สมดุลความร้อนรอบ Laboratory scale fixed-bed reactor MO Memoir : Sunday 3 May 2563

ในการเรียนรู้การใช้อุปกรณ์ต่าง ๆ ที่ใช้ในการทดลองนั้น ไม่ควรจะเรียนเพียงแค่ใช้งานมันอย่างไร แต่ควรเข้าใจถึงโครงสร้างของตัวอุปกรณ์ และสิ่งต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นในระหว่างการทำงานของอุปกรณ์นั้นด้วย เพื่อที่จะได้รู้ว่าเพื่อจะให้อุปกรณ์นั้นทำงานได้ดังต้องการนั้นต้องมีการเตรียมระบบอย่างไร และมีปัจจัยใดบ้างที่อาจส่งผลต่อการทำงานของอุปกรณ์นั้นได้ อย่างเช่นวันนี้จะขอยกตัวอย่างกรณีของ Laboratory scale fixed-bed reactor ที่เป็นอุปกรณ์หลักตัวหนึ่งในการทดสอบความว่องไวในการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยา ในระดับห้องปฏิบัติการนั้นอุปกรณ์ตัวนี้มีทั้งการจัดวางในแนวดิ่ง (vertical) และแนวนอน (Horizontal) แต่ที่กลุ่มของเราใช้อยู่นั้นเป็นชนิดที่วางในแนวดิ่งที่มีโครงสร้างดังแสดงในรูปที่ ๑ ข้างล่าง

  

รูปที่ ๑ แผนผังการถ่ายเทความร้อนเข้า-ออกจากระบบ Laboratory scale fixed-bed reactor

Fixed-bed reactor ตัวนี้ได้รับความร้อนจาก tubular furnace ที่วางตั้งในแนวดิ่ง มี thermocouple สอดอยู่ใน thermowell เพื่อวัดอุณหภูมิจากทางด้านล่างของเบดตัวเร่งปฏิกิริยาและยังทำหน้าที่รองรับเบดตัวเร่งปฏิกิริยาเอาไว้ ไม่ให้เคลื่อนตัวลงล่างเมื่อมีแก๊สไหลผ่าน การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในแนวดิ่งจากบนลงล่างจะมีลักษณะเป็นเพิ่มสูงขึ้นจนถึงค่าสูงสุดบริเวณตอนกลาง ซึ่งจะมีช่วงบริเวณหนึ่งที่อุณหภูมิประมาณได้ว่าคงที่ (constant temperature zone) ก่อนที่จะลดต่ำลงทางด้านขาออก การจัดวางตำแหน่งของเบดตัวเร่งปฏิกิริยาจะอยู่ในบริเวณที่มีอุณหภูมิคงที่นี้ การหาตำแหน่งบริวเณอุณหภูมิคงที่นี้ทำได้ด้วยการทดลองเลื่อนเทอร์โมคับเปิลไปตามแนวความยาวของ reactor

  

ความร้อนจากขดลวดความร้อนที่ป้อนเข้ามานั้นมีการสูญเสียออกไป ๓ ทางหลักด้วยกัน เส้นทางแรกคือแก๊สเย็นที่ไหลเข้า reactor และไหลออกไป เส้นทางที่สองคือการสูญเสียความร้อนผ่านชั้นผนังที่เป็นฉนวนความร้อน และเส้นทางที่สามคืออากาศที่ไหลจากล่างขึ้นบนอันเป็นผลจาก natural convection การลดการสูญเสียจากเส้นทางที่สามนี้ทำได้ด้วยการปิดช่องว่างระหว่างตัว reactor กับผนัง furnace ทางด้านบนเพื่อลดการเกิด natural convection (นั่นคือเหตุผลที่ว่าทำไปเราจึงต้องเอาแผ่นฉนวนความร้อนมาวางปิดช่องว่างด้านบนเอาไว้เสมอ)

  

คำถามหนึ่งที่มักจะก่อให้เกิดปัญหาประจำเวลาสอบก็คือควบคุมอุณหภูมิให้คงที่ได้อย่างไร (การสอบโครงร่างเมื่อเดือนมีนาคมที่ผ่านมาก็เจอคำถามนี้อีก) สิ่งที่ผู้สอบมักลืมไปก็คือระบบที่เราใช้นั้นไม่ได้มีเฉพาะการป้อนความร้อนเข้า แต่ยังมีการระบายความร้อนออกด้วย (การคุมอุณหภูมิให้คงที่ได้นั้นจำเป็นต้องมีทั้งเส้นทางให้ความร้อนไหลเข้าและเส้นทางให้ความร้อนไหลออก) ในกรณีของปฏิกิริยาคายความร้อนนั้น ถ้าปริมาณความร้อนที่คายออกจากปฏิกิริยามีมากพอจนทำให้เห็นอุณหภูมิในเบดเพิ่มสูงขึ้น ระบบความคุมก็จะลดความร้อนที่ป้อนให้กับ furnace เพื่อรักษาอุณหภูมิให้คงเดิม ในทางกลับกันถ้าเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อนและความร้อนที่ปฏิกิริยาดูดนั้นทำให้เบดมีอุณหภูมิลดต่ำลง ระบบควบคุมก็จะเพิ่มความร้อนที่ให้กับ furnace เพื่อรักษาอุณหภูมิให้คงเดิม 

  

แต่จะเห็นการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ (ไม่ว่าเพิ่มหรือลด) ได้นั้น ขนาดของปฏิกิริยาที่เกิดต้องมากพอ ในกรณีของเราที่ทำการทดลองที่ความเข้มข้นระดับ ppm นั้น ปริมาณความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกนั้นถือว่าน้อยมากหรือแทบไม่มีนัยสำคัญ ดังจะเห็นได้จากเราไม่เคยจำเป็นต้องไปปรับลดกระแสไฟฟ้าที่จ่ายให้ขดลวดความร้อนเมื่อเปลี่ยนความเข้มข้นสารตั้งต้นไม่ว่าจะเพิ่มสูงขึ้นหรือลดต่ำลง

  

และด้วยการที่เบดตัวเร่งปฏิกิริยาของเรานั้นจัดได้ว่าเตี้ยและวางอยู่ในช่วงบริเวณอุณหภูมิคงที่ เราจึงสามารถสรุปได้ว่าอุณหภูมิของเบดคงมีค่าคงที่ตลอดแนวดิ่งด้วย

  

เรื่องการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมินี้เคยอธิบายไว้เมื่อสิบกว่าปีที่แล้วในเรื่อง "ปฏิกิริยาเอกพันธ์และปฏิกิริยาวิวิธพันธ์ในเบดนิ่ง" เมื่อวันเสาร์ที่ ๒๑ พฤศจิกายน ๒๕๕๒ หรือจะไปดาวน์โหลด "รวมบทความชุดที่ ๒๐ ประสบการณ์การทดสอบตัวเร่งปฏิกิริยา" มาอ่านก็ได้ เพราะมันถูกนำไปรวมไว้ในรวมบทความชุดนั้น