น้ำมันดิบ และ การกลั่น

                  น้ำมันดิบที่ขุดขึ้นมาจากแหล่งต่างๆ นั้นมักจะมีลักษณะแตกต่างกันออกไป น้ำมันดิบที่สูบจากบางแหล่งอาจเหลวมีสีน้ำตาลแดง และมีส่วนประกอบที่กลั่นแล้วได้เชื้อเพลิงเบา เช่น น้ำมันเบนซิน น้ำมันก๊าด และโซล่าเป็นส่วนใหญ่ บางแหล่งจะได้น้ำมันดิบซึ่งดำและข้นมาก มีส่วนประกอบของเชื้อเพลิงเบาเพียงเล็กน้อย ความถ่วงจำเพาะของน้ำมันดิบอาจมีค่าได้ตั้งแต่ 0.80 ไปจนเกือบ 1.0 และมีค่าอัตราส่วนระหว่างคาร์บอนต่อไฮโดรเจนอยู่ระหว่าง 6 ถึง 8

               สารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีอยู่ในน้ำมันดิบนั้นมีขนาดโมเลกุลตั้งแต่เล็กสุดคือ มีเทน (Methane) ซึ่งมีอะตอมของคาร์บอนเพียง 1 ตัว ไปจนถึงขนาดโมเลกุลที่ใหญ่มีอะตอมของคาร์บอนถึง 80 ตัว สามารถแบ่งออกได้เป็น 5 ประเภทใหญ่ ๆ ตามลักษณะโครงสร้างของโมเลกุลงคือ

               1. พวก Normal Paraffins หรือที่เรียกกันทางศัพท์เคมีว่า N - Alkanes สารไฮโดรคาร์บอนประเภทนี้มีโครงสร้างเป็นอะตอมของคาร์บอนเรียงต่อกันเป็นเส้นยาว แต่ละตัวของคาร์บอนก็มีอะตอมไฮโดรเจนจับอยู่จนอิ่มตัว ขนาดโมเลกุลของสารประเภทนี้ในนำมันดิบมีตั้งแต่ตัวที่ประกอบด้วย 1 อะตอมของคาร์บอนไปจนถึงราว 42 อะตอม มีสูตรทางเคมีดังนี้ Cn H 2n-2   โดย n เป็นจำนวนอะตอมของคาร์บอนในโมเลกุล

               2. พวก  ISO Paraffins หรือที่เรียกกันทางศัพท์เคมีว่า ISO - Alkanes มีลักษณะโครงสร้างเป็นอะตอมของคาร์บอนเรียงต่อกันแยกสาขาออกด้านข้างด้วย แต่ละตัวของคาร์บอนก็มีอะตอมของไฮโดรเจนจับอยู่จนอิ่มตัว ดังนั้น จึงมีสูตรทางเคมีเหมือนกับพวก Normal Paraffins คือ Cn H 2n-2 พวก Paraffins ทั้งสองประเภทนี้มีอยู่มากในน้ำมันเชื้อเพลิงใส ( Distillates)

               3. พวก Naphthenes หรือที่เรียกกันทางศัพท์เคมีว่า Cyclo - Alkanes ลักษณะโครงสร้างประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนต่อเรียงตัวกันเป็นวงอาจจะเป็นวงละ 5 ตัว 6 ตัว หรือ 7 ตัวก็มีดังตัวอย่างข้างล่าง มีสูตรทางเคมีเป็น Cn H 2n-2 2Rn โดยที่ nเป็นจำนวนอะตอมของคาร์บอน และ Rn เป็นจำนวนของวงคาร์บอนที่มีอยู่ในโมเลกุล

               4. พวก Aromatics หรือที่เรียกกันทางศัพท์เคมีว่า Arenes เป็นสารไฮโดรคาร์บอนที่มีโครงสร้างประกอบด้วย Benzenes Ring

               5. พวก Mixed Naphtheno - Aromatics เป็นไฮโดรคาร์บอนประเภทที่มีทั้ง Naphthenic Ring และ Aromatic Rings อยู่ในโมเลกุลเดียวกัน

               ยังมีสารไฮโดรคาร์บอนประเภท Olefins ซึ่งมีสูตร Cn H2n มีโครงสร้างเป็นอะตอมคาร์บอนที่มีไฮโดรเจนเกาะอยู่ในจำนวนที่ยังไม่อิ่มตัว มีกลุ่ม Double Bond - C = C - อยู่ในโมเลกุล มักจะไม่พบในน้ำมันดิบ แต่ว่าจะพบอยู่ในน้ำมันเชื้อเพลิงที่ได้จากขบวนการแยกสลายด้วยสารเร่ง หรือด้วยความร้อน ( Caltalytic or Thermal Cracking)

               เนื่องจากไฮโดรคาร์บอนในน้ำมันดิบมีตั้งแต่ขนาดเล็กมาก มีจุดเดือดต่ำ สามารถระเหยได้ง่าย ไปจนถึงขนาดใหญ่สุด มีจุดเดือดสูง ต้องให้ความร้อนสูงมากจึงจะสามารถระเหยได้ โดยอาศัยความแตกต่างระหว่างจุดเดือดของไฮโดรคาร์บอนต่าง ๆ ที่มีอยู่ในน้ำมันดิบนี่เอง เราจึงสามารถแยกน้ำมันดิบออกมาเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีประโยชน์ต่างๆได้โดยการกลั่น

               ในการกลั่นเบื้องต้นนั้น น้ำมันดิบจะถูกแยกออกมาเป็นผลิตภัณฑ์ต่างๆ ในหอกลั่นที่ความดันบรรยากาศ (Atmospheric Distillation) โดยใช้ไอน้ำร้อนจัดเป็นตัวให้ความร้อน ผลิตภัณฑ์ที่ได้ออกมาบางอย่างก็นำมาใช้ประโยชน์ได้เลย เช่น แก๊สหุงต้ม น้ำมันก๊าด และนำมันดีเซลบางอย่างต้องนำไปผ่านขบวนการเพิ่มคุณภาพเสียก่อนจึงจะนำมาใช้ประโยชน์ได้  

                น้ำมันดิบถูกอุ่นให้ร้อนโดยได้รับความร้อนจากผลิตภัณฑ์ที่ยังร้อนๆ ซึ่งออกมาจากหอกลั่น จากนั้นก็ถูกผ่านเข้าไปในเตาเผาเพื่อทำให้ร้อนถึงอุณหภูมิที่ต้องการ (ไม่เกิน 360๐C เพื่อป้องกันการแตกตัวของน้ำมันและการเกิดเขม่าในท่อ) แล้วจึงฉีดเข้าไปในหอกลั่น ไฮโดรคาร์บอนส่วนที่เบาก็จะระเหยขึ้นไป และส่วนที่หนักก็จะตกลงมาก้นหอ ไอน้ำร้อนจัดหลังจากรับความร้อนในเตาเผาก็จะฉีดเข้ามาในบริเวณก้นหอ ให้ความร้อนแก่น้ำมันอุณหภูมิ ณ แต่ละส่วนของหอสามารถควบคุมโดยหอแยกเล็ก 4 ตัว (Strippers) ซึ่งมีไอน้ำร้อนฉีดให้ความร้อนเช่นกัน อุณหภูมิ ณ ยอดหอกลั่นจะอยู่ราว 105 ๐C จากยอดหออุณหภูมิจะสูงขึ้นเรื่อย ๆ จนกระทั่งถึงก้นหอกลั่นซึ่งมีอุณหภูมิราว 380 - 400 ๐C  ผลิตภัณฑ์ที่เบาที่สุดได้จากยอดหอทำให้เย็นแล้วผ่านเข้าหม้อแยก (Gas Separator) ก็จะได้แก๊ส ซึ่งเมื่อนำมาแยกอีกทีก็ได้แก๊สหุงต้ม ส่วนแก๊สที่เบามากได้แก่มีเทน (CH4) และอีเทน (C2H6) ไม่คุ้มที่จะอัดเป็นของเหลวขาย ก็นำไปเผาให้ความร้อนในเตาอุ่นน้ำมัน และที่เหลือก็เผาทิ้งไป แก๊สหุงต้มประกอบด้วย Propane (C3H8) และ Butane (C4H10) เป็นส่วนใหญ่ มี Ethane (C2H6) และ Pentane (C5H10) อยู่ในจำนวนเล็กน้อย

                 ผลิตภัณฑ์ของเหลวจากหม้อแยก (Gas Separator) ก็คือ Light Naphtha ซึ่งก็คือน้ำมันเบนซินธรรมดานั่นเอง ผลิตภัณฑ์ถัดลงมาดึงออกมาจาก Stripper ตัวบนคือ Heavy Naphtha ซึ่งมักจะมีค่าอ็อคเทนยังไม่สูงพอที่จะใช้งานได้ ต้องนำไปผ่านขบวนการเพิ่มอ็อคเทนอีกจึงจะได้น้ำมันเบนซินอ็อคเทนสูงมาใช้ สำหรับน้ำมันเบนซินที่ใช้ในเครื่องยนต์ของเครื่องบินนั้นต้องการค่าอ็อคเทนสูงมากและยังต้องเติมสารอื่น เช่น Anti-Icing , Anti-Static อีกด้วย

ผลิตภัณฑ์ที่หนักถัดลงมาคือ น้ำมันก๊าดซึ่งนำมาจุดให้ความสว่าง หากจะนำไปใช้เป็นน้ำมันเครื่องบินเจ็ท (Gas Turbine) ก็ต้องผ่านขบวนการเพิ่มคุณภาพและกำจัดพวก Aromatics ออกบ้างเพื่อลดควันดำ และเขม่า พร้อมกับเติมสารอื่น เช่น Anti-Icing และ Anti-Static อีกด้วย

ผลิตภัณฑ์ต่อไปก็คือ น้ำมันดีเซล ซึ่งมักจะมีค่าซีเทนสูงพอนำมาใช้งานกับเครื่องยนต์ดีเซลหมุนเร็วทั้งหลาย

น้ำมันขี้โล้ (Distillate Fuel) ซึ่งดึงออกมาจาก Sripper ตัวล่างสุดมีค่าซีเทนต่ำกว่านำมาใช้ในเครื่องดีเซลหมุนช้า

                  ผลิตภัณฑ์ซึ่งดึงออกมาจากก้นหอกลั่นคือ Residual Fuel อาจนำมาใช้เป็นน้ำมันเตาได้เลย ใช้เผาให้ความร้อนในเตาเผาทางอุตสาหกรรม ใช้กับเครื่องดีเซลของเรือ และใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับหม้อไอน้ำ หากนำ Residual Fuel ไปกลั่นต่อในหอกลั่นสูญญากาศ (Vacuum Distillation) ก็จะได้น้ำมันดีเซล น้ำมันหล่อลื่น และยางมะตอย (Asphalt) ปริมาณของผลิตภัณฑ์ต่างๆ ที่ได้มาจากหอกลั่นเบื้องต้นขึ้นอยู่กับประเภทของน้ำมันดิบที่ใช้

                  หากนำผลิตภัณฑ์เชื้อเพลิงมากลั่นในห้องทดลองแล้วนำเอาค่าอุณหภูมิที่กลั่นออกมา ณ จุดเริ่มต้น (Initial Boiling Point) และ ณ จุดที่กลั่นออกมา 10 , 20 จนถึง 100 % (Final B.P.) มาพลอทจะได้กราฟแสดงอุณหภูมิจากจุดเริ่มกลั่นตัวออกมาจนถึงอุณหภูมิที่กลั่นออกมาสุดท้ายเรียกว่า Distillation Range

นอกจากขบวนการกลั่นเบื้องต้นแล้ว ยังมีขบวนการอีกมากมายที่ถูกคิดค้นขึ้น บางขบวนการก็ใช้เพิ่มคุณภาพของผลิตภัณฑ์น้ำมันต่างๆ บางขบวนการก็สามารถเปลี่ยนรูปผลิตภัณฑ์ชนิดหนึ่งไปเป็นอีกชนิดหนึ่งซึ่งมีมูลค่าทางตลาดสูงกว่า