logylogyTechnoHot New

sActivity

Show

Greenergy

>>> 56 August-September 2014, Vol.41 No.236

>> องค์ประกอบและสมบตัิ

น�ำ้มนัเบนซนิประกอบไปด้วยสำรประกอบไฮโดรคำร์บอนทีม่ีจ�ำนวนคำร์บอน 5-12 อะตอม มีลักษณะเป็นสำรประกอบไฮโดร-คำร์บอน ชนิดอะลิฟำติก (aliphatic) หรือไซโคลอะลิฟำติก (cyclo-aliphatic) น�้ำมันเบนซินได้จำกกำรผสมสัดส่วนของน�้ำมันที่เรียกว่ำ แนพทำ (naphtha) ซึ่งได้จำกกำรกลั่นน�้ำมันดิบในหอกลั่นปกติ และผลิตภัณฑ์จำกกระบวนกำรอ่ืน ๆ เช่น กระบวนกำรคะตะไลติก

น�้ำมันเบนซิน คือ น�้ำมันเชื้อเพลิงที่ใช้กับเครื่องยนต์สันดำปภำยใน

ชนิดเบนซิน ผลิตจำกกระบวนกำรกลั่นและกำรแปรรูปสัดส่วน

ของน�้ำมันดิบ น�้ำมันชนิดนี้จะมีชื่อเรียกเป็นภำษำอังกฤษว่ำ “แก๊สโซลีน

(gasoline)” ในประเทศแถบทวีปอเมริกำเหนือ และ “เพทรอล (petrol)” ใน

กลุ่มประเทศเครือจักรภพอังกฤษ ทั้งนี้ชื่อที่คนไทยเรียกน�้ำมันชนิดนี้ว่ำ

“เบนซิน” นั้น แท้จริงแล้วมำจำกองค์ประกอบที่มีชื่อเรียกว่ำ เบนซีน (ben-

zene) ซึ่งผสมอยู่ในน�้ำมันในปริมำณเพียงเล็กน้อยเท่ำนั้น

(fluid catalytic cracking)ดร.อานนท์ ฉั่วชื่นสุข และ ดร.อมรชัย อาภรณ์วิชานพ

กลุ่มการวิจัยวิศวกรรมกระบวนการเชิงคำานวณ ภาควิชาวิศวกรรมเคมี

คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย

จากกระบวนการฟลูอิดคะตะไลติกแครกกิง

รีฟอร์มมิง (catalytic reforming process) และกระบวนกำรฟลูอิด- คะตะไลติกแครกกิง (fluid catalytic cracking) เป็นต้น แนพทำสำมำรถแบ่งย่อยได้เป็น แนพทำเบำ (light naphtha) ซึ่งมีจุดเดือดอยู่ในช่วง 10-87.78 องศำเซลเซียส และแนพทำหนัก (heavy naph-tha) ซึ่งมีจุดเดือดอยู่ในช่วง 87.78-182.22 องศำเซลเซียส แนพทำเบำจะสำมำรถน�ำมำผสมเป็นน�ำ้มนัเบนซนิได้โดยตรง แต่แนพทำหนกั จะถูกส่งไปยังกระบวนกำรคะตะไลติกรีฟอร์มมิงก่อน เพื่อเปลี่ยน โครงสร้ำงของแนพทำที่มีออกเทนต�่ำให้มีค่ำออกเทนสูงขึ้น เช่น กำรเปลี่ยนไซโคลพำรำฟิน (cycloparaffin) ให้เป็นอะโรเมติกเบำ (light aromatics) ก่อนน�ำไปผสมเป็นน�้ำมันเบนซิน

ทั้งนี้ปัจจัยที่เป็นตัวก�ำหนดคุณลักษณะของน�้ำมันเบนซินที่เหมำะสม ซึ่งจะส่งผลกระทบต่อประสิทธิภำพของเครื่องยนต์ ได้แก่

1. ค่าออกเทน(octanenumber) เป็นค่ำที่บ่งบอกถึงควำม

การผลิตนำ้ามันเบนซิน

logylogyTechnoGreenergy

August-September 2014, Vol.41 No.236 57 <<<

สำมำรถในกำรทนทำนต่อกำรน๊อคหรือกำรจุดระเบิดของเครื่องยนต์ ซึ่งแสดงอยู่ในรูปแบบของตัวเลข 0-100 ค่ำออกเทนยิ่งมำก ยิ่งแสดงถงึควำมสำมำรถในกำรผลติงำนของเชือ้เพลงิชนดินัน้ ๆ ในกำรอธบิำยควำมหมำยของค่ำออกเทนจะใช้สำรประกอบไฮโดรคำร์บอนสองชนดิเป็นตัวแทน กล่ำวคือ ค่ำออกเทนจะเป็นค่ำที่แสดงถึงเปอร์เซ็นต์ของไอโซออกเทน (isooctane) ทีม่อียูใ่นน�ำ้มนัผสมของไอโซออกเทน และนอร์มอลเฮปเทน (normal heptane) ซึ่งน�้ำมันผสมของสำรประกอบไฮโดรคำร์บอนทัง้สองชนดินีจ้ะแสดงลกัษณะทีต่รงกนักับลกัษณะกำรทนทำนต่อกำรน๊อคของเครื่องยนต์ โดยสมมุติว่ำ ถ้ำน�้ำมันเบนซินมีค่ำออกเทนเท่ำกับ 90 แสดงว่ำ ลักษณะกำรทนทำนต่อกำรน๊อคของเครือ่งยนต์ทีใ่ช้น�ำ้มนัเบนซนิน้ันจะมลัีกษณะเหมอืนกับน�ำ้มนัผสมของไอโซออกเทน 90 เปอร์เซ็นต์ และนอร์มอลเฮปเทน 10 เปอร์เซ็นต์

โดยทัว่ไปค่ำออกเทนจะมสีองแบบคอื ค่ำ Research Octane Number (RON) และค่ำ Motor Octane Number (MON) ค่ำออกเทน ทัง้สองนีจ้ะใช้ส�ำหรบัประเมนิควำมไว (sensitivity) ของน�ำ้มนัเบนซนิต่อสภำวะในกำรท�ำงำนของเครื่องยนต์ โดยค่ำ RON จะเป็นค่ำที่ใช้ประเมินควำมไวในสภำวะที่เครื่องยนต์ท�ำงำนไม่หนัก ส่วนค่ำ MON จะเป็นค่ำทีใ่ช้ประเมนิควำมไวในสภำวะทีเ่ครือ่งยนต์ท�ำงำนหนกั กำรวัดค่ำออกเทนทั้งสองน้ันจะใช้อุปกรณ์วัดเดียวกันเพียงแต่รอบของเครือ่งยนต์ทีใ่ช้วดั MON น้ัน จะมีค่ำสูงกว่ำรอบของเครือ่งยนต์ทีใ่ช้วดั RON ซึง่ส่งผลให้ค่ำ RON ทีว่ดัได้จะมค่ีำสงูกว่ำค่ำ MON ทัง้นีค่้ำออกเทนของน�ำ้มนัทีข่ำยอยูใ่นท้องตลำดจะมค่ีำอยูร่ะหว่ำงค่ำ RON และ MON โดยจำกประกำศของกรมธุรกิจพลังงำน กระทรวงพลังงำน ก�ำหนดให้น�้ำมันเบนซินต้องมีค่ำ RON ไม่ต�่ำกว่ำ 95 และค่ำ MON ไม่ต�่ำกว่ำ 84

กำรน๊อคของเครื่องยนต์ คือ กำรที่ส ่วนผสมของน�้ำมัน และอำกำศเกิดกำรเผำไหม้ก่อนหรือหลังท่ีจะเกิดกำรจุดระเบิดโดย หวัเทยีนเมือ่ลกูสูบเคล่ือนทีข่ึน้สุด ท�ำให้เกิดแรงต้ำนกำรเคลือ่นทีข่องลูกสูบในจังหวะอัด เมื่อเกิดกำรจุดระเบิดโดยหัวเทียน ลูกสูบจะไม่สำมำรถสร้ำงก�ำลังให้กับเครื่องยนต์ได้อย่ำงเต็มประสิทธิภำพ ทั้งนี้กำรเผำไหม้เชื้อเพลิงก่อนหรือหลังจำกกำรจุดระเบิดโดยหัวเทียนยังท�ำให้ลูกสูบเกิดกำรเคลื่อนที่ผิดจังหวะ นอกจำกนี้ลูกสูบ กระบอกสูบ วำล์ว และบ่ำวำล์ว อำจเกดิกำรเสยีหำย เนือ่งจำกควำมร้อนทีเ่กดิขึน้ กำรน๊อคของเคร่ืองยนต์จะส่งผลให้ก�ำลงัทีผ่ลติได้จำกเครือ่งยนต์และเชื้อเพลิงต�่ำลง รถยนต์จะอืด วิ่งไม่ออก เร่งเครื่องไม่ขึ้น เป็นต้น

2. ประสิทธิภาพทางความร้อน (thermal efficiency) เป็นตัวแปรท่ีบ่งบอกถึงควำมสำมำรถในกำรเปลี่ยนรูปแบบพลังงำนของกระบวนกำรทำงควำมร้อน เช่น เครื่องยนต์เผำไหม้ภำยใน เครื่องกังหันก๊ำซ เคร่ืองยนต์ไอน�้ำ หม้อต้มไอน�้ำ และเตำเผำ เป็นต้น เคร่ืองยนต์เบนซินเป็นเครื่องยนต์เผำไหม้ภำยในประเภทหนึ่งจึงใช้ตวัแปรน้ีในกำรบ่งบอกประสทิธภิำพได้เช่นเดยีวกัน ทัง้นีป้ระสทิธภิำพทำงควำมร้อนของเชื้อเพลิงจะเกี่ยวข้องกับอัตรำส่วนก�ำลังอัด (com-pression ratio) เครือ่งยนต์ท่ีมีอัตรำส่วนก�ำลังอัดสูงจะมปีระสทิธภิำพ

ทีด่ ีเนือ่งจำกจะสำมำรถสร้ำงก�ำลงัได้มำก โดยทีใ่ช้น�ำ้มนัเชือ้เพลงิน้อย แต่อย่ำงไรก็ตำม กำรที่เครื่องยนต์จะสำมำรถสร้ำงก�ำลังได้มำก และใช้เชือ้เพลงิน้อยได้นัน้ จ�ำเป็นต้องใช้น�ำ้มนัทีม่ปีระสทิธภิำพทำงควำมร้อนสูงด้วย จึงอำจกล่ำวได้ว่ำกำรประหยัดน�้ำมันเป็นปัจจัยหนึ่งที่สำมำรถน�ำมำใช้ประเมนิประสทิธภิำพทำงควำมร้อนของเชือ้เพลงิได้

อย่ำงไรก็ตำมเครื่องยนต์ที่มีอัตรำส่วนก�ำลังอัดสูงมีโอกำสที่จะเกิดกำรน๊อคของเครื่องยนต์ได้มำก ดังนั้นจึงจ�ำเป็นต้องใช้น�้ำมันเชื้อเพลิงที่มีค่ำออกเทนที่เหมำะสม ซึ่งผู้ผลิตรถยนต์หรือเครื่องยนต์มักจะต้องระบุค่ำออกเทนที่เหมำะสมกับเครื่องยนต์นั้น ๆ

อตัรำส่วนก�ำลงัอดั คอื อตัรำส่วนปรมิำตรของห้องเผำไหม้ในขณะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ลงต�่ำสุด ต่อปริมำตรของห้องเผำไหม้ขณะที่ลูกสูบเคล่ือนทีข่ึน้สูงสุด เช่น ถ้ำเครือ่งยนต์มปีรมิำตรของห้องเผำไหม้ในขณะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ลงต�่ำสุดเท่ำกับ 1,000 ลูกบำศก์เซนติเมตร ซึง่ประกอบไปด้วยปรมิำตรกระบอกสบู 900 ลกูบำศก์เซนตเิมตรและปริมำตรของห้องเผำไหม้ 100 ลูกบำศก์เซนติเมตร และปริมำตรของห้องเผำไหม้ขณะที่ลูกสูบเคล่ือนที่ขึ้นสูงสุดเท่ำกับ 100 ลูกบำศก์-เซนติเมตร จะท�ำให้เครื่องยนต์ดังกล่ำวมีอัตรำส่วนก�ำลังอัดเท่ำกับ 10:1

3. ความสามารถในการระเหย(volatility) โดยทั่วไปน�้ำมันเบนซนิต้องมคีวำมสำมำรถในกำรระเหยมำกพอทีจ่ะท�ำให้เครือ่งยนต์สำมำรถเริม่ท�ำงำน (start) ได้ทีอ่ณุหภมูติ�ำ่กว่ำอณุหภมูทิีใ่ช้งำนปกติ ถ้ำน�้ำมันเบนซินมีควำมสำมำรถในกำรระเหยต�่ำจนเกินไปจะท�ำให้เครื่องยนต์ไม่สำมำรถท�ำงำนได้ ตรงกันข้ำมถ้ำน�้ำมันเบนซินมีควำมสำมำรถในกำรระเหยมำกเกินไป จะท�ำให้เกิดไอของน�้ำมันมำกเกินไปในส่วนของอปุกรณ์ส่งน�ำ้มนั เช่น ท่อ และป๊ัม เป็นต้น อปุกรณ์เหล่ำนีถ้กูออกแบบมำเพือ่ใช้งำนกบัน�ำ้มนัเชือ้เพลงิในสภำวะของเหลว เม่ือเกดิไอขึน้ในระบบจะส่งผลต่อกำรท�ำงำนของระบบส่งน�ำ้มนัและส่วน

logylogyTechno Greenergy

>>> 58 August-September 2014, Vol.41 No.236

อื่น ๆ ของเครื่องยนต์ นอกจำกน้ีน�้ำมันที่ถูกเก็บไว้ในถังน�้ำมันอำจมีอุณหภูมิสูงขึ้น

เนือ่งจำกสภำพอำกำศและควำมร้อนจำกเครือ่งยนต์ จงึท�ำให้น�ำ้มนัที่ถกูเกบ็ไว้ในถงัเกดิกำรระเหยมำกขึน้ รถยนต์ส่วนใหญ่ในปัจจบุนัจะมีกำรตดิตัง้ถงัดกัไอน�ำ้มัน เพือ่เกบ็กกัไอน�ำ้มนัทีเ่กดิขึน้ในถงัน�ำ้มนั และน�ำไอน�้ำมันส่วนนี้ไปใช้ผสมกับอำกำศเพื่อเผำไหม้ในเครื่องยนต์เมื่อเครื่องยนต์มีกำรท�ำงำน

กรมธุรกิจพลังงำน กระทรวงพลังงำน ได้ก�ำหนดค่ำควำมสำมำรถในกำรระเหยของน�้ำมันเบนซินไว้ดังนี้

➲ กำรระเหยในอัตรำร้อยละ 10 โดยปริมำตร ที่อุณหภูมิไม่สูงกว่ำ 70 องศำเซลเซียส

➲ กำรระเหยในอัตรำร้อยละ 50 โดยปริมำตร ที่อุณหภูมิไม่ต�่ำกว่ำ 70 และไม่สูงกว่ำ 110 องศำเซลเซียส

➲ กำรระเหยในอัตรำร้อยละ 90 โดยปริมำตร ที่อุณหภูมิไม่สูงกว่ำ 170 องศำเซลเซียส

➲ จดุเดอืดสดุท้ำย (final boiling point) ทีอุ่ณหภูมไิม่สงูกว่ำ 200 องศำเซลเซียส

4. สิง่ตกค้างในเครือ่งยนต์(enginedeposits) เกดิขึน้ได้จำกกระบวนกำรท่ีเกีย่วข้องกบัอนมุลูอสิระ (free radical) สองกระบวนกำร คอื (1) กระบวนกำรออทอกซเิดชนั (autoxidation) ซึง่จะเกิดท่ีอณุหภมูิต�่ำ และ (2) กระบวนไพโรไลซิส (pyrolysis) ซึ่งจะเกิดท่ีอุณหภูมิสูง กระบวนกำรออทอกซิเดชันเกิดขึ้นได้ ทั้งในขณะที่เชื้อเพลิงถูกเก็บอยู่ในถังน�้ำมัน และในขณะท่ีได้รับควำมร้อนสูงซึ่งจะเกิดปฏิกิริยำออกซิเดชัน (oxidation reaction) ของอัลคิลแรดิคอล (alkyl radical) หลำยปฏิกิริยำเกิดเป็นไฮโดรเปอร์ออกไซด์ (hydroperoxide) และผลิตภัณฑ์ชนิดอื่น ๆ ท่ีเชื่อว่ำเป็นสำเหตุของกำรเกิดสิ่งตกค้ำงในเครื่องยนต์ ที่อุณหภูมิสูง (มำกกว่ำ 350 องศำเซลเซียส) กระบวนกำรไพโรไลซิสที่ท�ำให้เกิดสิ่งตกค้ำงในเครื่องยนต์จะแบ่งออกได้เป็น 2 กระบวนกำร คือ กระบวนกำรสลำยตัว (decomposition) ของสำร ประกอบไฮโดรคำร์บอนกลำยเป็นคำร์บอนและไฮโดรเจน และกระบวนกำรโพลีเมอร์ไรเซชัน (polymerization process) หรือกระบวนกำรคอนเดนเซชนั (condensation process) ของสำรประกอบไฮโดรคำร์บอนทีม่โีมเลกลุขนำดเลก็กลำยเป็นสำรประกอบอะโรเมติก ซึ่งจะกลำยเป็นสิ่งตกค้ำงอยู่ในเครื่องยนต์

สิ่งตกค้ำงในเครื่องยนต์จะส่งผลต่อประสิทธิภำพของกำรใช้น�ำ้มันและกำรปล่อยมลพษิ โดยส่ิงตกค้ำงในเครือ่งยนต์น้ีจะส่งผลกบัชิ้นส่วนต่ำง ๆ ภำยในเครื่องยนต์ เช่น คำร์บูเรเตอร์ (carburetor) หัวฉีดน�้ำมัน ลิ้นไอดี และห้องเผำไหม้ เป็นต้น ถ้ำเกิดคำร์บอนเกำะที่หัวฉีดน�้ำมันอำจส่งผลให้เกิดกำรอุดตัน และส่งผลต่อลักษณะกำรฉีดน�ำ้มันอกีด้วย ซึง่จะส่งผลต่ออตัรำกำรใช้เชือ้เพลงิ ก�ำลงัของเครือ่งยนต์และกำรปลดปล่อยมลพิษ ทั้งนี้คำร์บูเรเตอร์ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ใช้เป็นห้องผสมน�้ำมันและอำกำศก่อนท่ีจะส่งไปเผำไหม้ยังห้องเผำไหม้ในกระบอกสบู เป็นอปุกรณ์มโีครงสร้ำงภำยในทีป่ระกอบไปด้วยช่องกำร

ไหลขนำดเล็ก ซึ่งถ้ำเกิดกำรอุดตันก็จะเกิดผลกระทบต่อเครื่องยนต์เช่นกัน ทั้งนี้ชิ้นส่วนที่มีโอกำสเกิดคำร์บอนได้มำก คือ ลิ้นไอดี เนือ่งจำกบรเิวณนีจ้ะมอีณุหภมูสิงู ถ้ำเกดิกำรอดุตนัจะท�ำให้ก�ำลงัของเครื่องยนต์ลดลง เนื่องจำกจะท�ำให้อัตรำกำรไหลของอำกำศลดลง และยังท�ำให้เกิดกำรปลดปล่อย VOCs และ NOXs เพิ่มขึ้นด้วย

>> แหล่งทีม่าของน�า้มันที่ใช้ส�าหรบัการผสมเป็นน�า้มันเบนซนิ

โดยทั่วไปแล้วน�้ำมันเบนซินจะได้มำจำกกระบวนกำรหลัก ๆ 3 กระบวนกำร คือ

1. กำรกลั่นน�้ำมันดิบ2. กระบวนกำรคะตะไลติกรีฟอร์มมิง3. หน่วยฟลูอิดคะตะไลติกแครกกิงโดยกระบวนกำรที่จะกล่ำวถึงในบทควำมนี้คือ กระบวนกำร

ฟลูอิดคะตะไลติกแครกกิง กระบวนกำรฟลูอิดคะตะไลติกแครกกิง เป็นกระบวนกำรแปร

สภำพสดัส่วนน�ำ้มนัดบิทีม่ขีนำดโมเลกลุใหญ่และมรีำคำต�ำ่ เช่น แก๊สออย (gas oil) และกำกน�้ำมัน (residue) ให้เป็นสัดส่วนน�้ำมันดิบที่มีขนำดโมเลกุลเล็กลงและมีรำคำที่สูงขึ้น เช่น โอเลฟิน (olefins) แก๊สโซลีน (gasoline) เป็นต้น โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยำ

โดยทัว่ไปกระบวนกำรฟลอูดิคะตะไลตกิแครกกงิ ประกอบไปด้วย หน่วยปฏบิตักิำรทีส่�ำคญั คอื เครือ่งปฏกิรณ์ (reactor) และหน่วยฟื้นฟูสภำพตัวเร่งปฏิกิริยำ (regenerator) ลักษณะโดยทั่วไปของหน่วยฟลูอิดคะตะไลติกแครกกิงแสดงในภำพที่ 1

▲ ภาพที่ 1 หน่วยฟลูอิดคะตะไลติกแครกกิง (Warren Letzsch, 2008)

กำรท�ำงำนของหน่วยฟลูอิดคะตะไลติกจะเริ่มจำกกำรป้อนสำรตั้งต้น เช่น แก๊สออย ที่ผ่ำนกำรเพิ่มอุณหภูมิด้วยกำรแลกเปลี่ยนควำมร้อนกับผลิตภัณฑ์ที่มีอุณหภูมิสูงจำกกระบวนกำรอื่น หรือเพิ่ม

ก๊ำซที่เป็นผลิตภัณฑ์ (product vapor)

หน่วยฟื้นฟูสภำพตัวเร่งปฏิกิริยำ (regenerator)

อุปกรณ์ช่วยแยกตัวเร่งปฏิกิริยำ(riser termination device)

อุปกรณ์กระจำยกำรป้อนอำกำศ (air distributor)

ท่อพักตัวเร่งปฏิกิริยำที่ผ่ำนกำรใช้งำนแล้ว (spent catalyst standpipe)

ท่อฟักตัวเร่งปฏิกิริยำที่ผ่ำนกำรฟื้นฟูสภำพแล้ว (regenerated catalyst standpipe)

ไซโคลน (cyclone)

ไซโคลน (cyclone)

สไลด์วำล์ว (slide valve)

เครื่องปฏิกรณ์ (riser reactor)

สตริปเปอร์ (stripper)

ไรเซอร์ (riser reactor)

หัวฉีดสำรตั้งต้นรีไซเคิล(recycle nozzles)

หัวฉีดสำรตั้งต้น (feed nozzles)

วงแหวนป้อนไอน�้ำ (steam rings)

วงแหวนป้อนอำกำศ (air ring)

logylogyTechnoGreenergy

August-September 2014, Vol.41 No.236 59 <<<

อุณหภูมิโดยใช้เตำเผำ (preheater) (ไม่ได้แสดงในภำพ) เข้ำที่ด้ำนล่ำงของไรเซอร์ (riser reactor) พร้อมกับตัวเร่งปฏิกิริยำร้อนซึ่งผ่ำนกำรฟื้นฟูสภำพ (regenerated catalyst) โดยกำรเผำไหม้โค้กที่เกำะอยู่บนผิวหน้ำออกไป เมื่อแก๊สออยที่ถูกพ่นฝอยเป็นละอองขนำดเล็ก (atomized) สมัผสักบัตวัเร่งปฏกิริยิำทีม่อีณุหภมูสิงูจะระเหย และเกดิปฏกิริยิำแตกโมเลกุล (catalytic cracking reaction) ซึง่เป็นปฏกิริยิำดดูควำมร้อนท่ีผวิหน้ำของตวัเร่งปฏกิริยิำ ทัง้นีก้ำรระเหยของแก๊สออยและปริมำณก๊ำซที่เพิ่มขึ้นจำกปฏิกิริยำแตกโมเลกุลจะท�ำให้เกิดกำรขยำยตัวของก๊ำซ ท�ำให้อนุภำคของตัวเร่งปฏิกิริยำถูกพำให้เคล่ือนที่ขึ้นไปด้ำนบนตำมแนวท่อของไรเซอร์ ในทำงอุดมคติแล้ว ปฏิกิริยำแตกโมเลกุลจะเกิดขึ้นตลอดแนวท่อของไรเซอร์ และจะสิ้นสุดเมื่อตัวเร่งปฏิกิริยำและก๊ำซถูกแยกออกจำกกันด้วยไซโคลน (cyclone) ที่บริเวณด้ำนบนของไรเซอร์

ทั้งนี้ในขณะเกิดปฏิกิริยำแตกโมเลกุลนั้นจะเกิดโค้ก (coke) ซึง่เป็นผลติภณัฑ์ข้ำงเคยีงด้วย โค้กทีเ่กิดขึน้จะเกำะอยูบ่นผวิหน้ำของตวัเร่งปฏกิริยิำท�ำให้ประสทิธภิำพในกำรท�ำงำนของตวัเร่งปฏกิริยิำลดลง ตัวเร่งปฏิกิริยำที่เกิดกำรเส่ือมสภำพ เนื่องจำกโค้กจะถูกน�ำไปก�ำจัดโค้กโดยกำรออกซิไดซ์กับออกซิเจนหรือเผำไหม้นั่นเอง กำรเผำไหม้โค้กนี้ นอกจำกจะเป็นกำรฟื้นฟูประสิทธิภำพของตัวเร่งปฏิกิริยำแล้ว ปฏกิริิยำกำรเผำไหม้ซึง่เป็นปฏกิริยิำคำยควำมร้อนยงัเป็นแหล่งควำมร้อนที่จ�ำเป็นต้องใช้ในกำรระเหย กำรเพิ่มอุณหภูมิ และใช้ส�ำหรับปฏิกิริยำแตกโมเลกุลซึ่งเป็นปฏิกิริยำดูดควำมร้อน โดยควำมร้อนที่จ�ำเป็นต้องใช้ในส่วนของไรเซอร์นั้นจะถูกส่งจำกหน่วยฟื้นฟูสภำพไปยังไรเซอร์โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยำเป็นตัวพำควำมร้อน

ในส่วนของเครื่องปฏิกรณ์ (reactor) ท่ีบริเวณด้ำนบนของ ไรเซอร์ ตวัเร่งปฏกิริยิำทีเ่สือ่มสภำพเนือ่งจำกโค้ก หรอือำจเรยีกว่ำ ตัวเร่งปฏิกิริยำท่ีผ่ำนกำรใช้งำนแล้ว (spent catalyst) และแก๊สซึ่งประกอบไปด้วยผลติภณัฑ์ และสำรตัง้ต้นทีไ่ม่เกดิปฏกิิรยิำจะถูกแยกออกจำกกันโดยใช้ไซโคลน แก๊สจะถูกส่งไปยังหอกลั่นหลัก (main fractionator) และโรงแยกก๊ำซต่อไป ส่วนตวัเร่งปฏกิริิยำทีผ่่ำนกำรใช้งำนแล้วจะตกลงสู่สตริปเปอร์ (stripper) ซึ่งในสตริปเปอร์นี้จะมีกำร

ใช้ไอน�้ำ เพื่อไล่สำรประกอบไฮโดรคำร์บอนซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ที่ติดไปกับตัวเร่งปฏิกิริยำออกไป ทั้งนี้เพื่อเป็นกำรป้องกันกำรเผำไหม้ผลติภณัฑ์ทีม่มีลูค่ำ และเป็นกำรป้องกนักำรเกดิอณุหภมูขิองกำรฟ้ืนฟูสภำพตัวเร่งปฏิกิริยำที่สูงกว่ำควำมสำมำรถในกำรทนทำนของวัสดุ และตัวเร่งปฏกิิรยิำ เนือ่งจำกกำรเผำไหม้สำรประกอบไฮโดรคำร์บอนอื่น ๆ นอกเหนือจำกโค้ก

ถ้ำแบ่งหน่วยฟลูอิดคะตะไลติกแครกกิงตำมกำรน�ำไปใช้งำนในปัจจุบันจะสำมำรถแบ่งออกเป็น 3 กลุ่มใหญ่ ๆ ดังแสดงในตำรำงที่ 1

>> ปฏิกริยิาทีเ่กดิข้ึนในกระบวนการฟลอูดิคะตะไลตกิแครกกงิ

ขณะเกิดปฏิกิริยำแตกโมเลกุล (cracking reaction) ในกระ-บวนกำรฟลูอิดคะตะไลติกแครกกิงจะมีปฏิกิริยำเคมีเกิดขึ้นหลำยปฏิกิริยำ เช่น ปฏิกิริยำกำรแตกโมเลกุลด้วยควำมร้อน (thermal cracking) และปฏิกิริยำกำรแตกโมเลกุลเชิงเร่งปฏิกิริยำ (catalytic cracking) เป็นต้น ทัง้นีป้ฏกิริยิำกำรแตกโมเลกลุด้วยควำมร้อนนัน้จะต้องควบคุมให้เกิดน้อยที่สุด โดยต้องท�ำกำรออกแบบกระบวนกำร และเลือกตัวเร่งปฏิกิริยำให้เหมำะสม กำรแตกตัวเชิงเร่งปฏิกิริยำที่เกดิขึน้ในรปูของปฏกิริยิำปฐมภมู ิ(primary reactions) และปฏกิริยิำทุติยภูมิ (secondary reaction) เป็นดังนี้

ปฏิกิริยาการแตกตัวเชิงเร่งปฏิกิริยาแบบปฐมภูมิ (Warren Letzsch, 2008)

การนำาไปใช้งาน สายป้อน ผลิตภัณฑ์

แตกโมเลกุลของแก๊สออย(gas oil cracking)

แก๊สออยที่ได้จำกหอกลั่นสุญญำกำศ (vacuum gas oil)

แก๊สโซลีน (gasoline)ไลท์ไซเคิลออย (light cycle oil, LCO) และแอลพีจี (liquefied petroleum gas, LPG)

แตกโมเลกุลของกำกน�้ำมัน(resid cracking)

กำกน�้ำมันที่ได้จำกหอกลั่นปกติ (atmospheric resid) และหอกลั่นสุญญำกำศ (vacuum resid)และแก๊สออยที่ได้จำกหอกลั่นสุญญำกำศ (vacuum gas oil)

แก๊สโซลีน (gasoline) ไลท์ไซเคิลออย (light cycle oil, LCO) และแอลพีจี (liquefied petroleum gas, LPG)

แตกโมเลกุลเพื่อผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ปิโตรเคมี (cracking for petrochemical products)

แก๊สออยที่ได้จำกหอกลั่นสุญญำกำศ (vacuum gas oil) และกำกน�้ำมัน (resid)

ไลท์โอเลฟิน (light olefin ได้แก่ ผลิตภัณฑ์ไฮโดรคำร์บอน C2 และ C3) และ C4 รวมกับอะโรมำติก (aromatic)

▼ ตารางที่ 1 กำรประยุกต์ใช้กระบวนกำรฟลูอิดคะตะไลติกแครกกิง (Warren Letzsch, 2008)

logylogyTechno Greenergy

>>> 60 August-September 2014, Vol.41 No.236

ปฏิกิริยาทุติยภูมิของโอเลฟิน (Warren Letzsch, 2008)

ปฏิกิริยำทุติยภูมิโดยส่วนใหญ่นั้นจะเป็นปฏิกิริยำที่ไม่ต้องกำร เนื่องจำกจะท�ำให้ปริมำณของผลิตภัณฑ์ที่ต้องกำร (ได้แก่ olefin) ลดลง สำรตั้งต้นส่วนใหญ่ของปฏิกิริยำจะเป็นสัดส่วนของน�ำ้มันทีม่จีดุเดอืดมำกกว่ำน�ำ้มนัดเีซล (343-371 องศำเซลเซยีส) และอำจสงูถงึ 815 องศำเซลเซยีส โดยกำรแตกโมเลกลุจะเกดิกบัโมเลกุลขนำดใหญ่ก่อน

>> ตวัเร่งปฏกิริยิาที่ใช้ในกระบวนการฟลูอิดคะตะไลติกแครกกงิ

ตัวเร่งปฏิกิริยำที่ใช้ในกระบวนกำรต้องมีควำมสำมำรถในหลำยด้ำน ไม่ว่ำจะเป็นควำมทนทำนต่อกำรถูกถ่ำยเทไปมำระหว่ำงเครื่องปฏิกรณ์และหน่วยฟื้นฟูสภำพ ควำมทนทำนต่ออุณหภูมิสูง ควำมทนทำนต่อโค้ก และควำมสำมำรถในกำรเกดิปฏกิริยิำให้ได้เป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องกำร ในยุคแรกของหน่วยฟลูอิดคะตะไลติก แครกกิงนั้น ตัวเร่งปฏิกิริยำจะมีลักษณะที่มีควำมว่องไวต�่ำและมีลักษณะไม่เป็นผลกึ (amorphous) แต่หลงัจำกทีม่กีำรน�ำตวัเร่งปฏกิริยิำทีม่ส่ีวนผสมของซโีอไลท์ (zeolite) ท่ีมคีวำมว่องไวสูง และมคีวำมสำมำรถในกำรเลือกเกิดปฏิกิริยำได้ดีกว่ำตัวเร่งปฏิกิริยำแบบไม่มีผลึกมำใช้ ท�ำให้เกิดกำรพัฒนำอย่ำงก้ำวกระโดด แต่ทั้งนี้ข้อเสียของตัวเร่งปฏิกิริยำแบบนี้คือ ต้องมีกำรก�ำจัดโค้กออกเพื่อให้สำมำรถเร่งปฏิกิริยำได้อย่ำงเหมำะสม

ตัวเร่งปฏิกิริยำแบบซีโอไลท์มีลักษณะเป็นโครงร่ำงผลึกของ ซิลิกำและอลูมินำ (ภำพที่ 2) โดยคุณสมบัติของตัวเร่งปฏิกิริยำเหล่ำนี้ที่ท�ำให้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยำที่เหมำะสมต่อกระบวนกำรฟลูอิดคะตะ-ไลติกแครกกิง คือ

1. มีควำมทนทำนต่อควำมร้อนและไอน�้ำ โดยสำมำรถใช้งำนได้ที่อุณภูมิสูงกว่ำ 870 องศำเซลเซียส

2. มีโครงร่ำงผลึกเป็นสำมมิติ3. มีควำมว่องไวสูง (มีควำมเป็นกรดสูง)4. มีรูพรุนขนำดใหญ่ (7.5 อังสตรอม)

เอกสารอ้างอิง

1. ประกำศกรมธุรกิจพลังงำน เรื่องกำรก�ำหนดลักษณะและคุณภำพ

ของน�้ำมันเบนซิน พ.ศ. 2555, รำชกิจจำนุเบกษำ เล่ม 129, ตอนพิเศษ 160ง (22

ตุลำคม 2555): 13.

2. สำรำนุกรมเปิดโลกปิโตรเคมี=Petrochemical encyclopedia.-

กรุงเทพฯ : บริษัท ปตท. จ�ำกัด (มหำชน). 2554. 450 หน้ำ

3. Altin, O., and Eser, S. Carbon deposit formation from thermal

stressing of petroleum fuels. Preprints of Papers-American Chemical

Society, Division of Fuel Chemistry 49 (2004) : 764-766.

4. Jones, D.S.J. and Pujado, P.R. Handbook of Petroleum Pro-

cessing. Dordrecht, The Netherlands : Springer, 2008.

5. Letzsch, W., Fluid catalytic cracking. In D.S.J.Jones and

P.R.Pujado (ed.), Handbook of Petroleum Processing, pp.239-282. Dor-

drecht, The Netherlands : Springer, 2008.

6. Sadeghbeigi, R. Fluid Catalytic Cracking Handbook. 3rd Edition.

United States : Butterworth-Heinemann publication, 2012.

7. www.wikipedia.org [2013, September]

▲ ภาพที่ 2 แสดงลักษณะและสูตรโครงสร้ำงของตัวเร่งปฏิกิริยำแบบซีโอไลท์ (Warren

Letzsch, 2008)

logylogyTechno