<script language="JavaScript" src="http://www.vcharkarn.com/javafeed/article/37452" type="text/javascript"></script>

เทคโนโลยี GTL (Gas-to-Liquid Technology) เพื่อการผลิตเชื้อเพลิงสะอาดทางเลือก เชื้อเพลิง เป็นสิ่งสำคัญในการขับเคลื่อนการพัฒนาอุตสาหกรรมในทุกๆด้าน หากวันหนึ่งไม่มีเชื้อเพลิง มนุษยชาติคงเกิดความปั่นป่วน เชื้อเพลิงสะอาดจึงเป็นสิ่งที่ได้รับความสนใจเป็นอย่างมาก ผู้เขียน: ดร.ประเสริฐ เรียบร้อยเจริญ ชมแล้ว: 40,769 ครั้ง post ครั้งแรก: Wed 25 June 2008, 10:55 am ปรับปรุงล่าสุด: Fri 27 June 2008, 9:40 am อยู่ในส่วน: vEnergy, เทคโนโลยี, เคมี, พลังงานทดแทน

ดร. ประเสริฐ เรียบร้อยเจริญ
ศูนย์วิจัยเชื้อเพลิง ภาควิชาเคมีเทคนิค คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย
E-mail: prasert.r@chula.ac.th

                  เชื้อเพลิงสะอาดทางเลือก หรือเชื้อเพลิงสังเคราะห์ อาจยังไม่เป็นที่รู้จักนักของคนไทย แต่จริงๆ แล้วเชื้อเพลิงเหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของชีวิตประจำวันของเรา เช่น เมทานอล ไดเมทิลอีเทอร์ น้ำมันเบนซินสังเคราะห์ น้ำมันดีเซลสังเคราะห์ เป็นต้น เชื้อเพลิงสังเคราะห์เป็นเชื้อเพลิงที่ผลิตจากแก๊สสังเคราะห์ (แก๊สผสมระหว่างแก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์และแก๊สไฮโดรเจน) โดยวัตถุดิบที่ใช้ในการผลิตแก๊สสังเคราะห์ที่ได้รับความสนใจในปัจจุบันคือ ชีวมวล เช่น แกลบ ซังข้าวโพด กะลาปาล์ม เศษไม้ เป็นต้น ซึ่งมีอยู่มากโดยเฉพาะประเทศกสิกรรม อย่างประเทศไทย โดยนำชีวมวลมาผ่านกระบวนการแกสิฟิเคชัน ในเครื่องแกสิไฟเออร์ เพื่อเปลี่ยนชีวมวลเป็นแก๊สสังเคราะห์ แล้วนำมาใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตเชื้อเพลิงสังเคราะห์ ผ่านกระบวนการฟิชเชอร์-โทรปช์ (Fischer-Tropsch) เพื่อเปลี่ยนโมเลกุลของแก๊สสังเคราะห์ให้เป็นเชื้อเพลิงสังเคราะห์ต่างๆ และเมื่อเรานำเชื้อเพลิงสังเคราะห์ไปใช้ เช่น นำน้ำมันดีเซลสังเคราะห์ไปใช้ในรถยนต์ เมื่อเกิดการเผาไหม้ก็จะก่อให้เกิดแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ ซึ่งน้ำก็จะก่อให้เกิดฝน ส่วนแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์จะลอยสู่ชั้นบรรยากาศ และถูกพืช และต้นไม้นำมาใช้ในการเจริญ เติบโตเป็นวัฏจักร ดังนั้นอาจกล่าวได้ว่าเชื้อเพลิงสังเคราะห์เหล่านี้เป็นพลังงานหมุนเวียนที่ยังยืน และไม่มีวันหมดไปนั่นเอง ดังแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 วัฏจักรชีวิตของเชื้อเพลิงสังเคราะห์ที่ยังยืนจากชีวมวล

 
น้ำมันสังเคราะห์ (Synthetic oil) ผลิตได้อย่างไร?

เชื้อเพลิงสังเคราะห์มาจากไหน?

                   ในปัจจุบันเมื่อกล่าวถึงเชื้อเพลิงสังเคราะห์นั้น โดยส่วนใหญ่จะนึกถึง น้ำมันแก๊สโซลีน น้ำมันดีเซลที่ได้จากกระบวนการฟิชเชอร์-โทรปช์ เมทานอล ดีเอ็มอี (ไดเมทิลอีเทอร์) หรือแก๊สธรรมชาติสังเคราะห์ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอน เป็นต้น โดยการนำชีวมวล เช่น แกลบ ซังข้าวโพด กะลาปาล์ม ต้นปาล์ม ทรายปาล์ม หรือซากพืชชนิดอื่นๆ มาใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตแก๊สสังเคราะห์ผ่านกระบวนการแกสิฟิเคชันและกระบวนการการเปลี่ยนแปลงทางเคมี โดยจะทำให้โมเลกุลของแก๊สสังเคราะห์เปลี่ยนเป็นเชื้อเพลิงสังเคราะห์ ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงสะอาดและที่ยั่งยืน แตกต่างจากเชื้อเพลิงที่ได้จากน้ำมันดิบที่นับวันจะยิ่งลดน้อยลง และมีราคาที่สูงขึ้น เชื้อเพลิง หรือน้ำมันสังเคราะห์เหล่านี้ สามารถนำมาใช้ทดแทนน้ำมันปิโตรเลียมได้ โดยไม่ต้องเปลี่ยนแปลงโครงสร้างพื้นฐาน ทั่งยังก่อให้เกิดมลพิษจากการใช้งานอีกด้วย เนื่องจากปราศจากกำมะถัน มีปริมาณสารประกอบอะโรมาติกต่ำ มีเขม่าน้อย เป็นต้น และมีการคาดการณ์ว่าในอีกไม่เกิน 50 ปีข้างหน้า น้ำมันสังเคราะห์จะเป็นสิ่งสำคัญที่จะมาทดแทนน้ำมันปิโตรเลียม

 
รูปที่ 2 เทคโนโลยี GTL (Gas-to-Liquid Technology) เพื่อการผลิตเชื้อเพลิงสังเคราะห์

                    กระบวนการฟิชเชอร์-โทรปช์ เป็นกระบวนการความร้อนทางเคมีที่เปลี่ยนแก๊สสังเคราะห์เป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอน ดังแสดงในสมการ ค้นพบครั้งแรกในประเทศเยอรมัน ในปี ค.ศ. 1920 โดยม่งเน้นที่การผลิตสารประกอบโฮโดรคาร์บอน ที่มีคาร์บอนอะตอม ระหว่าง 10 – 23 คาร์บอนอะตอม ผลิตภัณฑ์นั้นจะเป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนผสม ซึ่งขึ้นอยู่กับภาวะในการสังเคราะห์ ชนิดของตัวเร่งปฏิกิริยา (โคบอลท์ หรือเหล็ก) และองค์ประกอบของแก๊สสังเคราะห์ เป็นต้น สารประกอบโฮโดรคาร์บอนที่ได้จากกระบวนการจะผ่านกระบวนการปรับปรุงคุณภาพและการแยก ต่างๆ ก่อนนำไปใช้งาน เช่น กระบวนการแตกตัวด้วนไฮโดรเจน การกลั่น เป็นต้น

               CO + 2H₂ <--> -CH₂ - +H₂0      ∆H = -162.0 kJ/mol

เชื้อเพลิงสังเคราะห์ใช้ทำอะไร?

                   เชื้อเพลิงสังเคราะห์ใช้ได้เช่นเดียวกับเชื้อเพลิงที่ได้จากน้ำมันดิบ ตัวอย่างเช่น น้ำมันดีเซลสังเคราะห์สามารถนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงในรถยนต์ หรือนำมาผสมกับนำมันดีเซลปกติ ใช้เพื่อเพิ่มคุณภาพต่างๆ ของน้ำมันปิโตรเลียม เช่น เพิ่มประสิทธิภาพในการเผาไหม้ เพิ่มกำลังของรถยนต์ อีกทั้งลดมลพิษต่างๆ เช่น ลดเขม่า ลดควันขาว และลดแก๊สซัลเฟอร์ไดออกไซด์  เป็นต้น ตัวอย่างน้ำมันดีเซลสังเคราะห์ที่มีขายในท้องตลาดคือ เชลล์เพียวร่าดีเซล ซึ่งเป็นน้ำมันดีเซลมที่ได้จากปิโตรเลียมผสมกับน้ำมันดีเซลสังเคราะห์ ซึ่งมีราคา แพงกว่าน้ำมันดีเซลจากปิโตรเลียม 1.50 บาทต่อลิตร ซึ่งถือว่าไม่แพงเลยเมื่อ คุณภาพของน้ำมันและสิ่งแวดล้อมที่ดีขึ้น

 
รูปที่ 3 เชลล์เพียวร่าดีเซล (น้ำมันดีเซลสังเคราะห์ผสม)
(ที่มา http://www.shell.com/home/content2/thailand-th/shell_for_motorists/fuels/pura_diesel_1202.html)

 
ประเทศที่ผลิตเชื้อเพลิงสังเคราะห์?

                   ประเทศแอฟริกาใต้ และประเทศมาเลเซีย เป็นประเทศที่มีการผลิตเชื้อเพลิงสังเคราะห์ในเชิงอุตสาหกรรม โดยบริษัทซาซอล (Sasol) ได้ดำเนินการผลิตน้ำมันดีเซลสังเคราะห์จากถ่านหิน โดยมีเริ่มต้นเทคโนโลยีจากเครื่องปฏิกรณ์เบดนิ่ง ที่มีกำลังในการผลิต 300 ถึง 4500 บาร์เรลต่อวัน และเครื่องปฏิกรณ์ของเหลวผสมแขวนลอยในปัจจุบัน ที่กำลังผลิต 20000 บาร์เรลต่อวัน ด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาทั้ง 2 ชนิด

                   และ บริษัท เชลล์ (ประเทศมาเลเซีย) ได้ดำเนินการผลิตน้ำมันดีเซลสังเคราะห์ ด้วยเครื่องปฏิกรณ์เบดนิ่งที่กำลังในการผลิต 12500 บาร์เรลต่อวัน ภายใต้ชื่อ เชลล์ เอ็มดีเอส และขายภายใต้ชื่อทางการค้า เพียวร่าดีเซล ในประเทศญี่ปุ่นนั้นได้มีการสร้างโรงงานต้นแบบขนาดเล็ก และทดสอบการผลิต ที่ จังหวัดฮอกไกโด  และในอนาคตอันใกล้นี้ จะมีโรงงานต้นแบบสำหรับการผลิตน้ำมันสังเคราะห์ ที่มีกำลังในการผลิต 500 บาร์เรลต่อวัน ในจังหวัดนิงาตะ ซึ่งเป็นโรงงานที่เกิดจากความร่วมมือของบริษัทยักษ์ใหญ่ 6 แห่งของญี่ปุ่น และใช้เงินลงทุนถึง 3.6 หมื่นล้านเยน
 

รูปที่ 4 โรงงานผลิตเชื้อเพลิงสังเคราะห์ บริษัท ซาซอล (Sasol)  ประเทศแอฟริกาใต้
(ที่มา www.emersonprocess.com)

รูปที่ 5 โรงงานผลิตเชื้อเพลิงสังเคราะห์ SMDS บริษัท เชลล์ ประเทศมาเลเซีย
(ที่มา www.bda.gov.my) 

รูปที่ 6 โรงงานต้นแบบการผลิตเชื้อเพลิงเหลวจากแก๊สธรรมชาติ ณ เกาะฮอกไกโด ประเทศ ญี่ปุ่น
(ที่มา http://www3.u-toyama.ac.jp/tsubaki/japanese.html)

เมทานอล สำคัญอย่างไรและเกี่ยวกับพลังงานทางเลือกได้อย่างไร?

                   เมทานอล เป็นอแลกอฮอล์ที่มีขนาดเล็กที่สุด มีสูตรโครงสร้างทางเคมีคือ CH₃OH มีสถานะเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง เป็นสารเคมีพื้นฐานที่สำคัญในอุตสาหกรรมเคมีต่างๆ มีเปลวไฟสีฟ้าเมื่อเกิดการเผาไหม้ โดยเกิดการเผาไหม้ได้อย่างสมบูรณ์โดยไม่มีเขม่า สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงได้ทั้งการใช้ทางตรงและทางอ้อม สำหรับการใช้ทางตรงนั้น คือการใช้เป็นเชื้อเพลิงในตะเกียง หรือในเครื่องยนต์ออตโต (Otto engine) หรือเครื่องยนต์ดีเซล แต่ไม่ค่อยเป็นที่นิยมเนื่องจากมีพิษต่อร่างกาย ซึ่งทำให้ตาบอดและเสียชีวิตได้ อย่างไรก็ตามได้มีการนำเมทานอลมาใช้ทางอ้อม

                  โดยการพัฒนาและนำมาประยุกต์ใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงขนาดเล็ก เช่น ในคอมพิวเตอร์แบบพกพา และรถมอเตอร์ไซด์ขนาดเล็ก เป็นต้น นอกจากนั้นในปัจจุบันการขาดแคลนน้ำมันเชื้อเพลิงโดยเฉพาะอย่างยิ่งน้ำมันดีเซลนั้น เมทานอลเป็นสารตั้งต้นที่สำคัญสำหรับการผลิตไบโอดีเซลอีกด้วย รัฐบาลได้ส่งเสริมให้ภาคเอกชนผลิตไบโอดีเซลเพื่อลดการนำเข้าน้ำมันดีเซล ไบโอดีเซลได้จากการทำปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชัน (trans-esterification) ของน้ำมันพืช หรือน้ำมันสัตว์กับแอลกอฮอล์ เช่น เมทานอล เอทานอล เป็นต้น เป็นที่รู้กันดีว่าในบรรดาแอลกอฮอล์ชนิดต่างๆ นั้นเมทานอลเป็นสารตั้งต้นที่ดีที่สุด โดยในกระบวนการผลิตไบโอดีเซลจะใช้เมทานอลต่อน้ำมันในอัตราส่วนร้อยละ 15  นอกจากนั้นเมทานอลยังสามารถนำมาใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตแก๊สโซลีน ผ่านกระบวนการ MTG (Methanol to Gasoline) ได้อีกด้วยด้วย จะเห็นว่าความต้องการเมทานอลนั้นเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็วแต่ในปัจจุบัน สำหรับประเทศไทยนั้น ประเทศไทยยังไม่สามารถผลิตเมทานอลได้เอง จึงต้องพึ่งพาการนำเข้าจากต่างประเทศ ทำให้ต้องสูญเสียเงินตราต่างประเทศอย่างมาก ตามปริมาณความต้องการที่เพิ่มขึ้น

กระบวนการผลิตเมทานอล

                   ในอดีตเมทานอลเป็นผลิตภัณฑ์พลอยได้ที่เกิดจากการกลั่นไม้ (wood spirit) ซึ่งมีปริมาณน้อยมากไม่สามารถผลิตในเชิงอุตสาหกรรมได้ หลังจากนั้นการผลิตเมทานอลในอุตสาหกรรมเริ่มต้นในประเทศ เยอรมัน โดยบริษัท บาฟ (BASF) ซึ่งใช้แก๊สสังเคราะห์เป็นสารตั้นต้น ทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิ 320-380°C และความดัน 350 bar ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโครเมียมออกไซด์ซิงค์ออกไซด์ ซึ่งรู้จักกันดีในชื่อ กระบวนการความดันสูง แต่ในปัจจุบันการผลิตในอุตสาหกรรมนั้นจะใช้เทคโนโลยีของบริษัท ไอซีไอ (ICI) ซึ่งเป็นกระบวนการความดันต่ำ ใช้ตังเร่งปฏิกิริยาคอปเปอร์ซิงค์ออกไซด์ ที่ความดัน 50-80 bar และอุณหภูมิ 250-280°C

เมทานอลสามารถผลิตได้จากกระบวนการเคมีความร้อนโดยอาศัยการทำปฏิกิริยาระหว่างคาร์บอนมอนอกไซด์ และไฮโดรเจน ซึ่งรู้จักกันดีในชื่อ แก๊สสังเคราะห์ ในอัตราส่วนที่เหมาะสม (CO:H₂ = 1:2) ดังแสดงในปฏิกิริยา โดยมีแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ปนอยู่ในปริมาณเล็กน้อยประมาณร้อยละ 5 ที่อุณหภูมิประมาณ 250-280 องศาเซลเซียส และความดัน 60-80 บรรยากาศ โดยอาศัยตัวเร่งปฏิกิริยาออกไซด์ของทองแดงและสังกะสี โดยอาจมีออกไซด์ของโลหะอื่นๆ ผสมอยู่ในปริมาณเล็กน้อยเพื่อเพิ่มความเสถียรภาพของตัวเร่งปฏิกิริยา
 

    CO + H₂O<--> -CO₂  +H₂      
   CO₂ + 3H₂ <--> CH₃OH  +H₂0    
    -----------------------------------
        CO + 2H₂ <--> CH₃0H        ∆H = -90.8  kJ/mol CH₃0H 

                   กระบวนการที่ได้รับความสนใจอีกกระบวนการหนึ่งคือการผลิตเมทานอลจากแก๊สผสมระหว่างแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และแก๊สไฮโดรเจน ในเครื่องปฏิกรณ์เบดนิ่ง ที่อุณหภูมิ 260°C ความดัน 80 bar ซึ่งมีข้อดีคือ สามารถผลภาวะเรือนกระจกที่เกิดจากแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่สูงกว่าการใช้แก๊สสังเคราะห์ โดยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่ใช้นั้นสามารถหาได้ง่าย เช่น ในบรรยากาศ จากแก๊สที่ปล่อยจากโรงไฟฟ้า เป็นต้น อย่างไรก็จากปฏิกิริยา จะมีน้ำเกิดเป็นผลิตภัณฑ์ด้วยทำให้ผลิตภัณฑ์เมทานอลที่มีความบริสุทธ์ต่ำกว่าการใช้แก๊สสังเคราะห์เป็นสารตั้งต้น และน้ำที่เกิดขึ้นทำให้ความเสถียรภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาลดลงอีกด้วย

              CO₂ + 3H₂ <--> CH₃0H + H₂0        ∆H = -49.6  kJ/mol CH₃0H 
     

                   นอกจากนี้ยังได้มีการพัฒนากระบวนการสังเคราะห์เมทานอลด้วยกระบวนการอื่นๆ อีกหลากหลายกระบวนการ ซึ่งเป็นเพียงการทดลองในห้องปฏิบัติการ เช่น การผลิตเมทานอลด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอัลคอกไซด์ (RONa) ซึ่งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเอกพันธุ์ ร่วมกับตัวเร่งปฏิกิริยาออกไซด์ของทองแดง ซึ่งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธุ์ ภายใต้ภาวะการเกิดปฏิกิริยาที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส และความดัน 10 บรรยากาศ เป็นอีกกระบวนการหนึ่งที่ได้รับความสนใจอย่างมาก เนื่องจากอุณหภูมิและความดันที่ต่ำ มีค่าการเปลี่ยนของแก๊สสังเคราะห์สูงถึงร้อยละ 90 และค่าการเลือกเกิดเมทานอลสูงถึงร้อยละ 99 แต่มีข้อเสียแก๊สสังเคราะห์ที่ใช้จะต้องมีความบริสุทธิ์สูง (ทำให้มีต้นทุนในการผลิตสูงมาก) กล่าวคือต้องไม่มีแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ปนเปื้อน เนื่องจากจะทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็ว อีกทั้งตัวเร่งปฏิกิริยายังว่องไวต่อน้ำที่อาจเกิดขึ้นได้จากปฏิกิริยาวอเตอร์แก๊สชิฟ ทำให้กระบวนการนี้ยังไม่สามารถพัฒนาสู่การผลิตในขนาดอุตสาหกรรมได้

    CO + CH₃OH HCOOCH₃      
HCOOCH₃  + 2H₂   2CH₃OH  
 ---------------------------------------  
      CO + 2H₂ <--> CH₃0H          ∆H = -90.8  kJ/mol CH₃0H 
 
                    กระบวนการที่มีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเอกพันธุ์ (ใช้แอลกอฮอล์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา) ร่วมกับตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธุ์ (ตัวเร่งปฏิกิริยาออกไซด์ของทองแดง) เมทานอลถูกผลิตภายใต้ความดัน 30-50 บรรยากาศ และอุณหภูมิ 170 องศาเซลเซียส พบว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้มีความเสถียรต่อแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ ทำให้สามารถนำแก๊สสังเคราะห์ที่มีอยู่ทั่วไปมาใช้ในการผลิตได้ มีค่าการเปลี่ยนร้อยละ 50 และค่าการเลือกเกิดเมทานอลร้อยละ 99 โดยเมทานอลเกิดจากปฏิกิริยาวอเตอร์แก๊สชิฟ ปฏิกิริยาเอสเทอร์ริฟิเคชัน และปฏิกิริยาไฮโดรจีโนไลซิส ดังแสดงในสมการด้านล่าง

    CO + H₂O<--> -CO₂  +H₂      
CO₂ + H_{2 +} ROH  <--> HCOOR  + H₂0   
HCOOR  + 2H₂  <--> CH₃OH  +ROH 
 ---------------------------------------  
                                        CO  + 2H₂ <--> CH₃0H      ∆H = -90.8  kJ/mol CH₃0H
 

เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้การผลิตเมทานอล

                   ในส่วนของเครื่องปฏิกรณ์นั้น เครื่องปฏิกรณ์เบดนิ่งเป็นเครื่องปฏิกรณ์แบบเดียวที่ใช้ในการผลิตในอุตสาหกรรม   อย่างไรก็ตาม ต้องออกแบบระบบระบายความร้อนให้มีประสิทธิภาพสูง เนื่องจากปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นปฏิกิริยาที่มีการคายความร้อนมาก จึงเกิดปฏิกิริยาได้ดีที่อุณหภูมิต่ำ หากไม่มีการระบายความร้อนที่ดีจะทำให้ค่าการเปลี่ยนลดลงและตัวเร่งปฏิกิริยาเสื่อมสภาพได้ ค่าการเปลี่ยนของแก๊สสังเคราะห์มีค่าอยู่ในช่วงร้อยละ 15-25 เท่านั้น จึงต้องมีการนำแก๊สสังเคราะห์ที่เหลือกลับมาใช้ด้วย ซึ่งเป็นการสิ้นเปลืองพลังงานมาก เครื่องปฏิกรณ์อีกแบบที่ได้รับความนิยมคือ เครื่องปฏิกรณ์ของเหลวผสมแขวนลอย  ซึ่งอยู่ในขั้นทดลองผลิตในเครื่องต้นแบบขนาดใหญ่ รู้จักกันดี ในชื่อ LPMeOHTM (Liquid phase methanol synthesis process) ซึ่งมีข้อได้เปรียบในเรื่องของการดึงความร้อนที่เกิดจากปฏิกิริยา ในขณะที่เมทานอลที่เกิดขึ้นจะอยู่ในสถานะแก๊สจึงดึงออกจากเครื่องปฏิกรณ์ได้ง่าย มีผลให้ค่าการเปลี่ยนเพิ่มสูงขึ้นอย่างมากถึงร้อยละ 96 เครื่องปฏิกรณ์ชนิดนี้ถูกคาดการณ์ว่าจะมาแทนที่เครื่องปฏิกรณ์เบดนิ่งที่มีการใช้งานอยู่ในปัจจุบัน
 

รูปที่ 7
เครื่องปฏิกรณ์เบดนิ่ง (1) เครื่องปฏิกรณ์ของเหลวผสมแขวนลอย (2) และการเกิดปฏิกิริยาในของหลว (3)

 ปัจจุบันหน่วยงานต่างๆ ทั้งภาครัฐและเอกชนได้เริ่มให้ความสำคัญกับการศึกษาวิจัยการผลิตเมทานอลมากขึ้น ซึ่งคาดว่าในอนาคตอันใกล้ประเทศไทยน่าจะมีโรงงานผลิตเมทานอลเกิดขึ้นอย่างแน่นอน 

 
ไดเมทิลอีเทอร์ (Dimethyl ether, DME): เชื้อเพลิงทางเลือกแห่งศตวรรษที่ 21?

                   ไดเมทิลอีเทอร์ หรือดีเอ็มอี มีสูตรเคมีคือ CH₃OCH₃ มีสถานะเป็นแก๊สที่อุณหภูมิห้อง ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น ไม่มีพิษ เป็นสารประกอบอีเทอร์ที่มีขนาดเล็กที่สุด สามารถทำให้เป็นของเหลวได้เมื่อถูกอัดภายใต้ความดัน  ปกติถูกใช้เป็นสารขับเคลื่อนในกระป๋องสเปร สารทำความเย็นทดแทนการใช้สารฟรีออน สามารถลุกติดไฟได้ มีจุดเดือดที่ -25°C และมีความดันไอ 6 bar ที่อุณหภูมิ 25°C จึงได้รับความนิยมนำมาใช้ทดแทนแก๊สปิโตรเลียมเหลว โดยไม่ต้องสร้างโครงสร้างพื้นฐานขึ้นมาใหม่ เนื่องจากมีสมบัติทางกายภาพคล้ายแก๊สปิโตรเลียมเหลว จึงสามารถใช้โครงสร้างพื้นฐานของแก๊สปิโตรเลียมเหลวได้ เช่น บรรจุใส่ถังแก๊ส แก๊สกระป๋อง เป็นต้น 

เมื่อเผาไหม้จะสามารถเผาไหม้ได้อย่างสมบูรณ์ ไม่เกิดเขม่า ปลดปล่อยแก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์และออกไซด์ของไนโตรเจนต่ำกว่าเชื้อเพลิงทั่วไปและไม่มีส่วนประกอบของกำมะถันจึงไม่ก่อให้เกิดแก๊สซัลเฟอร์ไดออกไซด์ จึงไม่ส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม จึงมีการนำมาใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้าในเครื่องกังหันแก๊ส นอกจากนั้นยังมีค่าซีเทนสูงระหว่าง 55-60 จึงสามารถนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงทดแทนในเครื่องยนต์ดีเซลได้ ดังแสดงในรูปที่ 8  

รูปที่ 8 ไดเมทิลอีเทอร์ และการใช้เป็นแก๊สหุงต้ม และเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์ดีเซล
(ที่มา www.dmeforum.jp)

ยังมีการคาดการณ์ว่าจะสามารถนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงในเซลล์เชื้อเพลิงได้อีกด้วย นอกจากนี้ยังไม่เป็นอันตรายต่อร่างกายมนุษย์และสลายตัวได้เองในบรรยากาศ ดังนั้นดีเอ็มอีจึงได้รับการยอมรับว่าเป็นเชื้อเพลิงทางเลือกแห่งศตวรรษที่ 21 เลยทีเดียว สมบัติต่างๆของดีเอ็มอีเมื่อเปรียบเทียบกับเชื้อเพลิงชนิดอื่นๆ แสดงในตารางที่ 1

ตารางที่ 1 สมบัติทางกายภาพและทางเชื้อเพลิงของดีเอ็มอีและเชื้อเพลิงชนิดต่างๆ

	ดีเอ็มอี*	มีเทน	โพรเพน (แก๊สหุงต้ม)	น้ำมันดีเซล**	เมทานอล
โครงสร้างทางเคมี	CH3OCH3	CH4	C3H8	C10-C20	CH3OH
ค่าซีเทน	55-60	0	5	40-55	5
ค่าพลังงานความร้อน (kcal/kg)	6,900	12,000	11,100	10,000	4,800
ความถ่วงจำเพาะ (20°C)	0.67	0.42	0.49	0.832 (10oC)	0.79
จุดเดือด (°C)	-25	-161	-42	180-370	65
ความดันไอ (atm, 25°C)	6.1	26	9.3	-	-

     ปริมาณกำมะถัน *0 ppm (1 ส่วนใน 1 ล้านส่วน) **350 ppm (ที่มา www.dmeforum.jp) 

กระบวนการผลิตไดเมทิลอีเทอร์

                   แต่เดิมเมทานอลเป็นวัตถุดิบหลักในการผลิตดีเอ็มอี ผ่านปฏิกิริยาดึงน้ำออก ดังแสดงในรูปที่ 9 หรือปฏิกิริยาดีไฮเดรชัน ซึ่งเป็นกระบวนการ 2 ขั้นตอน หรือการสังเคราะห์ทางอ้อม คือ การสังเคราะห์เมทานอล แล้วจึงนำเมทานอลมาผลิตเป็นดีเอ็มอี โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นกรด เช่น แกมมาอลูมินา ซีโอไลท์ ในเครื่องปฏิกรณ์เบดนิ่ง ที่อุณหภูมิ 280 องศาเซลเซียส ความดันบรรยากาศ อย่างไรก็ตามมีต้นทุนต่อหน่วยในการผลิตสูง เนื่องจากสารตั้งต้นคือ เมทานอลมีราคาสูง

 2CO  + 4H₂ <--> 2CH₃0H                     ∆H = -90.8 kJ/mol CH3OH
2CH₃0H   <--> CH₃0CH₃  +  H₂0       ∆H = -23.4 kJ/mol CH3OH 

รูปที่ 9 การผลิตไดเมทิลอีเทอร์จากเมทานอลผ่านปฏิกิริยาดึงน้ำออก

ในปัจจุบันกระบวนการผลิตที่ได้รับความสนใจคือ การผลิตดีเอ็มอีโดยตรงจากแก๊สสังเคราะห์ (CO:H₂ = 1:1) ผ่านกระบวนการความร้อนเคมี ในเครื่องปฏิกรณ์ slurry บนตัวเร่งปฏิกิริยาออกไซด์ของทองแดง สังกะสี และอลูมิเนียม ที่อุณหภูมิ 260 องศาเซลเซียส และความดัน 30 บรรยากาศ มีค่าการเปลี่ยนของแก๊สสังเคราะห์สูงถึงร้อยละ 40 และค่าการเลือกเกิดดีเอ็มอีร้อยละ 90  เทคโนโลยีนี้ได้ผ่านการทดสอบในโรงงานต้นแบบขนาดกำลังผลิต 50 ตันต่อวัน ในประเทศญี่ปุ่น และอยู่ระหว่าการสร้างโรงงานผลิตที่มีกำลังผลิตสูงถึง 100000 ตันต่อปี ที่จังหวัดนิงาตะ เป็นที่สำเร็จแล้ว และหลายประเทศทั่วโลกกำลังสร้างโรงงานที่ใช้เทคโนโลยีนี้ผลิตดีเอ็มอี 

          3CO + 3 H₂ <-->  CH₃OCH₃+ CO₂       ∆H = -246.0 kJ/mol CH3OH

 
รูปที่ 10 การผลิตไดเมทิลอีเทอร์จากแก๊สสังเคราะห์

อนาคตของไดเมทิลอีเทอร์ในด้านเชื้อเพลิง

                    จากการที่ดีเอ็มอี สามารถนำมาใช้ทดแทน แก๊สหุงต้ม และน้ำมันดีเซล ได้นั้น เมื่อเปรียบเทียบในเศรษฐศาสตร์
พบว่าดีเอ็มอียังคงมีต้นทุนที่สูงกว่าแก๊สหุงต้ม และน้ำมันดีเซล เนื่องจากความซับซ้อนในการผลิตและต้นทุนของแก๊สสังเคราะห์ อย่างไรก็ตามเมื่อพิจารณาราคาของน้ำมันดิบที่สูงขึ้น ประกอบกับหากเราพิจารณาในเชิงคุณภาพชีวิต สิ่งแวดล้อม ภาวะโลกร้อนนั้น จะพบว่าโอกาสสำหรับดีเอ็มอี นั้น อยู่ไม่ไกลนัก ซึ่งในขณะนี้มีหลายประเทศกำลังให้ความสนใจอย่างมาก เช่น ญี่ปุ่น สหรัฐอเมริกา จีน เป็นต้น 

รูปที่ 11 โรงงานผลิตดีเอ็มอีจากแก๊สสัง้คราะห์ที่ได้จากแก๊สธรรมชาติ ที่กำลังในการผลิต 100 ตันต่อวัน ณ ประเทศญี่ปุ่น
(ที่มา www.dmeforum.jp)

                   ประเทศต่างๆ เหล่านี้กำลังพัฒนากระบวนการผลิตและจัดสร้างโรงงานขนาดใหญ่ เพื่อลดต้นทุนของดีเอ็มอี และนำมาใช้ทดแทน แก๊สหุงต้มในบริเวณที่ขาดแคลน ในประเทศไทย ดีเอ็มอียังไม่เป็นที่รู้จักแพร่หลาย มีเพียงนักวิจัยบางกลุ่มในสถาบันอุดมศึกษา และหน่วยงานวิจัยของรัฐเท่านั้น ที่ทำงานวิจัยเกี่ยวกับการผลิตดีเอ็มอีและการทดสอบการใช้ดีเอ็มอีเป็นเชื้อเพลิงในรถยนต์ดีเซล ยังไม่มีภาคเอกชนให้ความสนใจเท่าใดนัก 

เอกสารอ้างอิง

[1] Y. Adachi, M. Komoto, I. Watanabe, Y. Ohno, and K. Fujimoto, Fuel 79 (2000) 229.
[2] I. Takaishi and S. Okutsu, DME Development Successfully Tests,100 Ton/Day DME Direct Synthesis Demonstration Plan Research and Planning, Department DME Development Co., Ltd. and JFE Holdings, Inc. Japan, Available in February 2004 from http://www.jfe-holdings.co.jp/en/release/2004/040226.html
[3] DME-International, Available in 2002 from http://dme-i.com/html_dme/gousei_5.html
[4] Haldor Topsøe A/S, Contract License and Basic Engineering of the First Large-scale Plant for Production of DME, Avaliable in June 2004 from  http://www.topsoe.com/site.nsf/all/CHAP-5ZZBB5?OpenDocument
[5] Toyo Engineering Corporation (TEC), Toyo Engineering Awarded Large DME Plant for China, Available in January 2006 from http://www.toyo-eng.co.jp/e/news/17/20060104.html
[6] K. S. Wain, J. M. Perez, E. Chapman, and A. L. Boehman, Tribol. Int. 38 (2005) 313.
[7] T. Okamoto, A new attempt to use BDF/DME blend fuel for diesel engines, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Ibaraki University, Ibaraki, Japan, Avilable in September 2005 from http://www.mech.ibaraki.ac.jp/konno-lab/2004sub1_2_1.htm
[8] K. Heinloth, Energy Technologies, Subvolume C: Renewable Energy, 2006, Springer-Verlag Berlin Heidelberg,  Germany

เกี่ยวกับผู้เขียน

              ดร.ประเสริฐ เรียบร้อยเจริญ สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรีด้านวิศวกรรมเคมีจากมหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ ปริญญาโทด้านวิศวกรรมเคมีจากจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย สาขาพอลิเมอร์ และปริญญาเอกด้านเคมีประยุกต์จากมหาวิทยาลัยโทยามะ ประเทศญี่ปุ่น ปัจจุบันเป็นอาจารย์และนักวิจัยของศูนย์วิจัยเชื้อเพลิง ภาควิชาเคมีเทคนิคคณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ทำการศึกษาและวิจัยด้านเชื้อเพลิงสังเคราะห์ Fischer-tropsch synthesis, methanol synthesis, DME synthesis, electrospinning

สามารถดูข้อมูลเกี่ยวกับผู้เขียนเพิ่มเติมได้ที่ http://www.chemtech.sc.chula.ac.th/staff/prr.htm 

ความเห็นเพิ่มเติมที่ 1 28 มิ.ย. 2551 (13:43)
ยอดเยี่ยมมาก และขอบคุณสำหรับข้อมูลดีๆนะครับ (-/I\-)

gn-003 kyrios
ร่วมแบ่งปันความรู้และความเห็นแล้ว 1 ครั้ง - ได้รับดาวแล้ว 50 ดวง - โหวตเพิ่มดาว

ความเห็นเพิ่มเติมที่ 2 11 ก.ค. 2551 (20:14)
ขอบคุณมากนะคะ กำลังทำปริญญานิพนธ์เกี่ยวกับเรื่องนี้พอดีเลยค่ะ

achi30101
ร่วมแบ่งปันความรู้และความเห็นแล้ว 1 ครั้ง - ได้รับดาวแล้ว 50 ดวง - โหวตเพิ่มดาว

dr_prasert
(ดร.ประเสริฐ เรียบร้อยเจริญ)

ผู้ชมข้อมูลนี้แล้ว 641 ครั้ง
เป็นสมาชิก: นานกว่า 5 เดือน
แบ่งปันความรู้ 0 ครั้ง
ได้รับดาว 50 ดวง

โหวตเพิ่มดาว

Hot Links

ขอบคุณผู้สนับสนุน