ไนโตรเจนเหลว (liquid nitrogen)

ไนโตรเจนเหลว (Liquid nitrogen)

ไนโตรเจน (Nitrogen) เป็นก๊าซไนโตรเจนในสถานะก๊าซในอุณหภูมิห้อง (37 องศาเซลเซียส ) แต่สามารถอยู่ในสถานะของเหลว (Liquid nitrogen) ในสภาวะที่มีอุณหภูมิต่ำมาก เมื่อเป็นของเหลวจะเป็นของเหลวใส ไม่มีสี ความหนาแน่นอยู่ที่ 0.807 g/ml จุดเดือด -195.79 องศาเซลเซียส และค่าความเป็นฉนวนเท่ากับ 1.43 ไนโตรเจนเหลวเป็นของเหลวที่สามารถทำให้เกิดการแช่แข็งได้อย่างรวดเร็วเมื่อสัมผัสกับเนื้อเยื่อที่มีชีวิต ไนโตรเจนเหลวสามารถจัดเก็บและขนส่งได้ โดย ถัง ไนโตรเจนเหลว(ถังสูญญากาศเก็บความเย็น)

ไนโตรเจนเหลวค้นพบเป็นครั้งแรกที่มหาวิทยาลัยจากีโลเนียน( Jagiellonian University ) เมื่อวันที่ 15 เมษายน 1883 โดยนักฟิสิกส์ชาวโปแลนด์ ซิกเมนต์ ฟลอเรนที เว็บบลิวสกี (Zygmunt Florenty Wroblewski) และคารอล โอซิวสกี้ (Karol Olszewski) ไนโตรเจนเหลวผลิตในอุตสาหกรรมโดยการนำอากาศมากลั่น โดยลดอุณหภูมิลงจนถึง -195.79 องศาเซลเซียส ไนโตรเจนก็กลายเป็นของเหลวและแยกออกจากส่วนผสมอื่นในอากาศ ไนโตรเจนเหลวใช้อักษรย่อ LN2 หรือ LIN หรือ LN และมีหมายเลข UN 1977

ประโยชน์

1. ใช้ในอุตสาหกรรมการแช่แข็งอาหาร

2. ช่วยใน การหล่อเย็นเครื่องจักร

3. ช่วยใน การป้องกันอันตรายจากการสันดาปของสารเคมี กับอากาศ หรือ ออกซิเจน

4. ช่วยใน การไล่ออกซิเจนและความชื้นออกจากไปป์ไลน์ และระบบถังเก็บน้ำมัน ก๊าซไวไฟและในระบบท่อจ่ายตามโรงกลั่น

5. เป็นส่วนประกอบที่สำคัญของร่างกายมนุษย์ สัตว์ ต้นไม้

6. สารประกอบของไนโตรเจน นำไปทำ สี วัตถุระเบิด ทำปุ๋ย เป็นต้น

7. ใช้ในอุตสาหกรรมอีเลกทรอนิกส์ เช่น การทดสอบอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่อุณหภูมิต่ำ

8. ก๊าซไนโตรเจนเหลว นำไปแช่เชื่อ (น้ำเชื้อ, เชื้อโรคเป็นต้น)

ไนโตรเจนเหลวกับอาหาร การใช้ไนโตรเจนเหลวในอาหารถูกกล่าวถึงในหนังสือสูตร 1890 ชื่อ Fancy Ices ที่เขียนขึ้นโดย Mrs. Agnes Marshall ลูกจ้างในร้านอาหารในการเตรียมของหวานแช่แข็งเช่นไอศกรีม ซึ่งสามารถรังสรรค์ขึ้นในชั่วอึดใจ ไนโตรเจนเหลวสามารถทำให้อาหารลดอุณหภูมิลงอย่างรวดเร็ว ความเร็วของการแช่แข็งยังนำไปสู่การก่อตัวของผลึกน้ำแข็งที่มีขนาดเล็กซึ่งทำให้ของหวานที่มีเนื้อเรียบเนียน เทคนิคนี้ใช้โดยเชฟ Heston Blumenthal (เฮสตัน บลูเมนธาล) ที่ใช้มันในร้านอาหารของเขา เพื่อสร้างอาหารแช่แข็ง เช่น ไข่ และไอศกรีมเบคอน ไนโตรเจนเหลวได้กลายเป็นที่นิยมในการจัดทำเครื่องดื่มค็อกเทลเพราะสามารถนำไปใช้ในการทำความเย็นแก้วค็อกเทล หรือแช่แข็งได้อย่างรวดเร็ว

ข้อควรวังในการใช้งานไนโตรเจนเหลว

การลดลงของออกซิเจน ขณะที่ไนโตรเจนเหลวระเหยจะลดออกซิเจนความเข้มข้นในอากาศและสามารถทำหน้าที่เป็นสารที่ทำให้เกิดภาวะขาดออกซิเจน( asphyxiant) โดยเฉพาะอย่างยิ่งในพื้นที่อับอากาศ ไนโตรเจนไม่มีกลิ่นไม่มีสีและรสจืดและอาจทำให้เกิดการขาดอากาศหายใจได้โดยปราศจากความรู้สึกหรืออาการล่วงหน้า

การไหม้เนื่องจากความเย็นจัด (การสัมผัสก๊าซเหลวโดยตรง) เนื่องจากอุณหภูมิที่ต่ำมากการจัดการกับไนโตรเจนเหลว โดยไม่ระมัดระวังอาจทำให้เกิดแผลไหม้จากความเย็นได้ จึงควรใช้ถุงมือ และสวมใส่อุปกรณ์ป้องกันอันตรายพิเศษในขณะที่ขนย้าย

การแตก การเสียหายของอุปกรณ์เนื่องจากแรงดัน จากอัตราส่วนการขยายตัวของไนโตรเจนเหลวต่อก๊าซเท่ากับ 1: 694 ที่ 20 ° C (68 ° F) สามารถสร้างแรงมหาศาลได้หากไนโตรเจนเหลวถูกทำให้เป็นไอระเหยอย่างรวดเร็วในพื้นที่ที่ปิดล้อม

อาการร่างกายอุณหภูมิลดลงอย่างรวดเร็ว การสัมผัส ก๊าซไนโตรเจนเหลว หรือการทำงานในพื้นที่ที่มีความเย็นจัด เมื่อร่างกายส่วนใดส่วนหนึ่ง ได้รับการสัมผัสกับอุณหภูมิทีเย็นจัด จนร่างกายเกิดอาการหนาวสั่น เนื่องจากอุณหภูมิในร่างกายลดลง (Hypothermia) จะทำให้การทำงานของร่างกายช้าลง หมดความรู้สึก และเสียชีวิต

การผลิตไนโตรเจนเหลว (Liquid Nitrogen-LIN)

ในอากาศทั่วไปนั้นจะประกอบไปด้วย

- แก๊สไนโตรเจน (N2) 78%

- ออกซิเจน (O2) 21%

- แก๊สและสารอื่นๆ อีก 1 % อาทิเช่น อาร์กอน (Ar) ฮีเลียม (He) คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) น้ำ (H2O) ไฮโดรเจน (H2)

การแยกแก๊สต่างๆออกจากกันจะเริ่มด้วยการอัดอากาศเข้าระบบตามด้วยการกรองฝุ่นผงและอนุภาคต่างๆออกจากอากาศโดยผ่านตัวกรองหรือฟิวเตอร์ (Filter) การแยกชนิดของแก๊สออกจากกันนั้น ขั้นแรกต้องทำให้อากาศเปลี่ยนสถานะจากแก๊สเป็นของเหลวเสียก่อน โดยใช้หลักการลดอุณหภูมิของแก๊สลงมาจนถึงจุดเดือดต่ำ แก๊สนั้นก็จะเปลี่ยนสถานะจากแก๊สเป็นของเหลว ซึ่งอุณหภูมิที่ต้องลดลงมาเพื่อให้เปลี่ยนสถานะนั้นก็จะแตกต่างกันไปตามชนิดของแก๊สนั้นๆ

เนื่องมาจากคุณสมบัติจุดเดือดของแก๊สแต่ละชนิดที่แตกต่างกัน ทำให้ ออกซิเจน (O2) และ อาร์กอน (Ar) จะทำการกลั่นตัวเป็นของเหลวก่อน และเนื่องจากมวลน้ำหนักที่มากกว่าทำให้ออกซิเจน (O2) และ อาร์กอน (Ar) กลายเป็นของเหลวไหลลงด้านล่างของหอกลั่น ส่วนไนโตรเจน (N2) ซึ่งมีจุดเดือดต่ำกว่าและมีมวลน้ำหนักเบาที่สุดจะแยกเป็นของเหลวที่ด้านบนของหอกลั่นก่อนจะถูกส่งไปยังถังเก็บผลิตภัณฑ์ ซึ่งผลิตภัณฑ์ไนโตรเจนเหลว (Liquid Nitrogen-LIN) ที่ผลิตได้จะมีความบริสุทธ์ถึง 99.999%

รูปที่ 1 : ในอากาศทั่วไปนั้นจะประกอบไปด้วย แก๊สไนโตรเจน (N2) 78% , ออกซิเจน (O2) 21% , แก๊สและสารอื่นๆ อีก 1 % อาทิเช่น อาร์กอน (Ar) ฮีเลียม (He) คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) น้ำ (H2O) ไฮโดรเจน (H2)

รูปที่ 2 : การแยกแก๊สต่างๆออกจากกันจะเริ่มด้วยการอัดอากาศเข้าระบบตามด้วยการกรองฝุ่นผงและอนุภาคต่างๆออกจากอากาศโดยผ่านตัวกรองหรือฟิวเตอร์ (Filter) การแยกชนิดของแก๊สออกจากกันนั้น ขั้นแรกต้องทำให้อากาศเปลี่ยนสถานะจากแก๊สเป็นของเหลวเสียก่อน โดยใช้หลักการลดอุณหภูมิของแก๊สลงมาจนถึงจุดเดือดต่ำ แก๊สนั้นก็จะเปลี่ยนสถานะจากแก๊สเป็นของเหลว ซึ่งอุณหภูมิที่ต้องลดลงมาเพื่อให้เปลี่ยนสถานะนั้นก็จะแตกต่างกันไปตามชนิดของแก๊สนั้นๆ

เนื่องมาจากคุณสมบัติจุดเดือดของแก๊สแต่ละชนิดที่แตกต่างกัน ทำให้ ออกซิเจน (O2) และ อาร์กอน (Ar) จะทำการกลั่นตัวเป็นของเหลวก่อน

รูปที่ 3 & รูปที่ 4 เนื่องมาจากคุณสมบัติจุดเดือดของแก๊สแต่ละชนิดที่แตกต่างกัน ทำให้ ออกซิเจน (O2) และ อาร์กอน (Ar) จะทำการกลั่นตัวเป็นของเหลวก่อน

รูปที่ 5 เนื่องจากมวลน้ำหนักที่มากกว่าทำให้ออกซิเจน (O2) และ อาร์กอน (Ar) กลายเป็นของเหลวไหลลงด้านล่างของหอกลั่นส่วนไนโตรเจน (N2) ซึ่งมีจุดเดือดต่ำกว่าและมีมวลน้ำหนักเบาที่สุดจะแยกเป็นของเหลวที่ด้านบนของหอกลั่นก่อนจะถูกส่งไปยังถังเก็บผลิตภัณฑ์ ซึ่งผลิตภัณฑ์ไนโตรเจนเหลว (Liquid Nitrogen-LIN) ที่ผลิตได้จะมีความบริสุทธ์ถึง 99.999%