ตั้งชื่อบทความวันนี้ด้วยภาษาไทย
บางคนอาจรู้สึกแปลก ๆ
ตอนแรกคิดว่าจะตั้งชื่อเป็นภาษาอังกฤษว่า
"Activation
energy and exothermic reaction in a fixed-bed catalytic reactor"
ก็เกรงว่ามันจะไม่เข้ากับบทความที่เขียนด้วยภาษาไทยฉบับนี้
ช่วงสายวันวาน
ได้มีโอกาสสนทนาทางไกลกับนักวิจัยท่านหนึ่งที่กำลังทำ
post-doc
อยู่ที่มหาวิทยาลัยแห่งหนึ่งในประเทศญี่ปุ่น
เนื่องด้วยเขามีคำถามในหัวข้อเกี่ยวกับการเกิดปฏิกิริยาคายความร้อนในเครื่องปฏิกรณ์ชนิดเบดนิ่งทั้งที่เป็นเบดชนิดบรรจุอนุภาคของแข็งและก้อนโมโนลิท
ในการสนทนานั้นผมได้ให้ความเห็นเขาไปสองเรื่องด้วยกัน
คือพลังงานกระตุ้นของการเกิดปฏิกิริยา
และรูปแบบการไหลผ่านเบดของแข็ง
แต่สำหรับวันนี้ขอเอาเรื่องพลังงานกระตุ้นมาแบ่งปันก่อน
"เบดนิ่ง"
เป็นศัพท์ที่แปลมาจากภาษาอังกฤษว่า
"fixed-bed"
หรือ
"packed-bed"
หมายถึง
vessel
หรือ
tube
ที่ภายในบรรจุอนุภาคของแข็งเอาไว้
อนุภาคของแข็งนี้อาจทำหน้าที่เป็นสารดูดซับ
ตัวเร่งปฏิกิริยา หรืออะไรก็ตามแต่
กับของไหล (ที่อาจเป็นของเหลวหรือแก๊ส
หรือทั้งสองเฟส)
ที่ไหลผ่าน
เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดเบดนิ่ง
(fixed-bed
catalytic reactor) มีใช้กันแพร่หลายทั่วไปในอุตสาหกรรมเคมี
ปิโตรเคมี กลั่นน้ำมัน
ด้วยเหตุผลสำคัญหลายเหตุผลเช่น
โครงสร้างที่เรียบง่าย
พฤติกรรมการไหลที่ไม่ซับซ้อน
ทำการขยายขนาดได้ง่าย
และที่สำคัญก็คือมันไม่ก่อให้เกิดการกระทบกระทั่งของของอนุภาคของแข็งที่อยู่ในเบด
ซึ่งนำไปสู่การบดกันเองของอนุภาคขนาดใหญ่ให้กลายเป็นอนุภาคเล็กลง
จนหลุดร่อนออกไปจากตัวเบดได้
อันหลังนี้เป็นเหตุผลหลักที่ว่าทำไปเครื่องปฏิกรณ์ชนิดเบดฟลูอิไดซ์
(fluidised-bed)
จึงมีการใช้งานค่อนข้างจำกัด
แม้ว่าจะสามารถควบคุมอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาในเบดให้สม่ำเสมอได้ดีกว่า
รูปแบบการการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์ชนิดเบดนิ่งนั้น
ขึ้นอยู่กับความร้อนที่คายออกมาจากปฏิกิริยา
สำหรับปฏิกิริยาที่มีการเปลี่ยนแปลงความร้อนไม่มาก
(enthalpy
of reaction มีค่าต่ำ)
ก็สามารถสมมุติได้ว่าเป็นการทำงานที่อุณหภูมิคงที่
(isothermal)
ถ้ามีการดูดหรือคายความร้อนมากในระดับหนึ่ง
แต่ยังไม่สูงเกินไป
ก็จะทำงานในสภาวะที่ไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อน
(adiabatic)
กล่าวคือถ้าเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน
ก็จะปล่อยให้อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาสูงขึ้นจนถึงระดับหนึ่ง
จากนั้นจึงค่อยลดอุณหภูมิของไหล
ก่อนส่งต่อเข้าเบดถัดไป
ทำอย่างนี้ไปเรื่อย ๆ
เพื่อให้ได้ค่า conversion
ตามต้องการ
(ถ้าเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อนก็จะกลับกัน
คือพอของไหลในระบบมีอุณหภูมิลดต่ำลงจนถึงระดับหนึ่งก็จะนำออกมาให้ความร้อน
แล้วส่งต่อเข้าเบดถัดไป)
สำหรับปฏิกิริยาที่มีการคายความร้อนสูงนั้น
จะไม่สามารถใช้การทำงานในสภาวะที่ไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนได้
เพราะอุณหภูมิในเบดจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วมากตามระยะทางในเบด
ในกรณีเช่นนี้จะทำปฏิกิริยาในสภาวะที่เรียกว่า
non-isothermal non-adiabatic คือจะมีของเหลวรับความร้อนอยู่รอบนอกเบด
ลักษณะเครื่องปฏิกิรณ์แบบนี้จะคล้ายกับ
shell
and tube heatexchanger ขนาดใหญ่ที่วางตั้ง
โดยตัว tube
แต่ละ
tube
ทำหน้าที่เป็นเบดนิ่งขนาดเล็กที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาบรรจุอยู่
ของเหลวที่มารับความร้อนจะอยู่ในส่วน
shell
แต่ทั้งนี้ไม่ได้หมายความว่าเมื่อใช้เครื่องปฏิกรณ์รูปแบบนี้แล้วจะไม่มีปัญหาในการควบคุมการทำปฏิกิริยา
มันยังมีโอกาสเกิดอยู่
ถ้าการควบคุมอุณหภูมินั้นไม่ดีพอ
และตรงนี้มันมีเรื่องของค่าพลังงานกระตุ้น
(activation
energy) ของการเกิดปฏิกิริยาเข้ามาเกี่ยวข้อง
สำหรับผู้ที่เรียนทางจลนศาสตร์การเกิดปฏิกิริยามาแล้วคงจะทราบว่า
อัตราการเกิดปฏิกิริยาแปรผันตามอุณหภูมิในรูปแบบฟังก์ชัน
e-Ea/RT
เมื่อ
Ea
คือค่าพลังงานกระตุ้น
R
คือค่าคงที่ของแก๊ส
และ T
คืออุณหภูมิในหน่วยเคลวิน
K
(ตรงนี้ขอละค่า
pre-exponential
factor เอาไว้ก่อนนะ
เนื่องจากมันเป็นค่าคงที่)
รูปที่
๑ แกนตั้งของกราฟ (log
scale) แสดงค่า
e-Ea/RT
ที่อุณหภูมิต่าง
ๆ โดยให้ค่า Ea/R
ที่
Reference
เท่ากับ
14000
และเปรียบเทียบกับกรณีที่ค่า
Ea/R
นั้นสูงหรือต่ำกว่า
20%
และ
40%
การเกิดปฏิกิริยาดูดความร้อน
(endothermic
reaction) ในเครื่องปฏิกรณ์แบบเบดนิ่งนั้นมีความปลอดภัยตรงที่
เมื่อปฏิกิริยาดำเนินไปข้างหน้าเรื่อย
ๆ ความเข้มข้นสารตั้งต้นจะลดลง
และอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาจะลดลง
ทั้งสองปัจจัยนี้ส่งผลให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาลดลง
แต่ในกรณีของปฏิกิริยาคายความร้อนนั้น
(exothermic
reaction) เมื่อปฏิกิริยาดำเนินไปข้างหน้าเรื่อย
ๆ ความเข้มข้นสารตั้งต้นจะลดลง
แต่อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาจะเพิ่มสูงขึ้น
สองปัจจัยนี้ส่งผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาที่ตรงข้ามกัน
ถ้าผลของความเข้มข้นที่ลดลงนั้นเด่นกว่าผลของอุณภูมิที่เพิ่มสูงขึ้น
อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะลดต่ำลง
แต่ถ้าผลของอุณหภูมิที่เพิ่มสูงขึ้นเด่นกว่าผลของความเข้มข้นที่ลดลง
อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะสูงขึ้น
และในกรณีหลังนี้ถ้าไม่สามารถควบคุมการเพิ่มของอุณหภูมิได้
การเกิดปฏิกิริยาจะเร่งตนเองจนอยู่นอกเหนือการควบคุมหรือที่เรียกว่า
run
away สำหรับเครื่องปฏิกรณ์ขนาดใหญ่แล้ว
ผลของ run
away นี้สามารถทำให้เกิดความเสียหายหนักได้
(เช่นการระเบิด)
ผ่านมาตั้งสองหน้าแล้ว
แล้วมันเกี่ยวข้องกับพลังงานกระตุ้น
(activation
energy) อย่างไร
ลองพิจารณากราฟในรูปที่ ๑
ข้างบนเล่น ๆ ก่อนไหมครับ
กราฟรูปนี้ผมเขียนเฉพาะค่า
e-Ea/RT
เท่านั้นนะครับ
(ขอละค่า
pre-exponential
factor ที่เป็นค่าคงที่เอาไว้
โดยใช้ค่า Ea/R
ที่
14000
(ก็เรียกว่ามีค่า
Ea
สูงอยู่เหมือนกัน)
เป็นตัวเปรียบเทียบกับกรณีที่ค่า
Ea/R
สูงหรือต่ำกว่าค่าที่ใช้เปรียบเทียบ
สิ่งที่อยากให้สังเกตคืออัตราการเพิ่มขึ้นครับ
(แกนตั้งของกราฟเป็น
log-scale
นะครับ)
ที่อุณหภูมิใดอุณหภูมิหนึ่งนั้น
ปฏิกิริยาที่มีค่า Ea/R
ต่ำกว่าจะมีอัตราเร็วในการเกิดปฏิกิริยาสูงกว่า
และเมื่อเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น
อัตราการเกิดปฏิกิริยาก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย
แต่สำหรับปฏิกิริยาที่มีค่า
Ea/R
สูงนั้นจะพบว่า
"อัตราการเพิ่ม"
นั้นจะสูงกว่าปฏิกิริยาที่มีค่า
Ea/R
ต่ำกว่า
เช่นในกรณีที่ยกตัวอย่างมานี้
เมื่อเพิ่มอุณหภูมิจาก
200ºC
เป็น
400ºC
อัตราการเกิดปฏิกิริยาของค่าอ้างอิง
(Ea/R
= 14000) จะเพิ่มขึ้นประมาณ
5200
เท่า
สำหรับปฏิกิริยาที่มีค่า
Ea/R
ต่ำกว่า
40%
และ
20%
นั้น
อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้นเพียงประมาณ
170
เท่ากับ
940
เท่าตามลำดับ
แต่ถ้าเป็นปฏิกิริยาที่มีค่า
Ea/R
สูงกว่า
20%
และ
40%
นั้น
พบว่าอัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้นถึง
29000
และ
160000
เท่าตามลำดับ
นี่คือส่วนหนึ่งของเรื่องที่ผมได้เล่าให้เขาฟังไว้ในการสนทนาทางไกลเมื่อวาน
ที่บอกเขาไปว่ามันไม่ใช่เรื่องแปลกที่จะพบว่าในกรณีของปฏิกิริยาคายความร้อนสูงที่มีค่าพลังงานกระตุ้นสูงนั้น
การที่ปฏิกิริยาจะเกิดการrun
away ก็ไม่ใช่เรื่องผิดคาด
เพราะถ้าใช้อุณหภูมิต่ำเกินไปปฏิกิริยามันจะไม่เกิด
(หรือเกิดน้อยมาก
ๆ)
แต่ถ้าใช้อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาที่สูงเกินไป
อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วมาก
และถ้าไม่สามารถดึงเอาความร้อนนั้นออกมาได้มากพอ
ความร้อนที่สะสมในเบดจะทำให้อุณหภูมิภายในเบดนั้นเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วจนก่อให้เกิดความเสียหายตามมาได้
ด้วยเหตุนี้จึงได้มีการหาวิธีการต่าง
ๆ
ที่จะเพิ่มการระบายความร้อนออกจากเครื่องปฏิกรณ์ชนิดนี้เพื่อไม่ให้อุณหภูมิภายในเบดเพิ่มสูงเกินไป
ไม่ว่าจะเป็นการใช้ tube
ขนาดเล็กมาทำเป็นเบดนิ่ง
(tube
ขนาดเล็กจะมีพื้นที่ผิวต่อปริมาตรสูงกว่า
tube
ที่มีขนาดใหญ่กว่า)
การเลือกใช้อนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีขนาดและรูปร่างที่เหมาะสม
รวมไปทั้งการวางตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีความว่องไวแตกต่างกัน
ณ ตำแหน่งต่าง ๆ ภายในเบดเป็นต้น
รูปที่
๒
ตัวอย่างการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในเบดนิ่งในส่วนของปฏิกิริยาคายความร้อน
เส้นประคือความเข้มข้น
เส้นทึบคืออุณหภูมิ
สำหรับวันนี้คงจะขอพักไว้แค่นี้ก่อน
ตอนต่อไปยังคงเกี่ยวข้องกับเรื่องนี้อยู่
แต่จะเป็นเรื่องของรูปร่างของตัวเร่งปฏิกิริยาที่จะบรรจุเข้าไปในเบด
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น
หมายเหตุ: มีเพียงสมาชิกของบล็อกนี้เท่านั้นที่สามารถแสดงความคิดเห็น