เนื้อหาใน
Memoir
ฉบับนี้ต้องขออิงยัอนหลังไปยัง
Memoir ปีที่
๒ ก่อนหน้า ๒ ฉบับคือ
ฉบับที่
๗๓ วันศุกร์ที่ ๖ พฤศจิกายน
๒๕๕๒ เรื่อง "GHSV หรือ WHSV"
และ
ฉบับที่
๗๕ วันอาทิตย์ที่ ๘ พฤศจิกายน
๒๕๕๒ เรื่อง "การปรับ WHSV"
ในกลศาสตร์ของไหล
(Fluid mechanics)
นั้น มีพารามิเตอร์ไร้มิติ
(dimensionless)
ที่สำคัญตัวหนึ่งคือ
Reynolds number
(ที่ย่อว่า Re)
กล่าวคือไม่ว่าของไหลนั้นจะเป็นแก๊สหรือของเหลว
ไม่ว่าจะมีความหนืดหรือความหนาแน่นเท่าใดก็ตาม
(พารามิเตอร์สองตัวหลังนี้เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ)
ถ้าการไหลนั้นมีค่า
Re เดียวกัน
พฤติกรรมการไหลจะเหมือนกัน
ทำให้เราสามารถใช้ความรู้ที่ได้จากการทดลองในระบบขนาดเล็ก
ขยายขนาดขึ้นเป็นระบบขนาดใหญ่ได้
ในการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์เคมี
(Chemical reactor)
ก็มีพารามิเตอร์ทำนองเดียวกันคือ
Space Velocity
ในกรณีของปฏิกิริยาเอกพันธ์
(Homogeneous
reaction) ค่านี้มักจะนิยามเป็นอัตราการไหลโดยปริมาตรต่อชั่วโมง
(ของสารตั้งต้นที่ป้อนเข้าเครื่องปฏิกรณ์)
ต่อปริมาตรของเครื่องปฏิกรณ์
ถ้าสารที่ไหลเข้านั้นเป็นแก๊สก็จะเรียกว่า
Gas Hourly Space
Velocity (GHSV) และถ้าสารที่ไหลเข้านั้นเป็นของเหลวก็จะเรียกว่า
Liquid Hourly Space
Velocity (LHSV) กล่าวคือที่ค่า
Space Velocity
เดียวกัน ค่า conversion
สารตั้งต้นก็ควรจะเท่ากัน
แต่ทั้งนี้พฤติกรรมการผสมของสารในเครื่องปฏิกรณ์นั้นยังคงต้องเหมือนเดิม
ปรกติก็จะอิงอยู่ที่เป็นการผสมที่สม่ำเสมอ
ทั่วถึงเป็นเนื้อเดียวกัน
ถ้าเป็นเครื่องปฏิกรณ์แบบถังปั่นกวน
(Stirred tank)
ก็หมายถึงความเข้มข้นเหมือนกันตลอดถังปริมาตรในถัง
ถ้าเป็นเครื่องปฏิกรณ์แบบท่อ
(Tubular reactor)
ก็หมายถึงความเข้มข้นตลอดพื้นที่หน้าตัดจะเท่ากันหมด
ไม่ว่าเป็นที่ตำแหน่งความยาวตำแหน่งใด
ๆ ก็ตาม
(แต่ความเข้มข้นเปลี่ยนแปลงได้ตามแนวความยาวของเครื่องปฏิกรณ์)
ในกรณีของปฏิกิริยาวิวิธพันธ์
(Heterogeneous
reaction)
ที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งนั้นจะแตกต่างออกไปเล็กน้อย
กล่าวคือแทนที่จะอิงปริมาตรเครื่องปฏิกรณ์ก็จะไปอิงน้ำหนักของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้นั้นแทน
อีกเรื่องที่แตกต่างออกไปก็คือพฤติกรรมการไหลของของไหลที่ไหลผ่านพื้นผิวของแข็ง
มันจะมีเรื่องของชั้นฟิล์มต้านทานการถ่ายเทมวลสารและพลังงานความร้อนเข้ามายุ่ง
การมีหรือไม่มีความต้านทานนี้ขึ้นอยู่กับอัตราการไหลของของไหล
กล่าวถือถ้าอัตราการไหลสูงพอก็จะไม่มีชั้นฟิล์มต้านทาน
แต่ถ้าอัตราการไหลต่ำเกินไปมันก็จะเกิด
และจะหนาขึ้นเรื่อย ๆ
ตามค่าการอัตราการไหลที่ลดต่ำลง
ดังการใช้ค่า WHSV
เปรียบเทียบการทำปฏิกิริยาจึงต้องมั่นใจว่าผลที่นำมาเปรียบเทียบกันนั้นไม่ได้มีผลของความต้านทานการแพร่ผ่านชั้นฟิล์มปนอยู่
สำหรับวันนี้จะเป็นกรณีของการทดลองกับ
Fixed-bed reactor
คำถามหนึ่งสำหรับผู้ที่ทำการทดลองเปรียบเทียบความว่องไวในการทำปฏิกิริยาของตัวเร่งปฏิกิริยาต่างชนิดกันต้องตอบให้ได้ก็คือควรใช้
WHSV เท่าไรดี
คำตอบของคำถามดังกล่าวอาศัยหลักการที่ว่า
ค่าสัดส่วนสารตั้งต้นที่ทำปฏิกิริยาไป
(ที่เรียกว่าติดปากว่าค่า
conversion)
ไม่ควรจะต่ำไปหรือสูงเกินไป
ค่า conversion
ที่ต่ำมากนั้น (ผลจากการใช้
WHSV ที่สูงเกินไป)
ผลความคลาดเคลื่อนจากการวิเคราะห์ตัวอย่างจะมีส่วนสูง
ยากที่จะบอกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาตัวไหนว่องไวกว่ากัน
ในขณะที่ความเข้มข้นสูงมากจนติดระดับ
converion 100% นั้น
(ผลจากการใช้
WHSV ที่ต่ำเกินไป)
มันก็ไม่บอกอะไรเลย
ดังนั้นค่า WHSV
ที่เหมาะสมจึงควรเป็นค่าที่ให้ค่า
conversion
ที่ไม่ต่ำเกินไป
และก็ไม่ควรให้สูงถึงระดับ
100%
แต่ถ้าเป็นการหาว่าเมื่อสารตั้งต้น
A เริ่มสลายตัว
จะเกิดสารอะไรเป็นผลิตภัณฑ์สารแรก
อย่างเช่นเราทดลองทำปฏิกิริยาและพบ
B กับ
C เป็นผลิตภัณฑ์
แล้วเกิดคำถามขึ้นมาว่าการเกิด
B และ
C
นั้นเป็นปฏิกิริยาคู่ขนานกัน
(คือ
A เปลี่ยนไปเป็น
B และ
C ได้โดยตรง)
หรือเป็นปฏิกิริยาที่เกิดต่อเนื่อง
(คือ
A เกิดเป็น
B ก่อน
จากนั้น B
จึงค่อยเปลี่ยนเป็น
C)
ในกรณีนี้จะทำการทดลองที่ค่า
conversion
ต่ำเข้าใกล้ศูนย์
กล่าวคือที่ค่า conversion
ต่ำมากนี้ ถ้าปฏิกิริยาเกิด
B และ
C
เป็นปฏิกิริยาคู่ขนาน
เราจะเห็นทั้ง B
และ C
ในสายผลิตภัณฑ์
แต่ถ้าเป็นปฏิกิริยาที่เกิดต่อเนื่อง
เราจะเห็นเฉพาะ B
ในสายผลิตภัณฑ์โดยไม่เห็น
C
ถ้าเป็นการทดลองเพื่อวัดค่าจลนศาสตร์การเกิดปฏิกิริยา
(Kinetic parameters)
ยังมีเงื่อนไขอื่นที่ต้องพิจารณาอีก
๒ เงื่อนไขด้วยกัน เงื่อนไขแรกคือค่า
WHSV
ที่ใช้ในการทดลองต้องไม่ทำให้เกิดชั้นฟิล์มต้านทานการถ่ายเทมวลสารและความร้อนระหว่าง
bulk fluid
กับพื้นผิวภายนอกของอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยา
(External mass and
heat transfer resistance)
ซึ่งค่านี้อาจหาได้จากการทดลองด้วยการปรับอัตราการไหลและน้ำหนักตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้โดยให้ค่า
WHSV เท่ากัน
ถ้าพบว่าค่าอัตราการไหลที่ต่ำที่สุดที่ทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาไม่สูงขึ้น
ก็แสดงว่าที่อัตราการไหลค่านั้นหรือต่ำกว่านั้นจะเกิดชั้นฟิล์มต้านทานขึ้น
เงื่อนไขที่สองคือขนาดของอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยา
(และขนาดรูพรุน)
ต้องไม่ทำให้เกิด
Internal mass
transfer resistance
เพราะไม่เช่นนั้นอัตราการหายไปของสารตั้งต้นถ้าถูกควบคุมด้วยอัตราการแพร่แทนที่จะเป็นอัตราการทำปฏิกิริยา
การจะมีความต้านทานตรงนี้หรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย
ไม่ว่าจะเป็นขนาดโมเลกุลสารตั้งต้น
ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนที่สารตั้งต้นต้องแพร่เข้าไป
และขนาดของอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยา
แต่โดยหลักคือถ้าอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยามีขนาดเล็กมาก
รูพรุนมีขนาดใหญ่
และโมเลกุลสารตั้นต้นมีขนาดเล็ก
ก็ถือได้ว่าในการทดลองนั้นไม่มี
Internal mass
transfer resistance การหาว่าการทดลองนั้นจะมีปัญหา
Internal mass
transfer resistance
หรือไม่นั้นทำได้ด้วยการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีขนาดอนุภาคแตกต่างกัน
ทำการทดลองที่ WHSV
เดียวกัน
ถ้าพบว่าการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีขนาดอนุภาคเล็กลงถึงระดับหนึ่งหรือเล็กกว่านั้นแล้วไม่ทำให้ค่า
conversion
ของสารตั้งต้นเพิ่มขึ้น
ก็แสดงว่าขนาดอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใหญ่ไม่เกินค่านั้นจะไม่มีปัญหาเรื่อง
Internal mass
transfer resistance แล้ว
และเช่นเดียวกันอาจใช้วิธีการคำนวณก็ได้
แต่มันจะวุ่นวายกว่า
พึงสังเกตว่ากรณีของอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยานั้น
มักจะกล่าวถึงความต้านทานการถ่ายเทมวลสารภายในรูพรุนเป็นหลัก
ไม่ค่อยจะพูดถึงความต้านทานการถ่ายเทความร้อน
ทั้งนี้เป็นเพราะของแข็งนั้นมีค่าการนำความร้อนที่สูง
ยิ่งเป็นอนุภาคขนาดเล็กด้วยแล้วจะถือได้ว่าอุณหภูมิตลอดทั้งอนุภาคของแข็ง
(ไม่ว่าจะเป็นที่แกนกลางหรือที่ผิว)
จะเท่ากันหมด
จะยกเว้นบ้างก็กรณีของปฏิกิริยาคายความร้อนสูงและอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยามีขนาดใหญ่
ที่อาจทำให้อุณหภูมิที่กึ่งกลางของอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยานั้นสูงกว่าที่ผิวนอก
ท้ายสุดนี้ก็ไม่มีอะไร
ขอเอาอีเมล์ที่เขาส่งมาถึงผมเมื่อบ่ายวันอาทิตย์แต่ผมเพิ่งจะเปิดเห็นเมื่อเช้าวันนี้มาลงเสียหน่อย
อีเมล์นี้เป็นเรื่องเกี่ยวกับเหตุการณ์เมื่อ
๓๔ ปีที่แล้ว
ตอนไปเข้าค่ายอาสาฯที่จังหวัดอุตรดิตถ์
ซึ่งเป็นการร่วมกิจกรรมค่ายอาสาเพียงครั้งเดียวในชีวิตการเรียนปริญญาตรีของผม
เรียกว่าเป็นอีเมล์ที่ไปคุ้ยเอาความทรงจำที่เก็บเอาไว้ในซอกเล็ก
ๆ ของลิ้นชักความทรงจำของตัวเอง
ว่าครั้งหนึ่งในชีวิตก็ได้มีโอกาสทำบางสิ่งบางอย่างที่เป็นประโยชน์
ให้กับใครสักคนที่ไม่เคยรู้จัก
ไม่เคยพบปะอะไรกันมาก่อน
แต่ก็ยังทำให้เขาจำได้จนถึงทุกวันนี้
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น