การกลั่นน้ำมันดิบ

การกลั่นน้ำมันดิบคือ การย่อยสลายสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่เป็นส่วนประกอบของปิโตรเลียมออกเป็นกลุ่ม (Groups) หรือออกเป็นส่วน (Fractions) ต่างๆ โดยกระบวนการกลั่น (Distillation) ที่ยุ่งยากและซับซ้อน น้ำมันดิบในโรงกลั่นน้ำมันนั้น ไม่เพียงแต่จะถูกแยกออกเป็นส่วนต่างๆ เท่านั้น แต่มลทิน (Impurities) ชนิดต่างๆ เช่น กำมะถัน ก็จะถูกกำจัดออกไปอีก โรงกลั่นน้ำมันอาจผลิตน้ำมัน แก๊ส และเคมีภัณฑ์ที่แตกต่างกันออกมาได้มากมายถึง ๘๐ ชนิด ผลิตภัณฑ์ที่สำคัญที่สุดคือ เชื้อเพลิงชนิดต่างๆ จากน้ำมันส่วนที่เบากว่า (Lighter fractions) เช่น น้ำมันเบนซิน (Petrol หรือ Gasoline) พาราฟิน (Parafin หรือ Kerosene) เบนซีน (Benzene) แต่น้ำมันส่วนที่หนักกว่า Heavier fractions) เช่น น้ำมันดีเซล (Diesel) น้ำมันหล่อลื่น (Lubricants) และน้ำมันเตา (Fuel oils) ก็นับได้ว่ามีความสำคัญเช่นกัน นอกเหนือไปจากนี้ ก็มีสารเหลือค้าง (Residues) อีกหลายชนิดเกิดขึ้น เช่น ถ่านโค้ก (Coke) แอสฟัลต์ (Asphalt) และ บิทูเม็น (Bitumen) หรือน้ำมันดิน (Tar) และขี้ผึ้ง (Wax หรือ Vaseline) ก็อาจได้รับการสกัดออกมา รวมทั้งยังมีแก๊สชนิดต่างๆ เกิดขึ้นด้วย เช่น บิวเทน (Butane) และโพรเพน (Propane)
น้ำมันส่วนที่หนักกว่าและแก๊สชนิดต่างๆ ที่เกิดขึ้นนั้น ยังสามารถนำไปแปรรูปทางเคมีต่อไป ทำให้เกิดเป็นแก๊สที่มีคุณค่าขึ้นอีกหลายชนิด รวมทั้งได้รับน้ำมันเตาในปริมาณที่มากขึ้นจากกระบวนการกลั่นลำดับส่วน (Fractionating process) ตามปกติอีกด้วย
วิธีการกลั่นน้ำมันที่สำคัญๆ ในโรงกลั่น มีดังนี้
(ก) การกลั่นลำดับส่วน (Fractional distillation) วิธีการนี้คือการกลั่นน้ำมันแบบพื้นฐาน ซึ่งสามารถแยกน้ำมันดิบออกเป็นส่วน (Fractions) ต่างๆ กระบวนการนี้ใช้หลักการจากลักษณะของส่วนต่างๆ ของน้ำมันดิบที่มีค่าอุณหภูมิจุดเดือด (Boiling point) ที่แตกต่างกันออกไป และเป็นผลให้ส่วนต่างๆของน้ำมันดิบนั้นมีจุดควบแน่น (Condensation point) ที่แตกต่างกันออกไปด้วย น้ำมันดิบจากถังจะได้รับการสูบผ่านเข้าไปในเตาเผา (Furnace) ที่มีอุณหภูมิสูงมากพอที่จะทำให้ทุกๆ ส่วนของน้ำมันดิบแปรสภาพไปเป็นไอได้ แล้วไอน้ำมันดังกล่าวก็จะถูกส่งผ่านเข้าไปในหอกลั่นลำดับส่วน (Fractionating tower) ที่มีรูปร่างเป็นทรงกระบอก มีขนาดความสูงประมาณ ๓๐ เมตร และมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ ๒.๕ - ๘ เมตร ภายในหอกลั่นดังกล่าวมีการแบ่งเป็นห้องต่างๆ หลายห้องตามแนวราบ โดยมีแผ่นกั้นห้องที่มีลักษณะคล้ายถาดกลม โดยแผ่นกั้นห้องทุกแผ่นจะมีการเจาะรูเอาไว้ เพื่อให้ไอน้ำมันที่ร้อนสามารถผ่านทะลุขึ้นสู่ส่วนบนของหอกลั่นได้ และมีท่อต่อเพื่อนำน้ำมันที่กลั่นตัวแล้วออกไปจากหอกลั่น เมื่อไอน้ำมันดิบที่ร้อนถูกส่งให้เข้าไปสู่หอกลั่น ทางท่อ ไอจะเคลื่อนตัวขึ้นไปสู่ส่วนบนสุดของหอกลั่น และขณะที่เคลื่อนตัวขึ้นไปนั้น ไอน้ำมันจะเย็นตัวลงและควบแน่นไปเรื่อยๆ แต่ละส่วนของไอน้ำมันจะกลั่นตัวเป็นของเหลวที่ระดับต่างๆ ในหอกลั่น ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของการควบแน่นที่แตกต่างกันออกไป น้ำมันส่วนที่เบากว่า (Lighter fractions) เช่น น้ำมันเบนซิน (Petrol) และพาราฟิน (Parafin) ซึ่งมีค่าอุณหภูมิของการควบแน่นต่ำ จะกลายเป็นของเหลวที่ห้องชั้นบนสุดของหอกลั่น และค้างตัวอยู่บนแผ่นกั้นห้องชั้นบนสุด น้ำมันส่วนกลาง (Medium fractions) เช่น ดีเซล (Diesel) น้ำมันแก๊ส (Gas oils) และน้ำมันเตา (Fuel oils) บางส่วนจะควบแน่นและกลั่นตัวที่ระดับต่างๆ ตอนกลางของหอกลั่น ส่วนน้ำมันหนัก (Heavy fractions) เช่น น้ำมันเตา และสารตกค้างพวกแอสฟัลต์ จะกลั่นตัวที่ส่วนล่างสุดของหอกลั่น ซึ่งมีอุณหภูมิสูง และจะถูกระบายออกไปจากส่วนฐานของหอกลั่น
ข้อเสียของกระบวนการกลั่นลำดับส่วนคือ จะได้น้ำมันเบาประเภทต่างๆ ในสัดส่วนที่น้อยมาก ทั้งที่น้ำมันเบาเหล่านี้ล้วนมีคุณค่าทางเศรษฐกิจสูง
(ข) การกลั่นแบบเทอร์มอล แครกกิง (Thermal cracking) กระบวนการนี้จะได้น้ำมันที่กลั่นแล้ว คือ น้ำมันเบนซิน (Petrol) เพิ่มสูงขึ้นเป็นร้อยละ ๕๐ ในปัจจุบัน กระบวนการกลั่นแบบนี้เกิดขึ้นโดยการเอาน้ำมันดิบมาทำให้เกิดการแตกตัวในถัง ที่อุณหภูมิสูงกว่า ๑,๐๐๐ องศาฟาเรนไฮต์ ที่ความกดดันมากกว่า ๑,๐๐๐ ปอนด์ต่อตารางนิ้ว สภาวะอุณหภูมิที่สูงและความกดดันที่สูงทำให้สารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีโครงสร้างโมเลกุลขนาดใหญ่ เกิดการแยกตัวหรือแตกตัวเป็นน้ำมันส่วนเบา หรือเป็นสารไฮโดรคาร์บอนที่มีโมเลกุลขนาดเล็กลง รวมทั้งมีจำนวนอะตอมของคาร์บอนน้อยลง และน้ำมันส่วนเบาซึ่งมีสภาพเป็นไอร้อนนี้ก็จะถูกปล่อยให้เข้าไปในหอกลั่น เพื่อควบแน่นและกลั่นตัวเป็นของเหลวต่อไป
(ค) การกลั่นแบบคาตาลิติก แครกกิง (Catalytic cracking) กระบวนการกลั่นนี้ได้รับการพัฒนาต่อเนื่องจากแบบดั้งเดิมที่กล่าวมาแล้วทั้งสองแบบ เพื่อเพิ่มปริมาณน้ำมันที่กลั่นแล้วตลอดจนคุณภาพของน้ำมันที่กลั่นก็ได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้น โดยการเติมตัวเร่งปฏิกิริยา (Catalyst) เข้าไปในน้ำมันส่วนกลาง (Medium fractions) ซึ่งช่วยทำให้โมเลกุลน้ำมันแตกตัว หรือแยกตัวดีขึ้น โดยไม่มีผลต่อการเปลี่ยนแปลงส่วนประกอบทางเคมีของน้ำมัน ตัวเร่งปฏิกิริยาอยู่ในรูปของผงแพลทินัม (Platinum) หรือดินเหนียว (Clay) ที่มีขนาดอนุภาคละเอียดมากผงตัวเร่งปฏิกิริยาจะสัมผัสกับไอน้ำมันร้อนในเตาปฏิกรณ์ (Reactor) ทำให้ไอน้ำมันเกิดการแตกตัว หรือแยกตัวเป็นน้ำมันส่วนที่เบา เช่น น้ำมันเบนซิน (Petrol) แล้วก็ควบแน่นกลั่นตัวในที่สุด โดยทิ้งอะตอมของคาร์บอนและมลทินไว้กับอนุภาคของดินเหนียว ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีคาร์บอนเคลือบอยู่ก็จะถูกปล่อยให้ไหลออกจากเตาปฏิกรณ์เข้าสู่รีเจนเนอเรเตอร์ (Regenerator) ซึ่งคาร์บอนจะถูกเผาไหม้ไปในกระแสอากาศ กระบวนการกลั่นแบบนี้จึงเป็นการใช้ปฏิกิริยาทางเคมีกระทำต่อน้ำมันดิบ ซึ่งช่วยแยกโมเลกุลของไฮโดรคาร์บอนชนิดต่างๆ ออกจากกัน รวมไปถึงการกำจัดมลทินต่างๆ เช่น สารประกอบของกำมะถัน สารเมอร์แคบแทนส์ (Mercaptans) ที่มีกลิ่นฉุน อโรเมติกส์ (Aromatics) และไฮโดรเจนซัลไฟด์ ออกไปอีกด้วย
(ง) การกลั่นแบบโพลีเมอไรเซชั่น (Polymerization) กระบวนการกลั่นแบบแครกกิง (Cracking) ช่วยปรับปรุงน้ำมันเบนซินให้มีปริมาณมากขึ้น โดยการแยกน้ำมันส่วนที่หนักกว่าออกไป แต่การกลั่นแบบโพลีเมอไรเซชั่นเป็นการเพิ่มปริมาณน้ำมันเบนซินจากน้ำมันส่วนที่เบาที่สุด (Lightest fractions) ซึ่งก็คือ แก๊ส นั่นเอง โดยทั่วๆ ไปจะถูกเผาทิ้งไป แก๊สเหล่านี้ได้รับการนำมารวมกันเป็นสารประกอบที่มีโมเลกุลใหญ่ขึ้น และทำให้สามารถเพิ่มปริมาณน้ำมันเบนซินที่กลั่นได้ รวมไปถึงการเพิ่มปริมาณออกเทน (Octane content) อีกด้วย
การใช้ประโยชน์จากน้ำมันและแก๊สธรรมชาตินั้นได้เป็นไปอย่างกว้างขวางในกิจการอุตสาหกรรม พาณิชยกรรม เกษตรกรรม และในด้านอื่นๆ อีกมากมาย และก็นับได้ว่า เป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้เกิดการพัฒนาอุตสาหกรรมในช่วงหลายร้อยปีที่ผ่านมา โดยใช้เป็นเชื้อเพลิง วัสดุหล่อลื่น ให้แสงสว่าง และใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับผลิตภัณฑ์หลายชนิด นอกจากนี้ ผลพลอยได้จากน้ำมันและแก๊สธรรมชาติก็สามารถนำไปใช้เป็นเคมีภัณฑ์ ยารักษาโรค เส้นใยสังเคราะห์ ฯลฯ อย่างไรก็ดี การนำปิโตรเลียมไปใช้ประโยชน์ในรูปแบบต่างๆ นั้น อาจสรุปได้ดังนี้
- ใช้ในการขนส่ง ประมาณร้อยละ ๔๖ ของปิโตรเลียมได้ถูกนำไปใช้ประโยชน์เป็นเชื้อเพลิงสำหรับรถยนต์ในระบบเครื่องยนต์เผาไหม้ภายใน (Internal combustion engine) ซึ่งได้แก่ น้ำมันเบนซิน น้ำมันดีเซล น้ำมันเครื่องบินและไอพ่น น้ำมันเตาสำหรับรถไฟ และเรือ
- ใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับอุตสาหกรรม ซึ่งส่วนมากใช้น้ำมันเตา และแก๊สธรรมชาติในโรงงานอุตสาหกรรม โรงไฟฟ้าพลังความร้อน แก๊สหุงต้ม และในอุตสาหกรรมขนาดเล็ก เครื่องสูบน้ำ ฯลฯ ซึ่งส่วนมากจะใช้น้ำมันเบา (Light oils) เป็นเชื้อเพลิง
- ใช้ในเครื่องกำเนิดความร้อน และให้แสงสว่าง น้ำมันหนัก (Heavy oils) มักจะมีการนำมาใช้ในเครื่องกำเนิดความร้อนของประเทศในแถบหนาว สำหรับโรงงาน สำนักงาน และที่พักอาศัย น้ำมันเบาก็มีความสำคัญเช่นกัน อาทิ น้ำมันก๊าด (Kerosene) ใช้เป็นเชื้อเพลิงให้แสงสว่าง และหุงต้มในท้องถิ่นที่ยังไม่เจริญหรืออยู่ห่างไกล แก๊สโพรเพน (Propane) และบิวเทน (Butane) ใช้เป็นเชื้อเพลิงหุงต้มในครัวเรือน
- ใช้เป็นวัสดุหล่อลื่น ประมาณร้อยละ ๑ - ๒ ของน้ำมันดิบที่ผ่านกระบวนการกลั่น จะได้รับการแปรสภาพไปเป็น น้ำมันหล่อลื่น (Lubricants) และจาระบี (Greases) สำหรับการขนส่งเครื่องยนต์และโรงงานอุตสาหกรรม
- ประโยชน์อื่นๆ อาทิเช่น แอสฟัลต์ (Asphalt) บิทูเม็น (Bitumen) น้ำมันดิน (Tar) ใช้ราดถนน ฉาบหลังคา และใช้เป็นสารกันน้ำ ขี้ผึ้ง (Wax) ใช้ทำเทียนไข วัสดุกันซึม วัสดุขัดมัน และเป็นเชื้อเพลิงให้แสงสว่าง
- สารปิโตรเลียม ปิโตรเลียมใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับอุตสาหกรรมปิโตรเลียม ซึ่งจะนำไปสู่การผลิตพลาสติกและสารสังเคราะห์มากมายหลายชนิด (Plastics) เส้นใยสังเคราะห์ (Synthetic fibres) และสิ่งทอสังเคราะห์ (Synthetic textiles) ยางสังเคราะห์ (Synthetic rubber) สารคาร์บอนดำ (Carbon black) ฯลฯ