การระเบิดในโกดังเก็บเม็ดพลาสติก Expandable Polystyrene จาก Blowing Agent ที่ระเหยออกมา MO Memoir : Wednesday 14 July 2564

สไตรีน (Styrene H₂C=CH(C₆H₅)) เป็นสารที่เกิดปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์กลายเป็นพอลิเมอร์ได้ไม่ยาก ไม่ต้องใช้สภาวะการทำปฏิกิริยาที่รุนแรง ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา ใช้เพียงแค่ตัวกระตุ้น (Initiator) ก็สามารถสังเคราะห์ได้แล้ว

รูปที่ ๑ ข้างล่างเป็นแผนผังกระบวนการผลิต expandable polystyrene แบบ suspension ในกระบวนการนี้ใช้น้ำเป็นตัวกลางในการปฏิกิริยาและระบายความร้อนที่เกิดจากปฏิกิริยา หลังจากที่ปฏิกิริยาดำเนินไปได้ขนาดหนึ่งก็จะทำการเติม blowing agent (จะเป็นสารที่มีจุดเดือดต่ำและเฉื่อย เช่นไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวช่วง C3-C5) เข้าไป เพื่อให้อนุภาคพอลิเมอร์ที่ก่อตัวเป็นก้อนใหญ่ขึ้นนั้นดูดซับเอาไว้ หลังเสร็จสิ้นการทำปฏิกิริยาก็จะระบายของเหลวในถังปฏิกรณ์ (reactor) เข้าสู่ slurry tank ก่อนที่จะเข้าสู่กระบวนการแยกเอาอนุภาคพอลิเมอร์ออกมาและทำการคัดขนาด

รูปที่ ๑ กระบวนการผลิต expandable polystyrene ของ BP/Lummus
(จาก https://www.engstack.com/kb/manufacturing-processes-expandable-polystyrene/)

เมื่อนำเอาเม็ดพลาสติกพอลิสไตรีนที่ดูดซับ blowing agent เอาไว้นี้ไปให้ความร้อน (เช่นด้วยไอน้ำหรืออากาศร้อน) blowing agent ที่มีจุดเดือดต่ำก็จะกลายเป็นไอดันให้อนุภาคพอลิสไตรีนขยายตัว ความหนาแน่นของอนุภาคจะลดลงกลายเป็นวัสดุที่มีรูพรุนที่มีอากาศแทรกอยู่ภายในและมีน้ำหนักเบา จึงมีการใช้ทำเป็นฉนวนความร้อนหรือบรรจุภัณฑ์ไม่ว่าจะเพื่อกันกระแทกหรือป้องกันความร้อน (เช่น ถ้วย ชาม กล่องโฟมต่าง ๆ)

แต่ในระหว่างช่วงเวลาที่ผลิตเสร็จ เข้าสู่การเก็บเพื่อรอการนำไปใช้งานงาน สาร blowing agentที่เป็นไฮโดรคาร์บอนเบาที่อยู่ในเม็ดพลาสติกพอลิสไตรีนก็สามารถระเหยออกมาได้ และถ้าไฮโดรคาร์บอนเหล่านี้ไม่ถูกระบายออกไป เกิดการสะสมจนมีความเข้มข้นสูงมากพอ เพื่อพบก็แหล่งพลังงานที่สามารถจุดระเบิดได้ (เช่นประกายไฟจากการเปิดปิดสวิตช์ไฟฟ้า) ก็จะเกิดการระเบิดขึ้น และนี่คือที่มาของเหตุการณ์การระเบิดของโกดังที่เก็บเม็ดพลาสติก expandable polystyrene ที่ประเทศญี่ปุ่นเมื่อวันที่ ๒๓ สิงหาคม ค.ศ. ๑๙๘๒ (พ.ศ. ๒๕๒๕)

เหตุการณ์นี้นำมาจากบทความเรื่อง "Explosion of Warehouse during Storage of Expanded Polystyrene Beads [Aubust 23rd, 1982 Yokkaichi, Mie, Japan]" รูปที่ ๒ ข้างล่างเป็นแผนผังกระบวนการผลิตเม็ดพลาสติกที่เกิดเหตุ คือมีการผสม blowing agent ที่เป็นไฮโดรคาร์บอนตั้งแต่ C3-C5 เข้าไป แต่ปัจจัยที่ทำให้แก๊สที่เม็ดพลาสติกคายออกมาและเกิดการสะสมนั้นในรายงานกล่าวว่าน่าจะเป็นขั้นตอนการบรรจุ (filling) ที่มีการเปลี่ยนการบรรจุจากเดิมที่เป็น steel drum ขนาด 100 kg ไปเป็น flexible container ขนาด 500 kg และขั้นตอน ripening ที่ทางผู้ผลิตจะเก็บเม็ดพลาสติกที่ผลิตได้นั้นในบริเวณที่เหมาะสมที่อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ในสถานที่เก็บนั้นจะเป็นแบบ explosion proof ขั้นตอนนี้ก็เพื่อให้ไฮโดรคาร์บอนเบาบางส่วนนั้นระเหยออกมาก่อนที่จะส่งให้กับลูกค้าต่อไป

รูปที่ ๒ แผนผังกระบวนการผลิตและกระบวนการจัดเก็บเม็ดพลาสติก expandable polystyrene ที่เป็นต้อตอของการระเบิด (จาก http://www.shippai.org/fkd/en/cfen/CC1200111.html)

steel drum สามารถกักเก็บไฮโดรคาร์บอนเบาที่ระเหยออกมาได้ ในขณะที่ flexible container นั้นจะยอมให้ไฮโดรคาร์บอนเบาผ่านออกมาได้ นอกจากนี้จากเดิมที่ผู้ผลิตจะเก็บเม็ดพลาสติกที่ได้เอาไว้ชั่วเวลาหนึ่งเพื่อลดปริมาการระเหยของไฮโดรคาร์บอนเบาออกจากเม็ดพลาสติกก่อนส่งต่อให้ลูกค้านำไปเก็บไว้ได้ในโกดังปรกติที่อุณหภูมิห้อง (ขั้นตอน ripening) แต่เนื่องจากมีรายงานหนึ่งกล่าวว่าเม็ดพลาสติกนั้นจะไม่คายไฮโดรคาร์บอนที่ดูดซับเอาไว้ออกมาถ้าอุณหภูมิในการเก็บนั้นไม่เกิน 5ºC จึงมีแนวความคิดที่ว่าจะสามารถข้ามขั้นตอน ripening ได้ด้วยการส่งไปเก็บในโกดังที่คุมอุณหภูมิไว้ไม่เกิน 5ºC

โกดังที่ส่งเม็ดพลาสติกไปเก็บนี้เดิมเป็นโกดังที่ใช้เก็บสินค้าทั่วไป ต่อมาได้รับการดัดแปลงให้เห็นโกดังห้องเย็นที่สามารถคุมอุณหภูมิไว้ที่ 5ºC ได้ แต่เนื่องการดัดแปลงนั้นไม่ได้เผื่อไว้สำหรับการเก็บสินค้าที่คายไอระเหยของเชื้อเพลิงได้ อุปกรณ์ไฟฟ้าต่าง ๆ ที่ใช้จึงเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าแบบธรรมดาทั่วไป ไม่ใช่ชนิด explosion proof ในคืนที่เกิดเหตุนั้นมีเม็ดพลาสติก expandable polystyrene เก็บอยู่ในรูปของ steel drum (100 kg/drum) อยู่ 30 ตัน และในรูปของ flexible container (500 kg/container) อีก 120 ตัน

ช่วงเวลาดังกล่าวเป็นช่วงฤดูร้อน flexible container ที่นำมาจากข้างนอกโกดังจะมีอุณหภูมิเท่ากับอากาศข้างนอก และเมื่อถูกนำมาวางเรียงซ้อนกัน ทำให้ถุงที่อยู่ข้างใต้นั้นไม่ได้เย็นเร็วเหมือนถุงที่อยู่ด้านนอก

รูปที่ ๓ ความเข้มข้นแก๊สที่เม็ดพลาสติก expandable polystyrene คายออกมาที่อุณหภูมิต่าง ๆ และชนิดแก๊สที่ใช้เป็นตัว blowing agent

การระเบิดเกิดเมื่อเวลาประมาณ ๓.๑๐ น ทำให้มีผู้บาดเจ็บ ๒๔ ราย สาเหตุของการระเบิดเชื่อว่าเป็นเพราะ blowing agent ที่ระเหยออกมาจากเม็ดพลาสติกที่ยังมีอุณหภูมิสูงอยู่ (พวกที่อยู่ใน flexible container ที่กองอยู่ข้างใต้) และในห้องเก็บนั้นไม่มีการระบายอากาศที่เพียงพอ ทำให้เชื้อเพลิงเกิดการสะสมจนมีความเข้นข้นสูงพอที่จะเกิดการระเบิดได้ รูปที่ ๓ เป็นผลการทดลองวัดปริมาณ blowing agent ชนิดต่าง ๆ ที่ระเหยออกมาจากเม็ดพลาสติกที่อุณหูมิต่าง ๆ ส่วนการจุดระเบิดนั้นเกิดขึ้นที่แผงควบคุมระบบปรับอากาศที่เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าชนิดธรรมดา

ในรายงานกล่าวถึงการระบายอากาศที่ไม่เพียงพอ แต่กรณีนี้เป็นกรณีของห้องเย็น ที่การระบายอากาศจะส่งผลต่อภาระงานของระบบทำความเย็นที่เพิ่มมากขึ้น มันจะเหมือนกับอยู่ในห้องเปิดแอร์แต่เปิดพัดลมดูดอากาศเพื่อระบายอากาศในห้องออกไป

เหตุการณ์นี้น่าสนใจตรงที่ ถ้าหากเกิดเพลิงไหม้โกดังเก็บเม็ดพลาสติก expandable polystyrene ความร้อนที่เกิดจากเปลวไฟก็สามารถทำให้เม็ดพลาสติกร้อนขึ้น และแม้ว่าจะสามารถดับเพลิงให้สงบด้วยน้ำได้ แต่เม็ดพลาสติกที่ยังร้อนอยู่ก็น่าจะยังคงคาย blowing agent ที่มันดูดซับเอาไว้ออกมาได้อีก จึงควรเป็นข้อควรระวังในการดับเพลิง

รู้ทันนักวิจัย (๔) คาร์บอนหายไปไหน MO Memoir : Wednesday 3 May 2560

มาเลอิกแอนไฮดราย (Maleic anhydride) เป็นสารตั้งต้นตัวหนึ่งในอุตสาหกรรมพอลิเมอร์ ส่วนใหญ่ที่ผลิตขึ้นมานั้นถูกนำไปใช้ในการผลิตเรซินพอลิเอสเทอร์ไม่อิ่มตัว (unsaturated polyester resin) ในอุตสาหกรรมผลิตสารตัวนี้ด้วยกระบวนการ gas phase partial oxidation สารประกอบไฮโดรคาร์บอนด้วยอากาศใน catalytic reactor สารตั้งต้นหลักที่ใช้ในการผลิตนับจากอดีตจนถึงปัจจุบันได้แก่เบนซีน (Benzene C₆H₆) แต่เนื่องด้วยความกังวลในเรื่องความเป็นสารก่อมะเร็งของเบนซีนในบางประเทศ ทำให้มีการพัฒนากระบวนการผลิตที่ใช้บิวเทน (Butane C₄H₁₀) และบิวทีน (Butene C₄H₈) ขึ้นมาทดแทน (กล่าวคือถ้ายังอยากผลิตมาเลอิกแอนไฮดรายในประเทศนั้น ก็ต้องเปลี่ยนกระบวนการผลิต หรือไม่ก็ทำอีกวิธีคือ ย้ายโรงงานไปตั้งที่ประเทศอื่นที่ไม่เข้มงวดเรื่องความเป็นสารก่อมะเร็งของเบนซีน) แผนผังปฏิกิริยาที่เกิดระหว่างการสังเคราะห์มาเลอิกแอนไฮดรายสรุปเอาไว้ในรูปที่ ๑

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยาการสังเคราะห์มาเลอิกแอนไฮดราย

ฟาทาลิกแอนไฮดราย (Phthalic anhydride) ก็เป็นสารประกอบตัวหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับอุตสาหกรรมการผลิตเรซิน ส่วนใหญ่ที่ผลิตขึ้นมานั้นถูกนำไปใช้ในการผลิตสารเติมแต่งสำหรับพลาสติก PVC เพื่อให้ PVC มีคุณสมบัติที่เหนียวนุ่มมากขึ้น กลายเป็นหนังเทียม ในอุตสาหกรรมผลิตสารตัวนี้ด้วยกระบวนการ gas phase partial oxidation สารประกอบไฮโดรคาร์บอนด้วยอากาศใน catalytic reactor เช่นกัน เดิมทีนั้นจะใช้แนฟทาลีน (Naphthalene C₁₀H₈) ที่ได้มาจากอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องกับถ่านหินเป็นสารตั้งต้นในการผลิต แต่เมื่ออุตสาหกรรมถ่านหินซบเซา (แนฟทาลีนเป็นผลพลอยได้จากการผลิตถ่าน coke ที่นำไปใช้ในการถลุงเหล็ก คือในการผลิตถ่าน coke จะได้ coal tar ซึ่งเมื่อนำ coal tar ไปกลั่นแยกก็จะได้แนฟทาลีนออกมา) ประกอบกับมีการพัฒนากระบวนการผลิตไซลีนจากน้ำมันดิบ ทำให้อาจกล่าวได้ว่าเกือบทั้งหมดที่ผลิตในปัจจุบันได้มาจากการใช้ออโธไซลีน (C₆H₅(CH₃)₂ o-Xylene) เป็นสารตั้งต้น แผนผังปฏิกิริยาที่เกิดระหว่างการสังเคราะห์ฟาทาลิกแอนไฮดรายสรุปเอาไว้ในรูปที่ ๒ (อันที่จริงมีการพบการเกิดมาลาอิกแอนไฮดรายด้วย)
 

รูปที่ ๒ ปฏิกิริยาการสังเคราะห์ฟาทาลิกแอนไฮดราย 

ปฏิกิริยา partial oxidation สารประกอบไฮโดรคาร์บอนเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ยิ่งมีการทำปฏิกิริยากับออกซิเจนหลายครั้งก็ยิ่งมีการคายความร้อนมากขึ้น นอกจากนี้ในระหว่างการเกิดปฏิกิริยานั้นยังมีปฏิกิริยาข้างเคียงที่สำคัญคือการสูญเสียสารตั้งต้นและ/หรือผลิตภัณฑ์ไปเป็น CO₂ และ CO ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่คายความร้อนออกมามาก 

ปฏิกิริยาที่เกิดนั้นเป็นปฏิกิริยาหลายขั้นตอน ในกรณีของสารตั้งต้นที่มีจำนวนอะตอม C เท่ากับจำนวนอะตอม C ในผลิตภัณฑ์ (เช่นจาก C4 ไปเป็นมาเลอิกแอนไฮดราย หรือออโธไซลีนไปเป็นฟาทาลิกแอนไฮดราย) เส้นทางหลักจะเป็นการดึงอะตอม H ออกในรูปของโมเลกุล H₂O และแทรกอะตอม O เข้าไปแทน แต่ถ้าเป็นกรณีที่สารตั้งต้นมีอะตอม C มากกว่าจำนวนอะตอม C ในผลิตภัณฑ์ (เช่นจากเบนซีนไปเป็นมาเลอิกแอนไฮดราย หรือแนฟทาลีนไปเป็นฟาทาลิกแอนไฮดราย) นอกจากมีการดึงอะตอม H ออกแล้วยังมีการดึงอะตอม C ออกในรูป CO₂ หรือ CO ด้วย แต่ไม่ว่าจะเป็นแบบไหน สารมัธยันต์ (intermediate) ที่เกิดขึ้นก่อนจะกลายเป็นสารประกอบแอนไฮดรายนั้น มักจะมีจุดเดือดที่ต่ำกว่าตัวแอนไฮดรายเอง
 

ปริมาณของ CO₂ และ CO ที่เกิด และสัดส่วนระหว่าง CO₂/CO ที่เกิด ส่งผลต่อปริมาณความร้อนที่คายออกมา ยิ่งค่าดังกล่าวมีค่าสูงขึ้น ปริมาณความร้อนที่คายออกมาก็มากขึ้นตามไปด้วยอย่างมีนัยสำคัญ
 

เพนเทน (Pentane C₅H₁₂) เป็นไฮโดรคาร์บอนเบาตัวหนึ่งที่มีปัญหาในการนำไปใช้ประโยชน์เป็นเชื้อเพลิง ด้วยความที่ว่าจุดเดือดของมันนั้นสูงเกินกว่าจะใช้เป็นแก๊สหุงต้มและต่ำเกินไปสำหรับการใช้เป็นเชื้อเพลิงเหลว (มีเลขออกเทนต่ำด้วย) เรื่องนี้เคยเล่าไว้ครั้งหนึ่งเมื่อเกือบ ๕ ปีที่แล้วในเรื่อง "เอา pentane ไปทำอะไรดี" (Memoir ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๐๕ วันเสาร์ที่ ๑๕ กันยายน ๒๕๕๕) ด้วยเหตุนี้จึงมีการหาทางเอาเพนเทนไปใช้เป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีแทน และปฏิกิริยาหนึ่งที่ได้รับความสนใจมากก็คือการออกซิไดซ์เพนเทนไปเป็นมาเลอิกแอนไฮดราย ซึ่งในการนี้จำเป็นต้องมีการตัดอะตอม C ทิ้งไป ๑ ตัว แต่ที่เห็นจะแปลกกว่ากรณีที่เล่ามาก่อนหน้าก็คือ มีการพบผลิตภัณฑ์ที่มีจำนวนอะตอม C มากกว่าของสารตั้งต้นในจำนวนที่มากอย่างมีนัยสำคัญ ผลิตภัณฑ์ดังกล่าวก็คือฟาทาลิกแอนไฮดราย

รูปที่ ๓ ปฏิกิริยาที่เกิดระหว่างการออกซิไดซ์เพนเทนไปเป็นมาเลอิกแอนไฮดราย 
 

การเกิดผลิตภัณฑ์ข้างเคียงปนเปื้อนอยู่ในผลิตภัณฑ์หลักใช่ว่าเป็นสิ่งที่ต้องการ เพราะมันก่อให้เกิดความสิ้นเปลืองในการทำให้ผลิตภัณฑ์หลักมีความบริสุทธิ์ ถ้าผลิตภัณฑ์ข้างเคียงนั้นเกิดในปริมาณมากพอที่เมื่อแยกออกมาแล้วสามารถขายได้ ก็พอจะถอนทุนคืนได้บ้าง แต่ถ้ามันเกิดขึ้นน้อย ก็จะก่อให้เกิดปัญหาในการกำจัดอีก
 

ในทางวิศวกรรมเคมีนั้น ค่า conversion คือสัดส่วนของสารตั้งต้นที่ทำปฏิกิริยาไปต่อปริมาณสารตั้งต้นทั้งหมดที่ป้อนเข้าระบบ ในปฏิกิริยา gas phase partial oxidation สารไฮโดรคาร์บอนนั้น การทำปฏิกิริยาจะทำในสภาวะที่มีออกซิเจนมากเกินพอ (เพื่อให้สัดส่วนการผสมอยู่นอกช่วง explosive limit) ดังนั้นเวลาที่คิดค่า conversion ก็จะดูจากปริมาณไฮโดรคาร์บอนที่หลงเหลืออยู่เป็นหลัก
 

ค่า selectivity คือสัดส่วนระหว่างปริมาณผลิตภัณฑ์แต่ละชนิดที่เกิดขึ้นต่อปริมาณสารตั้งต้นที่ทำปฏิกิริยาไป การคำนวณค่านี้ไม่ยุ่งยากอะไรถ้าจำนวนอะตอม C ในผลิตภัณฑ์นั้นเท่ากับจำนวนอะตอม C ของสารตั้งต้น แต่จะวุ่นวายมากกว่าถ้าหากจำนวนอะตอม C ในผลิตภัณฑ์ไม่เท่ากับจำนวนอะตอม C ของสารตั้งต้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่มีการตัดสารตั้งต้นออกเป็นโมเลกุลเล็ก ๆ มากกว่าหนึ่งโมเลกุล เช่นการออกซิไดซ์เบนซีน (C₆) ไปเป็นมาเลอิกแอนไฮดราย (C₄) หรือการออกซิไซด์แนฟทาลีน (C₁₀) ไปเป็นฟาทาลิกแอนไฮดราย (C₈) ที่มีการเกิด CO₂ (หรือ CO) ขึ้น ๒ โมเลกุล กล่าวคือจะคิดปริมาณโดยอิงจากอะไร เช่น จะคิดเป็นโมล หรือจำนวนอะตอม C

รูปที่ ๔ ค่า conversion และค่า selectivity ของมาเลอิกแอนไฮดราย (MA) ฟาทาลิกแอนไฮดราย (PA) และ CO₂ ของการออกซิไดซ์นอร์มัลเพนเทนโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา ๕ ชนิด

รูปที่ ๔ เป็นภาพที่ถ่ายจากโปสเตอร์ที่มีผู้นำมาจัดแสดง งานวิจัยนี้เป็นการออกซิไดซ์นอร์มัลเพนเทนไปเป็นมาเลอิกแอนไฮดราย โดยมีการเกิดฟาทาลิกแอนไฮดรายเป็นผลิตภัณฑ์ข้างเคียง ที่ผมติดใจคือค่าการเลือกเกิดกล่าวคือ

๑. ในกรณีนี้ ค่า selectivity ของทุกผลิตภัณฑ์รวมกัน ถ้าอิงจากจำนวนอะตอม C ที่ไปอยู่ในผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ ควรมีค่าเป็น 100% เว้นแต่ว่าจะมีการตรวจไม่พบผลิตภัณฑ์บางตัว (เช่นเกิดการควบแน่นค้างในระบบท่อ ทำให้มันมาไม่ถึงจุดเก็บแก๊สตัวอย่าง) ค่า selectivity ที่แสดงในรูปข้างบนนั้นไม่มีรายละเอียดว่าใช้เกณฑ์ใดในการคำนวณ แต่นั่นก็ยังไม่สำคัญเท่ากับการที่ว่าค่าผลรวมที่ได้นั้นต่ำมาก มากจนเหมือนกับว่าผลิตภัณฑ์ที่นำมาแสดงนั้นเป็นเพียงส่วนน้อยเท่านั้น

๒. ในการเปลี่ยนเพนเทนไปเป็นมาเลอิกแอนไฮดรายนั้น ต้องมีการตัดอะตอม C ทิ้ง ๑ อะตอม ดังนั้นสัดส่วนการเกิด CO₂ (หรือ CO) เทียบกับมาเลอิกแอนไฮดราย เมื่อคิดในหน่วย "โมล" แล้ว ควรมีค่า "อย่างน้อยเท่ากัน" แต่จะเห็นมากกว่าก็ไม่แปลกเพราะเป็นไปได้ที่จะเกิด CO₂ (หรือ CO) เพิ่มจากการสลายตัวของสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์
 

หรือถ้าคิดในหน่วยจำนวนอะตอม C เท่ากัน (คือให้ CO₂ (หรือ CO) ๔ โมเลกุลเทียบเท่ากับมาเลอิกแอนไฮดราย ๑ โมเลกุล) ค่า selectivity ของ CO₂ (หรือ CO) ก็ควรมีค่าอย่างน้อยเป็น ๑ ใน ๔ ของค่า selectivity ของมาเลอิกแอนไฮดราย แต่ค่าที่นำมาแสดงนั้นต่ำกว่าค่าเหล่านี้มาก (ขนาดยังไม่รวม CO₂ (หรือ CO) ที่เกิดจากปฏิกิริยาข้างเคียง)

จะว่าไปแล้วฟาทาลิกแอนไฮดรายน่าจะเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีจุดเดือดสูงที่สุดที่เกิดขึ้น ดังนั้นถ้าผู้ทำการทดลองสามารถเก็บแก๊สตัวอย่างมาวิเคราะห์ (ด้วยเครื่องแก๊สโครมาโทกราฟ) ได้โดยที่ไม่เกิดการควบแน่นของฟาทาลิกแอนไฮดรายในระบบท่อ แล้วทำไมเขาจึงไม่เห็นผลิตภัณฑ์ที่มีจุดเดือดที่ต่ำกว่า (ไม่ว่าจะเป็นพวกสารมัธยันต์หรือคาร์บอนออกไซด์ก็ตาม) ซึ่งถ้าว่ากันตามตัวเลขที่นำมาแสดงนั้น ถ้าการเก็บตัวอย่างแก๊สและ/หรือการทำ calibration curve ของเขาไม่ผิดพลาด ผลิตภัณฑ์ที่ไม่ได้รับการกล่าวถึงมีสิทธิ์เป็นผลิตภัณฑ์หลักของการทำปฏิกิริยาได้ (ว่าแต่ว่ามันคืออะไร)
 

ตรงนี้อาจมีคนตั้งประเด็นว่าเกิดเป็น coke ได้ไหม คำตอบก็คือเป็นไปได้ แต่กรณีนี้เป็นปฏิกิริยา "การออกซิไดซ์" ที่อุณหภูมิสูงในบรรยากาศที่มีออกซิเจนมากเกินพอหลายเท่าตัว ดังนั้นจะไม่เกิด coke ในปริมาณมากและสะสมบนตัวเร่งปฏิกิริยา เรียกได้ว่าถ้าทำดุลอะตอม C ก็จะเห็นอะตอม C ด้านขาออกประมาณได้ว่าเท่ากับด้านขาเข้า

ท้ายสุดนี้ก็ขอบันทึกการสนทนากับผู้ที่เข้ามาอ่าน blog รายหนึ่ง ผมก็บอกกับนิสิตที่ผมสอนอยู่เป็นประจำว่าสิ่งที่ผมเขียนบน blog นิสิตมักจะไม่สนใจอ่านกันเนื่องจากมันไม่เกี่ยวข้องกับวิชาที่เขาต้องสอบ แต่จะกลับมาอ่านกันอย่างเอาจริงเอาจังตอนที่ ไปฝึกงาน เตรียมสัมภาษณ์งาน หรือไม่ก็เริ่มทำงานแล้วนั่นแหละครับ อย่างรายนี้ก็เช่นกัน หลังจากจบป.ตรีไปได้สองปีแล้ว (ปล. รู้สึกดึใจที่มีคนเห็นประโยชน์ของบทความที่เขียนและนำไปใช้ประโยชน์ได้)
 

แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส ๕๕ (ตอนที่ ๖) MO Memoir : Saturday 5 January 2556

เอกสารฉบับนี้แจกจ่ายเป็นการภายใน  ไม่นำเนื้อหาลง blog

เอา pentane ไปทำอะไรดี MO Memoir : Saturday 15 September 2555

เมื่อช่วงบ่ายสามโมงวันวาน มีวิศวกรจากโรงกลั่นแห่งหนึ่งแวะมานั่งคุยที่ห้องทำงาน เรื่องหนึ่งที่เขาถามขอความเห็นจากผมก็คือ "จะเอาเพนเทนไปทำอะไรดี" ซึ่งผมก็ได้ให้ความเห็นจากมุมมองของผมไปแล้ว ส่วนจะเหมาะสมกับเขาหรือไม่ก็คงต้องให้เขาไปลองพิจารณาดูเอาเอง ระหว่างขับรถกลับบ้านพอจะมีเวลาจัดระเบียบความคิด (เย็นวานฝนตกรถติดน่าดู) รวมกับข้อมูลที่ค้นได้เพิ่มเติม ก็เลยขอเอาความคิดนั้นมาบันทึกเอาไว้ให้พวกคุณอ่านเล่นกัน (เผลอ ๆ อาจได้ทำจริงด้วยนะ)

เพนเทน (pentane - C₅H₁₂) เป็นไฮโดรคาร์บอนตัวหนึ่งที่เกิดขึ้นในกระบวนการ Fluidised-bed catalytic cracking (FCC) ซึ่งเป็นกระบวนการที่ใช้ในการเปลี่ยนให้น้ำมันหนักเป็นน้ำมันเบา สำหรับอุณหภูมิอากาศในบ้านเราแล้ว เพนเทนเป็นไฮโดรคาร์บอนที่อยู่ก้ำกึ่งระหว่างแก๊สกับของเหลว กล่าวคือจุดเดือดของเพนเทนคือ 36ºC ซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิห้องไม่มากนัก จึงทำให้ระเหยกลายเป็นไอได้อย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิห้อง นอกจากนี้การมีเพนเทนในน้ำมันเบนซินก็ไม่ใช่สิ่งที่ดีเพราะไม่เพียงแต่จะทำให้น้ำมันเบนซินมีความดันไอสูง แต่ตัวเพนเทนเองยังมีเลขออกเทนที่ไม่สูงด้วย (Research Octane Number - RON) เพียงแค่ 62 เท่านั้น)

ความเห็นที่ผมได้ให้เขาไปมีดังนี้

๑. ผสมเข้าไปในแก๊สหุงต้ม (LPG)

ตลาดแก๊สหุงต้มหรือแอลพีจีในบ้านเรานั้นมีอยู่สองตลาด คือตลาดแก๊สหุงต้มในครัวเรือนกับตลาดแก๊สหุงต้มสำหรับรถยนต์ ปัญหาที่มีอยู่ในปัจจุบันคือเราต้องมีการนำแอลพีจีเข้าจากต่างประเทศในราคาตลาดโลก (ซึ่งผมคิดว่ามันสูงกว่าราคาต้นทุนของการผลิตในประเทศที่เราได้จากบ่อแก๊สในอ่าวไทย) 

เนื่องจากมีรถยนต์หันมาใช้แอลพีจีเพิ่มมากขึ้น ทำให้ต้องมีการอุดหนุนราคาแอลพีจี การที่จะแยกแอลพีจีออกเป็นสองตลาดโดยขายคนละราคา โดยให้แก๊สหุงต้มสำหรับครัวเรือนขายถูกกว่าแก๊สแอลพีจีเติมรถยนต์คงจะเป็นเรื่องยากในทางปฏิบัติ เว้นแต่ว่าจะหาทางทำให้แก๊สหุงต้มสำหรับครัวเรือนนั้นไม่สามารถนำมาใช้กับรถยนต์ได้

แนวความคิดที่ผมลองเสนอเขาไปเล่น ๆ คือให้ผสมเพนเทนเข้าไปกับแก๊สหุงต้มสำหรับครัวเรือน

การผสมเพนเทนในปริมาณต่ำเข้าไปกับแก๊สหุงต้มสำหรับครัวเรือนนั้นไม่น่าที่จะก่อปัญหาใด ๆ ให้กับการใช้งานกับเตาแก๊สทั่วไป เพราะเพนเทนเองก็ระเหยได้ง่ายที่อุณหภูมิห้องอยู่แล้ว แต่การที่เพนเทนมีเลขออกเทนที่ต่ำก็จะไปดึงให้แก๊สผสมระหว่างแอลพีจีและเพนเทนนั้นมีเลขออกเทนที่ต่ำลง ซึ่งอาจส่งผลทำให้ผู้ใช้รถที่ใช้แอลพีจีเป็นเชื้อเพลิงไม่กล้าที่จะนำเอาแก๊สหุงต้มสำหรับครัวเรือนมาใช้กับรถยนต์ของตนเอง

ตรงนี้ผมไม่มีข้อมูลว่ากำลังการผลิตเพนเทนของประเทศเรามีเท่าใด และต้องผสมในปริมาณเท่าใดจึงจะทำให้เลขออกเทนของแก๊สหุงต้มผสมเพนเทนต่ำกว่า 91 ซึ่งเป็นเลขออกเทนต่ำสุดของน้ำมันเบนซินที่ขายอยู่ในบ้านเราในปัจจุบัน แม้ว่ารถยนต์ปัจจุบันที่ใช้ระบบอิเล็กทรอนิกส์ควบคุมการจุดระเบิดนั้นจะสามารถป้องกันการน๊อคได้เมื่อใช้น้ำมันที่มีเลขออกเทนต่ำกว่าที่ควรเป็น (ด้วยการเปลี่ยนองศาการจุดระเบิด) แต่ก็จะทำให้เครื่องยนต์กำลังตก และทางผู้ผลิตรถเองก็ไม่แนะนำให้ทำอย่างนั้นเป็นประจำ

ที่สำคัญคือเลขออกเทนของโพรเพนและบิวเทนที่อยู่ในแก๊สหุงต้มก็จัดว่าสูงเสียด้วย คือ RON ของโพรเพนคือ 112 และ RON ของบิวเทนคือ 93 (แต่ blending octane number ของบิวเทนคือ 113) และถ้าคิดค่า RON ของเพนเทนที่ 62 ดังนั้นถ้าจะให้ค่าเลขออกเทนของแก๊สหุงต้มต่ำกว่า 90 คงต้องผสมเพนเทนเข้าไปไม่น้อยกว่า 40% ซึ่งคงทำให้สารผสมที่ได้หมดสภาพเป็นแก๊สหุงต้มไปแล้ว

ดังนั้นวิธีการนี้ผลทางเทคนิค (ในการลดเลขออกเทนจนใช้กับรถไม่ได้) อาจจะใช้ไม่ได้จริง แต่อาจจะให้ผลทางด้านจิตวิทยาได้บ้าง

๒. เริ่มต้นจากไซโคลเพนเทน

เพนเทนนั้นสามารถเปลี่ยนไปเป็นไซโคลเพนเทน (cyclopentane - C₅H₁₀) ได้ ตัวอย่างวิธีการหนึ่งได้แก่สิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ 5,283,385 ลงวันที่ 1 กุมภาพันธ์ 1994 ในหัวข้อ "Upgrading of normal pentane to cyclopentane" (ตามไฟล์ที่ผมแนบมาให้ดู)

 

ที่สำคัญคือสิทธิบัตรฉบับนี้กำลังจะหมดอายุในเวลาอันใกล้แล้ว

๒.๑ ใช้เพิ่มเลขออกเทนของน้ำมันเบนซิน

ไซโคลเพนเทนนั้นมีจุดเดือดสูงกว่าเพนเทน (49ºC สำหรับไซโคลเพนเทน) มีเลขออกเทนที่สูงกว่า (RON 101.3 แต่ blending octane number สูงถึง 141) และมีค่าความดันไอ (Reid Vapour Pressure หรือ RVP) ที่ต่ำกว่า ดังนั้นไซโคลเพนเทนจึงเป็นตัวที่เหมาะสมกว่าเพนเทนในการนำมาผสมกับน้ำมันเบนซิน

๒.๒ ใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตเส้นใย

อันที่จริงทางโรงกลั่นที่เขามาถาม ผมเดาว่าเขาไม่อยากจะขายมันในรูปของเชื้อเพลิงเท่าไรนัก เพราะราคามันถูกเมื่อเทียบกับการนำไปแปลงสภาพเป็นสารอื่นที่สามารถนำไปใช้ประโยชน์ในปิโตรเคมีได้

อีกแนวทางหนึ่งของการใช้ไซโคลเพนเทนที่ผมคุยกับเขาคือเป็นไปได้ไหมที่จะนำมาทำปฏิกิริยาเลียนแบบไซโคลเฮกเซน (cyclohexane - C₆H₁₂)

ไซโคลเฮกเซนนั้นเป็นสารตั้งต้นสำหรับใช้ในการผลิตไซโคลเฮกซานอล (cyclohexanol - C₆H₁₁-OH) กับไซโคลเฮกซาโนน (cyclohexanone - C₆H₁₀=O) ซึ่งสารสองตัวนี้จะถูกเปลี่ยนต่อไปเป็น adipic acid, 6-aminohexanoic acid หรือ hexamethylenediamine (ผ่านทาง caprolatam) ซึ่งสารเหล่านี้เป็นสารตั้งต้นที่ใช้ในการผลิตเส้นใยไนลอน (Nylon 6 และ Nylon 6,6)

ผมลองคิดเล่น ๆ ดูว่าถ้าเราเริ่มจากไซโคลเพนเทนเราก็น่าจะได้ไซโคลเพนทานอล (cyclopentanol - C₅H₁₀-OH) กับไซโคลเพนทาโนน (cyclopentanone - C₅H₈=O) ซึ่งสารสองตัวหลังนี้อาจถูกเปลี่ยนต่อไปเป็น glutaric acid, 5-amino-pentanoic acid หรือ pentamethylenediamine (ทำได้หรือเปล่าก็ไม่รู้นะ แค่ลองคิดตามสมการอินทรีย์เคมีเล่น ๆ ก่อน)

เท่าที่ลองค้นหาข้อมูลทางอินเทอร์เน็ตดูคร่าว ๆ ก็พบว่ามีการนำสารบางตัวในย่อหน้าข้างต้นเช่น glutaric acid ไปเปลี่ยนเป็น 1,5-pentanediol (ด้วยการรีดิวซ์หมู่ -COOH ที่ปลายโซ่ทั้งสองข้าง) เพื่อไปใช้ผลิตเป็นพลาสติกไซเซอร์ หรือนำ glutaric acid เองไปใช้ในการผลิตเส้นใยพอลิเอสเทอร์อยู่เหมือนกัน โดยบอกว่าจำนวนอะตอมที่เป็นเลข "คี่" มีส่วนไปช่วยลดความยืดหยุ่นของเส้นใย ซึ่งทำให้ผมแปลกใจ (เพราะไม่ได้เรียนทางด้านพอลิเมอร์ซะด้วย) ว่าทำไม "จำนวนอะตอมที่เป็นเลขคู่หรือเลขคี่" จึงมีผลต่อคุณสมบัติเส้นใย แทนที่จะเป็น "ความยาวสายโซ่" จำนวนอะตอมในที่นี้หมายถึงจำนวนอะตอม C ที่อยู่ในสายโซ่ (ดู http://en.wikipedia.org/wiki/Glutaric_acid)

ส่วนสารตัวไหนหน้าตาเป็นอย่างไรนั้นก็ดูเองในรูปข้างล่างก็แล้วกัน

และสิ่งสำคัญสำหรับพวกปี ๑ คือสัปดาห์หน้าต้องมาติดต่อผมโดยด่วน เพราะจะมีงานให้เตรียมตัวทำแล้ว ใครจะเลือกทำวิจัยกับบริษัทไหนจะได้วางตัวกันสักที