วิศวกรรมปฏิกิริยาเคมี

วิศวกรรมปฏิกิริยาเคมีอธิบายว่า อัตราการเกิดปฏิกิริยาและการเลือกชนิดของเครื่องปฏิกรณ์ร่วมกันกำหนด conversion, yield และขนาดของเครื่องปฏิกรณ์อย่างไร พูดง่าย ๆ คือ ถ้าคุณรู้เคมีของปฏิกิริยาแล้ว เมื่อให้ปฏิกิริยานั้นเกิดขึ้นจริงในเครื่องปฏิกรณ์จริงและในเวลาจริง จะเกิดอะไรขึ้นบ้าง

นี่จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมรู้แค่ kinetics อย่างเดียวจึงไม่พอ ปฏิกิริยาเดียวกันอาจให้ผลต่างกันใน batch reactor, continuously stirred tank reactor หรือ plug flow reactor เพราะของไหลใช้เวลาอยู่ในเครื่องปฏิกรณ์แต่ละแบบไม่เหมือนกัน

วิศวกรรมปฏิกิริยาเคมีหมายถึงอะไร

วิศวกรรมปฏิกิริยาเคมีรวม 3 แนวคิดเข้าด้วยกัน:

• stoichiometry ซึ่งบอกว่าสารต่าง ๆ ถูกใช้ไปและเกิดขึ้นอย่างไร
• kinetics ซึ่งบอกว่าอัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นกับความเข้มข้น อุณหภูมิ หรือสารเร่งปฏิกิริยาอย่างไร
• พฤติกรรมของเครื่องปฏิกรณ์ ซึ่งบอกว่าของไหลเคลื่อนที่ ผสมกัน และใช้เวลาอยู่ในอุปกรณ์อย่างไร

ถ้าส่วนใดส่วนหนึ่งเปลี่ยน คำตอบด้านการออกแบบก็อาจเปลี่ยนตามได้ กฎอัตราโดยไม่มีแบบจำลองเครื่องปฏิกรณ์ไม่สามารถบอกปริมาตรของเครื่องปฏิกรณ์ได้ และแบบจำลองเครื่องปฏิกรณ์ที่ไม่มี kinetics ก็ไม่สามารถบอกได้ว่า conversion จะเพิ่มขึ้นเร็วแค่ไหน

ทำไม kinetics อย่างเดียวจึงตัดสิน conversion ไม่ได้

นักศึกษามักเรียนกฎอัตราก่อน แล้วจึงคิดว่าเครื่องปฏิกรณ์เป็นเพียงภาชนะที่ครอบปฏิกิริยาไว้ วิศวกรรมปฏิกิริยาคือขั้นตอนที่เชื่อมกฎอัตราเข้ากับเวลา residence time หรือปริมาตรของเครื่องปฏิกรณ์

สำหรับสารตั้งต้น $A$ จุดเริ่มต้นที่พบบ่อยคืออัตราการหายไปของสาร:

$$-r_A$$

ค่านี้หมายถึงปริมาณของ $A$ ที่ถูกใช้ไปต่อหนึ่งหน่วยปริมาตรของเครื่องปฏิกรณ์ต่อหนึ่งหน่วยเวลา แต่การจะนำไปใช้ได้ คุณยังต้องมีแบบจำลองเครื่องปฏิกรณ์ด้วย โดยทั่วไป batch reactor จะติดตามความเข้มข้นเทียบกับเวลา ส่วน flow reactor จะติดตามความเข้มข้นเทียบกับตำแหน่งหรือ residence time

ตัวอย่างคำนวณ: conversion ของ first-order batch reactor

พิจารณาปฏิกิริยาเฟสของเหลวแบบผันกลับไม่ได้ $A \rightarrow \text{products}$ ใน batch reactor โดยสมมติว่า:

• ปฏิกิริยาเป็นอันดับหนึ่งต่อ $A$
• อุณหภูมิคงที่ ดังนั้น $k$ คงที่
• ปริมาตรของของเหลวคงที่

ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ กฎอัตราคือ

$$-r_A = kC_A$$

สำหรับ batch reactor ที่มีปริมาตรคงที่ จะได้ว่า

$$\frac{dC_A}{dt} = -kC_A$$

อินทิเกรตแล้วได้

$$C_A = C_{A0} e^{-kt}$$

สมมติว่า:

• $C_{A0} = 1.0\ \mathrm{mol/L}$
• $k = 0.20\ \mathrm{min^{-1}}$
• $t = 10\ \mathrm{min}$

ดังนั้น

$$C_A = (1.0)e^{-(0.20)(10)} = e^{-2} \approx 0.135\ \mathrm{mol/L}$$

conversion ของ $A$ คือ

$$X = \frac{C_{A0} - C_A}{C_{A0}}$$

ดังนั้นในกรณีนี้

$$X = \frac{1.0 - 0.135}{1.0} \approx 0.865$$

batch reactor นี้ให้ conversion ประมาณ $86.5\%$ หลังผ่านไป $10$ นาที

ผลลัพธ์นี้ขึ้นอยู่กับว่าสมมติฐานทั้งหมดเป็นจริง หากอุณหภูมิเปลี่ยนมากพอที่จะทำให้ $k$ เปลี่ยน หากปฏิกิริยาไม่ได้เป็นอันดับหนึ่ง หรือหากปริมาตรเปลี่ยนระหว่างปฏิกิริยา แบบจำลองนี้ก็จะไม่เหมาะสมอีกต่อไป

ทำไมวิศวกรรมปฏิกิริยาจึงสำคัญในทางปฏิบัติ

วิศวกรรมปฏิกิริยาคือสิ่งที่เปลี่ยนจาก “ปฏิกิริยาเคมีนี้เกิดขึ้นได้” ไปเป็น “กระบวนการนี้สามารถออกแบบได้” โดยใช้เพื่อ:

• ประมาณ conversion และ yield
• เลือกระหว่าง batch, CSTR และ plug flow reactors
• กำหนดขนาดเครื่องปฏิกรณ์ให้ได้อัตราการผลิตตามเป้าหมาย
• ประเมินผลของอุณหภูมิหรือสารเร่งปฏิกิริยา
• ลดความเสี่ยงด้านความปลอดภัยในระบบที่คายความร้อนอย่างรุนแรง

ในโรงงานจริง การถ่ายเทความร้อนและการถ่ายเทมวลอาจสำคัญพอ ๆ กับ kinetics เชิงแท้ หากสารตั้งต้นไปถึงผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาได้ไม่เร็วพอ หรือหากระบายความร้อนได้ไม่เร็วพอ พฤติกรรมที่สังเกตได้อาจต่างจากแบบจำลอง kinetics อย่างง่าย

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในวิศวกรรมปฏิกิริยา

คิดว่า stoichiometry เพียงอย่างเดียวพอสำหรับการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์

stoichiometry บอกความสัมพันธ์ของปริมาณสาร แต่ไม่ได้บอกว่าปฏิกิริยาใช้เวลานานเท่าไร การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์จึงต้องใช้ kinetics ด้วย

ใช้ค่าคงที่อัตราโดยไม่ตรวจสอบหน่วย

หน่วยของ $k$ ขึ้นอยู่กับกฎอัตรา ค่าคงที่ของปฏิกิริยาอันดับหนึ่งมักมีหน่วยเป็นส่วนกลับของเวลา แต่กฎอัตราแบบอื่นไม่ได้เป็นเช่นนั้นเสมอไป

ลืมสมมติฐานที่อยู่เบื้องหลังแบบจำลอง

การผสมสมบูรณ์ใน CSTR, การไหลแบบ plug flow อุดมคติใน tubular reactor และปริมาตรคงที่ใน batch reactor เป็นสมมติฐานของแบบจำลอง ไม่ใช่ข้อเท็จจริงที่รับประกันเสมอ

สับสนระหว่าง conversion กับ yield

conversion บอกว่าสารตั้งต้นหายไปเท่าไร ส่วน yield บอกว่าได้ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการเกิดขึ้นเท่าไร ทั้งสองอย่างไม่จำเป็นต้องเท่ากัน โดยเฉพาะเมื่อมีปฏิกิริยาข้างเคียง

มองข้ามความไวต่ออุณหภูมิ

อัตราการเกิดปฏิกิริยาหลายชนิดเปลี่ยนแปลงอย่างมากตามอุณหภูมิ แบบจำลองที่ใช้ $k$ คงที่จึงใช้ได้ก็ต่อเมื่อสมมติฐานนี้สมเหตุสมผล

วิศวกรรมปฏิกิริยาเคมีถูกใช้ที่ไหน

ใช้วิศวกรรมปฏิกิริยาเมื่อคำถามไม่ได้มีแค่ว่า “อะไรทำปฏิกิริยากัน?” แต่รวมถึง “เร็วแค่ไหน ไปได้ไกลแค่ไหน และควรใช้เครื่องมือแบบใด?” ซึ่งครอบคลุมการแปรรูปเชื้อเพลิง การผลิตพอลิเมอร์ เครื่องปฏิกรณ์แบบตัวเร่งปฏิกิริยา การหมัก การบำบัดสิ่งแวดล้อม และการผลิตยา

หัวข้อนี้สำคัญเป็นพิเศษเมื่อคุณต้องเปรียบเทียบชนิดของเครื่องปฏิกรณ์ หรือขยายปฏิกิริยาจากระดับห้องปฏิบัติการไปสู่กระบวนการที่ใหญ่ขึ้น เคมีอาจเหมือนเดิม แต่สมรรถนะของเครื่องปฏิกรณ์อาจไม่เหมือนเดิม

ลองทำโจทย์เครื่องปฏิกรณ์ที่คล้ายกัน

นำตัวอย่าง batch reactor ข้างต้นมาใช้ใหม่ แล้วกำหนด conversion เป้าหมายเป็น $95\%$ แทนการหาค่า conversion หลังเวลาคงที่ จากนั้นแก้สมการเพื่อหาเวลาที่ batch ต้องใช้ นี่เป็นขั้นต่อไปที่เหมาะสม เพราะเป็นการเปลี่ยนแบบจำลองเดิมจากการคำนวณหาค่า มาเป็นการตัดสินใจด้านการออกแบบ