การเลือกค่า WHSV (Weight Hourly Space Velocity) สำหรับการทดลอง MO Memoir : Wednesday 6 May 2563

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

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

แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส ๖๑ (ตอนที่ ๓) MO Memoir : Monday 9 September 2562

เอกสารฉบับนี้แจกจ่ายเป็นการภายใน ไม่นำเนื้อหาลง blog

เนื้อหาฉบับนี้เป็นตอนต่อจากฉบับเมื่อวาน

แนวทางหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์นิสิตรหัส ๖๑ (ตอนที่ ๒) MO Memoir : Sunday 8 September 2562

เอกสารฉบับนี้แจกจ่ายเป็นการภายใน ไม่นำเนื้อหาลง blog
  

เนื้อหาฉบับนี้เป็นบันทึกความรู้พื้นฐานบางส่วนของเรื่องที่ได้ประชุมกันไปเมื่อช่วงก่อนเที่ยงวันศุกร์ที่ ๖ กันยายนที่ผ่านมา โดยเป็นการทบทวนเรื่องเกี่ยวกับที่มาที่ไปของสมการแบบจำลอง Fixed-bed catalytic reactor ใน ๑ มิติ