ค่ำวันศุกร์ ระหว่างนั่งละเลียดฟองเครื่องดื่มอยู่ระหว่างรับประทานอาหารค่ำ พอเปิด facebook ดูก็พบว่ามีข้อความจากศิษย์เก่าทักเข้ามาตั้งแต่เช้า แต่ด้วยบรรยากาศขณะนั้น ก็เลยตอบคำถามเขาไปสั้น ๆ ก่อน ก่อนที่จะอธิบายเพิ่มเติมในวันรุ่งขึ้น ส่วนที่ว่าเขาทักมาเรื่องอะไร ก็ลองอ่านเล่นจากรูปข้างล่างก่อนนะครับ
ผมทักกลับไปว่าเขาทำงานอยู่บริษัทไหน แต่ไม่ได้รับคำตอบ แต่โจทย์อย่างนี้ที่เคยเจอ มันเหมือนกับหน่วยหนึ่งของโรงงานผลิต HDPE ด้วย slurry phase และไหน ๆ ก็ตอบเขาไปแล้ว ก็ขอเขียนบันทึกนี้ขึ้นมาเพื่อเป็นการเอาสิ่งที่บอกเขาไปมาขยายความให้ละเอียด โดยจะขอเล่าเป็นข้อ ๆ ไปก็แล้วกัน
๑. ในวิชาเคมี เราจะเรียนกันว่าไฮโดรคาร์บอน (เป็นโมเลกุลที่ไม่มีขั้ว) กับน้ำ (ที่เป็นโมเลกุลมีขั้ว) จะไม่ละลายเข้าด้วยกัน ในการทำการทดลองเมื่อเราหยดไฮโดรคาร์บอนลงไปบนน้ำ มันจะลอยอยู่เหนือผิวหน้าน้ำ แต่ในความเป็นจริงนั้นน้ำสามารถละลายเข้าไปในเฟสไฮโดรคาร์บอนได้เล็กน้อย และไฮโดรคาร์บอนก็สามารถละลายเข้าไปในเฟสน้ำได้เล็กน้อยเช่นกัน ส่วนจะละลายเป็นเฟสเดียวกันได้มากน้อยเท่าใดก็ขึ้นอยู่กับขนาดและรูปร่างโมเลกุลของไฮโดรคาร์บอน และอุณหภูมิ (รูปที่ ๒) โดยอุณหภูมิที่สูงขึ้นจะทำให้ไฮโดรคาร์บอนละลายเข้าไปในเฟสน้ำได้ดีขึ้น และในทำนองเดียวกันน้ำก็ละลายเข้าไปในเฟสไฮโดรคาร์บอนได้ดีขึ้น ทั้งนี้เป็นเพราะแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลตัวทำละลายลดลง และอยู่ห่างกันมากขึ้น ก็เลยทำให้ตัวถูกละลายแทรกเข้าไปอยู่ระหว่างตัวทำละลายได้ง่ายขึ้น
(ข้อมูลจาก https://petrowiki.spe.org/Equilibrium_of_water_and_hydrocarbon_systems_without_hydrates)
๒. การเกิดพอลิเมอร์ในตัวทำละลายนั้น โมโนเมอร์ที่เป็นแก๊สจะละลายเข้าไปในตัวทำละลายและเกิดการต่อโมเลกุลเข้าด้วยกันเป็นสายโซ่ที่ยาวขึ้นเรื่อย ๆ โดยที่ยังละลายได้ในตัวทำละลาย แต่เมื่อสายโซ่ยาวถึงระดับหนึ่งก็จะแยกตัวเป็นของแข็งแขวนลอยอยู่ในตัวทำละลาย (สายโซ่ที่ยาวขึ้นจะมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างกันมากขึ้นจนเกาะรวมกันเป็นกลุ่มใหญ่) กลายเป็นเฟสที่เราเรียกว่า "slurry" สายโซ่พอลิเมอร์ที่ยาวจนแยกตัวออกมาเป็นของแข็งนี้เราเรียกว่าเป็น "polymer" ในขณะที่ส่วนที่ยังละลายอยู่ในตัวทำละลายเราเรียกว่าเป็น "oligomer"
๓. โอลิโกเมอร์เป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้อง แต่ไม่สามารถนำไปขึ้นรูปเป็นชิ้นงาน เช่น ขวด ฟิลม์ ภาชนะพลาสติก ฯลฯ (ทำนองเดียวกับเทียนไขที่เป็นโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนขนาดใหญ่ เราทำได้แค่หล่อให้มันเป็นรูปร่างต่าง ๆ) ถ้าจะให้โอลิโกเมอร์ไหลไปตามท่อได้ ก็ต้องทำให้มันมีอุณหภูมิสูงพอจนหลอมเหลว แต่ถ้ามันละลายอยู่ในเฮกเซน ก็จะทำให้มันไหลได้ง่ายขึ้น แต่ถ้าจะให้มันละลายได้ดีก็ต้องใช้อุณหภูมิที่สูง แต่เฮกเซนนั้นมีจุดเดือดต่ำ จึงต้องมีการใช้ความดันช่วยกดเพื่อให้เฮกเซนยังเป็นของเหลวอยู่
๔. ตัวเร่งปฏิกิริยาตระกูล Ziegler-Natta หรือ Metallocene ที่ใช้ในการผลิตพอลิโอเลฟินส์นั้นถูกทำลายได้ง่ายด้วยน้ำ ดังนั้นตัวทำละลาย (เช่นเฮกเซน) ที่จะนำมาใช้ในกระบวนการจึงต้องผ่านการกำจัดน้ำปนเปื้อนอยู่ออกไปก่อน ที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศ ความเข้มข้นอิ่มตัวของน้ำในเฮกเซนสูงได้ถึงหลายร้อย ppm ซึ่งตรงนี้ขึ้นอยู่กับว่าเฮกเซนที่ได้มานั้นผ่านอะไรมาบ้าง ความเข้มข้นน้ำปนเปื้อนในเฮกเซนในระดับหลักร้อย ppm นี้ถือว่าสูงมากเกินไป จำเป็นต้องทำการกำจัดออกก่อน
๕. เฮกเซนที่ผ่านการแยกเอาพอลิเมอร์ที่เป็นของแข็งออกไปแล้ว จะมีโอลิโกเมอร์ละลายอยู่ และยังมีสิ่งปนเปื้อนอื่นเช่นสารประกอบโลหะที่มาจากตัวเร่งปฏิกิริยา ดังนั้นเพื่อที่จะเอาตัวทำละลายกลับมาใช้งานใหม่ ก็ต้องแยกเอาเฮกเซนและโอลิโกเมอร์ออกจากกัน รวมทั้งกำจัดเอาสารปนเปื้อนนั้นออกจากเฮกเซนด้วย
๖. ลดความดันหรือเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น ก็จะทำให้เฮกเซนระเหยแยกออกมาจากโอลิโกเมอร์ (แน่นอนว่ายังมีเฮกเซนบางส่วนตกค้างอยู่กับโอลิโกมเมอร์) ส่วนอุณหภูมิจะสูงเท่าไรนั้น ก็ควรสูงพอที่จะทำให้โอลิโกเมอร์ยังเป็นของเหลวอยู่ จะได้ปั๊มส่งไปตามท่อได้
การให้ความร้อนนั้นทำได้หลายวิธี เช่นใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนหรือการฉีดไอน้ำเข้าไปโดยตรง ในกรณีที่ใช้การฉีดไอน้ำเข้าไปโดยตรง เมื่อไอระเหยของเฮกเซน + น้ำ ควบแน่น ก็จะแยกตัวเป็นสองเฟส คือเฟสน้ำที่มีเฮกเซนและสิ่งปนเปื้อนที่ละลายนำได้ละลายปนอยู่อยู่ชั้นล่าง และเฟสเฮกเซนที่มีน้ำละลายปนอยู่อยู่ชั้นบน โดยเฟสเฮกเซนที่มีน้ำละลายปนอยู่นี้ สามารถนำไปรวมกับเฮกเซนที่ป้อนเข้ามาใหม่ (ที่มีน้ำปนอยู่เช่นกัน) และส่งไปยังหน่วยกำจัดน้ำออกจากเฮกเซน
๗. การกำจัดน้ำที่ละลายอยู่ในเฮกเซนทำได้หลายวิธี แต่ละวิธีก็เหมาะกับความเข้มข้นเริ่มต้นและความเข้มข้นสุดท้ายของน้ำที่ต้องการ ปริมาณเฮกเซนที่ต้องทำการกำจัดน้ำ ค่าใช้จ่ายในนการทำงาน ฯลฯ
๘. การใส่สารบางตัวเข้าไปทำปฏิกิริยากับน้ำที่ปนเปื้อนอยู่นั้นเป็นวิธีการที่เหมาะสมในกรณีที่ต้องการให้มีน้ำหลงเหลืออยู่ในปริมาณน้อยมาก แต่ไม่เหมาะกับกรณีที่ความเข้มข้นเริ่มต้นของน้ำนั้นสูง ตัวอย่างวิธีการนี้คือการใช้ใส่โลหะโซเดียมลงไปในตัวทำละลายไฮโดรคาร์บอน โลหะโซเดียมจะทำปฏิกิริยากับน้ำกลายเป็นโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) แยกตัวเป็นของแข็งออกมา วิธีการนี้เป็นวิธีการหนึ่งที่ใช้ในห้องปฏิบัติการ
๙. การใช้สารดูดความชื้นดูดจับน้ำเอาไว้เหมาะกับการดักจับน้ำในปริมาณไม่มาก เพราะเมื่อสารดูดความชื้นจับน้ำจนอิ่มตัว ก็ต้องมีการไล่น้ำออกเพื่อนำกลับมาใช้งานใหม่ (ปรกติก็จะใช้แก๊สเฉื่อยที่ร้อนเข้าไปเป่าไล่) ระยะเวลาตั้งแต่เริ่มใช้งานจนสารดูดความชื้อดูดซับน้ำจนอิ่มตัว และระยะเวลาที่ต้องใช้ในการไล่น้ำออกจากสารดูดความชื้นเพื่อจะนำมันกลับมาใช้งานใหม่ จะเป็นต้วบอกว่าเทคนิคนี้เหมาะสมหรือไม่
ความเข้มข้นสุดท้ายของน้ำที่หลงเหลืออยู่จะขึ้นกับชนิดสารดูดซับที่ใช้ สารดูดความชื้นที่สามารถลดความเข้มข้นของน้ำได้ต่ำมากได้ ก็ต้องใช้ความร้อนที่สูงมากขึ้นในการไล่น้ำออกจากสารดูดความชื้นนั้น
๑๐. การกลั่นเป็นอีกวิธีการหนึ่งที่สามารถนำมาใช้ได้ ส่วนจะเป็นการกลั่นแบบ batch หรือแบบต่อเนื่องก็ขึ้นอยู่กับปริมาณเฮกเซนที่ต้องนำมาผ่านกำจัดน้ำ ถ้ามีปริมาณมาก็จะใช้กระบวนการกลั่นแยกแบบต่อเนื่อง
แต่การต้มให้สารส่วนใหญ่กลายเป็นไอออกทางยอดหอ โดยมีเพียงเล็กน้อยที่เป็้นของเหลวออกทางก้นหอนั้นไม่ดีแน่ เพราะต้องใช้พลังงานที่มากในการระเหย และใช้น้ำหล่อเย็นในปริมาณมากเพื่อควบแน่นไอระเหย
๑๑. แต่สารละลายเฮกเซน + น้ำ มันมี azeotrope อยู่ (รูปที่ ๓ และ ๕) แบบเดียวกับ เอทานอล + น้ำ หรือไอโซโพรพานอล + น้ำ ทำให้เมื่อนำเฮกเซนที่มีน้ำละลายปนอยู่เล็กน้อยไปกลั่นแยก ไอระเหยที่ออกทางด้านบนของหอจะมีความเข้มข้นของน้ำ "สูงกว่า" ของเหลวที่ออกทางก้นหอ (แม้ว่าน้ำจะมีจุดเดือดที่สูงกว่าเฮกเซน) ดังนั้นเฮกเซนที่ออกทางก้นหอจะมีความเข้มข้นของน้ำลดต่ำลง ที่คุ้มค่าที่จะกำจัดด้วยวิธีการอื่น เช่นการใช้สารดูดซับ หรือใส่สารบางตัวเข้าไปทำปฏิกิริยาทำลาย (เช่นเพิ่มปริมาณ alkyl aluminium ที่ใช้ ในกรณีของระบบตัวเร่งปฏิกิริยา Ziegler-Natta)
ไม่รู้เหมือนกันว่าพอจะช่วยเขาได้หรือเปล่า แต่คำถามที่ศิษย์เก่ามักถามผมมา มักจะอยู่ในวิชาที่ผมไม่ได้สอน :) :) :)
