เคมี

วันอาทิตย์ที่ 21 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2559

ในปัจจุบันมีความต้องการใช้น้ำมันเบนซิน $\displaystyle (C_6-C_{12})$ และน้ำมันดีเซล $\displaystyle (C_{14}-C_{19})$ ในปริมาณที่สูงมาก รวมทั้งผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการกลั่นโดยตรงมีคุณภาพไม่เหมาะสมกับความต้องการ นักวิทยาศาสตร์จึงหาวิธีทำสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีมวลโมเลกุลสูงและเป็นที่ต้องการน้อยให้เป็นสารที่มีมวลโมเลกุลใกล้เคียงกับน้ำมันเบนซินและน้ำมันดีเซล รวมทั้งปรับปรุงโครงสร้างของโมเลกุลให้เป็นเชื้อเพลิงหรือเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีคุณภาพตามต้องการ และใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตสารชนิดอื่นๆ ต่อไป ซึ่งทำได้หลายวิธีดังนี้

ก. การทำให้สารประกอบไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลใหญ่แตกออกเป็นโมเลกุลเล็ก โดยใช้ความร้อนสูงประมาณ 500
องศาเซลเซียส และมีตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสม วิธีนี้เรียกว่า กระบวนการแตกสลาย ดังตัวอย่าง

ข. การเปลี่ยนสารประกอบไฮโดรเจนคาร์บอนแบบโซ่ตรงเป็นไอโซเมอร์แบบโซ่กิ่ง หรือการเปลี่ยนสาร

ประกอบไฮโดรคาร์บอนแบบวงให้เป็นสารอะโรมาติก โดยใช้ความร้อนสูงและตัวเร่งปฏิกิริยา วิธีนี้เรียกว่า กระบวนการ รีฟอร์มมิง ดังตัวอย่าง

ค. การรวมสารประกอบของแอลเคนกับแอลคีนที่มีมวลโมเลกุลต่ำโดยมีกรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา เกิดเป็น

โมเลกุลของสารประกอบแอลเคนที่มีโครงสร้างแบบโซ่กิ่ง เรียกวิธีนี้ว่า กระบวนการแอลคิเลชัน ดังตัวอย่าง

ง. การรวมสารประกอบแอลคีนโมเลกุลเล็กเข้าด้วยกันโดยใช้ความร้อนหรือตัวเร่งปฏิกิริยา เกิดเป็น

สารประกอบไฮโดรเจนคาร์บอนที่มีจำนวนคาร์บอนเพิ่มขึ้นและมีพันธะคู่เหลืออยู่ในผลิตภัณฑ์ เรียกวิธีนี้ว่า<b>กระบวนการโอลิโกเมอไรเซซัน</b>ดังตัวอย่าง

น้ำมันเบนซินมีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่ในโมเลกุลมีคาร์บอน 6 - 12 อะตอม สาร

เหล่านี้เมื่อได้รับความร้อนจะระเหยเป็นไอและลุกติดไฟได้ เมื่อผสมกับอากาศในกระบอกสูบและจุดด้วยประกายไฟ ทำให้เกิดการระเบิดขึ้นได้ แต่เนื่องจากในน้ำมันเบนซินประกอบด้วยสารประกอบไฮโดรคาร์บอนต่างชนิดและมีไอโซเมอร์ที่ต่างกัน ทำให้เกิดการติดไฟและระเบิดไม่พร้อมกัน จากการศึกษาพบว่าสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีโครงสร้างแบบโซ่กิ่งหรืออะโรมาติก จัดเป็นน้ำมันเบนซินที่มีคุณภาพดีกว่าแบบโซ่ตรง เพราะว่าสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่เป็นชนิดโซ่ตรงติดไฟได้ง่ายกว่าและเกิดการระเบิดเร็วกว่าจังหวะที่ควรเป็นในกระบอกสูบ ทำให้เครื่องยนต์เกิดอาการเดินไม่เรียบซึ่งเรียกว่า การชิงจุดระเบิดไอโซเมอร์ของออกเทนที่มีชื่อสามัญว่า ไอโซออกเทน เป็นเชื้อเพลิงที่เหมาะกับเครื่องยนต์ที่ใช้น้ำมันเบนซิน เพราะจะช่วยป้องกันการชิงจุดระเบิดของเครื่องยนต์ ทำให้เครื่องยนต์เดินเรียบ สารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่ไม่เหมาะสมเป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์ประเภทนี้คือแฮปเทนชนิดโซ่ตรง เพราะทำให้เครื่องยนต์เกิดการชิงจุดระเบิดง่าย จึงมีการกำหนดคุณภาพน้ำมันเบนซินด้วย เลขออกเทนโดยกำหนดให้น้ำมันเลขออกเทนเป็น 100 ส่วนน้ำมันเบนซินที่มีสมบัติในการเผาไหม้เช่นเดียวกับเฮปเทนโซ่ตรงมีเลขออกเทนเป็น 0 ดังนั้นน้ำมันเบนซินที่มีเลขออกเทน 95 จึงมีสมบัติในการเผาไหม้เช่นเดียวกับเชื้อเพลิงที่ได้จากการผสมไอโซออกเทน ร้อยละ 95 กับเฮปเทนร้อยละ 5 โดยมวล

เบนซิน เป็นผลิตภัณฑ์น้ำมันที่ได้จากการกลั่นลำดับส่วนน้ำมันดิบเหมาะสมที่จะใช้เป็นเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์เบนซิน ปัจจุบันมีน้ำมันเบนซินออกเทน 91 (เติมสารให้มีสีแดง) และออกเทน 95 (เติมสารให้มีสีเหลือง) การที่เรียกชื่อตามค่าออกเทนและทำให้มีสีต่างกันเพื่อช่วยให้ผู้บริโภคเลือกได้ถูกต้องเหมาะสมกับประเภทของเครื่องยนต์

น้ำมันเบนซินที่กลั่นได้และปรับปรุงคุณภาพแล้วส่วนใหญ่ยังคงมีเลขออกเทนต่ำกว่า 75 จึงไม่เหมาะที่จะนำมาใช้กับเครื่องยนต์เบนซินในยุคปัจจุบัน การเพิ่มค่าออกเทนในอดีตทำโดยเติมสารเคมีบางชนิด เช่น เตตระเมทิลเลดหรือเตตระเอทิล เลดลงในน้ำมันเบนซินที่กลั่นได้ ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2539 ได้เปลี่ยนมาใช้สารเคมีชนิดอื่น เช่น เมทิลเทอร์เชียรีบิวทิลอีเทอร์ (MTBE) เอทานอลหรือเมทานอลและเรียกน้ำมันเบนซินชนิดนี้ว่า น้ำมันไร้สารตะกั่ว

เมทิลเทอร์เชียบิวทิลอีเทอร์ (MTBE = Methyl Tertiary Butyl Ether) มีสูตรโครงสร้าง

น้ำมันเบนซินเป็นสารระเหยง่ายและไวไฟ จึงไม่ควรเก็บหรือใช้งานใกล้กับแหล่งความร้อน ไอระเหยของน้ำมันเบนซินทำให้ผู้สูดดมมึนงง ปวดศีรษะและอาจหมดสติได้ ถ้าสัมผัสกับผิวหนังจะละลายไขมันออกจากผิวหนังทำให้เกิดเป็นโรคผิวหนังได้
สำหรับรถบรรทุกเล็ก รถแทรกเตอร์ เรือประมง เรือโดยสาร และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ใช้เครื่องยนต์ดีเซลต้องใช้น้ำมัน
ดีเซลต้องใช้น้ำมันดีเซลซึ่งเป็นกลุ่มของสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีจุดเดือดสูงกว่าน้ำมันเบนซิน ได้มีการกำหนดคุณภาพของน้ำมันดีเซลด้วย เลขซีเทน โดยกำหนดให้ซีเทน $\displaystyle (C_{16}H_{34}$ มีเลขซีเทน 100 และแอลฟาเมทิลแนฟทาลีน $\displaystyle (C_{11}H_{10}$ มีเลขซีเทน 0 เลขซีเทนของน้ำมันดีเซลก็แปลความหมายได้เช่นเดียวกับเลขออกเทนของน้ำมันเบนซิน

การกลั่นน้ำมันดิบ

น้ำมันดิบจากแหล่งต่างๆ มีสมบัติแตกต่างกัน กล่าวคือมีสีเหลือง เขียว น้ำตาลจนถึงดำ ขึ้นอยู่กับแหล่งที่พบน้ำมันดิบ

เป็นของเหลวข้นจนถึงหนืดคล้ายยางมะตอย มีความหนาแน่นอยู่ในช่วง 0.79 - 0.95 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร น้ำมันดิบประกอบด้วยสารประกอบไฮโดรคาร์บอนประเภทแอลเคนและไซโคลแอลเคนเป็นส่วนใหญ่ นอกจากนี้ยังมีสารประกอบของกำมะถัน ออกซิเจน ไนโตรเจน รวมทั้งโลหะต่างๆ ปนอยู่ด้วย การนำน้ำมันดิบไปใช้ประโยชน์จึงต้องนำมาผ่านกระบวนการแยกสารประกอบที่ปนอยู่ออกก่อน

การแยกสารประกอบไฮโดรคาร์บอนในน้ำมันดิบใช้การกลั่นลำดับส่วน ซึ่งมีรายละเอียดแตกต่างจากการกลั่นที่ได้ศึกษามาแล้ว กล่าวคือก่อนการกลั่นน้ำมันดิบต้องแยกน้ำและสารประกอบต่างๆ ที่ผสมอยู่ในน้ำมันดิบออกจนเหลือแต่สารประกอบไฮโดรคาร์บอนเป็นส่วนใหญ่ แล้วจึงส่งผ่านท่อเข้าไปในเตาเผาที่มีอุณหภูมิอยู่ในช่วง 320 - 385 องศาเซลเซียส ดังรูป 12.9 น้ำมันดิบที่ผ่านเตาเผาจะมีอุณหภูมิสูง จนบางส่วนเปลี่ยนสถานะเป็นไอปนไปกับของเหลวผ่านเข้าไปในหอกลั่นซึ่งเป็นหอสูงที่ภายในประกอบด้วยชั้นเรียงกันหลายสิบชั้น แต่ละชั้นจะมีอุณหภูมิแตกต่างกัน ชั้นบนมีอุณหภูมิต่ำ ชั้นล่างมีอุณหภูมิสูง ดังนั้นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีมวลโมเลกุลต่ำและจุดเดือดต่ำจะระเหยขึ้นไปและควบแน่นเป็นของเหลวบริเวณชั้นที่อยู่ส่วนบนของหอกลั่น ส่วนสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีมวลโมเลกุลสูงและจุดเดือดสูงกว่าจะควบแน่นเป็นของเหลวอยู่ในชั้นต่ำลงมาตามช่วงอุณหภูมิของจุดเดือด สารประกอบไฮโดรคาร์บอนบางชนิดที่มีจุดเดือดใกล้เคียงกัน จะควบแน่นปนกันออกมาในชั้นเดียวกัน การเลือกช่วงอุณหภูมิในการเก็บผลิตภัณฑ์จึงขึ้นอยู่กับจุดประสงค์ของการใช้ผลิตภัณฑ์ที่ได้ สำหรับสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีมวลโมเลกุลสูงมาก เช่น น้ำมันเตา น้ำมันหล่อลื่น และยางมะตอย ซึ่งมีจุดเดือดสูง จึงยังคงเป็นของเหลวในช่วงอุณหภูมิของการกลั่นและจะถูกแยกอยู่ในชั้นตอนล่างของหอกลั่น

รูป 12.9 กรรมวิธีในการกลั่นน้ำมันดิบและผลิตภัณฑ์

ปิโตรเลียม

ปิโตรเลียมมีรากศัพท์มาจากภาษาละติน 2 คำคือ เพทรา (petra) แปลว่า หิน กับโอลิอุม (Oleum) แปลว่า น้ำมัน รวมกันแล้วมีความหมายว่า น้ำมันที่ได้จากหิน ปิโตรเลียมเป็นสารผสมของสารประกอบไฮโดรคาร์บอนและสารอินทรีย์หลายชนิดที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ ปรากฏอยู่ทั้งในสถานะของเหลวและแก๊ส ในสถานะของเหลว ได้แก่ น้ำมันดิบ น้ำมันดิบจากแหล่งต่างๆ อาจมีสมบัติทางกายภาพแตกต่างกัน เช่น มีลักษณะข้นเหนียวจนถึงหนืดคล้ายยางมะตอย มีสีเหลือง เขียว น้ำตาลจนถึงดำ มีความหนาแน่น 0.79 - 0.97 น้ำมันดิบมีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนประเภท แอลเคนและไซโคลแอลเคน อาจมีสารประกอบของกำมะถัน ไนโตรเจน และสารประกอบออกไซด์อื่นๆ ปนอยู่เล็กน้อย ส่วนในสถานะแก๊สคือ แก๊สธรรมชาติ ซึ่งมีองค์ประกอบหลักคือ สารประเภทไฮโดรคาร์บอนที่มีคาร์บอนในโมเลกุล 1 - 5 อะตอม ซึ่งมีปริมาณร้อยละ 95 ที่เหลือเป็นแก๊สไนโตรเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ บางครั้งจะพบแก๊สไฮโดรเจนซัลไฟด์ปะปนอยู่ด้วย

แก๊สธรรมชาตินอกจากจะมีสถานะเป็นแก๊สแล้วยังรวมถึง แก๊สธรรมชาติเหลว ประกอบด้วยไฮโดรคาร์บอนกลุ่มเดียวกับแก๊สธรรมชาติแต่มีจำนวนอะตอมของคาร์บอนมากกว่า เมื่ออยู่ในแหล่งกักเก็บใต้ผิวโลกที่ลึกมาก และมีอุณหภูมิสูงมากจะมีสถานะเป็นแก๊ส เมื่อนำขึ้นมาถึงระดับผิวดินซึ่งมีอุณหภูมิต่ำกว่า ไฮโดรคาร์บอนจะกลายสภาพเป็นของเหลวจึงเรียกว่าแก๊สธรรมชาติเหลว ปริมาณของธาตุองค์ประกอบในน้ำมันดิบและแก๊สธรรมชาติซึ่งรวมเรียกว่าปิโตรเลียมแสดงดังตาราง 12.2

ตาราง 12.2 ปริมาณธาตุองค์ประกอบของน้ำมันดิบและแก๊สธรรมชาติ

ชนิดของปิโตรเลียม	ปริมาณเป็นร้อยละโดยมวล
ชนิดของปิโตรเลียม	คาร์บอน	ไฮโดรเจน	กำมะถัน	ไนโตรเจน
น้ำมันดิบ	82 - 87	12 - 15	0.1 - 5.5	0.1 - 1
แก๊สธรรมชาติ	65 - 80	1 - 25	0.2	1 - 15

การเกิดปิโตรเลียม

ปิโตรเลียมเกิดจากการทับถมและสลายตัวของอินทรีย์สารจากพืชและสัตว์ที่คลุกเคล้าอยู่กับตะกอนในชั้นกรวดทรายละโคลนตมใต้พื้นดิน เมื่อเวลาผ่านไปนับล้านปีตะกอนเหล่านี้จะจมตัวลงเรื่อยๆ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของผิวโลก ถูกอัดแน่นด้วยความดันและความร้อนสูง รวมทั้งอยู่ในบริเวณที่มีปริมาณออกซิเจนจำกัด จึงสลายตัวเปลี่ยนสภาพเป็นน้ำมันดิบและแก๊สธรรมชาติแทรกอยู่ระหว่างชั้นหินที่มีรูพรุน ปิโตรเลียมจากแหล่งต่างกันจะมีปริมาณของสารประกอบไฮโดรคาร์บอนรวมทั้งปริมาณสารประกอบของกำมะถันไนโตรเจน และออกซิเจนแตกต่างกัน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับชนิดของซากพืชและสัตว์ที่เป็นต้นกำเนิดของปิโตรเลียมนั้น รวมถึงอิทธิพลของแรงที่ทับถมอยู่บนตะกอน

ปิโตรเลียมที่เกิดอยู่ในชั้นหินจะมีการเคลื่อนตัวออกไปตามรอยแตกและรูพรุนของหินไปสู่ที่มีระดับความลึกเล็กน้อยกว่าแล้วสะสมตัวอยู่ในโครงสร้างหินที่มีรูพรุน มีโพรงหรือรอยแตกในเนื้อหินที่สามารถให้ปิโตรเลียมสะสมตัวอยู่ได้ ด้านบนเป็นหินตะกอนหรือหินดินดานเนื้อแน่นละเอียดปิดกั้นไม่ให้ปิโตรเลียมไหลลอดออกไปได้ โครงสร้างปิดกั้นดังกล่าวนี้เรียกว่า แหล่งกักเก็บปิโตรเลียม ซึ่งมีลักษณะต่างๆ

ลักษณะต่างๆ ของแหล่งกักเก็บปิโตรเลียม

โดยทั่วไปภายในแหล่งกักเก็บปิโตรเลียมจะมีทั้งน้ำ น้ำมันดิบและแก๊สธรรมชาติ แก๊สธรรมชาติมีความหนาแน่นน้ำกว่าจะอยู่ส่วนบนสุด ถัดลงไปจะเป็นชั้นของน้ำมันดิบส่วนน้ำจะอยู่ชั้นล่างสุด