เครื่องปฏิกรณ์

จาก ChulaPedia

เนื้อหา 1 เครื่องปฏิกรณ์แบบหลายหน้าที่ (Multifunctional Reactor) 2 หน้าที่ของเครื่องปฏิกรณ์ (Reactor) 3 เครื่องปฏิกรณ์แบบเมมเบรน (Membrane reactor) 4 การใช้เมมเบรน ในกรณีปฏิกิริยาที่ใช้สารตั้งต้นมากกว่า 1 ตัว 5 หอกลั่นแบบมีปฏิกิริยา (Reactive distillation) 6 การดำเนินงานแบบสลับ (Periodic operation)

เครื่องปฏิกรณ์แบบหลายหน้าที่ (Multifunctional Reactor)

หน้าที่ของเครื่องปฏิกรณ์ (Reactor)

เครื่องปฏิกรณ์ (Reactor) เป็นหน่วยปฏิบัติการที่สำคัญหน่วยหนึ่งในโรงงานอุตสาหกรรมเคมี/ปิโตรเคมี ซึ่งหน้าที่หลักคือการทำปฏิกิริยาเพื่อเปลี่ยนสารตั้งต้นให้เป็นผลิตภัณฑ์ ที่ต้องการ การดำเนินงานเครื่องปฏิกรณ์ทั่วไปมักมีข้อจำกัดจากหลายสาเหตุ เช่น ข้อจำกัดทางอุณหพลศาสตร์ (Thermodynamics) ทำให้ไม่สามารถเปลี่ยนสารตั้งต้นไปเป็นผลิตภัณฑ์ได้อย่างสมบูรณ์ ปัญหาจากการเกิดผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่ไม่ต้องการ (undesired products) ปัญหาด้านการจัดการความร้อน ปัญหาการเสื่อมสภาพของตัวเร่งปฏิกิริยา เป็นต้น ทำให้ในกระบวนการผลิตจริงจำเป็นต้องมีขั้นตอนที่ซับซ้อนขึ้นและส่งผลให้มีประสิทธิภาพลดลง การพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์แบบหลายหน้าที่มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในการลดขนาดของกระบวนการผลิต ทั้งนี้เนื่องจากการรวมหน้าที่อื่นๆ เช่น การแยกสาร การถ่ายเทความร้อน หรือการเกิดปฏิกิริยาอีกปฏิกิริยาหนึ่ง เพื่อทำงานร่วมกับหน้าที่หลักคือการเกิดปฏิกิริยาไว้ในเครื่องปฏิกรณ์เดียวกัน สามารถเสริมสมรรถนะของเครื่องปฏิกรณ์ให้สูงขึ้นได้จากการควบคุมความเข้มข้นของสารตั้งต้นหรืออุณหภูมิในการเกิดปฏิกิริยาที่เหมาะสม การใช้ความร้อนจากปฏิกิริยาคายร้อนเพื่อเป็นแหล่งพลังงานให้กับปฏิกิริยาดูดความร้อนทำให้มีการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ เป็นต้น ซึ่งมักส่งผลให้จำนวนหน่วยปฏิบัติการที่ต้องการลดลง การรวมหน้าที่หรือการรวมหน่วยปฏิบัติการสามารถทำได้หลายระดับซึ่งส่งผลให้ได้เครื่องปฏิกรณ์ชนิดต่างๆ ที่เหมาะสมกับการใช้งานจริง

เครื่องปฏิกรณ์แบบเมมเบรน (Membrane reactor)

1. เมมเบรนที่ใช้แยกผลิตภัณฑ์

2. เมมเบรนที่ป้อนสารตั้งต้น

กรณีที่ใช้เมมเบรนที่เลือกผ่านผลิตภัณฑ์ได้ดี จะสามารถช่วยเลื่อนสมดุลให้ปฏิกิริยาสามารถเกิดได้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น เป็นการลดภาระหน่วยแยกสารที่ต้องแยกสารตั้งต้นกับผลิตภัณฑ์ออกจากกันเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์บริสุทธิ์ ตลอดจนภาระจากการวนกลับสารตั้งต้นที่ไม่เกิดปฏิกิริยาให้กลับเข้าทำปฏิกิริยาในเครื่องปฏิกรณ์ต่อไป

การใช้เมมเบรน ในกรณีปฏิกิริยาที่ใช้สารตั้งต้นมากกว่า 1 ตัว

1. การใช้เมมเบรนเพื่อควบคุมการเข้าทำปฏิกิริยาระหว่างสารตั้งต้น สามารถเพิ่มค่าการเลือกเกิดผลิตภัณฑ์ที่ต้องการได้ ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยา Oxidative coupling of methane ที่เปลี่ยนมีเทนให้เป็นเอทธิลีนหรืออีเทนซึ่งเป็นสารตั้งต้นที่สำคัญในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี ในการดำเนินงานโดยใช้เครื่องปฏิกรณ์ทั่วไปที่ทำการป้อนร่วมของออกซิเจนกับมีเทน พบว่าค่าเลือกเกิด (Selectivity) เป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการมีค่าต่ำ ได้คาร์บอนไดออกไซด์เป็นผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่ไม่ต้องการจากการเกิดปฏิกิริยาการเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ นอกจากนี้ยังเกิดปัญหาด้านการระบายความร้อนของปฏิกิริยา

2. การใช้เมมเบรนเพื่อควบคุมการป้อนออกซิเจนให้เข้าทำปฏิกิริยากับมีเทนสามารถช่วยให้เกิดผลิตภัณฑ์ที่ต้องการได้ดีและยังควบคุมไม่ให้เกิดปัญหาเกี่ยวกับการระบายความร้อนได้อีกด้วย เมื่อทำปฏิกิริยาในเครื่องปฏิกรณ์แบบเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็ง นอกจากจะได้ข้อดีดังกล่าวไว้แล้ว ยังได้พลังงานไฟฟ้าเป็นผลิตภัณฑ์ร่วมอีกด้วย ซึ่งจะสามารถลดปัญหาเกี่ยวกับการเกิดพลังงานความร้อนจากการเกิดปฏิกิริยาได้อีกด้วย

หอกลั่นแบบมีปฏิกิริยา (Reactive distillation)

หอกลั่นแบบมีปฏิกิริยา (Reactive distillation) เป็นการรวมหอกลั่นและเครื่องปฏิกรณ์เข้าเป็นหน่วยเดียวกัน ซึ่งให้ข้อดีต่างๆ เช่น การแยกผลิตภัณฑ์ออกขณะเกิดปฏิกิริยาทำให้เกิดปฏิกิริยาได้สมบูรณ์ พลังงานความร้อนจากปฏิกิริยาคายความร้อนสามารถใช้เป็นแหล่งพลังงานในการกลั่นแยกสารเป็นการช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงาน หรือลดปัญหาการเกิดอะซิโอโทรป (azeotropes) ซึ่งต้องใช้เทคนิคที่ยุ่งยากและสิ้นเปลืองในการแยก เป็นต้น หอกลั่นแบบมีปฏิกิริยาจัดเป็นเครื่องปฏิกรณ์แบบหลายหน้าที่ที่มีการพัฒนาไปมากจนมีการใช้งานจริงในระดับอุตสาหกรรมแล้ว เช่น ในกระบวนการผลิตเมทิลอะซิเตต พบว่าค่าใช้จ่ายในการลงทุนและค่าใช้จ่ายในการดำเนินการลดลงเหลือเพียง 1 ใน 5 ของกระบวนการดั้งเดิม ในกระบวนการผลิตสารออกซิจิเนตซึ่งเป็นสารเพิ่มค่าออกเทนที่ใช้ผสมในน้ำมันเชื้อเพลิง (เช่น MTBE และ ETBE) หอกลั่นแบบมีปฏิกิริยาสามารถแก้ปัญหาอะซิโอโทรปและลดการเกิดผลิตภัณฑ์ข้างเคียง เป็นต้น ปัจจุบัน ได้มีงานวิจัยที่ประยุกต์ใช้หอกลั่นแบบมีปฏิกิริยาสำหรับปฏิกิริยาอื่นๆ เช่น การผลิตไบโอดีเซล การใช้กลีเซอรอลเพื่อผลิตเป็นสารออกซิจิเนต เป็นต้น นอกจากนี้ยังมีงานวิจัยในส่วนของการรวมหน้าที่อื่นๆ เพิ่มเติมกับหอกลั่นแบบมีปฏิกิริยา เช่น การรวมเมมเบรนเพื่อใช้ในการแยกสาร เป็นต้น

การดำเนินงานแบบสลับ (Periodic operation)

การดำเนินงานแบบสลับเป็นอีกแนวทางหนึ่งที่สามารถเพิ่มสมรรถนะของเครื่องปฏิกรณ์ได้ เช่น ในการผลิตไฮโดรเจนจากมีเทนด้วยปฏิกิริยาออกซิเดชันบางส่วน (partial oxidation) ถ้าดำเนินงานโดยการป้อนร่วมระหว่างออกซิเจนและมีเทนจะได้ผลิตภัณฑ์ไฮโดรเจนที่ปนเปื้อนด้วยแก๊สอื่นๆ เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ คาร์บอนมอนนอกไซด์ ออกซิเจน เป็นต้น ในการดำเนินงานแบบสลับด้วยการป้อนมีเทนในขั้นตอนแรกจะได้แก๊สไฮโดรเจนบริสุทธิ์ และคาร์บอนที่เป็นของแข็ง ซึ่งในขั้นตอนที่สอง เป็นการป้อนด้วยอากาศ/ออกซิเจน เพื่อกำจัดคาร์บอนที่สะสมอยู่ในเครื่องปฏิกรณ์ ด้วยการดำเนินงานแบบสลับทำให้ลดความจำเป็นในขั้นตอนการทำไฮโดรเจนให้บริสุทธิ์ได้

อาจารย์ผู้ดูแลบทความ ศ.ดร.สุทธิชัย อัสสะบำรุงรัตน์ ภาควิชาวิศวกรรมเคมี จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย’

ผู้รับผิดชอบบทความ ศูนย์การสื่อสารนานาชาติแห่งจุฬาฯ