อุณหภูมิกับการไหลของแก๊สผ่าน fixed-bed MO Memoir : Wednesday 3 October 2555

เมื่อเช้าวันจันทร์ที่ผ่านมา สาวน้อยผู้แสนเรียบร้อย (จากกลุ่มวิจัยเพื่อนบ้าน) แวะมาถามผมเรื่องปัญหาอัตราการไหลของแก๊สขาออกผ่าน fixed-bed ของเขาที่อุณหภูมิสูง คือเขาวัดอัตราการไหลของแก๊สด้านขาออกจาก reactor (โดยใช้ bubble flow meter) ในขณะที่ระบบยังเย็นอยู่ และพอเพิ่มอุณหภูมิ reactor ไปเป็น 600ºC ก็พบว่าอัตราการไหลลดลงเหลือประมาณครึ่งเดียว คำถามของเขาก็คือสาเหตุเกิดจากอะไร และจะแก้ไขได้อย่างไร

อันที่จริงเรื่องนี้เป็นเรื่องที่เกี่ยวข้องกับ back pressure (หรือความต้านทานการไหล) ที่เปลี่ยนแปลงไป ทำให้อัตราการไหลของแก๊สผ่านเบด (เมื่อเราตั้งความดันแก๊สที่จ่ายจากถังให้คงที่) เปลี่ยนแปลงไปได้

ส่วนสาเหตุที่ทำให้ back pressure เปลี่ยนแปลงไปได้นั้นก็มีได้หลายสาเหตุ ซึ่งสามารถส่งผลทำให้การไหลของแก๊สด้านขาเข้าเปลี่ยนแปลงไป ดังเช่นที่เคยเล่าไว้ใน Memoir ก่อนหน้านี้ เช่น

ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๑๔ วันศุกร์ที่ ๒๒ ตุลาคม ๒๕๕๓ เรื่อง "การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๕ ความดันกับการควบคุมอัตราการไหล" (Memoir ฉบับนี้แจกจ่ายเป็นการภายใน ไม่นำเนื้อหาลง blog)

ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๑๕ วันเสาร์ที่ ๒๓ ตุลาคม ๒๕๕๓ เรื่อง "การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๖ ความดันกับ 6-port sampling valveก"

ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๗๓ วันเสาร์ที่ ๑๙ มีนาคม ๒๕๕๔ เรื่อง "GC-2014 FPD กับระบบ DeNOx ตอนที่ ๕ บันทึกเหตุการณ์วันที่ ๑ มีนาคม" (Memoir ฉบับนี้แจกจ่ายเป็นการภายใน ไม่นำเนื้อหาลง blog)

ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๗๗ วันเสาร์ที่ ๒๖ มีนาคม ๒๕๕๔ เรื่อง "สรุปปัญหาระบบ DeNOx (ภาค ๒)"

ปีที่ ๔ ฉบับที่ ๔๗๒ วันเสาร์ที่ ๓๐ มิถุนายน ๒๕๕๕ เรื่อง "GC-2014 ECD & PDD ตอนที่ ๒๕ ตำแหน่งพีค NO และ N2O (ปรับแต่ง ๒ - ผลของอุณหภูมิ)"

รูปที่ ๑ แผนผังของระบบที่มีการถามคำถาม

ระบบของสาวน้อยผู้แสนเรียบร้อยนั้น ความดันของแก๊สที่ออกจากหัวถังคือ 5 bar จากนั้นจะปรับอัตราการไหลด้วย manual valve แล้วจึงผ่านเข้า reactor ที่เป็นท่อ quartz ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 8 mm ภายในท่อ quartz นั้นบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยาและ silicon carbide (SiC) โดย SiC มีขนาดอนุภาคประมาณ 250 mesh ความหนารวมของชั้น fixed-bed คือประมาณ 30 mm (คิดว่าคงไม่รวมชั้น quartz wool ที่ใช้รองรับเบด)

สำหรับสมาชิกในกลุ่มเราที่เคยมีประสบการณ์ทำการทดลองกับ fixed-bed คงจะเห็นปัญหาแล้วว่าเกิดจากอะไร ขนาดอนุภาคที่เขาใช้นั้นละเอียดกว่าขนาดอนุภาคที่เราใช้มาก และเบดของเขาก็มีความสูงมากกว่าเบดที่เราใช้มาก จึงทำให้แม้ว่าจะอยู่ที่อุณหภูมิห้อง ความดันลดคร่อมเบดก็สูงมากอยู่แล้ว พอแก๊สมีอุณหภูมิสูงขึ้น ความหนืดของแก๊สก็จะเพิ่มมากขึ้น ทำให้แก๊สไหลผ่านเบดได้ยากขึ้น

อันที่จริงถ้าความสูงของเบดนั้นไม่มากเกินไป เราจะพบว่าอัตราการไหลของแก๊สด้านขาออกของ reactor นั้นจะประมาณคงเดิม ผมเคยมีประสบการณ์เช่นนี้มาก่อนแล้ว คือเคยพบว่าพออุณหภูมิ reactor เพิ่มสูงขึ้น flow meter ที่วัดอัตราการไหลของแก๊สด้านขาเข้า reactor (ใช้ระบบลูกลอย) บอกว่าอัตราการไหลของแก๊สโดยปริมาตรลดต่ำลง แต่ pressure indicator ที่อยู่ด้านขาเข้าของ reactor บอกว่าความดันด้านขาเข้าเบดสูงขึ้น ดังนั้นเมื่อนำอัตราการไหลและความดันมาปรับค่าให้เป็นที่ความดันเดียวกัน จะพบว่าอัตราการไหลยังคงเดิม

ในกรณีของสาวน้อยผู้แสนเรียบร้อยนั้น แม้ว่าความดันด้านขาออกของแก๊สจากถังแก๊สจะสูงก็ตาม (5 bar ในขณะที่เราใช้ประมาณ 1.5-2 bar เท่านั้นเอง) แต่พอแก๊สไหลผ่านวาล์วปรับอัตราการไหล ความดันก็จะลดลงอีก ดังนั้นความดันของแก๊สที่ไหลผ่านเบดที่อุณหภูมิห้องคงไม่ใช่ 5 bar แต่น่าจะต่ำกว่า (ต่ำกว่ามากน้อยเท่าไรก็ไม่รู้ เพราะไม่รู้ว่าอัตราการไหลของแก๊สที่เขาใช้นั้นเป็นเท่าใด) ผลจากอุณหภูมิการทดลองที่สูงร่วมกับเบดที่มีความแน่นมาก ทำให้อัตราการไหลได้รับผล กระทบจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่รุนแรง นี่คือเหตุผลที่ผมได้ให้เขาไปเมื่อวันจันทร์

เมื่อวานบังเอิญคิดได้ถึงความเป็นไปได้อีกเรื่องหนึ่ง (ส่วนจะเป็นสาเหตุที่แท้จริงหรือเปล่าก็ไม่รู้ เพราะผมคงไม่ได้ไปตรวจสอบ) คือเป็นไปได้หรือไม่ที่จะมีแก๊สรั่วไหลเนื่องจากที่อุณหภูมิสูงจะทำให้ความดันของแก๊สด้านขาเข้าของเบดเพิ่มสูงขึ้น ทำให้เกิดการรั่วไหลตรงบริเวณข้อต่อระหว่างท่อ quartz กับระบบ tube โลหะได้

ความเป็นไปได้นี้มีเหตุผลจากการที่ reactor ที่เขาใช้นั้นเป็น quartz ในขณะที่ระบบ tube ของเขานั้นเป็นโลหะ ระบบ tube โลหะที่เราใช้นั้นเป็นระบบนิ้ว ในขณะที่ท่อ quartz นั้นเรามักจะนำมาจากประเทศญี่ปุ่นซึ่งใช้ระบบมิลลิเมตร โดยปรกติเวลาที่เราจะต่อท่อที่เป็นแก้วหรือ quartz เข้ากับระบบท่อโลหะนั้น จะต้องใช้ ferrule ที่ทำจากแกรไฟต์หรือเทฟลอน ถ้าหากท่อแก้วหรือ quartz ที่ใช้นั้นเป็นระบบนิ้ว (หรือมิลลิเมตร) เช่นเดียวกับระบบท่อโลหะที่เชื่อมต่อเข้า ถ้าต่ออย่างถูกวิธีปัญหาเรื่องการรั่วไหลของแก๊สมักจะไม่มี (เวลาต่อคอลัมน์แก้ว GC เข้ากับท่อ carrier gas ของ GC ก็เป็นเช่นนี้)

แต่ถ้าเราเอาท่อแก้วหรือ quartz ที่เป็นระบบมิลลิเมตรมาต่อเข้ากับท่อโลหะที่เป็นระบบนิ้ว เราจะพบว่าท่อ quartz นั้นจะมีขนาดเล็กกว่าเล็กน้อย ซึ่งสังเกตได้จากการที่ ferrule ระบบนิ้วที่ใช้นั้นจะไม่จับกับตัวท่อเลย (เลื่อนไปมาได้สะดวก) การแก้ปัญหาที่มักกระทำคือเอาเทฟลอนที่ใช้พันเกลียวท่อมาพันตรง ferrule เพื่อให้ ferrule จับกับท่อให้แน่น แต่การทำเช่นนี้ถ้าทำไม่ดีพอก็สามารถทำให้แก๊สรั่วตรงตำแหน่งนี้ได้ง่ายเมื่อความดันในระบบเพิ่มสูงขึ้น

สิ่งที่ผมยังติดใจก็คือ เขาบอกว่าเขาก็ทำการทดลองตามแบบรุ่นพี่ แต่ดูเหมือนว่ารุ่นพี่ของเขาไม่เคยสังเกตเห็นปัญหาดังกล่าว เขาเพิ่งจะมาสังเกตเห็นเอาตอนนี้ แล้วผลการทดลองที่ได้ทำไปก่อนหน้านี้ล่ะ จะเป็นอย่างไร

อย่าไว้ใจแม่แรง MO Memoir : Monday 1 October 2555

ถ้าคิดเป็นระยะทางแล้วในแต่ละปีดูเหมือนผมจะขับรถบนทางหลวงระหว่างจังหวัดมากกว่าขับรถในตัวเมือง และถ้าคิดเป็นชั่วโมงก็ดูเหมือนว่าชั่วโมงการขับรถตอนกลางคืนจะพอ ๆ กันกับชั่วโมงการขับรถตอนกลางวัน

ผมไม่รู้ว่าเดี๋ยวนี้เขาเรียนขับรถกันอย่างไร สมัยตอนผมหัดขับรถนั้น พออายุถึงเกณฑ์ทางบ้านก็ส่งให้ไปเรียนหัดขับรถ โดยไปเรียนที่โรงเรียนสอนขับรถหน้าปากซอยเพราะที่บ้านไม่มีรถยนต์ใช้และไม่มีใครขับรถเป็น เรียกว่าขับเป็นก่อนจะมีรถขับเสียอีก

การสอนขับรถในสมัยนั้นก็ไม่สอนเฉพาะเทคนิคการขับหรือกฎจราจรเพื่อทำข้อสอบ แต่ยังมีการสอนเกี่ยวกับการซ่อมบำรุงฉุกเฉินในกรณีที่รถมีปัญหาที่เราพอจะแก้ไขเองได้ และเรื่องหนึ่งที่สอนกันคือการเปลี่ยนยาง

ในเส้นทางที่ขับเป็นประจำ จากการสังเกตปัญหาส่วนใหญ่ที่ทำให้รถจอดข้างทางต้องคือปัญหาเรื่องยางแบนและยางระเบิด ปัญหาเรื่องยางระเบิดเห็นเป็นประจำกับรถบรรทุกขนาดใหญ่ที่ตีข้างกระบะท้ายสูง จะได้บรรทุกของได้เยอะ ๆ อีกพวกก็รถปิ๊คอัพซึ่งพวกนี้มีทั้งยางแบนและเพลาหัก (บรรทุกของหนักเกินกำลังไปเป็นเท่าตัว) ส่วนรถเก๋งนั้นจะเป็นเรื่องยางแบนเป็นหลัก

เรื่องการเปลี่ยนยางรถเก๋งนี้แต่ก่อนจะเห็นคนขับ (หรือผู้ที่ร่วมเดินทาง) เป็นผู้ลงมือทำกันเอง แต่เดี๋ยวนี้ไม่ค่อยจะเห็นกันเท่าไรแล้ว คงเป็นเพราะว่าไม่ค่อยจะได้ทำกันเอง เพราะเรียกใช้บริการต่าง ๆ ที่มีผู้บริการให้ถึงที่ หรือไม่ก็ไปมีปัญหาอยู่บนทางด่วนซึ่งไม่ค่อยจะมีที่ว่างที่ปลอดภัยให้ทำการเปลี่ยนยางด้วยตนเอง (ขนาดเข้าชิดขอบทางด้านซ้ายแล้วก็ยังมีพวกวิ่งแซงโดยใช้ขอบทางด้านซ้ายทางอีก) ต้องเรียกรถเจ้าหน้าที่มาจอดปิดท้ายก่อน จะปลอดภัยมากกว่า

ในการเปลี่ยนยางนั้นจะเริ่มจากการดึงเบรคมือให้รถอยู่กับที่เสียก่อน ไม่ให้เกิดการเคลื่อนตัวในระหว่างที่หมุนประแจเพื่อคลายนอตที่ยึดล้อ (เพียงแค่คลายให้หลวมแต่ยังไม่ถอดออก) ก่อนที่จะยกรถด้วยแม่แรงนั้นก็จะนำเอายางอะไหล่มารองไว้ใต้ท้องรถใกล้ตำแหน่งที่จะยก (ตามรูปข้างล่าง) โดยกะให้แนวกลางล้ออยู่ตรงแนวรับน้ำหนักของแม่แรง

เหตุผลที่เขาบอกให้ทำอย่างนั้นก็เพราะว่าเขาไม่ให้ไว้ใจแม่แรง เพราะแม่แรงติดรถนั้นเป็นเพียงแม่แรงขนาดเล็ก ฐานที่วางกับพื้นนั้นก็ไม่ได้มีขนาดกว้างอะไร อาจล้มเอียงได้ง่ายโดยเฉพาะเวลาวางบนพื้นที่ไม่ราบเรียบหรือไม่แน่น (เช่นถนนลูกรัง) หรือจับไม่ถูกกับตำแหน่งยกรถที่ถูกต้อง ดังนั้นถ้าเกิดปัญหาใด ๆ ทำให้แม่แรงไม่สามารถรับน้ำหนักรถได้ การวางยางอะไหล่ที่ตำแหน่งดังกล่าวจะช่วยป้องกันไม่ให้รถตกกระแทกพื้น และถ้ามีคนอยู่ใต้ท้องรถก็จะได้ไม่โดนรถทับ

เมื่อยกรถขึ้นแล้วก็จะทำการถอดเอานอตล้อที่คลายเอาไว้ออกจนหมด จากนั้นจึงนำเอาล้อเดิมออก เอาล้อที่ถอดออกไปวางใต้ท้องรถแทนล้ออะไหล่ แล้วเอาล้ออะไหล่ใส่เข้าไปแทนล้อที่ถอดออกมา ขันนอตกลับเข้าไปจนตึงมือ จากนั้นจึงลดแม่แรงลงให้ล้อสัมผัสพื้นถนน แล้วค่อยขันนอตล้อให้แน่น

ที่เล่ามาเป็นเรื่องที่ได้เรียนมาจากช่างรุ่นก่อน ๆ ที่เขาบอกเล่าเอาไว้