กระบวนการกลั่น

 

การกลั่นน้ำมันเป็นกระบวนการที่สำคัญที่สุดในอุตสาหกรรม กล่าวคือ เป็นการแยกน้ำมันดิบออกเป็นผลิตภัณฑ์ต่างๆ และยังเป็นการปรับปรุงคุณภาพของน้ำมันให้ได้ตามต้องการ

การกลั่นน้ำมัน คือ การแยกน้ำมันดิบออกเป็นส่วนต่างๆ ที่มีจุดเดือดใกล้เคียงกันตามลำดับ ตั้งแต่ ก๊าซหุงต้ม น้ำมันเบนซิน น้ำมันก๊าด น้ำมันดีเซล น้ำมันเตา และยางมะตอย เป็นต้น กระบวนการกลั่นจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับ น้ำมันดิบและผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ ซึ่งขั้นตอนของกระบวนที่สำคัญประกอบด้วย

การแยก (Separation)

เป็นการแยกน้ำมันโดยวิธีการกลั่นลำดับส่วน (Fractional Distilation) โดยนำน้ำมันที่แยกน้ำและเกลือแร่แล้วมาให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 368-385 องศาเซลเซียส แล้วผ่านเข้าไปในห่อกลั่น น้ำที่ร้อนจะกลายเป็นไอลอยขึ้นไปยอดหอ และกลายเป็นของเหลวตกลงบนถาดรองรับที่มีอยู่ภายในหอกลั่นในแต่ละช่วงของผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ ของไหลในถาดก็จะไหลออกมาตามท่อเพื่อน้ำไปเก็บแยกตามประเภท และนำไปใช้ต่อไป

การเปลี่ยนโครงสร้าง (Conversion)

เนื่องจากผลิตภัณฑ์ที่ได้อาจมีคุณภาพไม่ได้พอ จึงต้องใช้วิธีทางเคมีเพื่อเปลี่ยนโครงสร้างของน้ำมัน ทำให้โมเลกุลของน้ำมันหนักแตกตัวเป็นน้ำมันเบา โดยใช้ความร้อน หรือใช้ตัวเร่งปฏิกริยาเป็นตัวช่วย

การปรับคุณภาพ (Treating)

เป็นการกำจัดสิ่งแปลกปลอมออกจากน้ำมัน โดยเฉพาะกำมะถัน ซึ่งใช้วิธีการฟอกด้วยไฮโดรเจน หรือฟอกด้วยโซดาไฟ

การผสม (Blending)

คือการนำผลิตภัณฑ์ที่ได้จากกระบวนการต่างๆ มาปรุงแต่งหรือเติมสารที่เหมาะสมเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปตามมาตราฐานที่กำหนด เช่น ผสมน้ำมันเบนซินเพิ่มค่าออกเทน หรือผสมน้ำมันเตาที่ข้นเหนียวกับน้ำมันเตาที่เบากว่า เพื่อให้ได้ความหนืดตามที่ต้องการ

ปิโตรเลียม

ปิโตรเลียม คือ สารพวกไฮโดรคาร์บอนและอาจจะพบสารอินทรีย์ที่มีธาตุ O N หรือ S เป็นองค์ประกอบอยู่บ้างเล็กน้อย เกิดจากการตายทับถมของซากพืชซากสัตว์นับเป็นเวลานับล้าน ๆ ปี

ปิโตรเลียม

1. ก๊าซธรรมชาติ คือ ก๊าซไฮโดรคาร์บอนมี CH₄ C₂H₆ C₃H₈ C₄H₁₀ ส่วนมากจะเป็น CH₄

2. น้ำมันดิบ คือ สารประกอบไฮโดรคาร์บอนจำนวนมากมายปนกัน สารพวกนี้มีจุดเดือดแตกต่างน้อย จึงแยกด้วยวิธีการกลั่นลำดับส่วน

สารไฮโดรคาร์บอนที่แบ่งได้จากการกลั่นลำดับ เรียงจากจุดเดือดต่ำไปหาสูง ดังนี้

ก๊าซปิโตรเลียม (C₁ - C₄), น้ำมันเบนซิน, น้ำมันก๊าด, น้ำมันดีเซล, น้ำมันหล่อลื่น, ไข, น้ำมันเตา, บิทูเมน

สารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีขนาดใหญ่จำนวน C อะตอมมาก มีประโยชน์น้อย ราคาต่ำมาเปลี่ยนเป็นสารที่มีขนาดโมเลกุล และมวลโมเลกุลใกล้เคียงกับน้ำมันเบนซินและน้ำมันดีเซล และปรับปรุง โครงสร้างของโมเลกุลให้เป็นเชื้อเพลิงที่มีคุณภาพดีขึ้นดังนี้

ก. กระบวนการแตกสลาย (Cracking)

ข. การรีฟอร์มมิง (Reforming)

ค. การแอลคิเลชัน (Alkylation)

สารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่จะใช้เป็นเชื้อเพลิงที่ดีในรถยนต์ต้องมีลักษณะ ดังนี้

1. โมเลกุลได้ขนาด ที่มี C₅ - C₁₀

2. โมเลกุลมี C ต่อกันแตกกิ่งก้านสาขา

น้ำมันดิบ

น้ำมันดิบ (Crude oil) คืออะไร?

น้ำมันดิบ (Crude oil) คืออะไร?

น้ำมันดิบคือสารประกอบของไฮโดรคาร์บอนกับสารเคมีอื่นๆ จำนวนเล็กน้อย เช่น สารประกอบซัลเฟอร์ ไนโตรเจน และออกซิเจน โดยการที่จะนำสารต่างๆ เหล่านี้ไปใช้ได้ พวกมันจะต้องถูกแยกออกออกจากกันเสียก่อน กระบวนการแยกเรียกว่าการกลั่น (Refining) น้ำมันดิบที่แตกต่างกันในแต่ละที่ของโลก หรือแม้แต่ความลึกที่แตกต่างกันของน้ำมันหลุมเดียวกันเองก็ยังคงบรรจุสารประกอบไฮโดรคาร์บอนและสารประกอบอื่นๆ ที่แตกต่างกัน นั่นคือเหตุผลว่าทำไมพวกมันจึงมีตั้งแต่สารระเหยง่ายสีอ่อนไปจนถึงน้ำมันดำขุ่นหนา (หนามากเสียจนมันยากที่จะปั้มมันขึ้นมาจากพื้นดินเสียด้วยซ้ำ)



ก๊าซธรรมชาติ (Natural gas) คืออะไร?


ก๊าซธรรมชาติคือสารประกอบของไฮโดรคาร์บอนซึ่งเป็นเพียงโมเลกุลเล็กๆ โดยโมเลกุลเหล่านี้สร้างจากอะตอมของคาร์บอนและไฮโดรเจน ตัวอย่างเช่นก๊าซธรรมชาติที่ใช้ในบ้าน(ก๊าซหุงต้ม) โดยส่วนใหญ่คือมีเทน CH4



น้ำมันดิบ (Crude oil) และ ก๊าซธรรมชาติ (Natural gas) เกิดจากอะไร?


นักวิทยาศาสตร์เชื่อกันว่าเมื่อสัตว์และพืชต่างๆ ตาย พวกมันจะถูกชะล้างโดยน้ำฝน และไหลจมลงสู่ก้นทะเลและทะเลสาบต่างๆ ซึ่งพวกมันจะถูกทับถมโดยชั้นของตะกอนต่างๆ (sediment-สิ่งที่ทับถมกันลงมา เช่น ซากพืช ซากสัตว์ หิน ดิน ทราย) [ดูรูป 1.1] และกระบวนการนี้จะเกิดขึ้นก่อนที่ซากเหล่านี้จะสามารถย่อยสลายไปในอากาศ Anaerobic bacteria (แบคทีเรียซึ่งสามารถมีชีวิตอยู่ได้โดยไม่ใช้ออกซิเจน) จะเริ่มกระบวนการย่อยสลายสารพวกนี้ให้กลายเป็นน้ำมันดิบ และก๊าซธรรมชาติ โดยคาดว่ามันจะมีกระบวนการทางเคมีที่เกี่ยวข้องกันระหว่างซากสิ่งมีชีวิต เกลือที่อยู่ในดินโคลนและน้ำที่อยู่รอบๆ ตัวพวกมันเพราะดูเหมือนว่ามันจะมีวิธีการแตกต่างกันในการเกิดเป็นน้ำมัน

รูป 1.1



ในขณะที่ซากของสิ่งมีชีวิตต่างๆ ถูกย่อยสลาย พวกมันก็จะถูกทับถมโดยตะกอนต่างๆ มากขึ้น จากน้ำขึ้นและน้ำลงของทะเล และโคลน ทรายที่แม่น้ำพัดลงมา โดยกระบวนการเหล่านี้จะเกิดขึ้นอย่างช้าๆ เป็นล้านๆ ปีเลยทีเดียว แต่ในที่สุดสารต่างๆ ก็จะถูกเปลี่ยนให้เป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอน[Hydrocarbon] ซึ่งใช้สร้างน้ำมันและก๊าซโดยมีส่วนผสมของทรายและดินเหนียวเข้ามาเจือปน [ดูรูป 1.2] และเมื่อชั้นของสารอินทรีย์ต่างๆ เพิ่มมากขึ้น ค่าความดันและอุณหภูมิซึ่งเป็นปัจจัยของกระบวนการเพิ่มมากขึ้นซึ่งจะส่งผลให้กระบวนการเกิดขึ้นได้เร็ว

ถ่านหิน

ความรู้เกี่ยวกับถ่านหิน

---

ถ่านหิน คือ หินตะกอนชนิดหนึ่งและเป็นแร่เชื้อเพลิงสามารถติดไฟได้ มีสีน้ำตาลอ่อนจนถึงสีดำ มีทั้งชนิดผิวมันและผิวด้าน น้ำหนักเบา ถ่านหินประกอบด้วยธาตุที่สำคัญ ๔ อย่างได้แก่ คาร์บอน ไฮโดรเจน ไนโตรเจน และออกซิเจน นอกจากนั้น มีธาตุหรือสารอื่น เช่น กำมะถัน เจือปนเล็กน้อย ถ่านหินที่มีจำนวนคาร์บอนสูงและมีธาตุอื่น ๆ ต่ำ เมื่อนำมาเผาจะให้ความร้อนมาก ถือว่าเป็นถ่านหินคุณภาพดี
1. ประเภทของถ่านหิน
ถ่านหินสามารถแยกประเภทตามลำดับชั้นได้เป็น ๕ ประเภท คือ

1. พีต (Peat) เป็นขั้นแรกในกระบวนการเกิดถ่านหิน ประกอบด้วยซากพืชซึ่งบางส่วนได้สลายตัวไปแล้วสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงได้
2. ลิกไนต์ (Lignite) มีซากพืชหลงเหลืออยู่เล็กน้อย มีความชื้นมาก เป็นถ่านหินที่ใช้เป็นเชื้อเพลิง
3. ซับบิทูมินัส (Subbituminous) มีสีดำ เป็นเชื้อเพลิงที่มีคุณภาพเหมาะสมในการผลิตกระแสไฟฟ้า
4. บิทูมินัส (Bituminous) เป็นถ่านหินเนื้อแน่น แข็ง ประกอบด้วยชั้นถ่านหินสีดำมันวาว ใช้เป็นเชื้อเพลิงเพื่อการถลุงโลหะ
5. แอนทราไซต์ (Anthracite) เป็นถ่านหินที่มีลักษณะดำเป็นเงา มันวาวมาก มีรอยแตกเว้าแบบก้นหอย ติดไฟยาก

2. การใช้ประโยชน์ถ่านหิน
ถ่านหินถูกนำมาใช้ประโยชน์อย่างแพร่หลาย เนื่องจากมีแหล่งสำรองกระจายอยู่ทั่วโลกและปริมาณค่อนข้างมาก การขุดถ่านหินขึ้นมาใช้ประโยชน์ไม่ยุ่งยากซับซ้อน ถ่านหินราคาถูกกว่าน้ำมัน ถ่านหินส่วนใหญ่จึงถูกนำมาเป็นเชื้อเพลิงในอุตสาหกรรมต่าง ๆ ที่ใช้หม้อน้ำร้อนในกระบวนการผลิต เช่น การผลิตไฟฟ้า การถลุงโลหะ การผลิตปูนซีเมนต์ การบ่มใบยาสูบ และการผลิตอาหาร เป็นต้น นอกจากนั้นยังมีการใช้ประโยชน์ในด้านอื่น เช่น การทำถ่านสังเคราะห์ (Activated Carbon) เพื่อดูดซับกลิ่น การทำคาร์บอนด์ไฟเบอร์ (Carbon Fiber) ซึ่งเป็นวัสดุที่มีความแข็งแกร่งแต่มีน้ำหนักเบา และการแปรสภาพถ่านหินเป็นเชื้อเพลิงเหลว (Coal liquefaction) หรือ เป็นแปรสภาพก๊าซ (Coal Gasification) ซึ่งเป็นการใช้ถ่านหินแบบเชื้อเพลิงสะอาดเพื่อช่วยลดมลภาวะจากการใช้ถ่านหินเป็นเชื้อเพลิงได้อีกทางหนึ่ง ภายใต้กระบวนการแปรสภาพถ่านหิน จะสามารถแยกเอาก๊าซที่มีฤทธิ์เป็นกรดหรือเป็นพิษ และสารพลอยได้ต่าง ๆ ที่มีอยู่ในถ่านหินนำไปใช้ประโยชน์อื่นได้อีก เช่น กำมะถันใช้ทำกรดกำมะถันและแร่ยิปซัม แอมโมเนียใช้ทำปุ๋ยเพื่อเกษตรกรรม เถ้าถ่านหินใช้ทำวัสดุก่อสร้าง เป็นต้น
3. แหล่งถ่านหินในประเทศไทย
ประเทศไทยมีแหล่งถ่านหินกระจายอยู่ทั่วทุกภาค มีปริมาณสำรองทั้งสิ้น ประมาณ 2,197 ล้านตัน แหล่งสำคัญอยู่ในภาคเหนือประมาณ 1,803 ล้านตัน หรือร้อยละ 82 ของปริมาณสำรองทั่วประเทศ ส่วนอีก 394 ล้านตัน หรือ ร้อยละ 18 อยู่ภาคใต้ ถ่านหินส่วนใหญ่มีคุณภาพต่ำอยู่ในขั้นลิกไนต์และซับบิทูมินัส มีค่าความร้อนระหว่าง 2,800 - 5,200 กิโลแคลอรี่ต่อกิโลกรัม หรือ ถ่านลิกไนต์ 2 - 3.7 ตัน ให้ค่าความร้อนเท่ากับน้ำมันเตา 1 ตัน ลิกไนต์เป็นถ่านหินที่พบมากที่สุดในประเทศไทย ที่แม่เมาะ จ.ลำปาง และ จ.กระบี่ จัดว่าเป็นลิกไนต์ที่คุณภาพแย่ที่สุด พบว่าส่วนใหญ่ มีเถ้าปนอยู่มากแต่มีกำมะถันเพียงเล็กน้อย คาร์บอนคงที่อยู่ระหว่างร้อยละ 41 - 74 ปริมาณความชื้นอยู่ระหว่างร้อยละ 7 - 30 และเถ้าอยู่ระหว่างร้อยละ 2 - 45 โดยน้ำหนัก ในช่วงที่ราคาน้ำมันยังไม่แพงประเทศไทยไม่นิยมใช้ลิกไนต์มากนักแต่ภายหลังที่เกิดวิกฤติน้ำมัน จึงได้มีการนำลิกไนต์มาใช้แทนน้ำมันเชื้อเพลิงมากขึ้นทั้งในด้านการผลิตกระแสไฟฟ้าและอุตสาหกรรม แหล่งถ่านหินที่มีการสำรวจพบบางแหล่งได้ทำเหมืองผลิตถ่านหินขึ้นมาใช้ประโยชน์แล้ว แต่บางแหล่งยังรอการพัฒนาขึ้นมาใช้ประโยชน์ต่อไป

อะโรมาติก

สมบัติของอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน

จากโครงสร้างของสารประกอบอะโรมาติก จะเห็นว่ามีพันธะคู่อยู่หลายแห่ง แต่จากการศึกษาสมบัติทางเคมีพบว่าพันธะคู่ในอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนเสถียรมาก จึงไม่เกิดปฏิกิริยาที่พันธะคู่ เช่น ไม่ฟอกจางสีของ KMnO4 ไม่เกิดปฏิกิริยาการเติมกับ H2 หรือ Br2 ภายใต้สภาวะเดียวกับแอลคีน ปฏิกิริยาส่วนใหญ่คล้ายแอลเคนคือเกิดปฏิกิริยาแทนที่ (Substitution reaction) ซึ่งพอสรุปได้ว่าอะโรมาติกไซโรคาร์บอนมีโครงสร้างคล้ายแอลคีน แต่เกิดปฏิกิริยาคล้ายแอลเคน จึงแยกออกมาเป็นกลุ่มต่างหาก

สมบัติทางกายภาพ

เป็นของเหลวใสไม่มีสีจนถึงสีเหลืองอ่อน ๆ มีความหนาแน่นน้อยกว่า ไม่ละลายน้ำ มีกลิ่นเฉพาะตัว

สมบัติทางเคมี

1. ปฏิกิริยาการเผาไหม้ อะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนติดไฟให้เขม่าและควันมาก ได้แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์และไอน้ำดังสมการ

2 C6H6(l)   +   15 O2(g)      12 CO2(g)   +   6 H2O(g)

2. ปฏิกิริยาแทนที่

1) ปฏิกิริยาแทนที่ด้วยเฮโลเจน (Halogenation) เบนซีนจะทำปฏิกิริยากับ Cl2 หรือ Br2 โดยมีผงเหล็กหรือ FeCl3 เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา เกิดปฏิกิริยาแทนที่ได้แก๊สไฮโดรเจนเฮไลด์ เช่น

	+	Cl2			+	HCl
benzene				Chloro benzene		Hydrogen chloride

	+	Br2			+	HBr
benzene				Bromo benzene		Hydrogen bromide

2) ปฏิกิริยาซัลโฟเนชัน (Sulfonation) ทำปฏิกิริยากับ H2SO4 เข้มข้น

	+	HNO3 / H2SO4
benzene				Sulfonic acid

3. ปฏิกิริยา Nitration

เบนซีนเกิดปฏิกิริยากับกรดไนตริก HNO3  โดยมีกรดซัลฟิวริก H2SO4 เข้มข้น เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา จะได้ไนโตรเบนซีน

อัลเคน อัลคีน และอัลไคน์

สูตรโมเลกุล สูตรโครงสร้าง และสมบัติของแอลไคน์บางชนิด

จำนวนอะตอม C	สูตรโมเลกุล	สูตรโครงสร้าง	ชื่อ	จุดหลอมเหลว (OC)	จุดเดือด (OC)
2	C2H2	CH º CH	อีไทน์	– 80.8	– 84.0
3	C3H4	CH º CCH3	โพรไพน์	– 102.7	– 23.2
4	C4H6	CH º CCH2CH3	1–บิวไทน์	–125.7	8.0
5	C5H8	CH º C(CH2)2CH3	1–เพนไทน์	­– 105.7	40.2
6	C6H10	CH º C(CH2)3CH3	1–เฮกไซน์	– 131.9	71.3
7	C7H12	CH º C(CH2)4CH3	1–เฮปไทน์	– 81.0	99.7
8	C8H16	CH º C(CH2)5CH3	1–ออกไทน์	– 79.3	125.2

การเรียกชื่อแอลไคน์

ชื่อสามัญ 

ใช้เรียกชื่อแอลไคน์ที่โมเลกุลเล็ก ๆ โดยเรียกเป็นอนุพันธ์ของอะเซทิลีน (acetylene C2H2)  ให้โครงสร้างของอะเซทิลีนเป็นหลัก และถือส่าส่วนที่ต่ออยู่กับ – C º C – เป็นหมู่แอลคิล

ชื่อระบบ IUPAC

การเรียกชื่อแอลไคน์ใช้หลักเกณฑ์เช่นเดียวกับแอลเคนและแอลคีนขึ้นต้นชื่อด้วยจำนวนอะตอมคาร์บอน แต่ลงท้ายเสียงด้วย –ไอน์ (–yne)

สมบัติของแอลไคน์

สมบัติทางกายภาพ

1.  แอลไคน์เป็นสารโคเวเลนต์ไม่มีขั้ว จึงไม่ละลายน้ำ

2.  มีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ

3. จุดเดือด–จุดหลอมเหลวต่ำ เพิ่มขึ้นตามจำนวนอะตอม C เมื่อเปรียบกับแอลเคน แอลคีน  และแอลไคน์  ที่มีจำนวนอะตอมคาร์บอนเท่ากัน  จะมีจุดเดือด–จุดหลอมเหลวเรียงลำดับดังนี้  

แอลไคน์  >  แอลเคน  >  แอลคีน

สมบัติทางเคมี

1. ปฏิกิริยาการเผาไหม้  (Combusion) การเผาไหม้ในบรรยากาศปกติ หรือมีออกซิเจนน้อยจะให้เขม่ามากกว่าแอลคีน แต่ถ้าเผาในบริเวณที่มีออกซิเจนมากจะไม่มีเขม่า เมื่อเกิดปฏิกิริยาจะได้แก๊ส CO2 และ H2O

2. ปฏิกิริยาการเติม (Addition reaction) แอลไคน์เป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัว จึงเกิดปฏิกิริยาการเติมเฮโลเจน

1)  ปฏิกิริยาการเติมเฮโลเจน แอลไคน์ฟอกจางสีสารละลายโบรมีนได้ โดยไม่ต้องใช้ตัวเร่ง ปฏิกิริยาหรือแสงสว่าง

อัลเคน อัลคีน และอัลไคน์