เรานำน้ำมันดิบมาใช้ประโยชน์อย่างคุ้มค่าได้อย่างไร

สาระน่ารู้การศึกษาวิทยาศาสตร์

           ปิโตรเลียมไม่ว่าจะอยู่ในรูปก๊าซธรรมชาติหรือน้ำมันดิบ ล้วนมีสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีประโยชน์มากมาย ซึ่งสารประกอบไฮโดรคาร์บอนแต่ละชนิด มีคุณสมบัติที่เหมาะสมต่อการนำมาใช้ประโยชน์แตกต่างกันด้วยเหตุนี้การแยก องค์ประกอบที่อยู่ในปิโตรเลียม …


เรานำน้ำมันดิบมาใช้ประโยชน์อย่างคุ้มค่าได้อย่างไร

 

โดย พลอยมรกต  หรุ่มเรืองวงษ์ (นักวิชาการ สาขาวิทยาศาสตร์มัธยมศึกษา สสวท.)

ปิโตรเลียมไม่ว่าจะอยู่ในรูปก๊าซธรรมชาติหรือน้ำมันดิบ ล้วนมีสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีประโยชน์มากมาย ซึ่งสารประกอบไฮโดรคาร์บอนแต่ละชนิด มีคุณสมบัติที่เหมาะสมต่อการนำมาใช้ประโยชน์แตกต่างกันด้วยเหตุนี้การแยกองค์ประกอบที่อยู่ในปิโตรเลียม ออกมาเป็นผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมชนิดต่างๆถือได้ว่าเป็นการเพิ่มพูนมูลค่าของปิโตรเลียม

กระบวนการกลั่นน้ำมันดิบคือการเปลี่ยนสภาพน้ำมันดิบให้เป็นผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปชนิดต่างๆตามความต้องการของตลาดและตามประเภทของการใช้ประโยชน์ที่แตกต่างกัน ได้แก่ ก๊าซหุงต้ม น้ำมันเบนซิน น้ำมันเครื่องบิน น้ำมันก๊าด น้ำมันดีเซล น้ำมันเตา และ ยางมะตอย นอกจากนี้ยังใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับการผลิตน้ำมันหล่อลื่น จาระบีและเคมีภัณฑ์ต่างๆ กระบวนการกลั่นน้ำมันดิบแตกต่างกันออกไปตามโรงกลั่นต่างๆขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีของกระบวนการกลั่นของแต่ละแห่ง รวมถึงคุณภาพของน้ำมันดิบที่นำมากลั่น และชนิดคุณภาพของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปที่ต้องการ ซึ่งกระบวนการกลั่นน้ำมันประกอบด้วนกรรมวิธีสำคัญได้แก่ การแยก การเปลี่ยนโครงสร้างทางเคมี การปรับปรุงคุณภาพ และการผสม

ผังแสดงกรรมวิธีการกลั่นน้ำมันดิบและผลิตภัณฑ์ที่ได้



1.  การแยก (Separation) คือวิธีการแยกส่วนประกอบทางกายภาพของน้ำมันดิบออกด้วยวิธีการกลั่น โดยนำน้ำมันดิบมากลั่นในหอกลั่นโดยน้ำมันดิบจะถูกแยกออกเป็นน้ำมันสำเร็จรูปต่างๆตามช่วงจุดเดือดที่ต่างกัน ซึ่งก่อนที่จะนำน้ำมันดิบเข้าหอกลั่นนั้นต้องมีการแยกน้ำและเกลือแร่ที่ปนอยู่ออกเสียก่อน กระบวนการกลั่นน้ำมันดิบมีอยู่หลายวิธีได้แก่

1.1) การกลั่นลำดับส่วน (Fractional distillation) วิธีการนี้คือการกลั่นน้ำมันแบบพื้นฐาน ซึ่งสามารถแยกน้ำมันดิบออกเป็นส่วน (Fractions) ต่างๆ กระบวนการนี้ใช้หลักการจากลักษณะของส่วนต่างๆ ของน้ำมันดิบที่มีค่าอุณหภูมิจุดเดือด (Boiling point) ที่แตกต่างกันออกไป และเป็นผลให้ส่วนต่างๆของน้ำมันดิบนั้นมีจุดควบแน่น (Condensation point) ที่แตกต่างกันออกไปด้วย น้ำมันดิบจากถังจะได้รับการสูบผ่านเข้าไปในเตาเผา (Furnace) ที่มีอุณหภูมิสูงมากพอที่จะทำให้ทุกๆ ส่วนของน้ำมันดิบแปรสภาพไปเป็นไอได้ แล้วไอน้ำมันดังกล่าวก็จะถูกส่งผ่านเข้าไปในหอกลั่นลำดับส่วน (Fractionating tower) ที่มีรูปร่างเป็นทรงกระบอก มีขนาดความสูงประมาณ 30เมตร และมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 2.5-8 เมตร ภายในหอกลั่นดังกล่าวมีการแบ่งเป็นห้องต่างๆ หลายห้องตามแนวราบ โดยมีแผ่นกั้นห้องที่มีลักษณะคล้ายถาดกลม โดยแผ่นกั้นห้องทุกแผ่นจะมีการเจาะรูเอาไว้ เพื่อให้ไอน้ำมันที่ร้อนสามารถผ่านทะลุขึ้นสู่ส่วนบนของหอกลั่นได้ และมีท่อต่อเพื่อนำน้ำมันที่กลั่นตัวแล้วออกไปจากหอกลั่น เมื่อไอน้ำมันดิบที่ร้อนถูกส่งให้เข้าไปสู่หอกลั่น ทางท่อ ไอจะเคลื่อนตัวขึ้นไปสู่ส่วนบนสุดของหอกลั่น และขณะที่เคลื่อนตัวขึ้นไปนั้น ไอน้ำมันจะเย็นตัวลงและควบแน่นไปเรื่อยๆ แต่ละส่วนของไอน้ำมันจะกลั่นตัวเป็นของเหลวที่ระดับต่างๆ ในหอกลั่น ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของการควบแน่นที่แตกต่างกันออกไป น้ำมันส่วนที่เบากว่า (Lighter fractions) เช่น น้ำมันเบนซิน (Petrol) และพาราฟิน (Parafin) ซึ่งมีค่าอุณหภูมิของการควบแน่นต่ำ จะกลายเป็นของเหลวที่ห้องชั้นบนสุดของหอกลั่น และค้างตัวอยู่บนแผ่นกั้นห้องชั้นบนสุด น้ำมันส่วนกลาง (Medium fractions) เช่น ดีเซล (Diesel) น้ำมันแก๊ส (Gas oils) และน้ำมันเตา (Fuel oils) บางส่วนจะควบแน่นและกลั่นตัวที่ระดับต่างๆ ตอนกลางของหอกลั่น ส่วนน้ำมันหนัก (Heavy fractions) เช่น น้ำมันเตา และสารตกค้างพวกแอสฟัลต์ จะกลั่นตัวที่ส่วนล่างสุดของหอกลั่น ซึ่งมีอุณหภูมิสูง และจะถูกระบายออกไปจากส่วนฐานของหอกลั่น
ข้อเสียของกระบวนการกลั่นลำดับส่วนคือ จะได้น้ำมันเบาประเภทต่างๆ ในสัดส่วนที่น้อยมาก ทั้งที่น้ำมันเบาเหล่านี้ล้วนมีคุณค่าทางเศรษฐกิจสูง

1.2) การกลั่นแบบเทอร์มอล แครกกิง (Thermal cracking) กระบวนการนี้จะได้น้ำมันที่กลั่นแล้ว คือ น้ำมันเบนซิน (Petrol) เพิ่มสูงขึ้นเป็นร้อยละ 50 ในปัจจุบัน กระบวนการกลั่นแบบนี้เกิดขึ้นโดยการเอาน้ำมันดิบมาทำให้เกิดการแตกตัวในถัง ที่อุณหภูมิสูงกว่า 1,000 องศาฟาเรนไฮต์ ที่ความกดดันมากกว่า 1,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว สภาวะอุณหภูมิที่สูงและความกดดันที่สูงทำให้สารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีโครงสร้างโมเลกุลขนาดใหญ่ เกิดการแยกตัวหรือแตกตัวเป็นน้ำมันส่วนเบา หรือเป็นสารไฮโดรคาร์บอนที่มีโมเลกุลขนาดเล็กลง รวมทั้งมีจำนวนอะตอมของคาร์บอนน้อยลง และน้ำมันส่วนเบาซึ่งมีสภาพเป็นไอร้อนนี้ก็จะถูกปล่อยให้เข้าไปในหอกลั่น เพื่อควบแน่นและกลั่นตัวเป็นของเหลวต่อไป

1.3) การกลั่นแบบคาตาลิติก แครกกิง (Catalytic cracking) กระบวนการกลั่นนี้ได้รับการพัฒนาต่อเนื่องจากแบบดั้งเดิมที่กล่าวมาแล้วทั้งสองแบบ เพื่อเพิ่มปริมาณน้ำมันที่กลั่นแล้วตลอดจนคุณภาพของน้ำมันที่กลั่นก็ได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้น โดยการเติมตัวเร่งปฏิกิริยา (Catalyst) เข้าไปในน้ำมันส่วนกลาง (Medium fractions) ซึ่งช่วยทำให้โมเลกุลน้ำมันแตกตัว หรือแยกตัวดีขึ้น โดยไม่มีผลต่อการเปลี่ยนแปลงส่วนประกอบทางเคมีของน้ำมัน ตัวเร่งปฏิกิริยาอยู่ในรูปของผงแพลทินัม (Platinum) หรือดินเหนียว (Clay) ที่มีขนาดอนุภาคละเอียดมากผงตัวเร่งปฏิกิริยาจะสัมผัสกับไอน้ำมันร้อนในเตาปฏิกรณ์ (Reactor) ทำให้ไอน้ำมันเกิดการแตกตัว หรือแยกตัวเป็นน้ำมันส่วนที่เบา เช่น น้ำมันเบนซิน (Petrol) แล้วก็ควบแน่นกลั่นตัวในที่สุด โดยทิ้งอะตอมของคาร์บอนและมลทินไว้กับอนุภาคของดินเหนียว ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีคาร์บอนเคลือบอยู่ก็จะถูกปล่อยให้ไหลออกจากเตาปฏิกรณ์เข้าสู่รีเจนเนอเรเตอร์ (Regenerator) ซึ่งคาร์บอนจะถูกเผาไหม้ไปในกระแสอากาศ กระบวนการกลั่นแบบนี้จึงเป็นการใช้ปฏิกิริยาทางเคมีกระทำต่อน้ำมันดิบ ซึ่งช่วยแยกโมเลกุลของไฮโดรคาร์บอนชนิดต่างๆ ออกจากกัน รวมไปถึงการกำจัดมลทินต่างๆ เช่น สารประกอบของกำมะถัน สารเมอร์แคบแทนส์ (Mercaptans) ที่มีกลิ่นฉุน อโรเมติกส์ (Aromatics) และไฮโดรเจนซัลไฟด์ ออกไปอีกด้วย

1.4) การกลั่นแบบโพลีเมอไรเซชั่น (Polymerization) กระบวนการกลั่นแบบแครกกิง (Cracking) ช่วยปรับปรุงน้ำมันเบนซินให้มีปริมาณมากขึ้น โดยการแยกน้ำมันส่วนที่หนักกว่าออกไป แต่การกลั่นแบบโพลีเมอไรเซชั่นเป็นการเพิ่มปริมาณน้ำมันเบนซินจากน้ำมันส่วนที่เบาที่สุด (Lightest fractions) ซึ่งก็คือ แก๊ส นั่นเอง โดยทั่วๆ ไปจะถูกเผาทิ้งไป แก๊สเหล่านี้ได้รับการนำมารวมกันเป็นสารประกอบที่มีโมเลกุลใหญ่ขึ้น และทำให้สามารถเพิ่มปริมาณน้ำมันเบนซินที่กลั่นได้ รวมไปถึงการเพิ่มปริมาณออกเทน (Octane content) อีกด้วย

2.  การเปลี่ยนโครงสร้างทางเคมี (Conversion) คือการทำให้โมเลกุลของน้ำมันแตกตัวเป็นน้ำมันเบาด้วยความร้อน (Thermal Cracking) หรือเปลี่ยนโครงสร้างโมเลกุลของน้ำมันเบาให้เป็นน้ำมันหนัก หรือทำให้แตกตัวด้วยสารเร่งปฏิกิริยา (Catalytic Cracking) เพื่อเหมาะสมกับโครงสร้างการใช้ผลิตภัณฑ์แต่ละประเทศ

ภาพจำลอง  Cracking Unit

3.  การปรับปรุงคุณภาพ (Treating) หากผลิตภัณฑ์ที่ได้จากกรรมวิธีกลั่นลำดับส่วน และการเปลี่ยนโครงสร้างทางเคมี ยังมีคุณภาพไม่เหมาะสมกับการใช้งานและความต้องการของตลาดเนื่องมาจากอาจมีสิ่งไม่พึงประสงค์เจือปนอยู่ได้แก่ กำมะถัน หรือสารแปลกปลอมต่างๆ จำเป็นต้องกำจัดออกด้วยวิธีปรับปรุงคุณภาพ ซึ่งนอกจากคุณภาพจะดีขึ้นแล้ว ยังช่วยให้น้ำมันมีสีที่ตรงตามมาตรฐานด้วย ตัวอย่างวิธีปรับปรุงคุณภาพได้แก่ การเปลี่ยนสารเมอร์แคพแทน ซึ่งมีพิษและกัดกร่อนให้เป็นสารกำมะถันอื่นที่ไม่ไวต่อปฏิกิริยา

4.   การผสม (Blending) คือการนำผลิตภัณฑ์ชนิดต่างๆที่ผ่านกระบวนการมาปรับปรุงหรือเติมสารตามสัดส่วนที่เหมาะสมเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปตามมาตรฐานกำหนด

http://clip.vcharkarn.com/ptt/viewvideo/12

ที่มา
1. หนังสือความรู้ปิโตรเลียม บริษัท ปตท. จำกัด(มหาชน)
2. http://www.sci.ubru.ac.th/microbio/index.php/2009-09-21-03-51-15/58-news112oct52
3. http://science.howstuffworks.com/environmental/energy/oil-refining5.htm

 


ในปีการศึกษา 2555 นักเรียนระดับ ม.ต้น จะได้เรียนรู้เนื้อหาที่ทันสมัยเกี่ยวกับการกลั่นและผลิตภัณฑ์จากปิโตรเลียมในรายวิชาเพิ่มเติม “เชื้อเพลิงเพื่อการคมนาคม” ซึ่งออกโดย สสวท.ในรูปของหนังสือเรียนและคู่มือครู  1 หน่วยกิต  40  ชั่วโมง