เมื่อเวลาผ่านไปเราสามารถสังเกตเห็นการเติบโตของปริมาณการใช้เชื้อเพลิง น่าเสียดายที่การกลั่นน้ำมันดิบแบบแยกส่วนไม่ได้รับประกันปริมาณเชื้อเพลิงที่สูงเพียงพอ ดังนั้นจึงไม่สามารถเป็นแหล่งเดียวที่ครอบคลุมความต้องการได้ ด้วยเหตุนี้ จึงมีการพัฒนาวิธีการต่างๆ ในการผลิตเชื้อเพลิง ที่สำคัญที่สุดคือการแปรรูปถ่านหินแข็งหรือก๊าซสังเคราะห์ และสิ่งที่เรียกว่า 'แคร็ก' จากการกลั่นเศษส่วนของน้ำมันดิบที่สูงขึ้น
แคร็กคืออะไร?
การแคร็กหมายถึงกระบวนการทางเทคโนโลยีจำนวนหนึ่งซึ่งการบำบัดเศษส่วนหนักของน้ำมันดิบและน้ำมันเบนซินทำให้ได้ผลลัพธ์ในรูปของ น้ำมันเบนซิน และน้ำมัน คำว่า ‘การแตกร้าว’ คือกิจกรรมของการเริ่มต้นการสลายตัวที่ควบคุมได้ของไฮโดรคาร์บอนอะลิฟาติกสายยาวซึ่งมีอยู่ในเศษส่วนหนัก ตัวอย่างเช่น ในมาซุตและในเศษส่วนน้ำมันซึ่งเกิดขึ้นจากการกลั่นน้ำมันดิบ ปฏิกิริยาดังกล่าวก่อให้เกิดสารประกอบที่มีโครงสร้างประกอบด้วยโซ่คาร์บอนที่สั้นกว่า โมเลกุลดังกล่าวมีอยู่ในสารต่างๆ เช่น น้ำมันเบนซินหรือน้ำมันดีเซล และเป็นส่วนผสมของ แอลเคน และแอล คีน ที่มีสายโซ่สั้นกว่า
เคมีของการแตกร้าว
เพื่อให้ง่าย กระบวนการที่เกิดขึ้นในการแคร็กจะขึ้นอยู่กับการแตกของพันธะเคมีเดี่ยวที่มีอยู่ระหว่างอะตอมของธาตุ (คาร์บอน) ในระหว่างการเปลี่ยนแปลงจะเกิดอนุมูลอิสระขึ้น ปฏิกิริยาอาจเกิดขึ้นได้สองวิธี: ด้วยการใช้ความร้อน (ปฏิกิริยาความร้อน) หรือโดยมีตัวเร่งปฏิกิริยา (ปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยา) นอกจากนี้ยังมีวิธีการที่ซับซ้อนกว่าและใช้กันน้อยกว่า ซึ่งใช้รังสีไอออไนซ์ (ปฏิกิริยาการแผ่รังสี) กระบวนการที่เกิดขึ้นระหว่างการแคร็กประกอบด้วยการเปลี่ยนแปลงหลายอย่าง เช่น การเกิดไอโซเมอไรเซชันของไฮโดรคาร์บอน การดีไฮโดรจีเนชันเป็นอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน และการควบแน่นเป็นโพลีไซคลิกอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน
การแตกร้าวด้วยความร้อน
ในอุตสาหกรรมการกลั่นและปิโตรเคมีซึ่งใช้กระบวนการทางความร้อนและเทอร์โมคะตาไลติก ปฏิกิริยาของการแตกตัวและการก่อตัวของพันธะ CC แบบโฮโมอะตอมมิกและพันธะ CH เฮเทอโรโทมิกมีบทบาทอย่างมาก มีกลไกที่เป็นไปได้สองอย่างที่รับผิดชอบต่อปฏิกิริยาดังกล่าว: กลไกอนุมูลและกลไกไอออนิก โดยปกติแล้ว การแตกร้าวด้วยความร้อนโดยไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยาจะถูกควบคุมโดยกลไกที่รุนแรง ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยาของไพโรไลซิสด้วย มีการพัฒนาการแตกร้าวด้วยความร้อนหลายรูปแบบ ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขของกระบวนการ หนึ่งในนั้นคือการแตกร้าวด้วยความดันสูง (2–7 เมกะปาสคาล) ซึ่งดำเนินการที่อุณหภูมิประมาณ 470–540 o C ในสภาวะดังกล่าว เศษส่วนของน้ำมันดิบจะสลายตัวจากลิโกรอินและมาโซต์ และผลิตน้ำมันยานยนต์ กระบวนการอีกประเภทหนึ่งคือการแคร็กแบบเบา ซึ่งรวมถึงการแตกของสิ่งตกค้างจากการกลั่นของน้ำมันดิบ ซึ่งทำให้เกิดสารที่เรียกว่า ‘แอสฟัลต์อ่อน’ ดำเนินการที่อุณหภูมิต่ำกว่าเล็กน้อย (460–510 o C) และภายใต้แรงดันที่ต่ำกว่ามาก (ประมาณ 0.5–2 MPa) ซึ่งทำให้สามารถผลิตน้ำมันเชื้อเพลิงได้ การแตกร้าวด้วยความร้อนประเภทที่สามเกี่ยวข้องกับการใช้แรงดันที่ต่ำกว่า (0.1–0.3 MPa) แต่ที่อุณหภูมิสูง (430–550 o C) ได้รับการพิสูจน์เชิงประจักษ์ว่าเป็นไปได้ที่จะใช้ปฏิกิริยาดังกล่าวเมื่อผลิตปิโตรเลียมโค้กจากยางมะตอยที่อ่อนนุ่ม บางครั้งเรียกว่าการแคร็กที่ชะลอกระบวนการ โดยเป็นวัตถุดิบที่จำเป็นในการผลิตเข็มถ่านที่มีผลึกสูง ซึ่งใช้ในการผลิตอิเล็กโทรดสำหรับอุตสาหกรรมเหล็กและอะลูมิเนียม ตัวแปรดังกล่าวยังมีผลพลอยได้ เช่น ก๊าซและน้ำมัน เช่นเดียวกับเศษส่วนของน้ำมันก๊าดขนาดกลางและหนัก ประเภทสุดท้ายของการแตกร้าวด้วยความร้อนทั่วไปคือไพโรไลซิสหรือที่เรียกว่าการแตกร้าวด้วยไอน้ำ คำนี้รวมถึงกระบวนการย่อยสลายวัตถุดิบที่มีน้ำมันก๊าดเป็นของเหลวและก๊าซ เช่น น้ำมันเบนซินออกเทนต่ำ น้ำมันก๊าซ อีเทน บิวเทน และโพรเพน ในสภาวะที่ค่อนข้างแตกต่างจากที่ระบุไว้ข้างต้น ไพโรไลซิสดำเนินการในสภาวะความร้อนสูงสุด โดยใช้อุณหภูมิตั้งแต่ 700 ถึง 1200 o C ภายใต้ความดันปกติประมาณ 0.1 MPa สารไฮโดรคาร์บอนที่เป็นวัตถุดิบจะถูกทำให้บางลงด้วยไอน้ำและให้ความร้อนในเตาเผาแบบไม่ใช้ออกซิเจนในเวลาอันสั้น ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นเป็นไปได้หากช่วงเวลาที่วัตถุดิบยังคงอยู่ในเตาเผาลดลงเป็นมิลลิวินาที แก๊สจะดับอย่างรวดเร็วทันทีเมื่อได้อุณหภูมิการแตกร้าว สภาวะดังกล่าวนำไปสู่การก่อตัวของก๊าซที่มีปริมาณไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัวสูง รวมทั้งเอทิลีนที่มีค่าเช่นเดียวกับวัตถุดิบอื่นๆ ที่ต้องการในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี ในกรณีที่ใช้ไฮโดรคาร์บอนเบา จะมีการผลิตอัลคีนที่เบากว่า เช่น เอทิลีนหรือบิวทาไดอีน การใช้ไฮโดรคาร์บอนที่หนักกว่าส่งผลให้เกิดผลิตภัณฑ์ที่มีปริมาณอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนและสารประกอบสูงซึ่งอาจรวมอยู่ในน้ำมันเบนซินหรือน้ำมันเชื้อเพลิง อีกความสัมพันธ์หนึ่งคือข้อเท็จจริงที่ว่าอุณหภูมิที่สูงขึ้นสนับสนุนการผลิตเอทิลีนและเบนซีน ในขณะที่อุณหภูมิที่ต่ำกว่าจะผลิตโพรพิลีน ไฮโดรคาร์บอน C4 และผลิตภัณฑ์ที่เป็นของเหลว ปัจจุบันการแคร็กด้วยความร้อนถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่เพื่อปรับปรุงเศษส่วนของน้ำมันก๊าดที่หนักมาก หรือเพื่อผลิตเศษส่วน/การกลั่นที่เบา เชื้อเพลิงสำหรับเตาเผา หรือโค้กปิโตรเลียม 
การแตกตัวเร่งปฏิกิริยา
ตามชื่อที่ระบุ การแคร็กของตัวเร่งปฏิกิริยาจะดำเนินการในที่ที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสม การใช้สารเติมแต่งดังกล่าวทำให้สามารถลดอุณหภูมิและความดันสูงที่ต้องการในการแตกร้าวได้ ตัวเร่งปฏิกิริยาที่พบมากที่สุด ได้แก่ ไฮเดรตอะลูมิเนียมซิลิเกต AlCl 3 และ Cr 2 O 3 ซึ่งมีตัวกระตุ้นที่เหมาะสม เช่น นิกเกิล โคบอลต์ หรือแมงกานีสออกไซด์ ในทางปฏิบัติ ใช้ในอุตสาหกรรมร่วมกับซีโอไลต์ 20%ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับวิธีการประมวลผลที่ใช้ โดยเฉพาะกับประเภทของตัวเร่งปฏิกิริยาที่สามารถเคลื่อนที่ได้ แบบอยู่กับที่ หรือแบบฝุ่น สภาวะในการแคร็กด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาจะเบากว่าเล็กน้อย เนื่องจากโดยปกติแล้วจะดำเนินการที่ความดันปกติหรือเพิ่มขึ้นเล็กน้อย (0.1–0.2 MPa) และที่อุณหภูมิประมาณ 450–510 o C วัตถุดิบในการแคร็กตัวเร่งปฏิกิริยาตามปกติ รวมถึงเศษส่วนน้ำมันเบาที่เดือดที่อุณหภูมิ 280 ถึง 350 o C และผลิตภัณฑ์เหล่านี้เป็นน้ำมันเบนซินที่มีค่าออกเทนสูงเช่นเดียวกับน้ำมันดีเซล ความเร็วของการสลายตัวจะสูงกว่าเมื่อใช้ตัวเร่งปฏิกิริยามากกว่าการแตกร้าวด้วยความร้อน หากเราเปรียบเทียบผลิตภัณฑ์ของการแคร็กด้วยความร้อนและตัวเร่งปฏิกิริยา การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาจะช่วยให้เกิดสารที่มีปริมาณพาราฟินแตกกิ่ง ไซโคลพาราฟิน และไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติกสูงขึ้น ในสภาวะที่เปิดใช้การแตกตัวด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา ปฏิกิริยายังเกิดขึ้นที่ความเร็วสูง เช่น:
- การสลายตัวของพันธะ CC แบบโฮโมอะตอมิกในโมเลกุลของพาราฟิน ซึ่งส่งผลให้เกิดการผลิตโอเลฟินส์โมเลกุลต่ำ
- การดีไฮโดรจีเนชันของแนพทาลีนด้วยการผลิตอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน
- การก่อตัวของโอเลฟินอันเป็นผลมาจากการแตกของวงแหวนแนฟทาลีน
- การเกิดพอลิเมอไรเซชันแบบคู่ขนานของโอเลฟินส์และการควบแน่นกับไดอีน ซึ่งสะท้อนให้เห็นในการผลิตอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน
การแคร็กตัวเร่งปฏิกิริยาแบบต่างๆ ที่น่าสนใจคือการแคร็กแบบไฮโดรแคร็กกิ้ง ซึ่งใช้การเติมก๊าซไฮโดรเจน สารเติมแต่งดังกล่าวมีผลในเชิงบวกมากมาย ซึ่งรวมถึง:
- สำหรับวัตถุดิบที่มีพาราฟินในปริมาณสูง ป้องกันการก่อตัวของสารประกอบโพลีไซคลิกอะโรมาติก
- ลดการผลิตน้ำมันดินและสารปนเปื้อน
- รองรับการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น: ป้องกันการสะสมของถ่านโค้กที่รบกวน
- ความเป็นไปได้ที่จะได้รับผลิตภัณฑ์ที่มีปริมาณกำมะถันและไนโตรเจนต่ำกว่า
- ผลิตเชื้อเพลิงที่มีค่าซีเทนนัมเบอร์สูง
ควรสังเกตว่าเงื่อนไขของการแคร็กด้วยตัวเร่งปฏิกิริยายังรวมถึงความต้องการของกระบวนการ ปฏิรูป เช่น ไอโซเมอไรเซชัน ไซคลิก และอะโรมาทิเซชัน ผลที่ตามมา ผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาดังกล่าวคือน้ำมันเบนซินที่มีค่าออกเทนสูงกว่า ที่มา: https://encyklopedia.pwn.pl/haslo/kraking;3926970.html https://www.naukowiec.org/wiedza/chemia/kraking-termiczny-i-katalityczny_1167.html https://arquidiamantina.org/ pl/ครัช-คีเมีย/
