แสดงว่ามีความเข้าใจที่ไม่ถูกต้องระหว่างค่าคงที่สมดุลกับการเกิดปฏิกิริยา เพราะปฏิกิริยาจะ "เกิดได้หรือไม่" นั้น พลังงานกระตุ้นเป็นตัวกำหนด ส่วน "ถ้าเกิดได้แล้ว" จะไปข้างหน้าได้ไกลแค่ไหนนั้น ค่าคงที่สมดุลเป็นตัวกำหนด

(หมายเหตุ : ค่า enthalpy of formation ∆H_f ที่ 25ºCของ CH₄, CO₂ และ H₂O_(g) คือ -74.87, -393.5 และ -241.82 kJ/mol ตามลำดับ)
 

อีกแนวทางหนึ่งในการเปลี่ยน CO₂ เป็นสารอินทรีย์ตัวอื่นได้แก่กระบวนการ electro reduction ที่รีดิวซ์โมเลกุล CO₂ ด้วยไฮโดรเจนที่ได้จากน้ำหรือสารอินทรีย์ (ไฮโดรเจนอาจมาในรูปของ H⁺ ก็ได้) ปฏิกิริยานี้ในขณะนี้ก็เริ่มมีการศึกษากันเพิ่มขึ้น แต่ก็ยังไม่สามารถพัฒนาขึ้นมาระดับเชิงพาณิชย์ได้

การหาทางนำเอา CO₂ มาใช้เป็นสารตั้งต้นเพื่อสังเคราะห์สารอินทรีย์ตัวอื่น ด้วยเหตุผลที่ว่าเพื่อลดขั้นตอนการทำปฏิกิริยาให้ลดลงนั้นจัดว่าเป็นเหตุผลที่ฟังขึ้น แต่ถ้าใช้เหตุผลว่าเพื่อต้องการ "ลดโลกร้อน" นั้นโดยส่วนตัวแล้วเห็นว่าเป็นเหตุผลที่ยากที่จะรับ เว้นแต่จะสามารถชี้แจงได้ว่าพลังงานที่ต้องใช้ในการทำปฏิกิริยานั้นมาจากไหน และไม่ทำให้เกิด CO₂ หรือมลพิษตัวอื่นเพิ่มเติม
 

เช่นในปฏิกิริยา Kolbe–Schmitt reaction นั้นแหล่งพลังงานที่จะใช้เพิ่มความดันให้กับระบบและเพิ่มอุณหภูมิให้สูงถึงระดับที่ปฏิกิริยาเกิดได้นั้นได้มาจากไหน การได้มาซึ่งพลังงานเหล่านี้มีการปลดปล่อย CO₂ หรือไม่ และถ้ามีการปลดปล่อยจะสามารถพิสูจน์ได้ไหมว่า CO₂ ที่ปลดปล่อยนั้นน้อยกว่าที่นำมาใช้ทำปฏิกิริยา ในกรณีของการเปลี่ยน CO₂ ไปเป็น CH₄ นั้นนอกจากจะต้องตอบคำถามเรื่องที่มาของแหล่งพลังงานแล้ว ยังต้องตอบด้วยว่าแก๊ส H₂ ได้มาจากไหน และการได้มาซึ่งแก๊ส H₂ นั้นมีการปลดปล่อย CO₂ มากน้อยเพียงใด และการทำดังกล่าวมีประโยชน์อย่างใดในเมื่อ H₂ มีราคาแพงกว่า CH₄ (คือเปลี่ยนของแพงให้กลายเป็นของถูกทำไม)
 

ในกรณีของกระบวนการ electro reduction ก็เช่นกัน ประเด็นสำคัญคือแหล่งที่มาของกระแสไฟฟ้าที่ต้องใช้ในการทำให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้น และในกรณีที่ใช้สารอินทรีย์เป็นตัวให้อะตอม H ก็ต้องชี้แจงด้วยว่าสารอินทรีย์เหล่านี้มีที่มาอย่างใด เป็นสิ่งที่มีเองในธรรมชาติหรือจากกระบวนการผลิต และการได้มาซึ่งสารอินทรีย์เหล่านั้นก่อเกิด CO₂ มากน้อยเพียงใด

การลดโลกร้อนด้วยการรณรงค์ให้หันมาใช้รถยนต์ไฟฟ้า ที่ใช้ไฟฟ้าที่ผลิตจากแหล่งพลังงานที่ไม่ก่อให้เกิด CO₂ นั้นเป็นสิ่งที่สมเหตุสมผลกัน (แต่ต้องไม่ลืมคิดด้วยว่าจะจัดการกับแบตเตอรี่ที่หมดสภาพและเป็นขณะพิษด้วยนั้นอย่างไร) แต่ถ้าเป็นการใช้รถยนต์ไฟฟ้า ที่ใช้ไฟฟ้าที่ผลิตจากการเผาเชื้อเพลิงฟอสซิลนั้น แล้วอ้างว่าเป็นการช่วยลดการปลดปล่อย CO₂ นั้น มันเป็นเพียงแค่การลดการปลดปล่อย CO₂ ในบริเวณที่มีการนำรถไฟฟ้าไปใช้งาน แต่มันไปเพิ่มการปลดปล่อย CO₂ ณ แหล่งผลิตไฟฟ้าเพราะมีการใช้ไฟฟ้าเพิ่มมากขึ้น สรุปง่าย ๆ ก็คือมันเป็นเพียงแค่การย้ายแหล่งปลดปล่อย จากในเมืองให้ไปยังชุมชนรอบโรงไฟฟ้าแทน 
  

นอกจากนี้ยังมีคำถามเรื่องช่วงเวลาที่ต้องใช้ในการชาร์ตไฟ เพราะต้นทุนการผลิตไฟฟ้าในบ้านเรานั้นเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา ช่วงหัวค่ำกับกลางวัน (ที่มีความต้องการพลังงานไฟฟ้าสูง) จะมีต้นทุนสูงกว่าช่วงดึกหรือหลังเที่ยงคืนมาก (ที่มีความต้องการพลังงานไฟฟ้าต่ำ) ดังนั้นค่าชาร์จแบตควรขึ้นกับช่วงเวลาที่ทำการชาร์จด้วยหรือไม่ เพราะถ้าทุกคนหันมาชาร์จกันตอนหัวค่ำ (แทนที่จะเป็นช่วงหลังเที่ยงคืน) หรือตอนกลางวันที่มีการใช้ไฟฟ้าเยอะ (เพราะอาคารพาณิชย์และที่ทำงานต่าง ๆ เปิดเครื่องปรับอากาศกันมากเนื่องจากอากาศร้อน) โรงไฟฟ้าที่มีอยู่นั้นจะสนองความต้องการได้หรือไม่

ฝากทิ้งท้ายไว้หน่อยคือ ถ้าคิดจะซื้อรถยนต์ไฟฟ้า อย่าลืมถามนะครับว่าถ้าเปิดแอร์วิ่งในสภาพการจราจรติดขัดในเมือง ที่อากาศร้อนทั้งกลางวันกลางคืน (แถมกลางคือยังต้องเปิดไฟแสงสว่างอีก) แถมบางทีติดอยู่บนทางด่วนเป็นชั่วโมง ชาร์จแบตหนึ่งครั้งจะเดินทางได้จริงกี่กิโล ผมเคยถามมาสองรายแล้ว และก็ได้คำตอบที่ไม่ค่อยประทับใจเท่าใดนัก

เพลิงไหม้และการระเบิดที่ BP Oil (Grangemouth) Refinery 2530(1987) Case 2 การระเบิดที่หน่วย Hydrocracker ตอนที่ ๑ MO Memoir : Sunday 4 November 2561

เพิ่งจะกู้ร่างผู้เสียชีวิตรายที่ ๒ จากเหตุการณ์ไฟไหม้ที่ระบบ Flare ได้เพียงแค่สัปดาห์เดียว ศพที่ ๓ ก็ตามมา แถมสถานที่เกิดเหตุก็อยู่ติด ๆ กันซะด้วย
 

การนำน้ำมันหนักมาแปรสภาพเป็นน้ำมันเบา (ระดับเบนซินไปจนถึงดีเซล) เป็นวิธีการหนึ่งในการเพิ่มมูลค่าให้กับผลิตภัณฑ์ และยังช่วยตอบสนองความต้องการน้ำมันเชื้อเพลิงสำหรับยานพาหนะที่มีจำนวนเพิ่มขึ้น การทำให้น้ำมันหนักที่มีโมเลกุลใหญ่นั้นกลายเป็นน้ำมันเบาต้องหาทางทำให้โมเลกุลของน้ำมันหนักนั้นแตกออกเป็นชิ้นเล็กลง และปัจจัยหนึ่งที่สำคัญสำหรับกระบวนการดังกล่าวก็คือความร้อน
 

ความอิ่มตัวของน้ำมันนั้นดูได้จากสัดส่วนระหว่างอะตอม H ต่ออะตอม C ถ้าสัดส่วนอะตอม H ต่ออะตอม C มีค่าสูงก็แสดงว่าเป็นน้ำมันที่มีความอิ่มตัวสูง แต่ถ้าสัดส่วนอะตอม H ต่ออะตอม C มีค่าต่ำก็แสดงว่าเป็นน้ำมันที่มีความไม่อิ่มตัวสูง เช่นอาจประกอบด้วยโครงสร้างที่เป็นวงแหวนอะโรมาติก (aromatic) อยู่เป็นจำนวนมาก

รูปที่ ๑ สถานที่เกิดเหตุหลังเหตุการณ์สงบ ในกรอบสีเหลี่ยมสีเหลืองคือตำแหน่งที่ตั้งของ Low pressure separator V306 ที่เกิดการระเบิดที่เหลือแต่ขาคอนกรีตที่ใช้วาง vessel
 

คำว่า "น้ำมันเบา" และ "น้ำมันหนัก" นั้นมาจากกระบวนการกลั่นน้ำมันในหอกลั่น โดยน้ำมันที่มีจุดเดือดต่ำจะกลายเป็นไอลอยขึ้นบนออกไปทางยอดหอกลั่น ในขณะที่น้ำมันที่มีจุดเดือดสูงจะเป็นของเหลวไหลออกทางด้านล่างของหอกลั่น เขาจึงเรียกน้ำมันที่มีจุดเดือดต่ำว่าน้ำมันเบา (เพราะมันลอยขึ้น) และที่มีจุดเดือดสูงว่าน้ำมันหนัก (เพราะมันไหลลงล่าง)
 

สำหรับน้ำมันหนักที่มีความอิ่มตัวสูง ที่องค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นพวกพาราฟิน (paraffin C_nH_2n+2) หรือแนฟทีน (naphthene C_nH_2n) การทำให้โมเลกุลเหล่านี้แตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลงทำได้ทั้งการใช้ความร้อนเพียงอย่างเดียวด้วยกระบวนการที่เรียกว่า thermal cracking หรือใช้ความร้อนร่วมกับการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เรียกว่ากระบวนการ catalytic cracking (ที่เป็นที่รู้จักและใช้กันมากที่สุดในปัจจุบันคือรูปแบบ fluidised-bed catalytic cracking หรือที่เรียกย่อ ๆ ว่า FCC) ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขื้นจากกระบวนการเหล่านี้จะมีส่วนที่เป็นองค์ประกอบที่ไม่อิ่มตัว (พวกที่มีพันธะ C=C) เกิดขึ้นรวมอยู่ด้วยเสมอ และถ้าโมเลกุลที่เกิดจากการแตกตัวครั้งแรกมีการแตกตัวย่อยลงไปอีก สัดส่วนผลิตภัณฑ์ที่มีความไม่อิ่มตัวนี้ก็จะเพิ่มสูงขึ้นเรื่อย ๆ
 

สำหรับน้ำมันหนักที่มีความไม่อิ่มตัวสูงเช่นพวกที่มีองค์ประกอบเป็น polyaromatic ring (วงแหวนเบนซีนหลายวงต่อเข้าด้วยกัน) การใช้ความร้อนเพียงอย่างเดียวจะยากที่จะทำให้โมเลกุลเหล่านี้แตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลง (ก็มันไม่มีทางที่จะแตกออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลงที่มีไม่อิ่มตัวสูงขึ้นไปอีก) การที่จะทำให้โมเลกุลพวก polyaromatic ring นี้แตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลงจำเป็นต้องมีการเติมไฮโดรเจนให้กับโมเลกุลเหล่านี้ก่อน (เรียกว่าปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจนหรือ hydrogenation) เพื่อให้มันกลายเป็นไฮโดรคาร์บอนที่มีความอิ่มตัวสูงขึ้นก่อน จากนั้นจึงค่อยทำให้โมเลกุลไฮโดรคาร์บอนที่มีความอิ่มตัวสูงขึ้นนี้แตกออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลง โดยใช้ความร้อนร่วมกับการเติมไฮโดรเจน (ที่ป้อนเข้าไปในรูปของแก๊สไฮโดรเจน) และใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วย ปฏิกิริยานี้เรียกว่า hydrocracking
 

แต่น้ำมันหนักมักจะมีสารประกอบอินทรีย์ของกำมะถัน (S) และไนโตรเจน (N) ปะปนมาเสมอ (โดยกำมะถันมักจะเป็นตัวที่มีมากที่สุดและพบเป็นประจำ) และบางทีก็อาจมีสารประกอบอินทรีย์ของออกซิเจน (O) และของโลหะบางชนิดเช่นวาเนเดียม (V) ปะปนมาด้วย ปริมาณของสารอินทรีย์เหล่านี้ขึ้นอยู่กับแหล่งที่มาของน้ำมัน ยิ่งเป็นน้ำมันที่หนักมาก (คือพวกที่มีจุดเดือดสูงมาก) ก็มักจะมีความเข้มข้นของสารอินทรีย์เหล่านี้มากขึ้นตามไปด้วย สารเหล่านี้อาจอยู่ในรูปโมเลกุลที่เป็นเส้น เช่น mercaptan (R-S-R') หรือ dimercaptan (R-S-S-R') หรือในโครงสร้างที่เป็นวงก็ได้ ดังตัวอย่างในรูปที่ ๒ ข้างล่าง

รูปที่ ๒ ตัวอย่างของสารประกอบกำมะถัน ไนโตรเจน และออกซิเจน ที่พบได้ในน้ำมันหนัก
 

น้ำมันที่มีสารประกอบอินทรีย์ของกำมะถันและไนโตรเจน ถ้านำไปเผาไหม้จะก่อให้เกิดแก๊สซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO₂) และไนโตรเจนออกไซด์ (NO_x) แต่อีกเรื่องหนึ่งที่สำคัญคือสารเหล่านี้มีฤทธิ์เป็นเบสที่เป็นพิษต่อตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในกระบวนการปรับสภาพและ/หรือเปลี่ยนแปลงโครงสร้างโมเลกุลของน้ำมันในกระบวนการผลิตขั้นตอนถัดไป ทำให้มีความจำเป็นที่ต้องกำจัดสารเหล่านี้ออก วิธีการกำจัดสารเหล่านี้กระทำได้โดยการให้สารเหล่านี้ทำปฏิกิริยากับแก๊สไฮโดรเจนภายใต้ความดันสูงและอุณหภูมิสูงโดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาช่วย กระบวนการนี้เรียกว่า hydrotreating โดยกำมะถันจะถูกดึงออกไปในรูปของแก๊ส H₂S (ด้วยปฏิกิริยา hydrodesulphurisation หรือย่อว่า HDS) และไนโตรเจนจะถูกดึงออกไปในรูปของแก๊ส NH₃ (ด้วยปฏิกิริยา hydrodenitrogenation หรือ HDN)

ความเป็นเบสของสารประกอบอินทรีย์เหล่านี้คือความเป็นเบสแบบลิวอิส (Lewis base) คืออะตอม S N และ O มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว (lone pair electron) ที่สามารถสะเทินความเป็นกรดของตัวเร่งปฏิกิริยา (ที่อาจอยู่ในรูปของ H⁺ หรือไอออนบวกของโลหะเช่น Al³⁺) ตัวอย่างของหน่วยที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นกรดได้แก่ catalytic cracking

รูปที่ ๓ เป็นแผนผังของหน่วย hydrocracker ของโรงกลั่นน้ำมัน BP Oil Refinery ที่เมือง Grangemouth ที่เกิดการระเบิด หน่วยนี้ประกอบด้วยเครื่องปฏิกรณ์ชนิดเบดนิ่ง (fixed-bed reactor) จำนวน ๔ ตัว ที่แต่ละตัววางตั้งในแนวดิ่ง ทำงานภายใต้บรรยากาศของแก๊สไฮโดรเจนที่ความดัน 155 bar อุณหภูมิ 350ºC น้ำมันจะถูกป้อนมาเก็บไว้ยัง feed surge drum V308 ด้วยอัตราการไหลประมาณ 3500 l/min ก่อนจะป้อนเข้าสู่เครื่องปฏิกรณ์

"surge drum" เป็นถังพักที่ช่วยดูดซับความแปรปรวนของหน่วยหนึ่งไม่ให้ส่งผลกระทบต่อการทำงานของหน่วยที่อยู่ในขั้นตอนติดกัน เช่นหน่วย A อาจมีการทำงานที่ไม่คงที่ แต่หน่วย B ที่อยู่ถัดไปต้องการการทำงานคงที่ หรือในทางกลับกันคือหน่วย A มีการทำงานที่คงที่ แต่หน่วย ฺB ที่อยู่ถัดไปมีการทำงานที่ไม่คงที่ ตัวอย่างเช่นสมมุติว่ากระบวนการ B นั้นต้องการให้เดินเครื่องที่สภาวะคงตัวที่อัตรา 3500 l/min แต่กระบวนการ A ที่อยู่ต้นทางนั้นที่ป้อนวัตถุดิบให้นั้นมีการเดินเครื่องที่เปลี่ยนแปลงในช่วง 2000-5000 l/min ในกรณีเช่นนี้การติดตั้ง surge drum ที่มีความจุที่เหมาะสมที่ทำหน้าที่รองรับวัตถุดิบที่มาจากกระบวนการ A จะช่วยป้องกันไม่ให้อัตราการไหลที่ไม่คงที่ของหน่วย A ส่งผล กระทบต่อการทำงานของหน่วย B ได้ (อย่างน้อยก็เป็นช่วงระยะเวลาหนึ่ง) กล่าวคือถ้าหน่วย A ป้อนสารมาด้วยอัตราที่ต่ำกว่าที่หน่วย B ต้องการ หน่วย B ก็จะดึงสารที่อยู่ใน surge drum มาใช้ และในทางกลับกันถ้าสารที่มาจากหน่วย A สูงเกินกว่าความสามารถของหน่วย B ดึงไปใช้ได้ สารนั้นก็จะถูกสะสมไว้ใน surge drum
 

"fixed-bed reactor" ในที่นี้หมายถึงเครื่องปฏิกรณ์ที่บรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาของแข็งเอาไว้ข้างใน โดยตัวเร่งปฏิกิริยานั้นอยู่กับที่ ไม่มีการเคลื่อนไหวใด ๆ แบบเดียวกับเครื่องกรองน้ำที่มีการบรรจุเรซินหรือสารดูดซับเอาไว้ข้างใน แต่การทำงานของระบบ hydrocracker นี้เป็นการทำงานในระบบ ๓ เฟสด้วยกัน คือตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็ง น้ำมันที่เป็นของเหลว และไฮโดรเจนที่เป็นแก๊ส รูปแบบการทำงานแบบ ๓ เฟสนี้มีชื่อเรียกเฉพาะว่า "trickle bed reactor" ที่จะมีการป้อนของเหลวจากบนลงล่างให้ไหลผ่านชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา ส่วนแก๊สนั้นอาจจะไหลจากบนลงล่างหรือล่างขึ้นบนก็ขึ้นอยู่กับการออกแบบ ระบบนี้แตกต่างจาก fixed-bed reactor ทั่วไปที่ใน fixed-bed reactor นั้นเฟสที่ไหลผ่านชั้นของแข็งนั้นจะเป็นเฟสแก๊สหรือของเหลวเพียงเฟสเดียว

อุณหภูมิของเครื่องปฏิกรณ์จะถูกควบคุมเอาไว้ไม่ให้สูงเกินกว่า 425ºC (ในรายงานเรียกว่าอุณหภูมิ tempetature cut out หรือ TOC) และเมื่ออุณหภูมิสูงถึงระดับนี้ระบบจะหยุดการทำงานด้วยการหยุดการป้อนสารตั้งต้นและระบายความดันออกสูงระบบ flare แต่ยังคงทำการหมุนเวียนแก๊สไฮโดรเจนเพื่อช่วยระบายความร้อนออกจากาเบดตัวเร่งปฏิกิริยา

รูปที่ ๓ ผังการทำงานของหน่วยHydrocracker ที่เกิดการระเบิด ในรายงานไม่ได้กล่าวเอาไว้ว่า hydrotreating ทั้งสองหน่วย (V301 และ V302) ทำหน้าที่อะไร แต่เดาว่าตัวหนึ่งน่าจะเป็นหน่วยกำจัดสารประกอบกำมะถัน และอีกตัวหนึ่งเป็นหน่วยกำจัดสารประกอบไนโตรเจน

น้ำมันที่ออกจากกระบวนการ hydrocracking จะไหลผ่านระบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อนำกลับพลังงานความร้อนไปใช้ประโยชน์ ก่อนที่จะไหลเข้าสู่ถังแยกน้ำมัน-ไฮโดรเจนความดันสูงที่เป็นถังวางตั้งในแนวดิ่ง (V305) ที่อุณหภูมิประมาณ 50ºC ณ ถังแยกนี้แก๊สไฮโดรเจนจะลอยตัวขึ้นบนก่อนถูกคอมเพรสเซอร์ (C301) ดูดเพื่อนำกลับไปใช้ทำปฏิกิริยาใหม่พร้อมกับไฮโดรเจนที่ป้อนเข้ามาเพิ่มเติม ตัวคอมเพรสเซอร์ C301 นี้จะเกิดการสั่นอย่างรุนแรงถ้าหากผลต่างความดันระหว่างด้านขาเข้าและด้านขาออกนั้นมากเกินไป ดังนั้นถ้าพบว่าคอมเพรสเซอร์มีการสั่นมากเกินไปก็จะต้องหยุดการทำงานของคอมเพรสเซอร์เพื่อป้องกันความเสียทาย

centrifugal compressor ใช้การเพิ่มพลังงานจลน์ให้กับแก๊สที่ถูกเหวี่ยงออกไปจากใบพัด แล้วให้พลังงานจลน์ที่แก๊สได้รับไปนั้นเปลี่ยนเป็นความดันอีกทีหนึ่ง (แบบเดียวกันกับปั๊มหอยโข่ง) เนื่องจากความเร็วรอบการหมุนของใบพัดที่หมุนเหวี่ยงแก๊สออกไปนั้นคงที่ (ถ้าใช้ induction motor เป็นตัวขับเคลื่อนคอมเพรสเซอร์ ซึ่งส่วนใหญ่ก็ใช้กัน) ดังนั้นพลังงานจลน์ของแก๊สที่ถูกเหวี่ยงออกไปนั้นจึงขึ้นกับความหนาแน่นของแก๊ส ที่อุณหภูมิและความดันค่าหนึ่งความหนาแน่นของแก๊สจะเพิ่มตามน้ำหนักโมเลกุล แก๊สที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงจะมีพลังงานจลน์ที่สูงกว่าแก๊สที่มีน้ำหนักโมเลกุลที่ต่ำกว่า ดังนั้นถ้าหากออกแบบ centrifugal compressor ให้ทำงานกับแก๊สที่มีน้ำหนักโมเลกุลค่าหนึ่ง ถ้าหากแก๊สที่ไหลเข้ามานั้นมีน้ำหนักโมเลกุลที่ลดต่ำกว่าค่าที่ออกแบบไว้มากเกินไป ก็จะเกิดปัญหาในการทำงานของคอมเพรสเซอร์ตัวนั้นได้เพราะความดันของแก๊สที่ถูกเหวี่ยงออกไปที่ขอบใบพัดนั้นต่ำกว่าความดันด้านขาออก ปรากฏการณ์นี้จะทำให้แก๊สด้านขาออกมีการไหลย้อนเข้ามาในตัวใบพัด ในขณะที่ใบพัดพยายามที่จะเหวี่ยงแก๊สที่ดูดเข้ามานั้นออกไป ผลก็คือจะเกิดการสั่นอย่างรุนแรงขึ้นได้ที่เรียกว่าเกิด surging (ดูรูปที่ ๔ ข้างล่างประกอบ)

รูปที่ ๔ แก๊สไหลเข้า impeller ที่ตำแหน่ง 1 ซึ่งเป็นตำแหน่งที่แก๊สมีพลังงานจลน์ต่ำสุด และในขณะที่แก๊สไหลมาตามตัว impeller (ตำแหน่ง 2) แก๊สจะมีพลังงานจลน์เพิ่มมากขึ้นอันเป็นผลเนื่องจากการหมุนของ impeller และเมื่อไหลมาถึงตำแหน่ง 3 ที่เป็นทางออก แก๊สจะมีพลังงานจลน์มากที่สุด ถ้าหากพลังงานจลน์ของแก๊สที่ตำแหน่ง 3 นี้เมื่อเปลี่ยนเป็นความดันแล้วมีค่าสูงกว่าความดันต้านทานด้านขาออก แก๊สก็จะไหลออกจาก impeller ไปได้ แต่ถ้าพลังงานจลน์ของแก๊สที่ตำแหน่ง 3 นี้เมื่อเปลี่ยนเป็นความดันแล้วมีค่าต่ำกว่าความดันต้านทานด้านขาออก แก๊สด้านขาออกก็จะไหลย้อนเข้ามาในตัว impeller ได้ และเมื่อแก๊สด้านขาออกขยายตัวด้วยการไหลย้อนเข้ามาในตัว impeller ความดันต้านทานด้านขาออกก็จะลดต่ำลง แก๊สใน impeller ก็จะไหลออกไปยังด้านขาออกได้ใหม่ แก๊สด้านขาออกก็จะถูกอัดตัวอีกครั้งทำให้มีความดันสูงขึ้น และถ้าพลังงานจลน์ของแก๊สที่ตำแหน่ง 3 ไม่สามารถเอาชนะความดันด้านขาออกได้ ก็จะเกิดการไหลย้อนเข้ามาในตัว impeller ใหม่อีกครั้ง ถ้าปรากฏการณ์ไหลออก-ไหลย้อนนี้เกิดสลับไปมาเรื่อย ๆ ก็จะทำให้ตัว impeller เกิดการสั่นขึ้น (วาดขึ้นใหม่โดยอิงจาก https://www.enggcyclopedia.com/2012/01/centrifugal-compressor-surge/)

 

ในระหว่างขั้นตอน hydrotreating และ hydrocracking จะมีผลิตภัณฑ์ที่เป็นแก๊สเกิดขึ้นด้วย (ได้แก่ H₂S และไฮโดรคาร์บอนเบา) โดยแก๊สส่วนหนึ่งจะยังคงละลายอยู่ในส่วนที่เป็นของเหลว น้ำมันที่ผ่านการแยกเอาแก๊สออกที่ V305 จะไหลลงสู่ถังแยกน้ำมัน-ไฮโดรเจนความดันต่ำที่เป็นถังวางในแนวนอน (V306) ทำงานที่ความดันประมาณ 9 bar ที่ถังนี้จะมีแก๊สไฮโดรเจนและไฮโดรคาร์บอนเบาระเหยออกมาจากน้ำมันเพิ่มอีกอันเป็นผลจากความดันที่ลดต่ำลง ของเหลวที่ออกจากถังแยก V306 นี้จะถูกส่งเข้าระบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนก่อนป้อนเข้าสู่หน่วยกลั่นแยกเพื่อแยกเอาผลิตภัณฑ์ที่ได้ออก และนำกลับน้ำมันส่วนที่ยังไม่ทำปฏิกิริยามาทำปฏิกิริยาใหม่ ส่วนแก๊สที่ออกจากถังแยก V306 จะถูกส่งต่อไปยังหน่วยกำจัดกำมะถันต่อไป (กำมะถันควรอยู่ในรูปแก๊ส H₂S และใช้สารละลาย amine ที่เป็นเบสดักจับ)

รูปที่ ๕ รายละเอียดของถังแยกแก๊ส-ของเหลว V305 (ถังความดันสูง) และ V306 (ถังความดันต่ำ)

มาถึงจุดนี้ก็หวังว่าคงจะพอมองเห็นภาพการทำงานของหน่วย hydrocracker ของโรงงานนี้กันบ้างแล้ว ตอนต่อไปจะมาดูกันว่าก่อนเกิดการระเบิดนั้นมีเหตุการณ์อะไรเกิดขึ้นบ้าง