ผลของคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ต่อค่า flammability limits MO Memoir : Friday 28 April 2560

เย็นวันวาน ระหว่างนั่งรื้อค้นเอกสารเก่าเก็บ (อายุร่วม ๓๐ ปีแล้ว) ก็ไปพบกราฟข้อมูลช่วง flammability limits (หรือ explosive limits) ของแก๊สเชื้อเพลิงบางชนิดในแก๊สผสมระหว่าง แก๊สเชื้อเพลิง + อากาศ + (ไนโตรเจน หรือ คาร์บอนไดออกไซด์) สิ่งหนึ่งที่สะดุดใจในรูปเหล่านั้น (รูปที่ ๔-๘) คือแม้ว่าทั้งแก๊สไนโตรเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ต่างทำหน้าที่เหมือนกันในการดับไฟหรือป้องกันการจุดระเบิด คือไปเจือจางให้ในแกีสมีความเข้มข้นออกซิเจนลดลง แต่คาร์บอนไดออกไซด์กลับทำหน้าที่ได้ดีกว่า

 

รูปที่ ๑ ลำดับความสามารถในการยับยั้งการจุดระเบิดแก๊สผสมระหว่างมีเทนกับอากาศ โดยใช้การเจือจางด้วยแก๊สชนิดอื่น

บทความเรื่อง "Investigations into the effects of carbon dioxide and nitrogen on the flammability limits of gas mixtures" โดย A.M. Thyer และคณะใน IChemE Symposium series no. 155, ปีค.ศ. 2009 ที่เอามาให้ดูในรูปที่ ๑ ข้างบนอธิบายเอาไว้ว่า การที่คาร์บอนไดออกไซด์ทำหน้าที่ได้ดีกว่าก็เพราะค่า specific heat ของมันที่ทำให้เปลวไฟที่เพิ่งจะเริ่มเกิดนั้นเย็นตัวลงได้ดีกว่า คือในการเผาไหม้นั้นความร้อนจากเปลวไฟที่เริ่มเกิดจะไปเร่งให้ปฏิกิริยาการเผาไหม้เกิดเร็วขึ้น แต่ถ้าหากมีอะไรก็ตามที่ทำให้เปลวไฟนั้นเย็นลง การเผาไหม้ที่เริ่มเกิดก็จะยุติ ไม่แพร่ขยายออกไป เข้าใจว่าบทบาทของค่า specific heat นั้นอยู่ตรงนี้ คือแก๊สใดที่มีค่า specific heat ที่สูงกว่าก็จะรับความร้อนได้มากกว่าโดยที่ตัวมันนั้นมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นต่ำกว่า เพื่อตอบคำถามดังกล่าวก็เลยทดลองนำเอาค่า specific heat ของแก๊สในรูปที่ ๑ นั้นมาเปรียบเทียบกัน พบว่ามันก็เป็นเช่นนั้นจริงคือลำดับความสามารถในการยับยั้งการเผาไหม้นั้นเพิ่มขึ้นตามค่า specific heat ของแก๊ส (แต่ต้องใช้หน่วยเป็นต่อกิโลโมลนะ ไม่ใช่ต่อกิโลกรัม) ดังแสดงในตารางที่ ๑
 

การทำงานของฮาลอน (halon) นั้นแตกต่างออกไป คือไม่เพียงแต่มันจะช่วยดูดซับความร้อนเอาไว้ แต่ที่สำคัญคือการสลายตัวของโมเลกุลฮาลอนทำให้เกิดอนุมูลอิสระที่จะเข้าไปจับกับอนุมูลอิสระของกระบวนการเผาไหม้ กลายเป็นองค์ประกอบที่มีเสถียรภาพมากขึ้น การหยุดยั้งการเผาไหม้ของฮาลอนจึงโดดเด่นกว่าแก๊สเฉื่อยตัวอื่น
 

ตารางที่ ๑ ค่าความจุความร้อน (C_p) ของแก๊สบางชนิด

	kJ/(kg.K)	kJ/(kmol.K)
CO2	0.844	37.136
H2O (1 atm 104-316 ºC)	1.97	35.46
N2	1.04	29.12
He	5.19	20.76
Ar	0.520	20.532

(จาก http://www.engineeringtoolbox.com/specific-heat-capacity-gases-d_159.html)

รูปที่ ๒ ผลของทิศทางการจุดระเบิดต่อค่า flammability limits ของแก๊สผสมระหว่าง CH₄/H₂ ที่มีทั้งจุดจากทางด้านล่างให้เผาไหม้ขึ้นบน และจุดจากทางด้านบนให้เผาไหม้ลงล่าง (จากบทความเรื่อง "Limit for the propagation of flame in in-flammable gas-air mixtures. Part II. Mixtures of more than one gas and air" โดย A.G White, J. Chem. Soc. Trans., pp 48-61, Jan 1925)
 

ในภาษาอังกฤษมีคำอุปสรรค (prefix) อยู่หลายคำที่เมื่อเติมเข้าไปหน้าคำ ๆ อื่น จะทำให้มีความหมายเป็นตรงข้ามกัน คำ in- ก็เป็นหนึ่งในนั้น เช่น active แปลวว่องไว แต่พอเป็น inactive จะแปลว่าไม่ว่องไว คำนำหน้าด้วย in- นี้ก่อให้เกิดปัญหาในการตีความผิดได้กับกรณีของคำว่า flammable ที่แปลว่าสามารถลุกไหม้ได้ ที่คำว่า inflammable ก็แปลว่าสามารถลุกไหม้ได้เช่นกัน (ไม่ได้แปลว่าไม่สามารถลุกไหมได้นะ) ลองสังเกตชื่อตารางในรูปที่ ๒ ดูนะครับ (อันที่จริงตัวชื่อบทความด้วย) เขาใช้คำว่า inflammable
 

ค่า flammability limit ของแก๊สชนิดใดชนิดหนึ่งขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่าง เช่นความดันและอุณหภูมิที่ทำการทดลอง รูปร่างของภาชนะที่ใช้ในการทดลอง รวมทั้งทิศทางการจุดระเบิด ตารางที่ ๒ เป็นส่วนหนึ่งของผลการทดลองที่ทำการจุดระเบิดแก๊สผสมที่อัตราส่วนต่าง ๆ โดยมีทั้งการจุดจากทางด้านล่างของภาชนะให้เปลวไฟวิ่งขึ้นบน และการจุดระเบิดจากทางด้านบนให้เปลวไฟวิ่งลงล่าง ซึ่งพบว่าการจุดให้เปลวไฟวิ่งจากล่างขึ้นบนนั้นให้ช่วง flammability limit ที่กว้างกว่า ทั้งนี้เป็นเพราะในการจุดให้เปลวไฟวิ่งจากล่างขึ้นบนนั้นได้รับผลเสริมจากแรงลอยตัวของแก๊สร้อนที่ลอยขึ้นไปในทิศทางเดียวกับกับการเคลื่อนที่ของเปลวไฟ แต่ถ้าเป็นการจุดให้เปลวไฟวิ่งในแนวราบ ค่าที่ได้จะอยู่ระหว่างค่าทั้งสองนี้
 

รูปที่ ๓ บทความเรื่อง "On the fire-damp of coal mines and on methods of lighting the mine so as to prevent its explosion" ของ Sir Humphry Davy บทความนี้ถูกอ่านเมื่อเดือนพฤศจิกายน ปีค.ศ. ๑๘๑๕ ก่อนจะนำมาตีพิมพ์ในต้นปีค.ศ. ๑๘๑๖ คือในยุคก่อน จะมีการอ่านบทความให้ผู้อื่นรับฟังในที่ประชุม แล้วจึงค่อยนำเนื้อหานั้นมาตีพิมพ์เป็นหนังสืออีกที
 

จะว่าไปแล้วการศึกษา flammability limit ของแก๊สไฮโดรคาร์บอนก็ไม่ใช่เรื่องใหม่ มีมากว่า ๒๐๐ ปีแล้ว ตั้งแต่ยุคการทำเหมืองถ่านหินและ Sir Humphry Davy ต้องหาวิธีการที่ทำอย่างไรจึงจะไม่ให้เปลวไฟจากตะเกียงที่ใช้ให้แสงสว่างในเหมืองนั้นจุดระเบิดแก๊สมีเทนที่แพร่ออกมาได้ (รูปที่ ๓)
 

ในปัจจุบันสาเหตุหนึ่งที่ทำให้มีการสนใจศึกษาผลของคาร์บอนไดออกไซด์ต่อค่า flammability limit ของไฮโดรคาร์บอนกันมากขึ้นเป็นเพราะการพยายามผลิตน้ำมันดิบจากหลุมขุดเจาะให้มากขึ้นด้วยการวิธีการที่เรียกว่า Enhanced Oil Recovery หรือย่อว่า EOR (หรือบางทีเรียกว่า tertiary recovery) และหนึ่งในวิธีการดังกล่าวคือการอัดแก๊สลงไปในหลุมขุดเจาะเพื่อดันเอาน้ำมันขึ้นมา และแก๊สตัวหนึ่งที่เป็นที่นิยมใช้กันก็คือคาร์บอนไดออกไซด์
 

การใช้การฉีดแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ลงไปในหลุมขุดเจาะทำให้แก๊สไฮโดรคาร์บอนที่ได้มานั้นมีคาร์บอนไดออกไซด์ปะปนมากขึ้น ถ้ามองในแง่ผลิตภัณฑ์ที่ได้มีสิ่งปนเปื้อนสูงขึ้นก็จะเป็นข้อเสียตรงที่ทำให้ต้องเสียค่าใช้จ่ายในการแยกไฮโดรคาร์บอนและคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากกัน แต่ถ้ามองในแง่ที่ว่าคาร์บอนไดออกไซด์ที่ผสมอยู่นั้นทำให้แก๊สผสมจุดระเบิดได้ยากขึ้นก็จะมีข้อดีตรงที่ทำให้การทำงานมีความปลอดภัยมากขึ้น

รูปที่ ๔ ช่วง flammability limit ของแก๊สผสม ไฮโดรเจน + อากาศ + (ไนโตรเจน หรือคาร์บอนไดออกไซด์) 
  

รูปที่ ๕ ช่วง flammability limit ของแก๊สผสม เอทิลีน + อากาศ + (ไนโตรเจน หรือคาร์บอนไดออกไซด์)

ตอนที่เห็นกราฟนี้ สิ่งหนึ่งที่แวบเข้ามาในความคิดคือแก๊สธรรมชาติที่ใช้กับรถยนต์ (ที่เรียกด้วยภาษาสากลว่า CNG ที่ย่อมาจาก Compressed Natural Gas แต่บ้านเรามีบริษัทขายแก๊สนำมาบัญญัติศัพท์ใหม่เป็น NGV ที่ย่อมาจาก Natural Gas for Vehicle (มีคำว่า for โผล่เข้ามา) ทั้ง ๆ ที่ภาษาสากลเขาหมายถึง Natural Gas Vehicle คือรถยนต์ที่ใช้ CNG เป็นเชื้อเพลิง) เพราะการจุดระเบิดในเครื่องยนต์นั้นหัวเทียนจะอยู่ทางด้านบนของกระบอกสูบ ดังนั้นการเผาไหม้จะเป็นจากบนลงล่าง และเนื่องจากแก๊สมีเทนที่ขายให้กับรถยนต์ในบ้านเรานั้นมีคาร์บอนไดออกไซด์สูงถึง 18% สำหรับเกรดธรรมดา และ 10% สำหรับเกรดพิเศษ (จาก รายละเอียดแนบท้ายประกาศกรมธุรกิจพลังงาน เรื่อง กำหนดลักษณะและคุณภาพของก๊าซธรรมชาติสำหรับยานยนต์ พ.ศ. ๒๕๕๖) ก็เลยทำให้สงสัยว่าคาร์บอนไดออกไซด์ที่สูงน่าจะส่งผลต่อความสิ้นเปลือง (เมื่อคิดเทียบที่ปริมาณมีเทนที่ใช้ในการเผาไหม้เเท่ากัน) เพราะมันทำให้แก๊สร้อนที่ได้จากการเผาไหม้นั้นเย็นกว่า ด้วยว่าคาร์บอนไดออกไซด์มันมีความจุความร้อนสูงกว่าอากาศ (ความจุความร้อนของอากาศนั้นประมาณได้ว่าเท่ากับของไนโตรเจน) ดังนั้นที่ปริมาณความร้อนที่ปลดปล่อยออกมาเท่ากัน (เพราะใช้มีเทนเท่ากัน) แก๊สผสมที่มีคาร์บอนไดออกไซด์สูงกว่าน่าจะมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นน้อยกว่า ทำให้การขยายตัวของแก๊สเกิดขึ้นได้น้อยกว่า แต่อันนี้เป็นเพียงการคาดเดานะ

รูปที่ ๖ ช่วง flammability limit ของแก๊สผสม โพรพิลีน + อากาศ + (ไนโตรเจน หรือคาร์บอนไดออกไซด์) (กราฟนี้ขยายสเกลให้ใหญ่ขึ้นเป็นประมาณสองเท่าของรูปที่ ๔ และ ๕ นะ)

ผลของความเข้มข้นคาร์บอนไดออกไซด์ต่อค่า Lower Explosive Limit (LEL - ค่าความเข้มข้นต่ำสุดของเชื้อเพลิงในอากาศที่ทำให้เกิดการเผาไหม้ได้) ไม่เด่นชัดนัก ที่เห็นชัดเจนว่าคือค่า Higher Explosive Limit (HEL - ค่าความเข้มข้นสูงสุดของเชื้อเพลิงในอากาศที่ทำให้เกิดการเผาไหม้ได้) ที่มีค่าลดลงอย่างเห็นได้ชัดเจนเมื่อความเข้มข้นคาร์บอนไดออกไซด์เพิ่มขึ้น ในขณะที่ค่า LEL แทบจะไม่เปลี่ยนแปลงหรือเพิ่มสูงขึ้นเพียงเล็กน้อยเท่านั้นในช่วงความเข้มข้นคาร์บอนไดออกไซด์สูง ในกราฟตัวอย่างที่นำมาแสดงนั้น ความเข้มข้นสูงสุดของคาร์บอนไดออกไซด์ที่ทำให้แก๊สผสมนั้นไม่สามารถลุกติดไฟได้จะต่ำกว่าของไนโตรเจนอยู่ประมาณ 10% หรือมากกว่า (ดูจากตำแหน่งจุดที่เส้นโค้งมีการวกกลับทางด้านขวา)

วันนี้คงต้องขอจบเรื่องนี้ไว้แต่เพียงเท่านี้ สวัสดีครับ

รูปที่ ๗ ช่วง flammability limit ของแก๊สผสม 1-บิวทีน + อากาศ + (ไนโตรเจน หรือคาร์บอนไดออกไซด์) (กราฟนี้ขยายสเกลให้ใหญ่ขึ้นเป็นประมาณสองเท่าของรูปที่ ๔ และ ๕ นะ)
 

รูปที่ ๘ ช่วง flammability limit ของแก๊สผสม นอร์มัลเฮกเซน + อากาศ + (ไนโตรเจน หรือคาร์บอนไดออกไซด์) (กราฟนี้ขยายสเกลให้ใหญ่ขึ้นเป็นประมาณสองเท่าของรูปที่ ๔ และ ๕ นะ) ปรกตินอร์มัลเฮกเซนเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศ แต่จะว่าไปความดันไอของมันก็สูงอยู่แล้ว นอกจากนี้ในอุตสาหกรรมยังมีการนำเอาไปใช้เป็นตัวทำละลายที่อุณหภูมิและความดันสูง (เช่นในบางกระบวนการที่ใช้สังเคราะห์พอลิเมอร์พวกพอลิโอเลฟินส์บางตัว) ในกระบวนการเช่นนี้เมื่อมันรั่วออกมา พฤติกรรมจะเป็นเสมือนกับแก๊สหุงต้ม (LPG) รั่วออกมาจากถัง