ปั๊มสูบไนโตรเจนเหลวจากถังเก็บ MO Memoir : Wednesday 16 December 2558

ช่วงเที่ยงวันนี้ระหว่างกินข้าวเที่ยงอยู่ก็มีโทรศัพท์มาขอปรึกษาเรื่องปั๊มสำหรับสูบถ่ายไนโตรเจนเหลวจากถังเก็บ ประเด็นที่เป็นคำถามคือสิ่งที่ทางผู้ขายส่งมาให้นั้นมันตรงกับข้อกำหนดในสัญญาซื้อขายหรือไม่
  

ถังไนโตรเจนเหลวที่ใช้กันในห้องปฏิบัติการนั้น มีทั้งถังเล็กถังใหญ่ ถังใบใหญ่ก็จะตั้งอยู่บนรถเข็น เข็นไปมาตามทางเดินในห้องแลปได้ เวลาจะใช้ไนโตรเจนเหลวก็ต้องเปิดวาล์วที่หัวถังและให้แรงดันในถังนั้นดันให้ไนโตรเจนเหลวในถังไหลขึ้นมาตามท่อ (ที่จุ่มลงไปเกือบถึงก้นถัง) และไหลออกที่ปลายหัวจ่าย (ด้านขวาของหัวจ่าย (1) ในรูปที่ ๑)
 

ประเด็นที่เป็นข้อสงสัยคือผู้เขียนข้อกำหนดนั้นเคยเห็นระบบที่ใช้ "การอัดอากาศจากภายนอกเข้าไปในถัง" เพื่อทำให้เกิดแรงดันดันให้ไนโตรเจนเหลวไหลออกมาทางหัวจ่าย ก็คาดว่าทางผู้ขายจะต้องจัดหาระบบนี้มาหใ แต่สิ่งที่ทางผู้ขายส่งให้มานั้นมันใช้ "ความดันที่เกิดจากการระเหยของไนโตรเจนเหลว" เป็นตัวดันให้ไนโตรเจนเหลวไหลออกจากถัง มันจึงเกิดคำถามขึ้นมาว่าของที่ส่งมาให้นั้นเป็นไปตามข้อกำหนดหรือไม่
 

เพื่อตอบคำถามดังกล่าวผมจึงถามคำถามกลับไปว่าไนโตรเจนเหลวนี้จะเอามาใช้ทำอะไร เพื่อหล่อเย็น (โดยไม่สนว่าจะเย็นเท่าใด) หรือใช้ในการวิเคราะห์ที่จำเป็นต้องคุมอุณหภูมิไว้ที่จุดเดือดของไนโตรเจนเหลว
 

รูปที่ ๑ ถังเก็บที่เป็นคำถาม (1) คือหัวจ่าย (2) คือจุกปิดเวลาถอดหัวจ่ายออก จะเห็นว่าจุกปิดทำเพียงแค่วางลงไปเฉย ๆ (ในรูปจุกปิดนั้นวางหงายอยู่) เพื่อที่ถ้าความดันสูงเกินไป ตัวจุกปิดก็จะยกตัวขึ้นเอง
 

รูปที่ ๒ ข้อมูลอุณหภูมิจุดเดือดของของเหลวผสม N₂ + O₂ ที่ความดัน 1 atm และ 2 atm
 

รูปที่ ๓ เลข (1) คือวาล์วระบายความดันในกรณีที่ทำการเติมไนโตรเจนเหลวเข้าทางหัวจ่าย

รูปที่ ๔ วาล์วระบายความดัน (1) จะเปิดที่ 10 pisg ส่วนตัวที่สอง (2) จะเปิดที่ 15 psig วาล์วสองตัวนี้เป็นระบบนิรภัยป้องกันไม่ให้ถังเกิดความเสียหายจากความดันสูงเกิน

ถังใบนี้จะนำมาใช้เก็บไนโตรเจนเหลวสำหรับการวิเคราะห์พื้นที่ผิวด้วยเทคนิค BET ที่วัดปริมาณการดูดซับแก๊สไนโตรเจนของตัวอย่างของแข็งรูพรุนที่อุณหภูมิ "จุดเดือดของไนโตรเจนเหลว" อุณหภูมิจุดเดือดของไนโตรเจนเหลวนี้ขึ้นอยู่กับความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนที่ใช้ การอัดอากาศเข้าไปในถังเก็บจะเกิดปัญหาคือแก๊สออกซิเจนในอากาศ (มีจุดเดือดสูงกว่าไนโตรเจน) จะควบแน่นกลายเป็นของเหลว (อันที่จริงยังแก๊สอื่นเช่น ไอน้ำ อาร์กอน อีก แต่เป็นปริมาณที่น้อยกว่าออกซิเจนมาก) ละลายเข้าไปในไนโตรเจนเหลวเดิม ทำให้จุดเดือดของไนโตรเจนเหลวในถังเพิ่มสูงขึ้น 
  

(รูปที่ ๒ เป็นข้อมูลนำมาจากเอกสารชื่อ "Vapor-liquid equilibrium for the system oxygen-nitrogen-argon" ของ National defense research committe of the office of scientific research and development เมื่อ ๗ ธันวาคม ค.ศ. ๑๙๔๔ โดย M. L. Sagenkahn และ H. L. Fink ซึ่งหาดาวน์โหลดได้ทางอินเทอร์เน็ต ผมเอาข้อมูลมาวาดกราฟใหม่)

ดังนั้นในความเห็นของผม ระบบที่ทางผู้ขายจัดหามาให้เป็นระบบที่มีความเหมาะสมแล้ว การใช้การอัดอากาศเพื่อเพิ่มความดันภายในถังนั้นจะก่อให้เกิดปัญหาการปนเปื้อนที่สามารถส่งผลต่อผลการวิเคราะห์ได้ในภายหลัง