กระบวนการกลั่นน้ำมันดิบ คือ การเปลี่ยนสภาพน้ำมันดิบให้เป็นผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปต่าง ๆ ตามความต้องการของตลาดที่แตกต่างกันตามประเภทของการใช้ประโยชน์ เช่น ก๊าซหุงต้ม เบนซิน ดีเซล น้ำมันเครื่องบิน น้ำมันก๊าด น้ำมันเตา ยางมะตอย ฯลฯ กระบวนการกลั่นน้ำมันของแต่ละโรงกลั่น จะแตกต่างกันบ้างขึ้นอยู่กับองค์ประกอบหลายประการ เข่น คุณสมบัติของน้ำมันดิบที่นำเข้า ชนิดและคุณภาพของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปที่ต้องการ แต่ทั่วไปกระบวนการกลั่นจะประกอบด้วยกรรมวิธีย่อยที่สำคัญดังนี้ 1. การแยก (Separation) กรรมวิธีการแยกน้ำมันดิบ คือ การแยกส่วนประกอบทางกายภาพของน้ำมันดิบ ซึ่งส่วนมากจะแยกโดยวิธีการกลั่นลำดับส่วน (Fractional Distillation) คือ การนำน้ำมันดิบมากลั่นในหอกลั่น น้ำมันดิบจะถูกแยกตัวออกเป็นน้ำมันสำเร็จรูปประเภทต่าง ๆ ตามช่วงจุดเดือดที่ต่างกัน การแยกน้ำมันดิบด้วยการกลั่นลำดับส่วน เป็นวิธีการพื้นฐาน โดยใช้หลักว่าสารประกอบไฮโดรคาร์บอนชนิดต่าง ๆ ที่รวมกันอยู่ในน้ำมันดิบ จะมีระดับของจุดเดือดแตกต่างกันตั้งแต่ -157 องศาเซลเซียส (125 องศาฟาเรนไฮต์ต่ำกว่าศูนย์) ขึ้นไป จนกระทั่งถึงหลายร้อยองศาเซลเซียส ด้วยหลักดังกล่าวในการแยกสารประกอบที่รวมกันอยู่นี้ จึงใช้วิธีการกลั่นตามลำดับของอุณหภูมิที่ต่างกัน ในการกลั่นลำดับส่วนน้ำมันดิบจะถูกส่งผ่านเข้าไปในท่อเหล็ก ซึ่งเรียงแถวอยู่ในเตาเผาที่มีความร้อนขนาด 315-371 องศาเซลเซียส (600-700 องศาฟาเรนไฮต์) หลังจากนั้นน้ำมันดิบที่ร้อน รวมทั้งไอร้อนจะไหลผ่านไปในหอกลั่น ไอร้อนที่ลอยขึ้นไปเมื่อได้รับความเย็นจะกลั่นตัวเป็นของเหลว ตกบนภาชนะรองรับซึ่งจัดเรียงเป็นชั้น ๆ หลายสิบชั้นในหอกลั่น โดยไอร้อนจะกลั่นตัวเป็นของเหลวตกในชั้นใด ก็ขึ้นอยู่กับช่วงจุดเดือดของน้ำมันส่วนนั้น ชั้นสุดยอดของหอกลั่นมีอุณหภูมิต่ำสุดจะเป็นก๊าซหุงต้ม (LPG) รอง ๆ ลงมา ซึ่งอุณหภูมิสูงขึ้นจะเป็นส่วนของเบนซิน น้ำมันก๊าด และดีเซล ตามลำดับ ส่วนน้ำมันที่ก้นหอกลั่นถ้านำไปผ่านกรรมวิธีอื่น ๆ จะแยกออกเป็นน้ำมันหล่อลื่นพื้นฐาน และส่วนที่เหลือจะเป็นน้ำมันเตาและยางมะตอย ส่วนต่าง ๆ ของน้ำมันดิบที่แยกมาเรียกว่าผลิตภัณฑ์โดยตรง 2. การเปลี่ยนโครงสร้างทางเคมี (Conversion) คือ การเปลี่ยนแปลงโมเลกุลหรือโครงสร้างทางเคมี เพื่อให้คุณภาพของน้ำมันเหมาะสมกับความต้องการใช้ประโยชน์ ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการกลั่นลำดับส่วน อาจมีปริมาณไม่เท่ากับปริมาณผลิตภัณฑ์น้ำมันที่ต้องการใช้ เช่น น้ำมันเบนซินที่ใช้กับรถยนต์ที่กลั่นได้จากน้ำมันดิบ ด้วยกรรมวิธีการกลั่นลำดับส่วน อาจมีปริมาณไม่พอกับความต้องการ ฉะนั้น ผู้กลั่นน้ำมันจึงต้องหาทางผลิตน้ำมันเบนซินให้มากขึ้น โดยการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างโมเลกุลของน้ำมัน หลักพื้นฐานของกรรมวิธีนี้ ได้แก่ การทำให้โมเลกุลของน้ำมันหนักแตกตัวด้วยความร้อน (Thermal Cracking) หรือทำให้แตกตัวด้วยสารเร่งปฏิกิริยา (Catalytic Cracking) หรือการเปลี่ยนแปลงโมเลกุลของน้ำมันเบาให้ได้โมเลกุลที่หนักกว่า และมีคุณสมบัติที่แตกต่างไป (Polymerization) นอกจากนั้น ยังมีวิธีเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของไฮโดรคาร์บอนอื่น ๆ อีกหลายวิธี เช่น วิธีแอลกิเลชั่น (Alkylation) วิธีไอโซเมอไรเซชั่น (Isomerization) และวิธีปฏิรูปด้วยสารเร่งปฏิกิริยา (Catalytic Reforming) ที่ทำให้เกิดการจัดรูปโมเลกุลของปิโตรเลียมใหม่ ให้มีค่าอ๊อกเทน (Octane) สูง เป็นต้น การแยกสารเนื้อเดียว (สกัดด้วยตัวทำละลาย/ตกผลึก/กลั่น/โครมาโทกราฟี)เมื่อ : วันอังคาร, 31 มีนาคม 2563 สารเนื้อเดียว ( Homogeneous Substance ) เป็นสารที่มีองค์ประกอบชนิดเดียวหรือหลายชนิดผสมกันอยู่อย่างกลมกลืน ทำให้มองเห็นเป็นเนื้อเดียวกันตลอด ถ้านำส่วนใดส่วนหนึ่งของสารไปทดสอบก็จะมีคุณสมบัติเหมือนกันทุกประการ เช่น น้ำเกลือ น้ำส้มสายชู น้ำอัดลม เหล็ก ทองคำ ทองแดง อากาศ แก๊สหุงต้ม เป็นต้น ภาพที่ 1 บทเรียนการแยกสารเนื้อเดียว (การกลั่น) นักวิทยาศาสตร์ จำแนกสารเนื้อเดียวออกเป็น 2 ประเภท ได้แก่
ในบทนี้ผู้เขียนขอนำเสนอวิธีการแยกสารเนื้อเดียว ได้แก่ การกลั่น การตกผลึก การสกัดด้วยตัวทำละลาย และโครมาโทกราฟี ซึ่งจะขอเสนอรายละเอียดในแต่ละหัวข้อดังนี้
การกลั่นมีหลายประเภท ในการพิจารณาว่าจะใช้วิธีการกลั่นแบบใดในการแยกสาร ให้พิจารณาจากจุดเดือดของสารองค์ประกอบ โดยถ้าสารที่เป็นองค์ประกอบในสารที่ต้องการแยกมีจุดเดือดต่างกันมาก จะใช้การกลั่นธรรมดา หรือการกลั่นแบบง่าย
แต่ถ้าสารที่เป็นองค์ประกอบในสารที่ต้องการแยกมีจุดเดือดใกล้เคียงกัน จะเหมาะกับการกลั่นลำดับส่วน และถ้าสารที่เป็นองค์ประกอบในสารที่ต้องการแยกนั้นเป็นสารอินทรีย์ ระเหยง่าย ไม่ทำปฏิกิริยากับน้ำ เหมาะที่จะใช้วิธีการกลั่นด้วยไอน้ำ ซึ่งรายละเอียดของการกลั่นแต่ละประเภทมีดังนี้ ภาพที่ 2 อุปกรณ์ที่ใช้แยกสารโดยการกลั่นแบบง่ายหรือกลั่นธรรมดา ที่มา: http://www.digitalschool.club/digitalschool/science1_2_2/science15/index15.php 1.2 การกลั่นแบบลำดับส่วน ( Fractional distillation ) เป็นการกลั่นที่ใช้หลักการเหมือนการกลั่นแบบง่ายแต่เป็นการกลั่นสารผสมที่สารองค์ประกอบมีจุดเดือดใกล้เคียงกัน การกลั่นนี้ต้องใช้อุณหภูมิที่เที่ยงตรงมาก ๆ ไม่เช่นนั้นจะทำให้สารที่แยกได้ไม่บริสุทธิ์ การกลั่นแบบลำดับส่วนจะใช้ในการกลั่นน้ำมันดิบ โดยน้ำมันดิบนั้นมีการขุดเจาะมาจากใต้ดินทำให้มีสารต่าง ๆ ที่มีสมบัติ และจุดเดือดที่แตกต่างกันออกไปตามจำนวนของคาร์บอน โดยเราจะแบ่งหอกลั่นได้ 8 ชั้น สารที่มีคาร์บอนน้อย จุดเดือดต่ำกว่า เดือดเร็วกว่า จะลอยขึ้นไปอยู่ด้านบน สารที่มีคาร์บอนสูง มีจุดเดือดสูง จะเดือดช้า และควบแน่นอยู่ชั้นล่าง ๆ ของหอกลั่น เมื่อเรียงลำดับตามจำนวนคาร์บอนน้อยไปมาก ได้ดังนี้ มีเทน บิวเทน แนฟทาเบา แนฟทาหนัก น้ำมันก๊าด น้ำมันดีเซล น้ำมันหล่อลื่น พาราฟิน น้ำมันเตาและยางมะตอย ภาพที่ 3 แผนภาพแสดงลำดับสาร ต่างๆ ภายในหอกลั่นลำดับส่วนที่กลั่นได้จากการกลั่นน้ำมันดิบ ที่มา: http://www.digitalschool.club/digitalschool/science1_2_2/science15/index15.php การกลั่นแบบสกัดด้วยไอน้ำ ( Steam distillation ) นิยมใช้ในการสกัดสารที่ระเหยเป็นไอได้ง่ายและไม่รวมตัวกับน้ำ เช่น สกัดน้ำมันหอมระเหยจากพืชชนิดต่าง ๆ โดยใช้ไอน้ำในการพาน้ำมันหอมระเหยออกมา และเมื่อไอนั้นเคลื่อนที่ไปยังส่วนที่ควบแน่น น้ำมันและไอน้ำจะควบแน่นกลายเป็นของเหลว และแยกชั้นกัน จากนั้นเราสามารถแยกน้ำมันหอมระเหยออกจากน้ำด้วยวิธีการทิ้งให้แยกชั้น หรือใช้วิธีสกัดด้วยสารละลายต่อไป ภาพที่ 4 แผนภาพแสดงการสกัดน้ำมันหอมระเหยจากเปลือกส้มโดยการกลั่นแบบสกัดด้วยไอน้ำ ที่มา: https://chemistryprosite.wordpress.com/2017/03/19/บทที่-1-ความรู้พื้นฐานเค/
ภาพที่ 5 แผนภาพแสดงการแยกน้ำเกลือโดยวิธีการตกผลึก ที่มา: https://chemistryprosite.wordpress.com/2017/03/19/บทที่-1-ความรู้พื้นฐานเค/
การสกัดด้วยตัวทำละลาย ถูกนำไปใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวางในวงการอุตสาหกรรม ได้แก่ การสกัดน้ำมันพืชออกจากเมล็ดพืชชนิดต่างๆ การสกัดน้ำมันหอมระเหยจากพืช รวมถึงการสกัดตัวยาออกจากสมุนไพร
เทคนิคการแยกสารแบบโครมาโทกราฟีมีหลายวิธีด้วยกัน ได้แก่ โครมาโทกราฟีแบบกระดาษ ( paper chromatography ) ทินเลเยอร์โครมาโทกราฟี ( thin-layer chromatography : TLC ) คอลัมน์โครมาโทกราฟี ( column chromatography ) หากน้อง ๆ สนใจสามารถค้นคว้าเพิ่มเติมเกี่ยวกับโครมาโท กราฟีแต่ละแบบได้ ภาพที่ 6 แผนภาพประกอบการอธิบายการแยกสารโดยวิธีโครมาโทกราฟีแบบกระดาษและ TLC ที่มา: https://glossary.periodni.com/glossary.php?en=retardation+factor ผู้เขียนขออธิบายวิธีการแยกสารโดยใช้โครมาโทกราฟีแบบกระดาษและทินเลเยอร์โครมาโทกราฟี จากแผนภาพที่ 6 เริ่มต้นจากการกำหนดจุดเริ่มต้น ( Base line ) และจุดสิ้นสุด ( Solvent front ) ก่อน แล้วจึงหยดสารผสมที่ต้องการแยกลงบน Base line แล้วนำแผ่นกระดาษ หรือ แผ่น TLC ไปจุ่มลงในภาชนะปิดที่อิ่มตัวด้วยไอของตัวทำละลายที่เตรียมไว้ เมื่อตัวทำละลายเคลื่อนที่ผ่านตัวดูดซับที่มีของผสมอยู่ องค์ประกอบแต่ละชนิดในของผสมจะมีการเคลื่อนที่ไปบนตัวดูดซับ องค์ประกอบที่ละลายในตัวทำละลายได้ดีจะถูกดูดซับได้น้อย จึงเคลื่อนที่ออกมาก่อน และได้ระยะทางมากกว่า ( Rf มากกว่า ) ส่วนองค์ประกอบที่ละลายในตัวทำละลายได้น้อย จะถูกดูดซับได้นาน จึงเคลื่อนที่ออกมาภายหลัง หรือเคลื่อนที่ได้ระยะทางน้อยกว่า ( Rf น้อยกว่า ) จึงทำให้สารองค์ประกอบต่าง ๆ แยกออกจากกันได้ ซึ่งเราสามารถคำนวณค่า Rf ( Retention factor ) ของสารองค์ประกอบแต่ละตัวได้โดยใช้สูตรข้างล่างนี้ ( โดย Rf จะมีค่า ไม่เกิน 1 ) ภาพที่ 7 สูตรการคำนวณ Retention factor ของสารองค์ประกอบแต่ละตัว ที่มา: ศุภาวิตา จรรยา แหล่งที่มา ปิยะวัฒน์ มีทรัพย์ และคณะ. Principle of Chemistry. สืบค้นเมื่อวันที่ 15 ตุลาคม 2561. จาก https://chemistryprosite.wordpress.com/2017/03/19/บทที่-1-ความรู้พื้นฐานเค/ พิมพ์พิจิตร ไชยเจริญชัย. การแยกสาร. สืบค้นเมื่อวันที่ 14 ตุลาคม 2561. จาก www.digitalschool.club/digitalschool/science1_2_2/science15/index15.php Generalic, Eni. Aug 29, 2017. Retardation factor. Croatian-English Chemistry Dictionary & Glossary. Retrieved Oct 15, 2018. From https://glossary.periodni.com สุวัฒนา ดันน์. การสกัดด้วยตัวทำละลาย. สืบค้นเมื่อวันที่ 14 ตุลาคม 2561 .จาก http://www.suwattana.net/separation/page8.html หัวเรื่อง และคำสำคัญ สารเนื้อเดียว, การกลั่น, การตกผลึก, การสกัดด้วยตัวทำละลาย, โครมาโทกราฟี ประเภท แบ่งตามผลผลิต สสวท. บทความ รูปแบบการนำเสนอ แบ่งตามผลผลิต สสวท. สื่อสิ่งพิมพ์ในรูปแบบดิจิทัล ลิขสิทธิ์ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.) วันที่เสร็จ วันจันทร์, 15 ตุลาคม 2561 สาขาวิชา/กลุ่มสาระวิชา เคมี ช่วงชั้น มัธยมศึกษาตอนต้น กลุ่มเป้าหมาย ครู ดูเพิ่มเติม |