แต่ในกรณีของการไหลผ่านตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งนั้น การทำปฏิกิริยาที่ค่า WHSV เท่ากันก็อาจทำให้ได้ผลการทำปฏิกิริยาที่แตกต่างกันได้ เพราะว่าพฤติกรรมการไหลจะกำหนดจากอัตราเร็วในการไหลกับพื้นที่หน้าตัดของการไหลอย่างเดียวไม่พอ ต้องเอาขนาดและรูปร่างของตัวเร่งปฏิกิริยามาร่วมในการพิจารณาด้วย
ปัจจัยหนึ่งที่ทำให้ผลการทำปฏิกิริยาในเครื่องปฏิกรณ์ชนิดเบดนิ่งนั้นแตกต่างกันได้แม้ว่าจะทำการทดลองที่ค่า WHSV เดียวกันคือ ค่า mass transfer resistance และ heat transfer resistance ของชั้นฟิล์มที่ห่อหุ้มอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาอยู่
ความต้านทานของการถ่ายเทมวลสารและความร้อนผ่านชั้นฟิลม์ที่ห่อหุ้มตัวเร่งปฏิกิริยานั้นขึ้นอยู่กับอัตราการไหลของแก๊ส (ในที่นี้ขอใช้คำว่าแก๊ส แต่หมายความรวมถึงของเหลวด้วย) ที่ไหลผ่านอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยา สมมุติว่าเราทำการทดลองในเบดนิ่งที่ค่า WHSV ค่าหนึ่ง (F/W) แล้วต้องการทำการทดลองเปรียบเทียบที่ค่า WHSV ที่มีค่าเพียงครึ่งเดียว (F/2W) ของการทดลองแรก ซึ่งการลดค่า WHSV ลงเหลือครึ่งหนึ่งนั้นอาจทำได้โดย (ก) ลดอัตราการไหลลงเหลือครึ่งหนึ่ง หรือ (ข) เพิ่มน้ำหนักตัวเร่งปฏิกิริยาเป็น 2 เท่า (ดูรูปที่ 1 ประกอบ)
รูปที่ 1 รูปซ้ายการทำปฏิกิริยาที่ค่า WHSV = F/W ส่วนรูปกลางเป็นการทำปฏิกิริยาที่ค่า WHSV = F/2W ด้วยการลดอัตราการไหลลงเหลือ F/2 และรูปขวาเป็นการทำปฏิกิริยาที่ค่า WHSV = F/2W เช่นเดียวกันกับรูปกลาง แต่ใช้วิธีเพิ่มน้ำหนักตัวเร่งปฏิกิริยาเป็น 2 เท่า (F คืออัตราการไหล W คือน้ำหนักตัวเร่งปฏิกิริยา
คำถามก็คือการใช้วิธีการลดอัตราการไหลลงเหลือครึ่งหนึ่ง กับการเพิ่มปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยาอีกเท่าตัวนั้นจะให้ผลการทดลองที่เหมือนกันหรือไม่
ถ้าเราพิจารณาแต่เฉพาะค่า WHSV แล้วเราก็คงจะบอกว่าไม่น่าจะแตกต่างกัน แต่ถ้าเรานำเอาปัจจัยเรื่องความต้านทานของชั้นฟิล์มที่ห่อหุ้มอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยามาร่วมในการพิจารณาแล้ว เราอาจเห็นว่ารูปแบบการทดลองทั้งสองอาจให้ผลการทดลองที่แตกต่างกันได้
การทดลองที่คงอัตราการไหลคงที่โดยเพิ่มปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยานั้น รูปแบบการไหลของแก๊สผ่านอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาที่ค่า WHSV เท่ากับ F/W หรือ F/2W จะเหมือนกัน (เพราะการมีอยู่หรือไม่มีของชั้นฟิล์มต้านทาน หรือความหนาของชั้นฟิล์มต้านทานจะขึ้นอยู่กับอัตราเร็วของการไหล) แต่ถ้าใช้วิธีลดความเร็วของการไหลลงเหลือครึ่งหนึ่งอาจทำให้รูปแบบการไหลของแก๊สผ่านอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาเปลี่ยนแปลงไปได้ กล่าวคือการทดลองที่อัตราการไหล F นั้นอาจไม่มีชั้นฟิล์มต้านทาน แต่พอลดอัตราการไหลลงเหลือ F/2 ก็อาจเกิดชั้นฟิล์มต้านทานได้ หรือการทดลองที่อัตราการไหล F มีชั้นฟิล์มต้านทานอยู่แล้ว แต่พอลดอัตราการไหลลงเหลือ F/2 ก็ทำให้ชั้นฟิล์มต้านทานมีความหนาเพิ่มขึ้นไปอีก
พึงระลึกว่าชั้น mass transfer resistance และ heat transfer resistance นั้นไม่จำเป็นต้องเกิดขึ้นพร้อมกันเสมอไป ในปฏิกิริยาที่มีการเปลี่ยนแปลงพลังงานความร้อนต่ำหรือไม่มีนั้น สามารถมี mass transfer resistance ได้โดยที่ไม่มี heat transfer resistance และในปฏิกิริยาที่มีการเปลี่ยนแปลงพลังงานความร้อนสูงนั้นสามารถมี heat transfer resistance ได้โดยที่ไม่มี mass transfer resistance
นอกจากนี้รูปร่างของตัวเร่งปฏิกิริยาก็ส่งผลต่อค่า conversion ที่จะได้ด้วย การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นผงนั้น แต่ละผงอนุภาคของตัวเร่งปฏิกิริยาจะสัมผัสกับแก๊สที่ไหลผ่านเบด แต่ถ้าเรานำผงอนุภาคนั้นไปอัดเป็นเม็ดให้มีขนาดใหญ่ขึ้น เฉพาะผงอนุภาคที่อยู่บริเวณผิวนอกของเม็ดอนุภาคเท่านั้นที่จะสัมผัสกับการไหลของแก๊สและสัมผัสกับสารตั้งต้นที่ไหลมาพร้อมกับการไหล ส่วนผงอนุภาคที่อยู่ภายในตัวเม็ดอนุภาคจะไม่สัมผัสกับการไหลโดยตรง จะได้สัมผัสกับสารตั้งต้นที่ "สามารถแพร่เข้าไปในรูพรุนที่อยู่ระหว่างผงอนุภาคแต่ละผงอนุภาคได้" กล่าวคือการนำผงตัวเร่งปฏิกิริยาไปอัดเป็นเม็ดให้มีขนาดใหญ่ขึ้นนั้น เราอาจไม่มีชั้นฟิลม์ต้านทานระหว่างแก๊สที่ไหลกับพื้นผิวภายนอกของเม็ดตัวเร่งปฏิกิริยา แต่จะมีความต้านการแพร่เกิดขึ้นภายในรูพรุนที่เกิดจากช่องว่างระหว่างผงอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยา (ดูรูปที่ 2 ประกอบ) ดังนั้นในกรณีของการนำผงตัวเร่งปฏิกิริยาไปอัดเป็นเม็ด ก็จะทำให้ได้ค่า conversion ที่ต่ำกว่าการใช้ในรูปของผงโดยตรง
รูปที่ 2 (ซ้าย) การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาในรูปของผง จะทำให้ทุกผงอนุภาคสัมผัสกับแก๊สที่ไหลผ่าน แต่ถ้านำไปอัดเป็นเม็ดใหญ่ขึ้น (ขวา) จะมีแต่เฉพาะอนุภาคที่อยู่ที่ผิวนอก (สีฟ้า) เท่านั้นที่สัมผัสกับแก๊สที่ไหลผ่าน ส่วนผงอนุภาคที่อยู่ภายในเม็ด (สีแดง) จะได้รับสารตั้งต้นที่สามารถแพร่ผ่านรูพรุนที่เกิดจากช่องว่างระหว่างผงอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาเท่านั้น
ดังนั้นแม้ว่าจะใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาในปริมาณที่เท่ากัน และทำการทดลองที่อัตราการไหลเดียวกัน แต่ถ้ามีวิธีการบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาแตกต่างกัน ก็สามารถทำให้ได้ผลการทดลองที่แตกต่างกันได้
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น