การกำจัด CO2 และ H2S ด้วยกระบวนการเอมีน (Amine gas treating process) MO Memoir : Friday 11 December 2558

ปัญหาของกระบวนการ Hot potassium carbonate ที่ใช้กำจัด CO₂ และ H₂S ในแก๊สที่เล่าไปเมื่อวันจันทร์ที่ผ่านมานั้นได้แก่
 

๑. ถ้าปริมาณ CO₂ ในแก๊สมีไม่มากพอ จะไม่สามารถทำการกำจัด bisulfide (HS^-) ในสารละลายได้
 

๒. ในบางกรณีนั้นไม่มีความจำเป็นที่ต้องกำจัดแก๊ส CO₂ ออก ทำเพียงแค่กำจัดแก๊ส H₂S ก็เพียงพอ กระบวนการ hot potassium carbonate ไม่สามารถเลือกจับเฉพาะ H₂S เป็นหลักได้ (เช่นแก๊สที่ส่งไปเป็นเชื้อเพลิงเผาไหม้ ซึ่งคิดราคาแก๊สตามค่าความร้อนของแก๊ส แต่มีการกำหนดปริมาณกำมะถันสูงสุดที่ยอมรับได้ในแก๊ส แก๊ส CNG ที่นำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงยานพาหนะในบ้านเรา ข้อกำหนดก็ยอมให้มี CO₂ ได้สูงถึง 18%)

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยาการสังเคราะห์เมทิลเอทานอลเอมีน
  

รูปที่ ๒ ปฏิกิริยาการสังเคราะห์เอทานอลเอมีน
 

ด้วยเหตุนี้ เพื่อตอบโจทย์ดังกล่าว จึงได้มีการพัฒนากระบวนการเอมีนขึ้นมา โดยหลักการพื้นฐานแล้วกระบวนการ hot potassium carbonate และ amine process นั้นต่างก็เหมือนกัน (คือดูดซับ CO₂ และ H₂S ที่อุณหภูมิต่ำความดันสูง และต้มไล่ CO₂ และ H₂S ออกที่อุณหภูมิสูงความดันต่ำ) แตกต่างกันตรงที่สารที่ใช้จับแก๊สกรด โดยกระบวนการเอมีนใช้เบสอินทรย์เป็นตัวจับแก๊สกรด
 

แอมโมเนีย (ammonia - NH₃) มีฤทธิ์เป็นเบส ละลายน้ำได้ดี แต่มันมีจุดเดือดต่ำ ถ้าแทนที่อะตอม H บางอะตอมด้วยหมู่อัลคิลเช่นเมทิล (-CH₃) จะทำให้จุดเดือดของอัลคิลเอมีนเพิ่มสูงขึ้น และยังมีความเป็นเบสที่แรงขึ้นด้วย (เพราะหมู่อัลคิลจ่ายอิเล็กตรอนให้กับอะตอม N ที่แสดงฤทธิ์เป็นเบสลิวอิส) สารประกอบอัลคิลเอมีนเช่นเมทิลเอมีนเตรียมได้จากปฏิกิริยาระหว่างแอมโมเนียกับเมทานอล (รูปที่ ๑)
 

แต่หมู่อัลคิลนั้นเป็นโครงสร้างที่ไม่มีขั้ว ดังนั้นความสามารถในการละลายน้ำของอัลคิลเอมีนจะลดลง (พออะตอม H หายไปเพราะถูกแทนที่ด้วยหมู่อัลคิล ความสามารถในการสร้างพันธะไฮโดรเจนก็หายไปด้วย) การแก้ปัญหาทำได้ด้วยการใช้หมู่อัลคานอล (หมู่ alkanol คือหมู่อัลคิลที่มีหมู่ -OH เกาะ) แทนที่อะตอม H ของอะตอม N สารประกอบที่ได้เรียกว่าอัลคานอลเอมีน (alkanolamine) ตัวอย่างของสารเหล่านี้ได้แก่เอทานอลเอมีนที่เตรียมได้จากปฏิกิริยาระหว่างแอมโมเนียกับเอทิลีนออกไซด์ (รูปที่ ๒) ในกรณีนี้ความเป็นเบสลิวอิสของอะตอม N ยังคงอยู่ แต่สารดังกล่าวจะละลายน้ำได้ดีขึ้นเนื่องจากมีหมู่ -OH ซึ่งเป็นส่วนโครงสร้างมีขั้ว
 

อัลคานอลเอมีนที่นิยมกันเห็นจะได้แก่ โมโนเอทานอลเอมีน (monoethanolamine หรือที่ย่อว่า MEA) ไดเอทานอลเอมีน (dithanolamine หรือที่ย่อว่า DEA) เมทิลไดเอทานอลเอมีน (methyldiethanolamine หรือที่ย่อว่า MDEA) และไดไกลคอลเอมี (diglycolamine หรือที่ย่อว่า DGA ที่มีสูตรโมเลกุล H₂N-CH₂CH₂-O-CH₂CH₂-OH)
 

รูปที่ ๓ แผนผังระบบกำจัด CO₂ และ H₂S ด้วยกระบวนการเอมีน (จากสิทฺธิบัตร US 2,318,422 ปีค.ศ. ๑๙๔๐)
 

ในกระบวนการเอมีนนั้น ปฏิกิริยาที่เกิดค่อนข้างซับซ้อนแต่พอจะสรุปได้ง่าย ๆ ดังตัวอย่างเช่น

ในกรณีของ H₂S 2RNH₂ + H₂S <-----> (RNH₂)₂·H₂S

หรือ 2RNH₂ + H₂S <-----> (RNH₃⁺)₂·S^2-

ในกรณีของ CO₂ 2RNH₂ + CO₂ + H₂O <-----> (RNH₂)₂·H₂CO₃

หรือ 2RNH₂ + CO₂ + H₂O <-----> (RNH₃⁺)₂·CO₃^2-

ข้อเสียของกระบวนการเอมีนคือสารประกอบเหล่านี้เป็นสารที่ระเหยออกจากสารละลายได้ (เกลือ K₂CO₃ มันไม่ระเหยออกจากสารละลาย) และยังสามารถสลายตัวได้ โมโนเอทานอลเอมีน (monoethanolamine หรือที่ย่อว่า MEA) เป็นตัวหนึ่งที่จับทั้ง CO₂ และ H₂S ได้ดี แต่จะเกิดปัญหาถ้าแก๊สนั้นมีคาร์บอนิลซัลไฟด์ (carbonyl sulfide - COS) หรือคาร์บอนไดซัลไฟด์ (carbondisulfide - CS₂) หรือ mercaptan ผสมอยู่ (และยังมีปัญหาในกรณีที่แก๊สที่ทำการบำบัดนั้นมี SO₂ หรือ SO₃ ร่วมด้วย) เพราะโมโนเอทานอลเอมีนสามารถทำปฏิกิริยา electrophilic substitution กับสารเหล่านี้ กลายเป็นสารประกอบที่เสถียรและไม่สามารถฟื้นคืนสภาพได้ เช่นในกรณีที่สารตั้งต้นเป็นโมโนอัลคานอลเอมีนปฏิกิริยาที่เกิดแสดงไว้ในรูปที่ ๔ 
 

รูปที่ ๔ ปฏิกิริยาระหว่างโมโนเอทานอลเอมีนกับ COS, CS2 และ H₂C=C=O (ketene) (จากเอกสาร ๔)

ในกรณีที่แก๊สที่ต้องการบำบัดนั้นมี COS และ CS₂ ปนอยู่ การใช้ไดอัลคานอลเอมีนเช่น diethanolamine (DEA) หรือเอมีนที่อะตอม N ไม่มีอะตอม H เกาะอยู่โดยตรง จะมีความเหมาะสมมากกว่า
 

อีกปัญหาที่ต้องคำนึงของกระบวนการนี้คือการกัดกร่อนโลหะที่ใช้ทำอุปกรณ์ ไอออนเหล็กที่ละลายออกจากผิวโลหะจะจับตัวกับไอออนซัลไฟด์ (S^2-) กลายเป็นตะกอนสะสมแขวนลอยอยู่ในระบบได้ จำให้จำเป็นต้องมีการติดตั้งตัวกรอง (strainer) เพื่อกรองเอาตะกอน FeS ออกจากระบบ

เอกสารประกอบการเขียน

๑. สิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ US 2,318,422 ปีค.ศ. ๑๙๔๐

๒. John M. Campbell, "Gas conditioning and processing vol. 2", 5th edition, June 1981.

๓. John Polasek และ Jerry A. Bullin, "Selecting Amines for Sweetening Units", Proceedings GPA Regional Meeting, Sept. 1994. "Process Considerations in Selecting Amine" Tulsa, OK: Gas Processors Association, 1994.

๔. M. A. Scheiman, "A review of monoethanolamine chemistry", U.S. Naval Research Laboratory, June, 1, 1962.

กราฟการไทเทรตกรดกำมะถัน (H2SO4) ตอนที่ ๒ MO Memoir 2558 Dec 10 Thu

ตอนที่เริ่มภาคการศึกษาใหม่เมื่อกลางเดือนสิงหาคมที่ผ่านมา ผมได้ตั้งคำถามถามนิสิตชั้นปีที่ ๒ ในชั้นเรียน ๓ คำถามด้วยกัน สองคำถามแรกเป็นคำถามที่ต้องการให้เขาเห็นว่าในบางกรณีนั้นคำตอบของคำถามมันขึ้นอยู่กับสถานการณ์ มันไม่มีคำตอบที่ตายตัว ส่วนคำถามที่สามถามเพื่อต้องการตรวจสอบความรู้พื้นฐานบางเรื่องที่เขา "ควรจะ" ได้เรียนรู้มาตอนมัธยมปลายและปี ๑ คำถามนั้นก็คือ 
   

"ถ้าเอาสารละลายกรด H₂SO₄ 0.1 mol/l ใส่ในบีกเกอร์ จากนั้นค่อย ๆ หยดสารละลาย NaOH 0.1 mol/l ลงในบีกเกอร์ ค่า pH ของสารละลายในบีกเกอร์จะเปลี่ยนแปลงอย่างไร ให้ร่างภาพการเปลี่ยนแปลงค่า pH ของสารละลายในบีกเกอร์กับปริมาตรสารละลาย NaOH ที่หยดลงไป"
 

คำตอบของคำถามข้อ ๓ ที่ได้รับมาก็อยู่ในรูปที่นำมาแสดงครับ ลองพิจารณากันเอาเองก่อนก็แล้วครับนะครับ
 

อันที่จริงคำถามข้อ ๓ ก็เป็นคำถามเดียวกันที่ผมเคยใช้ตอนสัมภาษณ์นักเรียนผู้มี "ความสามารถพิเศษ" ที่ผ่านการคัดเลือกเข้าเรียนในมหาวิทยาลัยด้วย "ช่องทางพิเศษ" และได้นำมาเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๗ ฉบับที่ ๙๕๐ วันอังคารที่ ๒๔ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๘ เรื่อง "กราฟการไทเทรตกรดกำมะถัน(H2SO4)" พร้อมทั้งได้เฉลยคำตอบไว้ในนั้นแล้ว และคำตอบที่ผมได้มานั้นมันบ่งบอกอะไรก็ขอให้พิจารณากันเอาเองก็แล้วกัน
  

ปัญหาหนึ่งของการศึกษาในบ้านเราที่พบก็คือมักจะยึด "ตัวอย่างเฉพาะ" หรือ "วิธีการเฉพาะ" ว่ามันเป็น "กฎ" แทนการทำความเข้าใจ "หลักการพื้นฐาน" แล้วนำหลักการพื้นฐานนั้นมาประยุกต์ใช้กับสถานการณ์ที่แตกต่างกันออกไป พอถึงเวลาแก้ปัญหาก็ใช้วิธีการเทียบเคียงกับตัวอย่างที่เคยผ่านตามาว่า "ใกล้เคียง" กับตัวอย่างไหนมากที่สุด แล้วก็นำเอาวิธีการแก้ปัญหาของตัวอย่างนั้นมาใช้แบบไม่มีการตั้งข้อสงสัยเลยว่ามันเหมาะสมหรือไม่ แต่ตรงนี้จะไปโทษผู้เรียนก็ไม่ได้เพราะจะว่าไปมันเป็นกันตั้งแต่ตัวอาจารย์ (ผมก็โตมาในระบบการศึกษาแบบนั้น จนเมื่อออกไปทำงานภาคปฏิบัติจึงเจอข้อผิดพลาดของระบบการศึกษาที่ตัวเองเรียนมา)

เรื่องแบบนี้ไม่ได้เกิดขึ้นเฉพาะกับผู้ทำการทดลอง กับผู้ที่ทำ simulation ด้วยโปรแกรมคอมพิวเตอร์ก็พบปัญหาแบบเดียวกัน ผมเคยสอบถามนิสิตผู้ทำวิทยานิพนธ์ด้วยการทำ simulation ในระหว่างการสอบว่าคุณใช้เทคนิคไหนในการแก้ปัญหาระบบสมการอนุพันธ์ของคุณ เขาก็ตอบว่าใช้ MATLAB ผมก็ถามซ้ำใหม่ว่าแล้วในโปรแกรม MATLAB คุณใช้เทคนิคไหนในการแก้ปัญหาระบบสมการอนุพันธ์ของคุณ เขาก็ตอบกลับมาว่าใช้ code รหัส xxxx นี้ในการแก้ปัญหา ผมก็ถามต่อไว่าแล้ว code รหัส xxxx นี้แก้ปัญหาด้วยเทคนิคอะไร เขาก็ตอบชื่อเทคนิคออกมา พอถามต่อว่าแล้วเทคนิคดังกล่าวมันมีวิธีแก้ปัญหาอย่างไร และมันเหมาะกับโจทย์ของคุณหรือไม่ เขาก็ตอบไม่ได้ ตอบแต่เพียงว่าเขาไปดู paper ว่าที่ผ่านมาเขาใช้ code ตัวไหนของ MATLAB ในการแก้ปัญหา แล้วก็เลือกเอา code เดียวกันจาก paper ที่เห็นว่าใกล้เคียงกับงานของเขามากที่สุดมาใช้ ผมก็ตอบเขากลับไปว่าในงานนั้นเขาใช้ code นั้นน่ะมันถูกต้องแล้ว แต่ระบบสมการของคุณแม้ว่ามันจะคล้ายกับของเขา แต่สำหรับโจทย์ของคุณนั้น การนำ code เดียวกันนั้นมาแก้ปัญหานั้นมันไม่เหมาะสม มันมีความแตกต่างกันอยู่

โดยความเห็นส่วนตัวปัญหาหนึ่งของการจัดการเรียนการสอนในมหาวิทยาลัยของบ้านเราคือเรานิยมไป "ลอก" วิธีการของมหาวิทยาลัยชั้นนำจากต่างประเทศ (โดยเฉพาะจากชาติตะวันตก) มาใช้แบบดื้อ ๆ โดยไม่มีการปรับแต่งให้สอดรับกับ "วัตถุดิบ (ก็คือผู้เรียน)" ว่ามีพื้นฐานเดิมมาอย่างไร เห็นเป็นประจำเวลาที่มีการนำเสนอว่าหลักสูตรการศึกษาของบ้านเราควรจะมีการปรับปรุงอย่างไร ก็ใช้วิธีเพียงแค่ไปดูว่าสถาบันการศึกษาชั้นนำของโลกในประเทศต่าง ๆ นั้นเขาทำอะไรกันบ้าง แล้วก็นำมาบอกทำนองว่าที่เราล้าหลังเขาก็เพราะเราไม่มีการปรับปรุงให้เหมือนเขา ไม่เห็นมีการกล่าวถึงเลยว่าตัวผู้เรียนเองที่เข้าสู่ระบบการศึกษาที่ไปดูเป็นตัวอย่างมานั้น เขามีคุณสมบัติอย่างไร เขาผ่านการพัฒนาด้วยกระบวนการเรียนรู้ในโรงเรียนมาอย่างไร แล้วตัวนักเรียนของเราเองมีคุณสมบัติแบบนั้นหรือไม่ ก็ในเมื่อกระบวนการและวัตถุดิบมันไม่สอดรับกัน แล้วจะหวังให้ผลลัพธ์ออกมาดีได้อย่างไร

พื้นฐานเดิมของผู้เรียนตรงนี้มันขึ้นอยู่กับระบบการศึกษาของโรงเรียน วิธีการประเมินโรงเรียน (ดูเหมือนว่าเราจะใช้วิธีการประเมินผู้บริหารโรงเรียนโดยดูที่จำนวนนักเรียนสอบเข้าคณะดัง ๆ ในมหาวิทยาลัยได้เป็นหลัก แทนที่จะประเมินที่การสร้าง "มูลค่าเพิ่ม" ให้กับผู้เรียน ผลที่ตามมาก็คือนักเรียนที่เรียนไม่เก่งจะถูกเฉดหัวออกจากโรงเรียนดัง ๆ ไม่ให้เข้าเรียนต่อมัธยมปลาย) และวิธีการที่ทางสถาบันอุดมศึกษาใช้ในการคัดเลือก (มีอย่างที่ไหน บอกว่ารับเด็กจบ ม. ๖ แต่ทำการสอบคัดเลือกกันก่อนที่เด็กจะเรียนจบ ม. ๖ กลายเป็นว่าหลักสูตรมัธยมปลายที่ทางโรงเรียนวางไว้ ๓ ปี ต้องมาอัดให้เด็กเรียนกันในสองปีหรือสองปีครึ่ง ทำเอาระบบมัธยมปลายในโรงเรียนรวนไปหมด) ส่วนตัวเนื้อหาหลักสูตรเองพักหลัง ๆ เห็นเริ่มมีแบบไม่สนใจว่าผู้ที่เรียนจบแล้วจะมีความรู้ความสามารถเพียงพอที่จะออกไปทำงานในตลาดแรงได้หรือไม่ เริ่มมีการใส่ความต้องการของอาจารย์ในการต้องการลูกมือทำวิจัยให้อาจารย์เข้าไปในเนื้อหาหลักสูตร (เรียกว่าถ้าจบป.ตรี แล้วมาทำวิจัยกับฉัน ฉันจะได้ไม่ต้องเสียเวลาสอน งานวิจัยฉันจะได้เดินหน้าไปได้เร็ว ๆ)

การออกแบบกระบวนการผลิตในทางวิศวกรรมเคมีเราดูผลลัพธ์เป็นหลักว่าเราต้องการผลิตภัณฑ์ที่มีคุณสมบัติอย่างไร จากนั้นจึงมาพิจารณาว่าเรามีวัตถุดิบที่มีคุณสมบัติอย่างไร และเพื่อเปลี่ยนวัตถุดิบให้กลายเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีคุณสมบัติตามข้อกำหนดได้นั้นจะต้องผ่านกระบวนการใดบ้าง ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือโรงกลั่นน้ำมัน คุณสมบัติผลิตภัณฑ์สำหรับจำหน่ายในท้องตลาดมันมีข้อกำหนดเอาไว้แล้ว และมีเพียงไม่กี่ชนิดเมื่อเทียบกับคุณสมบัติของน้ำมันดิบที่มีให้เลือกซื้อมากลั่น โรงกลั่นที่มีความยืดหยุ่นสูงก็สามารถเลือกใชัวัตถุดิบที่แตกต่างกันมากลั่นเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีคุณสมบัติเดียวกันได้ โดยกระบวนการผลิตสำหรับวัตถุดิบที่แตกต่างกันนั้นไม่จำเป็นต้องใช้เส้นทางเดียวกัน การออกแบบระบบการศึกษาก็ควรจะต้องเป็นแบบเดียวกัน มันไม่ควรที่จะใช้วิธีการลอกคนอื่นเขามาแบบดื้อ ๆ 
  

 

พักหลัง ๆ นี้มีอาจารย์บางรายมาเปรย ๆ กับผมบ่อยครั้งแล้วเรื่องความรู้พื้นฐานของนิสิตบัณฑิตศึกษาในการทำวิจัยว่าอ่อนลงไปมาก จะทำอย่างไรดี เริ่มมีคนรู้สึกเสียดายวิชาที่มีการลงมติยกเลิกไปเมื่อหลายปีก่อนทั้ง ๆ ที่ผมได้เตือนเอาไว้แล้วด้วยว่าให้พิจารณาให้รอบคอบ แต่เมื่อมันเป็นฉันทามติของที่ประชุม ผมก็ไม่สามารถทำอะไรได้