รู้ทันนักวิจัย (๒๔) ไฮโดรเจนมาจากไหน MO Memoir : Sunday 28 June 2563

หลายสิ่งหลายอย่างนะครับที่เขาอ้างว่ามันสะอาด ไม่ก่อให้เกิดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมเมื่อนำไปใช้งาน มันก็ทำให้รู้สึกเช่นนั้นได้ครับ ตราบเท่าที่ไม่ได้ไปดูว่ามันได้มายังไง มันมีทางเลือกอื่นที่ดีกว่าหรือไม่ และหลังจากใช้งานไปแล้ว มันเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมจริงอย่างที่เขาอ้างหรือไม่

  

ไฮโดรเจนเป็นสารที่ไม่ได้มีอยู่อย่างอิสระในธรรมชาติ เราจำเป็นต้องผลิตมันขึ้นจากวัตถุดิบที่มีอยู่ในธรรมชาติ ไฮโดรเจนถูกมองว่าเป็นพลังงาน "สะอาด" เนื่องจากการเผาไหม้มันนั้นทำให้เกิด "น้ำ - H₂O" เท่านั้น โดยไม่ทำให้เกิด "คาร์บอนไดออกไซด์ - CO₂" ที่เป็นแก๊สเรือนกระจก ซึ่งถ้ามองแค่นี้มันก็ถูกอย่างที่เขาอ้าง ตราบเท่าที่ยังไม่ไปดูว่าเราไปได้ไฮโดรเจนมาจากไหน

รูปที่ ๑ เส้นทางการผลิตไฮโดรเจน (๑) คือ Steam reforming ที่เป็นเส้นทางใหญ่ที่สุดของอุตสาหกรรมปิโตรเคมี เส้นทาง (๒) คือกระบวนการผลิตโซดาไฟ ไฮโดรเจนส่วนหนึ่งจากกระบวนการนี้ถูกนำไปผลิต HCl ด้วยการทำปฏิกิริยากับแก๊สคลอรีนที่เกิดร่วม เส้นทาง (๓) คือกระบวนการทำให้ไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลใหญ่แตกออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลง หรือดึงไฮโดรเจนออกจากโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวโดยตรง ปฏิกิริยานี้ใช้การเปลี่ยนน้ำมันหนัก (เช่นน้ำมันเตา) ให้เป็นน้ำมันเบา (เช่นเบนซิน ดีเซล) ที่มีความต้องการมากกว่าและมีมูลค่าสูงกว่า และใช้ในการผลิตโอเลฟินส์ที่เป็นสารตั้งต้งของอุตสาหกรรมปิโตรเคมี ส่วนเส้นทางล่างสุด (๔) คือความฝันที่ยังไม่เป็นจริงเสียทีคือจากกระบวนการ Cold fusion

   

สารอินทรีย์ในธรรมชาติที่มีสัดส่วนอะตอม H ในโมเลกุลมากที่สุดคือมีเทน CH₄ และบังเอิญว่าเรามีแหล่งแก๊สมีเทนอยู่ตามธรรมชาติในปริมาณมากด้วย แต่ปัญหาก็คือพันธะ C-H ของมีเทนนั้นมีพลังงานพันธะที่สูงเมื่อเทียบกับพันธะ C-H ของคาร์บอนอิ่มตัวด้วยกัน ทำให้การแตกพันธะ C-H ของมีเทนไม่ใช่เรื่องง่าย กระบวนการหลักในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีที่ใช้ผลิตไฮโดรเจนจากมีเทนคือปฏิกิริยา steam reforming (รูปที่ ๑ (๑)) โดยนำมีเทนมาทำปฏิกิริยากับไอน้ำที่อุณหภูมิสูง (ระดับ 1,000ºC) และยังต้องมีตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยอีก ผลิตภัณฑ์ที่ได้เรียกว่าแก๊สสังเคราะห์ (synthesis gas หรือนิยมเรียกกันย่อ ๆ ว่า syn gas) ที่ประกอบด้วย CO, CO₂ และ H₂ 

   

กระบวนการที่สอง (รูปที่ ๑ (๒)) ที่เป็นแหล่งที่มาของไฮโดรเจนอีกแหล่งหนึ่งได้แก่การผลิตโซดาไฟ (NaOH) ที่ได้จากการนำเอาสารละลายเกลือ (NaCl) มาเข้ากระบวนการ electrolysis ที่ใช้กระแสไฟฟ้า ในกระบวนการนี้จะได้แก๊สไฮโดรเจนและคลอรีนเป็นผลพลอยได้ (บางโรงงานอาจเอาไฮโดรเจนและคลอรีนไปผลิตเป็นกรดเกลือ HCl ต่อเลย จะได้ไม่มีปัญหาเรื่องการเก็บแก๊สคลอรีนที่เป็นแก๊สพิษ) พวกอุตสาหกรรมกลั่นน้ำมันหรือปิโตรเคมีจะไม่นิยมใช้กระบวนการนี้ (เพราะไม่รู้ว่าจะเอาสารละลายโซดาไฟกับแก๊สคลอรีนไปทำอะไร ต้องหาตลาดให้มันอีก) เว้นแต่จะเป็นกระบวนการที่มีความจำเป็นต้องใช้แก๊สคลอรีน (เช่นในการผลิตไวนิลคลอไรด์ H₂C=CHCl) 

   

กระบวนการที่สามที่เป็นแหล่งที่มาของไฮโดรเจนคือ thermal cracking/catalytic cracking/catalytic dehydrogenation (รูปที่ ๑ (๓)) สำหรับโรงกลั่นน้ำมันกระบวนการ cracking เป็นการทำให้โมเลกุลไฮโดรคาร์บอนขนาดใหญ่แตกออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลง แต่สำหรับปิโตรเคมีจะเป็นการผลิตสารประกอบโอเลฟินส์ (พวกที่มีพันธะไม่อิ่มตัว C=C) เพื่อนำไปใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตสารอื่นต่อ ปฏิกิริยา thermal cracking นี้เป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน ส่วนจะใช้อุณหภูมิระดับไหนก็ขึ้นอยู่กับสารตั้งต้น ถ้าเป็นพวกไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลใหญ่ก็อาจอยู่ที่ระดับราว ๆ 500ºC ถ้าเป็นอีเทนก็อยู่ที่ระดับราว ๆ 900ºC ถ้าเป็นโรงงานที่อยู่ในกลุ่มอุตสาหกรรมที่มีโรงโอเลฟินส์ตั้งอยู่ด้วย ก็สามารถรับเอาไฮโดรเจนจากโรงงานผลิตโอเลฟินส์มาใช้ (ถ้าเขามีเหลือขายให้) แต่สำหรับโรงงานที่ตั้งอยู่โดดเดี่ยวหรือแยกห่างออกมานั้น (เช่นโรงงานผลิตเหล็กกล้าที่ปรกติก็ไม่ได้ตั้งอยู่ร่วมกับนิคมอุตสาหกรรมปิโตรเคมี) ก็อาจตั้งหน่วย thermal cracking ขึ้นมาเองโดยใช้แก๊สปิโตรเลียมเหลว (LPG) เป็นสารตั้งต้น

  

ทั้งสามกระบวนการหลักที่กล่าวมาข้างต้นจะเห็นว่ามีการใช้ "ความร้อน" และ "กระแสไฟฟ้า" เพื่อให้ได้มาซึ่งแก๊สไฮโดรเจน และในปัจจุบันการให้ได้มาซึ่งความร้อนและกระแสไฟฟเในการผลิตในระดับอุตสาหกรรม ยังพึ่งพาการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลเป็นหลักที่เป็นตัวปลดปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ ถึงแม้ว่าการผลิตไฟฟ้านั้นอาจจะมีจากแหล่งอื่นที่ไม่ได้มีการปลดปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์อยู่บ้างก็ตาม

  

กระบวนการที่สี่หรือ Cold fusion นั้นเคยเล่าไว้บ้างแล้วใน Memoir ฉบับวันเสาร์ที่ ๑๐ สิงหาคม ๒๕๖๒ เรื่อง "รู้ทันนักวิจัย (๒๒) ไฮโดรเจนจากน้ำและแสงอาทิตย์" คือเมื่อกว่า ๓๐ ปีที่แล้วมีความคาดหวังกันสูงว่าจะสามารถสร้างปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เรียกว่า cold fusion ได้ ซึ่งจะทำให้ได้แหล่งพลังงานที่มีการปลดปล่อยกัมมันตรังสีที่ต่ำกว่า nuclear fission ที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันมาก และสามารถที่จะนำเอาความร้อนที่ได้นั้นไปผลิตกระแสไฟฟ้าเพื่อทำการแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน จากนั้นก็จะแยกเอาดิวทีเรียมออกจากน้ำเพื่อนำมาป้อนเข้าสู่กระบวนการ cold fusion ส่วนไฮโดรเจนที่เป็นผลิตภัณฑ์หลักที่ได้จากการแยกน้ำนั้นก็จะกลายมาเป็นเชื้อเพลิงสะอาด

  

บทความเรื่อง cold fusion นี้ (รูปที่ ๒) เป็นที่ฮือฮามากในช่วงเดือนมีนาคม-เมษายน ค.ศ. ๑๙๘๙ (พ.ศ. ๒๕๓๒) เรียกว่าเป็นข่าวใหญ่ในตอนนั้นเลย ทำให้หลายคณะวิจัยพยายามที่จะทำซ้ำการทดลองดังกล่าว แต่ดูเหมือนจะไม่มีใครสามารถทำซ้ำได้ ผ่านไปเพียงแค่เดือนเดียวพอเข้าต้นเดือนพฤษภาคมข้อสงสัยเรื่องความถูกต้องของการทำ cold fusion นี้ก็สะสมมากขึ้นเรื่อย ๆ จนถึงกับมีบทความตีพิมพ์ออกมา (รูปที่ ๓)

  

แต่จะว่าไปแล้วดูเหมือนว่าปัจจุบันก็ยังมีบางกลุ่มวิจัยยังทำวิจัยเรื่องนี้อยู่ เพียงแต่มันแทบจะไม่มีข่าวให้เห็น คงเกรงว่าจะเกิดเหตุการณ์ประวัติศาสตร์ซ้ำรอย

  

 รูปที่ ๒ บทความที่เป็นต้นเรื่อง cold fusion ที่ทำให้เกิดข่าวดังไปทั่วโลกเมื่อ ๓๐ ปีที่แล้ว ก่อนที่จะพบต่อมาว่าเป็นการทดลองที่ยังไม่มีใครสามารถทำซ้ำได้

ช่วงเวลาเดียวกันนั้น ในขณะที่มีความเชื่อว่าจะมีไฮโดรเจนราคาถูกในเวลาไม่นาน งานวิจัยในอีกสาขาหนึ่งก็มีการทำกันอย่างแพร่หลาย นั่นก็คือ "เซลล์เชื้อเพลิงหรือ Fuel cell" มีทั้งการศึกษาทั้งภาคปฏิบัติและภาคทฤษฎีกันอย่างแพร่หลาย ก่อนที่จะมีการแตกแนวทางออกไปเป็นการผลิตไฮโดรเจนจากชีวมวล (biomass, การผลิตไฮโดรเจนจาก "ไฮโดรคาร์บอน" แล้วป้อนให้เซลล์เชื้อเพลิงโดยตรง รวมทั้งการใช้สารอินทรีย์โมเลกุลเล็กเป็นเชื้อเพลิงของเซลล์เชื้อเพลิง

  

การเปลี่ยนชีวมวล (ซึ่งรวมเชื้อเพลิงฟอสซิลด้วย) เป็นพลังงานความร้อน แล้วจึงนำเอาพลังงานความร้อนนั้นไปเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าหรือขับเคลื่อนยานพาหนะ เมื่อเทียบกับการใช้ทำให้ชีวมวลสลายตัวเพื่อนำเอาเฉพาะไฮโดรเจนมาเป็นเชื้อเพลิงให้กับเซลล์เชื้อเพลิงนั้น กระบวนการใดมีความคุ้มค่าไม่ว่าจะเป็นในแง่ของเศรษฐศาสตร์หรือสิ่งแวดล้อมนั้น ก็คงตอบได้ไม่ยากด้วยการมองรอบตัวเราว่าในขณะนี้ในชีวิตประจำวันเราใช้วิธีการใดอยู่

  

รูปที่ ๓ บทความหนึ่งที่กล่าวถึงความพยายามที่จะทำซ้ำผลการทดลอง บทความต้นฉบับนั้นยาวกว่านี้ ผมตัดข้อความมาบางส่วนเฉพาะตรงเนื้อหาส่วนที่เกี่ยวกับความพยายามที่จะทำซ้ำการทดลองด้วยคณะวิจัยอื่น แต่ไม่ประสบความสำเร็จ หรือพบว่าสิ่งที่มีการกล่าวอ้างนั้นเป็นผลจาก error ในการทำการทดลอง

  

ชีวมวลประกอบด้วยธาตุคาร์บอน ไฮโดรเจน และออกซิเจนเป็นหลัก การผลิตไฮโดรเจนจากชีวมวลจำเป็นต้องทิ้งคาร์บอนออกไปในรูปของ CO₂ ดังนั้นการเอาไฮโดรเจนที่ได้จากชีวมวลไปใช้เป็นเชื้อเพลิง "สะอาด" มันก็อ้างได้ถ้าหากจำกัดการมองเพียงแค่ว่าตอนใช้งานไฮโดรเจน โดยห้ามมองย้อนกลับไปว่าไฮโดรเจนนั้นได้มาอย่างไร

  

ในทำนองเดียวกันความพยายามที่จะเปลี่ยน CO₂ กลับไปเป็นสารอินทรีย์ที่มีสัดส่วนไฮโดรเจนในโมเลกุลสูงขึ้นด้วยการอ้างว่าเป็นการลดภาวะโลกร้อนด้วยการนำเอา CO₂ มาใช้ประโยชน์นั้น มันก็อ้างได้ตราบเท่าที่ไม่หันไปมองว่าได้ไฮโดรเจนนั้นมาอย่างไร (ได้จากกระบวนการที่ปลดปล่อย CO₂ หรือไม่) และพลังงานจำนวนมากที่ต้องใส่เข้าไปเพื่อเปลี่ยน CO₂ นั้นให้กลายเป็นสารอินทรีย์ได้มาจากไหน (ได้จากกระบวนการที่ปลดปล่อย CO₂ หรือไม่)

  

ความพยายามที่จะเปลี่ยน CO₂ กลับไปเป็นสารอินทรีย์ที่มีสัดส่วนไฮโดรเจนในโมเลกุลสูงขึ้น (โดยเฉพาะพวกที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงเหลว) ด้วยการใช้ไฮโดรเจนที่แยกออกมาจากน้ำนั้นมีอยู่ แต่วัตถุประสงค์หลักนั้นไม่ใช่เพื่อการลดภาวะโลกร้อน แต่เป็นการผลิตเชื้อเพลิงเหลวให้กับอากาศยาน ลองนึกภาพกองเรือที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานนิวเคลียร์ที่มีอากาศยานประจำอยู่ที่ท่องเที่ยวไปในท้องทะเล สิ่งหนึ่งที่เป็นขีดจำกัดของกองเรือนี้คือเชื้อเพลิงอากาศยาน ไฮโดรเจนนั้นสามารถใช้ไฟฟ้าที่ได้จากเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในเรือเป็นตัวผลิต ส่วน CO₂ นั้นก็อาจได้จากอากาศหรือน้ำทะเล ดังนั้นถ้าสามารถทำได้ กองเรือนี้ก็จะไม่ต้องกังวลเรื่องการส่งกำลังบำรุง โดยเฉพาะเชื้อเพลิงอากาศยาน

เวลาที่ผมอ่านโครงการที่มีคนขอให้ช่วยพิจารณา เนื้อหาส่วนบทนำหรือที่มาของปัญหานั้นเป็นส่วนหนึ่งที่ผมให้ความสำคัญมากเพราะเป็นส่วนที่แสดงให้เห็นว่าผู้ที่ทำวิจัยเรื่องนั้นมองเห็นภาพรวมของงานทั้งหมดหรือเปล่ามาอันที่จริงมันมีที่มาที่ไปอย่างไร หรือสักแต่ว่าเห็นบทความโน้นบทความนี้เขาว่าอะไร ก็ว่าตามนั้นไปโดยที่ไม่ได้พิจารณาถึงความสมเหตุสมผลของข้ออ้าง

UVCE case 2 TOC 2539(1996) MO Memoir : Sunday 2 September 2561

"... คอมมิชชันนิ่งตอนนั้นเนี่ยเราจ้างชาวตุรกี คนตุรกีคนนั้นเนี่ย ตายแบบทรมานมาก ในโรงงานอุตสาหกรรมเนี่ยเราจะเห็นว่า เขาจะมีใส่ชุดแปลก ๆ เป็นสีน้ำตาล ๆ ไม่สวย เสื้อผ้ายับ ๆ เนี่ย เสื้อนั้นเป็นเสื้อคอตตอน ออกแบบมาว่าเกิดไฟไหม้แล้วคอตตอนมันจะไหม้แล้วมันจะหลุดร่วงไป ผิวหนังเราปลอดภัย นะ แต่วิศวกรคนนั้นเนี่ยใส่เสื้อยืด ใส่เสื้อแบบพวกที่เราใส่อยู่ เป็นเสื้อคอกลม ซึ่ง...(จับใจความไม่ได้)... 60-70% เป็นพอลิเอสเทอร์ คุณลองคิดดูซิครับ เวลาพอลิเอสเทอร์มันไหม้ไฟ มันเกิดอะไรขึ้น มันจะละลายเป็นแผ่นพลาสติกติดกับเนื้อเรา เห็นไหมครับ แกะก็ไม่ได้ ตายทรมานมาก เสียชีวิต นี่เป็น explosion ครั้งที่สอง human error..."
 

ตอนที่ได้ยินกรณีนี้ในระหว่างการบรรยาย ผมงงไปเหมือนกัน ว่าผมพลาดข่าวนี้ไปได้อย่างไร เพราะช่วงนั้นผมเรียนจบกลับมาทำงานแล้ว และเหตุการณ์นี้ก็เกิดหลังจากที่ผมกลับมาทำงานได้สองปีแล้ว พยายามจะค้นหาข้อมูลเก่าทางอินเทอร์เน็ตก็ไม่เจอ ในขณะที่เหตุการณ์การระเบิดที่ TPI เมื่อปี ๒๕๓๑ ยังพอหาได้

รูปที่ ๑ สไลด์ประกอบการบรรยายเหตุการณ์การระเบิดที่บริษัท TOC ที่มาบตาพุดเมื่อปีพ.ศ. ๒๕๓๙ (ค.ศ. ๑๙๙๖) ที่เกิดขึ้นระหว่างการคอมมิชชันนิ่งโรงงานผลิตโอเลฟินส์สร้างใหม่ที่ใช้แนฟทาเป็นวัตถุดิบ ในระหว่างการเริ่มเดินเครื่องนั้นเกิดความผิดพลาดด้วยการระบายแนฟทา (ประมาณ ๑๐๐ ตัน) ลงระบบระบายน้ำทิ้ง ประกอบกับมีการระบายน้ำร้อนลงระบบท่อระบาย ทำให้แนฟทาระเหยกลายเป็นกลุ่มหมอกไอก่อนเกิดการระเบิด จัดว่าเป็น UVCE ครั้งที่ ๒ ในประเทศไทย
 

โชคยังดีครับที่มีโอกาสได้รู้จักกับคุณ Direk Sutchai ทาง Facebook ซึ่งท่านเป็นผู้ที่มีประสบการณ์ทำงานเกี่ยวกับหน่วย cracker ที่ใช้ผลิตโอเลฟินส์โดยตรง และได้ทำงานอยู่ที่มาบตาพุดในช่วงเวลานั้นด้วย จึงได้ขอให้ท่านช่วยตรวจสอบความถูกต้องของข้อมูลที่ผมมีอยู่ (ในรูปที่ ๑ และในคลิปเสียง) และจากเพื่อน ๆ ของท่านที่ทำงานอยู่ที่มาบตาพุดในเวลานั้น และขอความความรู้บางเรื่องโดยเฉพาะการตรวจวัดระดับ interface ระหว่างน้ำกับน้ำมันที่มีการกล่าวถึงในคลิป ดังนั้น Memoir ฉบับนี้จึงต้องขอขอบคุณคุณ Direk Sutchai และเพื่อนของคุณ Direkไว้เป็นอย่างสูงครับที่ได้ช่วยแบ่งปันความรู้และประสบการณ์ให้กับผู้ที่กำลังศึกษาอยู่
 

เนื่องจากผมไม่เคยเขียนเรื่องเกี่ยวกับเหตุการณ์นี้มาก่อน ดังนั้นก่อนที่จะเข้าสู่การเกิดอุบัติเหตุ ก็จะขอปูพื้นฐานก่อนว่าหน่วยที่เกิดเหตุนั้นเป็นหน่วยที่ทำหน้าที่อะไร และมีความสำคัญอย่างไร ดังนั้น Memoir ฉบับนี้อาจจะยาวหน่อย

รูปที่ ๒ ตัวอย่างหนึ่งของระบบ Quench water system สำหรับ cracked gas แก๊ส (1) ที่ผ่านการดึงความร้อนกลับไหลเข้าทางด้านล่างของ Quench tower โดยไหลขึ้นสวนทางกับน้ำ (7, 8) ที่ป้อนเข้าทางด้านบน แก๊สที่ออกทางด้านบน (2) จะมีเป็นแก๊สไฮโดรคาร์บอนที่ไม่ควบแน่นที่อิ่มตัวไปด้วยไอน้ำ น้ำและไฮโดรคาร์บอนที่ควบแน่นจะไหลออกทางก้นหอ (3) ลงสู่ถังแยกน้ำ-น้ำมัน โดยน้ำที่อยู่ด้านล่างจะถูกสูบออกจากทางระดับล่างของถัง (4) ส่วนน้ำมันที่ลอยอยู่บนผิวหน้าน้ำจะถูกสูบออกที่ระดับที่สูงกว่า (5) ดังนั้นจึงต้องมีอุปกรณ์วัดระดับตำแหน่งรอยต่อระหว่างน้ำ-น้ำมัน (6) เพื่อป้องกันไม่ให้น้ำมันถูกสูบออกโดยปั๊มน้ำ (กรณีที่ระดับน้ำต่ำเกินไป) หรือน้ำถูกสูบออกโดยปั๊มน้ำมัน (กรณีที่ระดับน้ำมันสูงเกินไป) รูปนี้นำมาจาก Memoir ปีที่ ๘ ฉบับที่ ๑๑๕๕ วันพฤหัสบดีที่ ๗ เมษายน ๒๕๕๙ เรื่อง "ทำความรู้จักกระบวนการผลิตเอทิลีนตอนที่ ๘ Quench water system"
 

ในการผลิตเอทิลีนนั้น เราจะนำไฮโดรคาร์บอนมาให้ความร้อนสูงจนโมเลกุลเกิดการแตกตัว ในระหว่างที่โมเลกุลเกิดการแตกตัวนี้ ชิ้นส่วนย่อยแต่ละชิ้นที่แตกออกมาจะมีการสลายตัวต่อไปเป็นชิ้นส่วนที่เล็กลงเรื่อย ๆ หรือมีการรวมตัวเข้าด้วยกันเป็นโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้นก็ได้ อย่างเช่นถ้าเรานำเอาอีเทน (ethane C₂H₆) มาให้ความร้อนสูงพอ อีเทนก็จะแตกตัวเป็นเอทิลีน (ethylene H₂C=CH₂ หรือที่นักเรียนม.ปลายในปัจจุบันรู้จักกันในฃื่ออีทีน ethene) แต่ในระหว่างการเกิดปฏิกิริยาการแตกตัวนี้ก็จะมีสารโมเลกุลเล็กบางส่วนเหมือนกันที่รวมตัวกันเป็นโมเลกุลใหญ่ขึ้น ที่กลายเป็นของเหลวได้ที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศ ของเหลวที่ได้นี้มีจำนวนอะตอม C อยู่ในระดับน้ำมันแก๊สโซลีน (หรือน้ำมันเบนซีนที่เราเรียกกันนั่นเอง) มันจึงมีชื่อเรียกว่า pyrolysis gasoline

pyrolysis หมายถึงการสลายตัวด้วยความร้อน ดังนั้น pyrolysis gasoline จึงหมายถึงแก๊สโซลีนที่เป็นผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่ได้จากการสลายตัวด้วยความร้อนเพื่อการผลิตโมเลกุลเล็ก ๆ (เช่นเอทิลีน) อีกคำหนึ่งที่มีความหมายคล้ายกันคือ cracked gasoline ที่หมายถึงแก๊สโซลีนที่ได้จากการแตกตัวของไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลใหญ่ โดยในกรณีหลังนี้จะเป็นการนำเอาไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลใหญ่เช่นระดับน้ำมันเตา มาให้ความร้อนจนโมเลกุลแตกเล็กลงเป็นน้ำมันแก๊สโซลีนที่เป็นผลิตภัณฑ์หลักที่ต้องการ โดยมีโมเลกุลเล็ก ๆ ที่เป็นแก๊สที่อุณหภูมิห้อง (เช่นแก๊สหุงต้ม) เป็นผลพลอยได้

วัตถุดิบที่ใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตเอทิลีนนั้นมีได้ตั้งแต่อีเทนไปจนถึงน้ำมันหนัก โรงงานโอเลฟินส์โรงแรกของบ้านเราก็ใช้อีเทนที่ได้จากแก๊สธรรมชาติจากอ่าวไทยเป็นสารตั้งต้น แต่โรงงานที่สร้างทีหลังดูเหมือนจะใช้แนฟทา (naphtha)เป็นหลัก แนฟทานี้ก็เป็นไฮโดรคาร์บอนที่ครอบคลุมช่วงของน้ำมันเบนซิน (gasoline) ไปจนถึงน้ำมันก๊าด (kerosene) บางรายก็มีการแยกเป็น light naphtha ซึ่งหมายถึงไฮโดรคาร์บอนในช่วงน้ำมันเบนซิน และ heavy naphtha ที่หมายถึงไฮโดรคาร์บอนในช่วงน้ำมันก๊าด
  

กรณีที่ใช้อีเทนเป็นสารตั้งต้นนั้น เอทิลีนจะเป็นผลิตภัณฑ์หลักที่ได้จากการแตกตัวของอีเทนที่เป็นสารตั้งต้น การเกิดโมเลกุลขนาดใหญ่พวก pyrolysis gasoline ก็มีเหมือนกัน แต่จะไม่มากเหมือนการใช้พวกแนฟทา การใช้แนฟทาเป็นสารตั้งต้นก็จะมีการตัดโมเลกุลแนฟทาโมเลกุลใหญ่ให้กลายเป็นแนฟทาโมเลกุลเล็กก่อน จากนั้นแนฟทาโมเลกุลเล็กจึงค่อยแตกตัวต่อเป็นเอทิลีน แต่ไม่ว่าจะใช้ไฮโดรคาร์บอนตัวไหนเป็นสารตั้งต้น สิ่งหนึ่งที่เหมือนกันก็คือต้องใช้อุณหภูมิที่สูงพอในการทำให้สารตั้งต้นแตกตัวเป็นเอทิลีนได้ (ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน) ถ้าใช้อีเทนเป็นสารตั้งต้นก็จะใช้อุณหภูมิเริ่มต้นราว ๆ 800ºC ขึ้นไป แต่ถ้าใช้แนฟทาก็จะใช้อุณหภูมิเริ่มต้นราว ๆ 600ºC เป็นต้นไป ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการออกแบบและสัดส่วนผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ
 

และที่สำคัญก็คือเมื่อเกิดเอทิลีนแล้วก็ต้องหาทางหยุดปฏิกิริยาให้ได้เร็วที่สุด เพื่อลดการสลายตัวของเอทิลีนไปเป็นไฮโดรคาร์บอนที่เบาว่า (เช่น อะเซทิลีน มีเทน) หรือกลายเป็นคาร์บอน (ที่เรียกว่า coke) หรือการรวมตัวกันเป็นสารประกอบโมเลกุลใหญ่ขึ้น
  

เนื่องจาก cracked gas ที่ออกมาจาก furnace (หรือ heater ตรงนี้แล้วแต่จะเรียก) เป็นแก๊สที่มีอุณหภูมิสูง ดังนั้นจึงจะผ่านแก๊สร้อนนี้ไปยังเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่เรียกว่า transfer line heat exchanger ก่อนเพื่อดึงเอาความร้อนนั้นกลับมาใช้งานใหม่ (ใช้ในการผลิตไอน้ำความดันสูง) และเพื่อลดอุณหภูมิลงอย่างรวดเร็ว ตามด้วยการดึงความร้อนกลับเพื่อการประหยัดพลังงาน จากนั้นจึงเข้าสู่หอ Quench tower เพื่อให้แก๊สนั้นเย็นตัวลงจนมีอุณหภูมิที่เหมาะสมก่อนเข้าขั้นตอนการอัดเพิ่มความดัน
  

แก๊สไม่มีคุณสมบัติในการถ่ายเทความร้อนผ่านผิวโลหะที่ดีเหมือนของเหลว การลดความร้อนของแก๊สอย่างรวดเร็วโดยไม่ต้องใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนขนาดใหญ่ทำได้ด้วยการผสมแก๊สที่เย็นกว่าเข้าไปในแก๊สร้อนโดยตรง หรือให้แก๊สร้อนนั้นสัมผัสกับของเหลวระบายความร้อนโดยตรง

รูปที่ ๓ อีกตัวอย่างหนึ่งของระบบ Quench water system สำหรับ cracked gas โดยในกรณีนี้การแยกน้ำและน้ำมันจะเกิดที่ก้นหอ Quench tower โดยน้ำจะถูกสูบออกทางก้นหอ (1) ในขณะที่น้ำมันที่ลอยอยู่บนผิวหน้าน้ำจะไหลล้นผ่านผนังกั้น (2) ก่อนถูกสูบออกไป (3) รูปนี้นำมาจาก Memoir ปีที่ ๘ ฉบับที่ ๑๑๕๕ วันพฤหัสบดีที่ ๗ เมษายน ๒๕๕๙ เช่นกัน

Quench tower ในกระบวนการผลิตโอเลฟินส์เป็นหอที่ให้แก๊สร้อนสัมผัสกับน้ำระบายความร้อนโดยตรง โดยแก๊สจะไหลเข้าทางด้านล่างของหอขึ้นสู่ด้านบนโดยมีน้ำระบายความร้อนป้อนเข้าทางด้านบนไหลลงสู่ด้านล่าง ภายในหออาจมีการติดตั้ง tray หรือ packing เพื่อช่วยให้แก๊สและน้ำนั้นมีการสัมผัสที่ดีขึ้น ในระหว่างการถ่ายเทความร้อนนี้ น้ำบางส่วนจะระเหยกลายเป็นไอติดไปกับไฮโดรคาร์บอนเบา (พวก C₄ และที่เบากว่าเป็นหลัก) และไฮโดรคาร์บอนหนัก (พวกตั้งแต่ C₅ และที่หนักกว่า) จะควบแน่นไหลลงสู่ด้านล่างพร้อมน้ำหล่อเย็น ไฮโดรคาร์บอนที่ควบแน่นเป็นของเหลวนี้คือ pyrolysis gasoline หรือที่ในสไลด์การบรรยายเรียกย่อ ๆ ว่า pygas
 

น้ำและ pyrolysis gasoline ที่ไหลลงล่างจะไหลลงสู่ถังพัก (ที่อาจเป็นถังแยกต่างหากดังเช่นรูปที่ ๒ หรือเป็นส่วนหนึ่งของก้นหอ quench tower ในรูปที่ ๓) เนื่องจากน้ำและน้ำมันไม่ผสมเข้าด้วยกันและน้ำมีความหนาแน่นสูงกว่า ของเหลวในถังพักจึงแยกเป็นสองชั้นโดยน้ำเป็นของเหลวชั้นล่างและ pyrolysis gasoline เป็นของเหลวที่ลอยอยู่เหนือผิวน้ำ ชั้นน้ำด้านล่างจะถูกสูบออกเพื่อหมุนเวียนกลับไปใช้ใหม่ ส่วน pyrolysis gasoline ก็จะถูกสูบออก ณ ตำแหน่งที่สูงกว่าเพื่อนำไปใช้งานอย่างอื่นต่อไป (เช่นนำไปทำเป็นเชื้อเพลิง หรือนำกลับไปผสมกับสารตั้งต้นใหม่ในกรณีที่ใช้แนฟทาเป็นสารตั้งต้น)
 

แต่สิ่งสำคัญก็คือความสูงของระดับรอยต่อระหว่างผิวน้ำและน้ำมันที่เรียกว่า interface ที่ต้องไม่สูงหรือต่ำเกินไปเพื่อไม่ให้ pyrolysis gasoline หลุดรอดมากับน้ำ หรือน้ำหลุดรอดไปกับ pyrolysis gasoline
 

การวัดระดับ interface ของของเหลวสองชนิดทำได้หลายวิธี ในที่นี้ขอยกตัวอย่างวิธีการที่เรียกว่า displacer interface measurement ที่ใช้การวัดแรงลอยตัวของชิ้นส่วนที่เรียกว่า displacer ที่จมอยู่อยู่ในของเหลวที่มีความหนาแน่นแตกต่างกัน ขนาดของแรงลอยตัวนี้ขึ้นอยู่กับน้ำหนักของของเหลวที่ถูกแทนที่ด้วยตัว displacer (หรือความหนาแน่นของของเหลวคูณกับปริมาตรของ displacer) ถ้า displacer จมอยู่ในของเหลวที่มีความหนาแน่นต่ำ (เช่นชั้นน้ำมัน) แรงลอยตัวก็จะมีค่าน้อย ถ้า displacer จมอยู่ในของเหลวที่มีความหนาแน่นสูง (เช่นชั้นน้ำ) แรงลอยตัวก็จะมีค่ามาก ดังนั้นถ้าเราวัดน้ำหนักของ displacer เราก็จะเห็นน้ำหนักของ displacer เปลี่ยนไปตามระดับความสูงของ interface กล่าวคือถ้า interface อยู่ที่ระดับต่ำสุด (ตัว displacer ทั้งตัวจมอยู่ในชั้นน้ำมัน) เราก็จะน้ำหนัก displacer มีค่ามากที่สุด และในทางกลับกันถ้า interface อยู่ที่ระดับสูงสุด (ตัว displacer ทั้งตัวจมอยู่ในชั้นน้ำมัน) เราก็จะน้ำหนัก displacer มีค่าน้อยที่สุด 
  

การวัดนั้นไม่จำเป็นต้องวัดน้ำหนักโดยตรง อาจใช้กลไกการวัดแรงบิดแทนก็ได้ กล่าวคือที่น้ำหนัก displace มากที่สุดก็จะทำให้เกิดแรงบิดมากที่สุด และที่น้ำหนัก displace น้อยที่สุดก็จะทำให้เกิดแรงบิดน้อยที่สุด จากนั้นจึงใช้อุปกรณ์เพื่อแปลงค่าน้ำหนักหรือแรงบิดที่วัดได้นั้นเป็นสัญญาณไฟฟ้าส่งออกไปเพื่อการแสดงผลหรือการควบคุม (รูปที่ ๔)

รูปที่ ๔ หลักการทำงานของอุปกรณ์วัด interface ด้วยการใช้ displacer ในรูปซ้ายเมื่อระดับน้ำต่ำกว่าระดับล่างสุดของตัว displacer แรงลอยตัวจะมีค่าน้อยสุด กลไกที่วัดน้ำหนักของ displacer หรือแปลงแรงดึงเนื่องจากน้ำหนักของ displacer ให้เป็นแรงบิด ก็จะได้ค่าน้ำหนักหรือแรงบิดมากที่สุด แต่เมื่อระดับน้ำเพิ่มสูงขึ้นเช่นในรูปกลาง แรงลอยตัวที่กระทำต่อ displacer จะมีค่าเพิ่มขึ้น และเมื่อระดับน้ำสูงท่วมตัว displacer กลไกที่วัดน้ำหนักของ displacer หรือแปลงแรงดึงเนื่องจากน้ำหนักของ displacer ให้เป็นแรงบิด ก็จะได้ค่าน้ำหนักหรือแรงบิดที่น้อยที่สุด ดังนั้นการ calibrate เครื่องวัดให้ถูกต้องจึงต้องทราบความหนาแน่นที่ถูกต้องของชั้นน้ำและชั้นน้ำมัน

คำว่า "commissioning" (คอมมิชชันนิ่ง) คือกระบวนการตรวจสอบการทำงานของเครื่องจักรหรืออุปกรณ์ต่าง ๆ หรือตัวโรงงานเอง ถ้าให้เปรียบเทียบกับการว่าจ้างประกอบรถ ผู้ว่าจ้างก็ต้องมีการกำหนดว่าจะรถนั้นต้องวิ่งได้ความเร็วสูงสุดไม่ต่ำกว่าเท่าใด กินน้ำมันไม่เกินกี่กิโลเมตรต่อลิตร ถ้ารถนั้นมีสมรรถนะทำได้ตามกำหนด ผู้ว่าจ้างก็จะซื้อรถคันนั้น แต่ถ้าทำไม่ได้ตามข้อตกลงก็อาจปฏิเสธการซื้อรถหรือผู้ประกอบรถต้องยอมปรับลดราคาลงมา ในกรณีของการว่าจ้างสร้างโรงานก็เช่นกัน จะมีการจ่ายเงินเป็นงวด ๆ ตามการก่อสร้างที่ได้ดำเนินการไป ส่วนงวดสุดท้ายจะจ่ายก็ต่อเมื่อผู้สร้างสามารถแสดงให้เห็นว่าโรงงานที่สร้างนั้นเดินเครื่องได้ตามข้อตกลง (เช่นได้กำลังการผลิตตามต้องการ โดยใช้สาธารณูปโภคต่าง ๆ ไม่เกินข้อกำหนด) ถ้าหากโรงงานนั้นทำไม่ได้ตามข้อกำหนด ผู้ว่าจ้างก็จะปรับลดเงินส่วนที่เหลือที่ต้องจ่าย หรือถ้าผิดพลาดจากข้อกำหนดไปมาก ก็อาจจะปฏิเสธไม่จ่ายเงินส่วนที่เหลือ (แต่โรงงานก็ยังคงตกเป็นของผู้ว่าจ้าง) และในขณะเดียวกันในระหว่างกระบวนการคอมมิชชันนิ่งนี้ ก็ยังเป็นการตรวจสอบการทำงานของอุปกรณ์วัดคุมต่าง ๆ ด้วย
 

เนื้อหาที่จะกล่าวต่อไปจะอิงจากข้อมูลในรูปที่ ๑ เป็นหลัก (คำบรรยายในคลิปวิดิทัศน์นั้นมีแตกต่างไปจากข้อมูลในรูปที่ ๑ อยู่บ้าง)
 

เหตุการณ์การระเบิดชนิด Unconfined Vapour Cloud Explosion (UVCE) ที่โรงงานบริษัทไทยโอเลฟินส์ (TOC) เมื่อปีพ.ศ. ๒๕๓๙ เกิดระหว่างกระบวนการคอมมิชชันนิ่งโรง cracker ใหม่ ที่ใช้แนฟทาเป็นวัตถุดิบในการผลิตเอทิลีน ในระหว่างกระบวนการนี้ต้องมีการสร้าง interface level ในถังแยกน้ำ-น้ำมันของ quench tower ถ้าเป็นการทำงานตามปรกตินั้น ชั้นน้ำมันที่เป็น pygas (pyrolysis gasoline) จะมีสีส้ม ทำให้สามารถตรวจสอบด้วยสายตาได้ว่าระดับ interface ของน้ำกับน้ำมันนั้นอยู่ตรงไหน (ตรงนี้เดาว่าคงต้องตรวจสอบด้วยการใช้ sight glass level gauge) แต่เนื่องจากเพิ่งจะเป็นการเดินเครื่องครั้งแรก ในโรงงานจึงยังไม่มี pygas และไม่ได้มีการจัดหา แต่ใช้แนฟทาแทน

ประเด็นเรื่องสีนี้ขออธิบายเพิ่มเติมนิดนึง สารประกอบไฮโดรคาร์บอนบริสุทธิ์มันไม่มีสี เว้นแต่พวกที่มีพันธะคู่ C=C จำนวนมากหรือพวกที่เป็นสารประกอบพอลิอะโรมาติก (polyaromatic ring) หรือมีสารประกอบที่เป็นหมู่ทำให้เกิดสี เช่นหมู่คาร์บอนิล (carbonyl) หมู่ไธโอคาร์บอนิล (thiocarbonyl) ปนเปื้อนอยู่ แนฟทาที่มาจากกระบวนการกลั่นและผ่านการทำให้บริสุทธิ์จากสารประกอบเหล่านี้จึงไม่มีสี แต่ pygas ที่เกิดจากการ cracking แนฟทาในสภาวะที่มีไอน้ำร่วมด้วย (ที่มีของอะตอม O) และสารประกอบกำมะถัน (ที่อาจมีอยู่เดิมในแนฟทาหรือเติมเพิ่มเข้าไปเพื่อลดการเกิด coking บนผนัง tube ของ furnace) มีโอกาสที่จะมีสารประกอบเหล่านี้ปนเปื้อน จึงทำให้มันมีสี

ปรากฏว่าอุปกรณ์วัด interface ไม่สามารถวัด interface ได้ และมีการคิดว่าเป็นผลจากการที่มีน้ำในหอ Quench tower มากเกินไป จึงตัดสินในที่จะระบายน้ำลงสู่ Underground Oily Waste Sewer (OWS) ที่เป็นระบบที่รองรับน้ำที่อาจมีการปนเปื้อนน้ำมัน ที่ต้องนำเข้าสู่กระบวนการแยกเอาน้ำมันออกจากน้ำก่อนปล่อยน้ำทิ้ง ในกรณีนี้ระบบดังกล่าวเป็นระบบใต้ดิน (เข้าใจว่าคงเป็นระบบแบบปิด คือใช้ระบบท่อใต้ดินและมีบ่อพัก) แต่ในความเป็นจริงนั้นสิ่งที่ถูกปล่อยออกมาคือแนฟทา ไม่ใช่น้ำ แต่ที่ไม่มีใครเฉลียวใจคงเป็นเพราะแนฟทาที่ใช้นั้นมันใสเหมือนน้ำ
  

เรื่องการทำงานของระบบแยกน้ำ-น้ำมันตรงนี้ คุณ Direk ได้กรุณาให้คำอธิบายเพิ่มเติมจากประสบการณ์ของท่านไว้ดังนี้ (ผมมีการแก้ไขตัวพิมพ์และตัวสะกดเล็กน้อย แต่คงความหมายเดิมไว้หมดครับ)

"จากประสบการณ์ อินเตอร์เฟสในช่วง start up จะไม่มีให้เห็น เนื่องจากยังไม่มีระดับน้ำมันเพียงพอ แต่ระดับน้ำมีในquenchแน่ ๆ ซึ่งต้องควบคุม"

"ช่วง start up ยังมีสภาพไม่พร้อมที่ instrument วัดได้ ความแตกต่างของ density ยังไม่พอ ปริมาณน้ำมันในquenchน้อย ต้องเติมแนฟทาเข้าไปเร่ง"

"ตอนนั้น มีแต่แนฟทา ที่จัดหาและมีพร้อม แต่ pygas ไม่ได้จัดหาไว้"

"การ drain น้ำในหอออกจากน้ำมัน จะมีโอกาสเกิดเหตุแบบนี้เสมอ ถ้าช่วงนั้นมีกิจกรรมให้ operator ทำจนลืม ติดตาม drain ที่เปิดไว้"

ปรกติอุปกรณ์วัดต่าง ๆ ก็จะมีการสอบเทียบหรือที่เรามักเรียกติดปากว่า calibrate กันก่อนที่จะนำมาติดตั้ง เช่นใช้น้ำหนักมาตรฐานในการสร้างแรงกด (สำหรับการวัดความดันหรือน้ำหนัก) หรือแรงดึง แต่การสอบเทียบนี้กระทำในสภาพที่แตกต่างไปจากการใช้งานจริง (เช่นค่าความหนาแน่นที่แท้จริงของของเหลวแตกต่างไปจากค่าที่นำมาใช้สอบเทียบ) และยังต้องอาจมีการถอดแยกอุปกรณ์หลังผ่านการสอบเทียบแล้วเพื่อนำไปประกอบใหม่ ณ สถานที่ใช้งานจริง ดังนั้นเมื่อนำอุปกรณ์ไปติดตั้งในสถานที่ใช้งานจริงแล้วก็ยังมีโอกาสที่ว่ามันไม่สามารถวัดค่าได้ (เช่นลืมเปิดวาล์ว) หรือวัดค่าได้ไม่ถูกต้อง
 

ปริมาณแนฟทาที่ปล่อยลงระบบ OWS นั้นประมาณไว้ว่าอยู่ที่ระดับไม่ต่ำกว่า ๑๐๐ ตัน รายละเอียดของแนฟทาไม่มีให้ไว้ แต่เดาว่าน่าจะเป็นระดับน้ำมันก๊าดที่มีไอระเหยต่ำ เพราะถ้าเป็นแก๊สโซลีนมันจะระเหยเป็นกลุ่มหมอกไอที่อุณหภูมิห้องได้ง่ายอยู่แล้วโดยไม่ต้องพึ่งน้ำร้อน ดังนั้นแม้ว่าจะมีการได้กลิ่นไอน้ำมัน จึงไม่มีใครเฉลียวใจ
 

และด้วยเหตุบังเอิญ ระดับน้ำในหอ low pressure water stripper สูงเกินไป จึงมีการระบายน้ำร้อนลงสู่ระบบ OWS ที่มีแนฟทารออยู่แล้ว ความร้อนของน้ำที่ปล่อยลงระบบ OWS ทำให้แนฟทาระเหยกลายเป็นกลุ่มหมอกไอขึ้นมา ก่อนที่กลุ่มหมอกไอนั้นจะไปพบกับแหล่งจุดระเบิด กลายเป็น Unconfined Vapour Cloud Explosion ครั้งที่ ๒ ในประเทศไทยที่มีผู้เสียชีวิต ๔ ราย โดยหนึ่งในนั้นเป็นวิศวกรจากประเทศตุรกี

ข้อมูลที่มีไม่บอกว่าหอ low pressure water stripper นี้มีหน้าที่อะไร แต่ดูจากการที่มันมีน้ำอยู่มากก็เดาว่าคงเป็นหอที่ใช้ในการแยกเอาไฮโดรคาร์บอนที่ละลายอยู่ในน้ำออกด้วยการใช้การฉีดไอน้ำเข้าไปในน้ำ (ดู Memoir ฉบับที่ ๑๑๔๕) ตอนเรียนหนังสือเรามักจะเรียนว่าไฮโดรคาร์บอนไม่ละลายน้ำ แต่นั่นเป็นเพราะใช้การสังเกตด้วยตาเปล่าเป็นเกณฑ์ตัดสิน เพราะในความเป็นจริงนั้นถ้าดูกันในระดับหลักร้อยหรือพัน ppm จะพบว่าไฮโดรคาร์บอนสามารถละลายน้ำได้เล็กน้อย และในทำนองเดียวกันน้ำก็สามารถละลายเข้าไปในไฮโดรคาร์บอนได้เล็กน้อยเช่นกัน และในกรณีของไฮโดรคาร์บอนที่มีจุดเดือดต่ำกว่าน้ำนั้น เราก็สามารถใช้การฉีดพ่นไอน้ำเข้าไปในน้ำเพื่อทำให้อุณหภูมิน้ำสูงขึ้น น้ำมันจะได้ระเหยออกมา 
  

จากประสบการณ์ที่เคยทำการทดลองการละลายของเบนซีนในน้ำ พบว่าถ้าอุณหภูมิน้ำเพิ่มสูงขึ้นแต่ยังไม่ถึงจุดเดือดของเบนซีน (C₆H₆ Benzene) ที่มีจุดเดือดประมาณ 80ºC เบนซีนจะละลายน้ำได้มากขึ้น เนื่องจากอุณหภูมิที่สูงขึ้นทำให้โมเลกุลนั้นเคลื่อนไหวห่างจากกันมากขึ้น ความแข็งแรงของพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลน้ำลดลง เบนซีนจึงละลายเข้าไปในน้ำได้มากขึ้น แต่พอเพิ่มอุณหภูมิน้ำสูงเกินกว่าจุดเดือดของเบนซีน ปรากฏว่าเบนซีนแทบจะไม่เหลือในน้ำ

ช่วงก่อนเกิดเหตุการระเบิดที่ TPI ในปีพ.ศ. ๒๕๓๑ นั้น เครื่องแบบพนักงานทางมาบตาพุด (ที่กำลังก่อสร้างโรงงานกันอยู่) ก็เป็นผ้าพอลิเอสเทอร์ครับ สัดส่วนพอลิเอสเทอร์ก็น่าจะสูงด้วย เพราะซักแล้วแทบไม่ต้องรีด และยังไม่ค่อยจะซึมซับเหงื่อด้วย ในขณะที่ทางโรงกลั่นทางศรีราชานั้นใช้เครื่องแบบที่ทำจากผ้าฝ้ายกัน ตอนนั้นก็มีการทักท้วงกันแล้วว่าผ้าพอลิเอสเทอร์นี้มันไม่เหมาะสมกับอุตสาหกรรมแบบนี้ (ถ้าเป็นอุตสาหกรรมการบดหินผสมปูนก็ว่าไปอย่าง) ต้องรอให้เกิดกรณีของ TPI ก่อนครับจึงค่อยมีการเปลี่ยนแปลง เป็นเนื้อผ้าแบบที่ใช้อยู่กันในปัจจุบัน
 

เหตุการณ์ที่เกิดที่ TOC ในปีนั้น จากข้อมูลที่ได้รับมาเข้าใจว่ายังคงอยู่ในความรับผิดชอบของบริษัทต่างชาติที่เป็นผู้ก่อสร้างโรงงาน ที่เป็นผู้ต้องแสดงให้เห็นว่าโรงงานที่เขาสร้างขึ้นนั้น สามารถทำงานได้ตามข้อตกลงที่มีไว้กับผู้ว่าจ้าง โดยในการทดสอบนี้อาจมีพนักงานของผู้ว่าจ้างร่วมสังเกตการณ์หรือร่วมปฏิบัติงานอยู่ด้วย (ถือว่าเป็นการฝึกอบรมไปในตัว แต่ผู้รับผิดชอบการทำงานหลักยังคงเป็นผู้ก่อสร้างโรงงาน)
 

โรงโอเลฟินส์โรงแรกของประเทศเรานั้นใช้อีเทนและโพรเพนเป็นวัตถุดิบ แถมเรายังมีกระบวนการ Oleflex ระดับ commercial scale โรงงานแรกของโลกด้วย ที่ผลิตโพรพิลีนจากโพรเพนด้วยการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาดึงเอา H₂ ออกจากโพรเพนโดยตรงที่เรียกว่าปฏิกิริยา dehydrogenation แต่โรงงานที่สร้างใหม่หลังจากกลับไปใช้ thermal cracking กันหมด
 

ตอนนั้นบริษัทที่เป็นผู้จัดหาอีเทนและบริษัทลูกที่เป็นผู้รับซื้อเอทิลีนก็มาเข้าหุ้นกันตั้งโรงโอเลฟินส์โรงแรกของประเทศ ราคาขายที่มีการตกลงกันคือราคาที่เรียกว่า "Cost plus" คือ "ต้นทุน + (15% ของต้นทุน)" ตัวเลข (15% ของต้นทุน) ก็คือกำไรนั่นเอง (คิดว่าคงจำตัวเลข 15% ไม่ผิด) พวกพี่ที่ทำงานเขาเล่าให้ฟังว่าไปตกลงซื้อขายกันในราคาแบบนี้ได้ยังไง เพราะนั่นแสดงว่าถ้าผู้ผลิตโอเลฟินส์อยากได้กำไรมาก ๆ ก็ต้องหาทางบริหารงานให้มีต้นทุนสูงมาก เพื่อที่ตัวเลข "15% ของต้นทุน" จะได้เพิ่มตามไปด้วย แต่ดูเหมือนว่าข้อตกลงนี้อยู่ได้ไม่นานก็มีการเจรจาเปลี่ยนแปลงกัน ส่วนตอนนี้ราคาซื้อขายเป็นอย่างไรนั้นผมก็ไม่รู้เหมือนกัน

MO ตอบคำถาม ปฏิกิริยา pyrolysis MO Memoir : Tuesday 30 July 2556

ในช่วงระหว่างที่พักฟื้นอยู่ที่โรงพยาบาล มีอีเมล์มาถามคำถามเกี่ยวกับปฏิกิริยา pyrolysis ซึ่งในระหว่างนั้นผมก็ได้ตอบคำถามของเขาไปแล้วส่วนหนึ่งเท่าที่จะมีแรงตอบ (มันนอนอยู่เฉย ๆ ทั้งวันทั้งคืนบนเตียงโดยไม่มีอะไรทำก็น่าเบื่อเหมือนกัน) ในที่นี้ก็เลยขอเอาคำถามที่เขาถามมา (มีการจัดย่อหน้า แก้ไขข้อความ และเว้นวรรคใหม่เล็กน้อย) มาให้อ่านกัน ส่วนคำตอบส่วนที่ผมตอบเขาไปนั้นเป็นคำตอบแบบคนที่ทำ pyrolysis อยู่แล้วอ่านแล้วคงเข้าใจ แต่คนที่ไม่มีพื้นความรู้อาจจะไม่รู้เรื่อง ผมก็เลยขอเอามาเขียนใหม่เพื่อให้คนอื่นได้ประโยชน์ด้วย

อีเมล์ฉบับแรกมาเมื่อวันจันทร์ที่ ๑๕ กรกฎาคม ๒๕๕๖ ใจความดังนี้

วันที่ : จันทร์ 15 กรกฎาคม 2556, 22:53

เรื่อง : ขอรบกวนสอบถามเรื่อง ตัวเร่งปฏิกิริยาออกไซด์ค่ะ

สวัสดีค่ะอาจารย์ (ขออนุญาตเรียกอาจารย์นะคะ) หนูได้ติดตามอ่านบล็อกของอาจารย์เป็นครั้งคราว ซึ่งให้ความรู้ด้านเคมีเยอะมาก ๆ ๆ ค่ะ แต่ตอนนี้หนูมีข้อสงสัยเกี่ยวตัวเร่ง ปฏิกิริยาออกไซด์น่ะค่ะ

คือว่า ในการนำเอาขยะ มาใช้กระบวนการไพโรไลซิส ซึ่งจะเกิด Tar (Tar ที่มีออกซิเจนเป็นองค์ประกอบ) ออกมาด้วย แล้วมีการใช้ Calcined Dolomite (CaOMgO) ในงานวิจัยบอกว่า ช่วยให้เกิดการ cracking และ deoxygenation ของ tar ได้มากขึ้น

หนูอยากทราบว่า CaOMgO มีบทบาทในทางเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งช่วยให้เกิด cracking และ deoxygenation อย่างไรคะ ถ้าตามความเข้าใจของหนูนะคะ Tar มีการดูดซับ บนผิวของ CaOMgO แล้วมีเวลาอยู่ใน reactor นานขึ้น จึงเกิดการ Cracking และ deoxygenation ได้มากขึ้นใช่ไหมคะ หรือว่านี่เป็นเพียงส่วนหนึ่ง แต่เกิดปฏิกิริยาอย่างอื่นด้วย

หนูพยายามหาอ่าน เปเปอร์ที่ใช้ Dolomite เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา แต่ก็กล่าวเพียงว่าใช้แล้ว Tar ลดลง แต่ไม่ได้บอกว่าเกิดอะไรขึ้นจึงทำให้น้อยลง หนูจึงได้อีเมลล์หาอาจารย์มาด้วยเหตุนี้ค่ะ ขอความกรุณาด้วยนะคะ แล้วที่นำ Dolomite ไป calcine ให้ CO₂ ออกมา นี่เพื่อเพิ่ม active sites ในการดูดซับใช่ไหมคะ

ขอขอบคุณล่วงหน้าค่ะ

หลังจากตอบฉบับแรกไปก็มีอีเมล์ฉบับที่สองมาอีกเมื่อวันพุธที่ ๑๗ กรกฎาคม ๒๕๕๖ ใจความดังนี้

วันที่ : 17 กรกฎาคม 2556, 17:49

เรื่อง : RE: ขอรบกวนสอบถามเรื่อง ตัวเร่งปฏิกิริยาออกไซด์ค่ะ

ขอขอบคุณอาจารย์มากนะคะ แล้วก็ต้องขออภัยด้วยค่ะที่รบกวนเวลาพักผ่อนส่วนตัว

ค่ะ ในกระบวนต้องการเปลี่ยนสารตั้งต้นที่เป็นของแข็งไปเป็น Syngas โดยตัวอย่างขยะที่นำมาเป็นสารตั้งต้น ส่วนใหญ่เป็นชีวมวลค่ะเป็นพวกเศษอาหาร ไม้ มีพลาสติกและสิ่งทอประมาณ 15 เปอร์เซ็นต์

ส่วนการที่ tar ลดลง จากการที่อ่านเปเปอร์หนูเข้าใจว่า tar ถูกทำลาย จึงทำให้ผลิตภัณฑ์แก๊สมากขึ้นด้วยค่ะ

ดังรูปที่แนบมาแสดงการการเกิดปฏิกิริยาของ Tar โดยใช้ Ni/Dolomite เป็นตัวเร่งปฏิกิริยามีสมการบอกไว้แบบนี้ค่ะ

NiO + H₂ -------> Ni(0) + H₂O (1)

Ni(0) + C_xH_y(tar) -------> NiC_x + H_y (2)

NiC_x + H_y + steam -------> Ni + CO + H₂ (3)

ตอนมีนิกเกิลอยู่กับ Dolomite หนูก็พอเข้าใจได้ค่ะ แต่ในเปเปอร์ที่หนูอ่านอยู่ เขาไม่ได้ใช้นิกเกิลด้วย มีเพียง CaO และ MgO ในเปเปอร์หลาย ๆ ฉบับก็ให้ผลการทดลอง tar ก็ลดลง แต่ไม่ได้บอกว่าเกิดขึ้นอย่างไร

หนูอยากทราบว่า หากไม่มีนิกเกิลแล้ว จะสามารถอธิบายในทำนองเดียวกันกับตอนมีนิกเกิลด้วยได้ไหมคะ

คือ tar จะถูกดูดซับบน active surface ของ CaO และ MgO ได้ แล้วเมื่อเจอน้ำจึงทำปฏิกิริยา steam reforming ให้ CO และ H₂ ออกมา หรือทำปฏิกิริยา cracking (อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาใน reactor 750-900ºC)

อีกอย่างแล้วทำไมในที่นี้เขาจึงเขียนว่า Dolomite เป็นตัวซัพพอร์ตคะ

ขอขอบคุณอีกครั้งค่ะ และขอให้สุขภาพอาจารย์เป็นปกติโดยไวนะคะ

ด้วยความนับถือ

ส่วนคำตอบที่ตอบไปนั้น มีรายละเอียดดังข้างล่าง (มีการขยายความเพิ่มขึ้นจากคำตอบจริงที่ตอบไป) ผมเอาคำตอบที่ตอบอีเมล์ทั้งสองฉบับมาเขียนใหม่

Pyrolysis เป็นกระบวนการทำให้สารเคมีสลายตัวด้วยความร้อน สำหรับสารอินทรีย์กระบวนการนี้จะทำให้โมเลกุลสารอินทรีย์ที่มีขนาดใหญ่นั้นแตกตัวออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลง โมเลกุลขนาดเล็กที่เกิดขึ้นนั้นอาจหลุดออกจากระบบในรูปของโมเลกุลอิสระ หรือมีการจับรวมตัวกันเป็นโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้นก็ได้ ขึ้นอยู่กับภาวะการเกิดปฏิกิริยา เช่นในปฏิกิริยา ethane cracking หรือ propane cracking ที่เกิดในภาวะแก๊สนั้น จะมีการใส่ไอน้ำผสมเข้าไปกับสารตั้งต้น บทบาทหน้าที่ของไอน้ำมีทั้ง (ก) ให้ความร้อนเบื้องต้นแก่สารตั้งต้นก่อนที่จะเข้าไปรับความร้อนใน furnace (ข) ลดความเข้มข้นของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ที่เกิด ทำให้โอกาสที่ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นจะจับตัวเป็นโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้นนั้นลดลง และ (ค) ทำปฏิกิริยากับ coke (สารประกอบคาร์บอนโมเลกุลใหญ่ที่เป็นของแข็ง) เพื่อให้ coke สลายตัวกลายเป็นแก๊สไป

Thermal cracking ก็เป็นการทำให้สารสลายตัวด้วยความร้อน คำ ๆ นี้จะเห็นใช้กันในวงการกลั่นน้ำนันและปิโตรเคมี การผลิตโอเลฟินส์จากไฮโดรคาร์บอน การผลิตน้ำมันเบน (พวกเบนซินและดีเซล) จากน้ำมันหนักก็ใช้ปฏิกิริยา thermal cracking นี้ ในกรณีเหล่านี้จะทำปฏิกิริยาในภาวะที่ไม่มีแก๊สออกซิเจนในระบบ ความร้อนที่ต้องใช้ในการทำปฏิกิริยาจะเป็นแหล่งพลังงานภายนอกที่จ่ายให้กับเครื่องปฏิกรณ์

Gasification ถ้าแปลออกมาตรง ๆ ก็คือการทำให้เป็นแก๊ส ศัพท์นี้เรามักจะใช้ในกรณีที่ต้องการผลิตภัณฑ์ที่เป็นแก๊ส (ที่อุณหภูมิห้อง) เป็นหลัก สารตั้งต้นอาจเป็นของเหลว (เช่นไฮโดรคาร์บอน) หรือของแข็ง (เช่นถ่านหิน) ก็ได้ ปฏิกิริยานี้อาจเกิดในภาวะที่ไม่มีออกซิเจนหรือมีออกซิเจนจำกัดก็ได้

ในการทำให้โมเลกุลขนาดใหญ่แตกตัวเป็นโมเลกุลที่เล็กลงนั้น ผลิตภัณฑ์ที่ได้จะเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีความไม่อิ่มตัวเพิ่มสูงขึ้น (เช่นการทำให้ไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวแตกตัว จะได้สารประกอบโอเลฟินส์เกิดขึ้น) ถ้าหากผลิตภัณฑ์ที่ได้นั้นมีขนาดเล็กก็มักจะหลุดรอดลอยออกไปเป็นแก๊ส โอกาสที่จะจับรวมตัวกันเป็นโมเลกุลใหญ่จะน้อย แต่ของแข็งและ/หรือของเหลวที่ตกค้างอยู่จะมีโอกาสมากกว่าที่จะจับตัวกันเป็นโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้น สำหรับพวกสารอินทรีย์แล้วโครงสร้างสุดท้ายที่มีความไม่อิ่มตัวสูงสุดที่คาดหวังได้คงจะเป็นแกรไฟต์ (C)

ส่วนผลิตภัณฑ์ที่ได้จะมีสารอะไรบ้างนั้นก็ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของสารตั้งต้นที่มีอยู่ในระบบ เช่นในกระบวนการ thermal cracking ของอีเทนหรือโพรเพน (มีแต่อะตอม C กับ H) ที่มีการเติมไอน้ำเข้าไปในระบบด้วย ผลิตภัณฑ์ที่ออกมาจึงมี CO CO₂ CH₃OH ได้ (ออกซิเจนมาจากไอน้ำ)

ปฏิกิริยา pyrolysis นี้มีการนำมาใช้กับขยะที่เป็นสารประกอบอินทรีย์เพื่อผลิตเป็นผลิตภัณฑ์แก๊สเชื้อเพลิง โดยหลักการแล้วจะทำในภาวะที่ไม่มีออกซิเจนหรือมีออกซิเจนจำกัด ทั้งนี้เพื่อไม่ให้เกิดปฏิกิริยาการเผาไหม้ (combustion) ความร้อนที่ใช้ในปฏิกิริยานั้นอาจเป็นแหล่งความร้อนจากภายนอก หรือการให้สารอินทรีย์บางส่วนเกิดการเผาไหม้เพื่อผลิตความร้อนขึ้นในระบบ ในกรณีหลังนี้ปฏิกิริยา pyrolysis จะเกิดในภาวะที่มีการป้อนออกซิเจนเข้าไปอย่างจำกัด เพื่อให้เผาไหม้สารอินทรีย์ได้เพียงบางส่วนเท่านั้น (เพียงเพื่อผลิตความร้อน) เพื่อให้ความร้อนที่เกิดขึ้นไปทำให้สารอินทรีย์ส่วนที่เหลือเกิดการสลายตัว

ในที่นี้ผมขอใช้คำว่า "ขยะที่เป็นสารอินทรีย์" แทนคำว่า "ขยะชีวมวล" เพราะที่ผ่านมานั้นเห็นว่าคำว่าขยะชีวมวลอาจทำให้บางคนเข้าใจความหมายแตกต่างกัน ขยะชีวมวลที่เป็นของเหลือทิ้งจากผลิตผลทางการเกษตรจากการปลูกพืชต่าง ๆ (เช่น ลำต้น กิ่ง ใบ) จะมีองค์ประกอบพวกเซลลูโลสเป็นหลัก ในขณะที่ขยะบางแบบที่ทิ้งจากอาคารบ้านเรือนนั้นอาจเป็นพวกขยะพลาสติก (มันก็ผลิตขึ้นจากสารประกอบอินทรีย์) แต่การที่สายโซ่เซลลูโลสและสายโซ่พอลิเมอร์นั้นมันแตกต่างกัน ดังนั้นจึงควรต้องระวังในการนำผลการทดลองที่ได้จากขยะชนิดหนึ่งไปใช้กับขยะอีกชนิดหนึ่ง เพราะพฤติกรรมการสลายตัวนั้นมันไม่จำเป็นต้องเหมือนกัน และผลิตภัณฑ์ที่ได้ก็ไม่จำเป็นต้องเหมือนกันด้วย

แม้แต่ตัวพลาสติกเองก็ยังมีความแตกต่างกันเพราะพลาสติกหลัก ๆ ที่ใช้กันในบ้านเรือนนั้นมีทั้ง พอลิเอทิลีน (PE) พอลิโพรพิลีน (PP) พอลิสไตรีน (PS) พอลิไวนิลคลอไรด์ (PVC) และพอลิเอทิลีนเทอฟาทาเลต (PET) ซึ่งต่างมีการสลายตัวที่ยาก-ง่ายแตกต่างกันและได้ผลิตภัณฑ์ต่างกัน พวก PE PP PS นั้นมีแต่อะตอม C กับ H พวก PVC จะมีอะตอม C H และ Cl ส่วน PET นั้นจะมีอะตอม C H และ O ในโมเลกุล พลาสติกพวกไนลอนก็จะมีอะตอม N เพิ่มขึ้นมาอีก ขยะที่เป็นกล่องนม กล่องน้ำผลไม้ ถุงพลาสติกบรรจุอาหารที่เป็นพลาสติกลามิเนตหลายชั้น ก็มีชั้นของโลหะอะลูมิเนียมด้วย ในขณะที่ขยะที่เป็นผลิตภัณฑ์จากธรรมชาตินั้นจะมีอะตอม C H และ O เป็นหลัก และยังอาจมีแร่ธาตุที่เป็นองค์ประกอบอยู่ในตัวพืชด้วย

เรื่องการสลายตัวของพลาสติกนี้เคยเล่าเอาไว้ใน Memoir ปีที่ ๔ ฉบับที่ ๓๗๘ วันพฤหัสบดีที่ ๒๒ ธันวาคม ๒๕๕๔ เรื่อง "การเปลี่ยนพลาสติกเป็นน้ำมัน" เอาไว้บ้างแล้ว ซึ่งตรงนั้นได้กล่าวเอาไว้บ้างแล้วว่าการสลายตัวของพลาสติกนั้นขึ้นอยู่กับโครงสร้างของพลาสติกอย่างไรบ้าง ในความเห็นของผมนั้นถ้าเป็นพวก PE หรือ PP น่าจะทำ pyrolysis ได้ง่ายกว่าตัวอื่น

สมมุติว่าในปฏิกิริยาหนึ่งนั้น สาร A สามารถสลายตัวไปเป็นผลิตภัณฑ์ B หรือ C ได้โดยตรง (ปฏิกิริยาคู่ขนาน) และพบว่าถ้าเติมสาร M ลงไปแล้วทำให้การเกิด B "ดีขึ้น" จะอธิบายบทบาทหน้าที่ของสาร M ในปฏิกิริยาดังกล่าวได้อย่างไร

ตรงนี้เราก็ต้องมาพิจารณาดูก่อนว่าคำว่า "ดีขึ้น" นั้น นิยามอย่างไร

ถ้าเราเปลี่ยนมุมมองจากเมื่อเติมสาร M แล้วพบว่าการเกิด B "ดีขึ้น" เมื่อเทียบกับ "C" เป็นเมื่อเติมสาร M แล้วพบว่าสัดส่วนของ B ต่อ C ในผลิตภัณฑ์ที่ได้ (หรือค่าการเลือกเกิด - selectivity นั่นเอง) สูงขึ้น เราก็จะสามารถตั้งสมมุติฐานได้ดังนี้ (นิยามของค่า selectivity คือปริมาณผลิตภัณฑ์ชนิดใดชนิดหนึ่งที่เกิดขึ้นต่อปริมาณผลิตภัณฑ์ทั้งหมดที่เกิดขึ้น ซึ่งในตัวอย่างนี้คือ B/(B+C))

๑. การเกิด B เพิ่มมากขึ้นในขณะที่การเกิด C คงที่

๒. การเกิด B เพิ่มมากขึ้นในขณะที่การเกิด C ลดลง

๓. การเกิด B เพิ่มมากขึ้นและการเกิด C ก็เพิ่มมากขึ้นด้วย แต่การเกิด B เพิ่มในอัตราที่สูงกว่า

๔. การเกิด B คงที่ แต่การเกิด C ลดลง

๕. การเกิด B ลดลง และการเกิด C ก็ลดลงด้วย แต่การเกิด C นั้นลดลงมากกว่า

สิ่งที่เราต้องนำมาพิจารณาว่าเป็นไปตามกรณีใดคือค่า conversion (ค่าการเปลี่ยนคือ ปริมาณสารตั้งต้นที่ทำปฏิกิริยาไปต่อปริมาณสารตั้งต้นทั้งหมด)

ในกรณีที่ ๑ และ ๓ นั้นเราจะเห็นค่า conversion เพิ่มขึ้น

ในกรณีที่ ๒ นั้นเราจะเห็นค่า conversion เพิ่มขึ้นหรือลดลงก็ได้ ขึ้นอยู่กับว่าปฏิกิริยาการเกิด B ที่เพิ่มขึ้นกับปฏิกิริยาการเกิด C ที่ลดลงนั้น อันไหนโดดเด่นมากกว่ากัน

ในกรณีที่ ๔ และ ๕ นั้นค่า conversion จะลดลง

สิ่งที่ผมต้องการบอกให้ต้องคำนึงถึงก็คือ เวลาที่เราเติมสารใดสารหนึ่งเข้าไปในระบบแล้วเห็นการเกิด C ลดลง (ลดลงเมื่อเทียบกับปริมาณ A ทั้งหมดที่เกิดปฏิกิริยา) ก็อย่าด่วนสรุปว่าสารที่เติมเข้าไปนั้นจะไปยับยั้งการเกิด C เสมอไป มันอาจจะ ไม่เกี่ยวข้องอะไรกับการเกิด C หรือเข้าไปช่วยเพิ่มการเกิด C หรือไปลดการเกิด C ก็ได้ทั้งนั้น

CaO และ MgO ไม่ใช่ cracking catalyst ซึ่ง cracking catalyst นั้นเป็นกรด แต่กรดก็สามารถทำให้โมเลกุลไม่อิ่มตัวโมเลกุลเล็กต่อกันเป็นโมเลกุลใหญ่ขึ้น (เช่นพอลิเมอร์ไรซ์เซชันหรือ alkylation) ในระหว่างการ pyrolysis ก็จะเกิดพวกโมเลกุลไม่อิ่มตัวเหล่านี้เกิดขึ้น ที่ผมสงสัยคือ CaO และ MgO ที่เป็นเบสทั้งสองตัวอาจเข้าไปสะเทินกรดที่ทำให้โมเลกุลเล็กรวมตัวเป็น tar (มองในแง่หนึ่ง carbocation ก็จัดว่าเป็นกรดลิวอิสที่แรงเหมือนกัน)

ในภาวะมี H₂ สูง Ni เป็น hydrogenation cat คือเติม H₂ ไปที่พันธะ C=C ให้เป็น C-C ที่แตกหักเป็นโมเลกุลเล็กลงได้ง่ายกว่า

ในภาวะ H₂ ต่ำ Ni ทำให้โมเลกุลเล็กต่อกันกลายเป็น coke ได้

ในขณะเดียวกัน Ni ก็เป็น steam reforming cat ทำให้ไฮโดรคาร์บอนทำปฏิกิริยากับน้ำ สลายตัวเป็นโมเลกุลเล็กลงได้

กรดที่แรงมากจะเป็น cracking catalyst ทำให้พันธะ C-C แตกหักได้ง่าย กลายเป็นโมเลกุลที่เล็กลง

กรดที่มีความแรงรองลงมาทำใหเกิด cracking ไม่ได้ แต่ทำให้โมเลกุลที่มีพันธะ C=C ต่อกันเป็นโมเลกุลใหญ่ได้

กรดที่มีความแรงมากนั้นสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาที่ต้องการกรดที่มีความแรงต่ำกว่าได้ แต่กรดที่มีความแรงต่ำไม่สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาที่ต้องการกรดที่มีความแรงสูงได้ ส่วนปฏิกิริยาใดต้องการกรดที่มีความแรงเท่าใดนั้นดูตัวอย่างได้จากตารางที่ 1 ในหน้าถัดไป

ในกรณีที่ถามมานั้นคาดว่า cracking เกิดจากอุณหภูมิเป็นหลัก (thermal cracking) ไม่ใช่จากกรด (catalytic cracking) แต่อาจมีกรดเกิดขึ้นในระหว่างการสลายตัว ส่วนกรดที่เกิดจะมีความแรงเท่าใดนั้นก็ขึ้นอยู่กับขยะที่นำมาเผาว่าประกอบด้วยธาตุอะไรบ้าง

ตารางที่ 1 ความแรงของกรดที่ต้องการในการทำให้เกิดปฏิกิริยา (เรียงจากต่ำไปสูง)

จากหนังสือ Satterfield,C.N.,"Heterogeneous catalysis in industrial practice", 2nd Ed.,McGraw Hill, 199

HR ที่ต้องการ
< +4	Dehydration of alcohols
< +0.82	Cis-trans isomerisation of olefins
< -6.63	Double-bond migration
	Alkylation of aromatics
	Isomerisation of alkylaromatics
	Transalkylation of alkylaromatics
< -11.5	Cracking of alkylaromatics
< -11.63	Skeletal isomerisation
< -16.0	Cracking of paraffins

ในส่วนตัวนั้นจะลองตั้งสมมุติฐานเล่น ๆ ดูว่า CaO และ MgO มีบทบาทตรงไปจับกับโมเลกุลที่เป็นกรด ทำให้ยับยั้งการเชื่อมต่อเป็นโมเลกุลใหญ่ เช่น tar ก็เลยเห็นการเกิด tar ลดลง หรือไม่ก็อาจเข้าไปเกี่ยวข้องกับการทำให้ cabocation มีเสถียรภาพมากขึ้น ส่วนความจริงจะเป็นอย่างไรนั้นก็ไม่รู้เหมือนกันเพราะยังไม่คิดจะศึกษาทางด้านนี้

คำว่า support ในทางตัวเร่งปฏิกิริยานั้นเป็นตัวช่วยในการกระจายตัว active species ซึ่งในกรณีของคำถามที่ถามมานั้น active species คือ Ni ส่วนใหญ่ในทางปฏิบัตินั้น support จะไม่มีส่วนยุ่งเกี่ยวในการทำปฏิกิริยา แต่ก็มีหลายปฏิกิริยาเหมือนกันที่ support มีส่วนร่วมในการทำปฏิกิริยา สิ่งหนึ่งที่เป็นที่ทราบกันก็คือ support ที่มีความเป็นกรดบนพื้นผิวสูง (เช่นพวก Al₂O₃) จะสามารถเร่งปฏิกิริยาการเกิด coke (ซึ่งเป็นปฏิกิริยาข้างเคียงที่ไม่เป็นที่ต้องการ) ให้สะสมบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาได้ การแก้ปัญหาตรงนี้กระทำได้ด้วยการสะเทินตำแหน่งที่เป็นกรดบนพื้นผิว support หรือการใช้ support ที่มีพื้นผิวเป็นเบส

เท่าที่เคยทดสอบนั้น CaO เป็นออกไซด์ที่ทนต่ออุณหภูมิสูง แต่ MgO นั้นสามารถสลายตัวให้แก๊สออกซิเจนออกมาได้ในระดับหนึ่ง โดยไอออน Mg²⁺ จะถูกรีดิวซ์กลายเป็น Mg⁰ ได้ที่อุณหภูมิที่สูงพอ (แม้ว่าจะเผาในอากาศ) แต่จะไม่ถูกรีดิวซ์ทั้งหมด (ดู Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๗๗ วันศุกร์ที่ ๑๓ พฤศจิกายน ๒๕๕๒ เรื่อง "น้ำหนักหายได้อย่างไร") ส่วน Mg⁰ ที่เกิดขึ้นนั้นจะมีบทบาทอย่างไรในการทำปฏิกิริยาหรือไม่นั้นผมก็ไม่รู้เหมือนกันเพราะไม่เคยทดลอง

เขียนไปเขียนมาดูเหมือนว่าผมจะไม่ได้ตอบคำถามอะไรเขาสักเท่าใด คงทำได้เพียงให้ข้อคิดเห็นเท่านั้นเอง