Agitator Scale Up 'Case-1'

638 views

31/03/2021 14:38

EP-21 : Agitator Scale Up 'Case-1'
'High Speed Disperser Scale Up'

ก่อนจะมาดูงานจริงๆกัน, ผมอยากให้ท่านลืม ทฤษฏีการ Scale Up โดยใช้ Dimensional Analysis และ Similarity ไปก่อนนะครับ เพราะมันใช้ไม่ได้จริงๆสำหรับ Case นี้ แต่ไม่ต้องห่วงครับ Case ต่อไป ผมจะทำให้มันใช้ได้ (บ้าง), ซึ่งเราจะทำการ Scale Up โดยอ้อมกัน มาดูกันครับว่าใช้หลักการอะไรในการ Scale Up - Agitator ชนิด High Speed Disperser ที่ใช้ใบกวนประเภท Saw Disc Impellers ได้บ้าง, สำหรับบทความนี้จะเป็นลักษณะการ ถาม-ตอบ-วิเคราะห์ นะครับ, บางคำถาม/คำตอบ อาจจะดูกวนๆ แต่ไม่มีเจตนานะครับ แค่อยากเอาชีวิตจริงมาแชร์กัน ต้องบอกไว้ก่อนว่า ไม่สวยงามอย่างในกระดาษแน่นอนครับ ต้องขออภัยล่วงหน้า

จากรูปจะเป็นงานในการผลิต Enamel Paint ซึ่งเราจะทำการตัดกระบวนการบดสีออกไปเพราะไม่เกี่ยวกับ Mixing และ จะเอามาเฉพาะกระบวนการ Letdown และ Tinting เท่านั้น โดยที่

รูปบนซ้าย :
เครื่องสำหรับห้องแล็ปใช้ผสมขนาด 1GL / 5GL / 20GL เพื่อปรับสูตร และหรือ ทำสูตรใหม่

รูปซ้ายกลาง :
ใบกวนขนาดต่างๆที่ใช้ในห้องแล็ป ขนาดตั้งแต่ 50mm-120mm

รูปล่างซ้าย :
เครื่อง High Speed Disperser สำหรับ Mobile Tank 1,000-1,200L

รูปที่เหลือทั้งหมด :
เครื่อง High Speed Disperser สำหรับ Fixed Tank 5,000L

ถาม : ทำแล็ปกันยังไง
ตอบ : ก็จับใบใส่เลยครับ อย่าให้ใบใหญ่กว่ากระป๋องเป็นอันพอ เช่น ใบ 80/1GL, ใบ 100/5GL, ใบ 120/5GL เป็นต้นครับ, ใบ Saw Disc พวกนี้ใช้ Z = 6-10 แล้วแต่ว่าจะให้ใครทำซึ่งก็เอาจริงๆคือ กะเอาว่าดูพอดีๆ แต่ตรงนี้ไม่เป็นไรครับ ถือว่าเป็น Model ต้นแบบอย่าไปซีเรียส ดูผลเป็นหลักดีกว่า

ถาม : ความเร็วรอบในแล็ป
ตอบ : ก็ใช้เต็มที่เลยครับ มอเตอร์ 2Pole ที่ 3,000 RPM แล้วก็ปั่นจนกว่าจะได้ผลตามต้องการ, มอเตอร์ก็ 1-3 แรงม้า แล้วแต่ให้ใครผลิต, ที่สำคัญไม่มีการวัดกระแสใช้งานครับ ลุยเลยเต็มที่

ถาม : แล้วขนาด 1,000L ทำกันยังไง
ตอบ : ก็ใช้เครื่องที่มีขนาดมอเตอร์ 20-30 แรงม้า ความเร็วรอบ Max. 1500 RPM, ปั่นไปเลยเพราะเดี๋ยวมันก็จะเข้ากันเองตามสูตรที่แล็ปให้มา

ถาม : ขนาดใหญ่กว่า 1,000L ลิตร ทำกันยังไง
ตอบ : นั่นแหละครับ เริ่มมีปัญหาแล้ว เพราะมันเริ่มไม่ได้, การ Letdown ใช้เวลานานมาก, การแต่งเฉดสีมีปัญหาเพราะขอบๆถังไม่ขยับ

วิเคราะห์-1 :

ปัญหาที่ไม่สามารถ Scale Up-Saw Disc Impeller ได้โดยทฤษฏี ก็มาจาก 3-4 สาเหตุครับ คือ

(1). จำนวน Z ของใบที่ไม่ได้เท่ากัน ใบขนาดเล็กมี Z เฉพาะของมัน และ ใบขนาดใหญ่ขึ้นก็มี Z เฉพาะของมันเช่นกัน
(2). ไม่มีการบันทึก Specific Power ที่ใช้งานทำให้สัดส่วนพลังงานในแล็ปและถังขนาด 1,000L ใช้ Specific Power เกินความเป็นจริง
(3). เราไม่เคยสนใจใน Maximum Shear Rate ที่ระบบได้รับ และ
(4). คือ ผู้ที่ทำแล็ปไม่ยอมปรับเปลี่ยนกระบวนการให้ใกล้เคียงกับ Batch Production

วิเคราะห์-2 :

เราจะมีวิธีแก้ไขเรื่องดังกล่าวอย่างไร เมื่อต้องการ Scale Up งาน Disperser

(1). ต้องคำนวณ Mixing Time และ กำหนดให้ชัดเจน ว่า Batch ขนาดเท่าไหร่มี Mixing Time เท่าไหร่
(2). ต้องบันทึก Specific Power และ นำ Specific Power ไปใช้ในการ Scale Up
(3). ต้องคำนวณ Maximum Shear Rate ในแต่ละ Batch ให้ใกล้เคียงกันที่สุด
(4). ต้องปรับแล็ปให้ใช้ Specific Power และ Maximum Shear Rate ในปริมาณที่เหมาะสมให้ Product เอื้อมถึง
(5). ต้องออกแบบ Agitator ให้จัดการ Dead Zone of Mixing ซึ่งมีแน่นอนใน Batch ขนาด 2,000L ขึ้นไป

มุมมอง 'MISCIBLE'

มุมมองของผมต่อการ Scale Up - Disperser, คือ ใช้ประสบการณ์ 80% ซึ่งต้องผ่านมาเยอะและเห็นมาเยอะจริงๆนะครับถึงจะทำการ Scale Up Disersper ได้แบบไม่เสียหาย, การใช้ Dimensional Analysis และ Similarity จะทำให้งานคุณพัง และ เก็บเงินไม่ได้, ส่วนอีก 20% ผมใช้หลักการ Scale Up ของ Maximum Shear Rate ในระบบครับ พร้อมกับต้องแก้ไข Dead Zone of Mixing ขอบ/ก้น ถังให้ได้, มุมมองด้าน Mechanic ต่อ Disperser นี่ก็สำคัญมากครับ เพราะใบกวน Saw Disc ใช้ Tip Speed สูง, การออกแบบเพลา, การเลือกลูกปืน, การกำหนดระยะ Housing Bearing ฯลฯ พวกนี้สำคัญหมดครับ ไม่ใช่จบกันแค่ใบกวนเท่าไหร่

Cr. สถาพร เลี้ยงศิริกูล
Tel : 091.7400.555
Line : sataporn.miscible
Miscible Technology Co.,Ltd.

Blogs

High Shear Mixer_Ep.4

อ้างอิงจาก The Effect of Stator Geometry on the Flow Pattern and Energy Dissipation Rate in a Rotor-Stator Mixer / A.Utomo, M.Baker, A.W.Pacek / 2009, ขอแสดงทัศนะให้สอดคล้องจาก Ep ที่ผ่านมาที่ว่าด้วย du/dr ครับ อ้างอิงจากผู้วิจัย ได้ทำการใช้ CFD ในเพื่อศึกษา Vector ของความเร็ว ซึ่งจากรูปจะเห็นได้ว่าการเปลี่ยนแปลงของภาวะของระบบ (ความเร็ว) นั้นบ่งบอกถึงทิศทางและขนาดของภาวะ โดยมี Max.Velocity 6m/sec (จริงๆน้อยนะครับ) แต่ใช้ค่า Max-Min ศึกษาได้, กล่าวคือ Head ของ Stator ที่เป็นรูใหญ่จะสร้าง Velocity Drop น้อย และ รูแบบ Slot, รูแบบเล็ก ตามลำดับ นั่นแสดงว่า Shear Rate ของ Head ที่มีรูขนาดเล็กให้ du ที่มีค่ามากที่สุด (ตัด dr ออกเนื่องด้วย Gab ของ Rotor-Stator จาก CFD มีค่าเท่ากัน) นั่นคือ รูขนาดเล็กสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของระบบในลักษณะ Emulsion ได้ดีที่สุด สอดคล้องกับสมการที่เคยกล่าวมา แต่....จาก Vector ของความเร็วจะเห็นได้ว่า Stator Head ของรูขนาดเล็กก็ทำให้เกิด Dead Zone of Mixing ได้ง่ายเช่นกัน ตรงนี้บ่งบอกอะไร บ่งบอกว่าการเลือกใช้งานสัดส่วน d/D ของ Rotor-Stator นั่นไม่เหมาะกับถังขนาดใหญ่ หรือ หากต้องการใช้ก็จำเป็นต้องมีเครื่องกวนอีกประเภทที่สามารถขจัด Dead Zone of Mixing ได้ ในลักษณะของ Scraper นั่นเองครับ การทำ CFD มีวัตถุประสงค์และประโยชน์ประมาณนี้เลยครับ แต่มักจะเข้าใจผิดกันว่า CFD คือ สิ่งที่สามารถบอก Mixing Time ได้, บอกกำลังของต้นกำลังได้ ไม่ใช่แบบนั้นครับ ปริมาณในเชิง Scalar ต้องคำนวณครับ, ส่วนปริมาณเชิง Vactor ก็เหมาะกับการทำ Simulation และ ในงานของ Fluid Mixing เราจะใช้ CFD ในการดูแนวโน้มของ Flow Pattern ของใบกวนมากที่สุด (เน้นบริเวณใกล้ๆใบกวนด้วยครับ)

High Shear Mixer_Ep.3

Ep ก่อนหน้าได้แสดงทัศนะว่า du ส่งผลให้ Shear Rate สูงขึ้นได้อย่างไร ในทำนองเดียวกันคือ dr คือ พื้นที่ช่องว่าระหว่าง Rotorกับ Stator ยิ่งเล็กก็ยิ่งทำให้ Shear Rate สูงขึ้นไปอีก ดังจะเห็นว่า Gab ของ Rotor-Stator นั่นจะมีขนาดเล็กมากนั่นเองครับ แต่จะเล็กเท่าไหร่นั่นไม่มีใครตอบได้ครับ คงต้องออกแบบและทดสอบกับของเหลวนั่นๆมากกว่า เพราะมีอีกปลายปัจจัยที่ส่งผลเอื้อหรือไม่เอื้อต่อ Gab ที่ขนาดเล็ก เช่น Viscosity, Particle Size, %Solid เป็นต้น, ก่อนจะไปเรื่องอื่น อยากชวนกลับมาที่ Impeller Types ที่ให้ Flow Pattern แบบ Mixed Flow (Tangential Flow) และ Axial Flow ตามรูปที่ผมได้ทำการทดสอบนะครับ จะเห็นว่าสองรูปทางซ้ายจะมีสามารถเอาชนะแรงดึงดูดระหว่างมวลของน้ำมันได้เลย แต่ สองรูปทางขวาจะมีแรงเอาชนะได้ (จากการทดสอบใช้ Tip Speed Const.@4.0m/Sec) เหตุผลเนื่องจากใบกวน จะมีสัดส่วนของ Axial 30% Radial 10% Tangential 60% และ Axial 100% Radial 0% Tangential 0% ตามลำดับครับ เนื่องด้วย Shear Rate ไม่มากพอจะทำให้อนุภาคของของเหลวย่อยลงและแยกออกจากกันได้ทำให้ไม่เหมาะกับงานลักษณะ High Shear Mixer ด้วยเช่นกัน การอ้างอิงค่า Local energy dissipation หรือ P/V ของเครื่องกวนในลักษณะ High Shear Mixer กับ เครื่องกวนประเภทอื่นๆว่ากี่เท่านั้น โดยทัศนะผมแล้วไม่ควรนำมาเปรียบเทียบอะไรกันเลยครับ เพราะมันมีจุดประสงค์ที่ต่างกันการเทียบแบบนั้นไม่มีประโยชน์และไม่สามารถนำค่าเทียบเคียงมาใช้งานอะไรได้เลยด้วยซ้ำ การนำสมการ Power Absorb มาใช้ก็ต้องระวังมาก (P = Np*Density*Speed^3^d^5) เนื่องด้วยเป็นสมการพื้นฐานของใบกวนแบบที่ใช้งานในกรอบอ้างอิงที่ใหญ่กว่า High Shear Mixer กล่าวคือ กรอบอ้างอิงคือถัง แต่กรอบอ้างอิงของ High Shear Mixer คือ Stator นั่นทำให้การพิจารณาการเปลี่ยนแปลงภาวะของของเหลว (ความเร็ว) นั่นต่างกัน พูดกันตรงไปตรงมาคือ งาน High Shear Mixer อยู่ที่การอ้างอิง Use Case มากกว่า, อีกประเด็นคือ สมการ P = Np*Density*Speed^3^d^5 เราจะใช้ Np (Power Number) ของใบกวนชนิดไหนดีอีก เพราะโดยปกติแล้วกราฟความสัมพันธ์ RE vs Np นั่นมาจากการทดลองที่ไม่มีลักษณะใบกวนแบบ Rotor-Stator เลย (ไม่เอา Radial Impeller มานะครับ คนละชนิดใบกันเพียงแต่ให้ Flow Pattern ในลักษณะ Radial เหมือนกันแค่นั้นเอง) Ep นี้ขอจบที่ช่วงของ Tip Speed ของ Rotor โดยทั่วไปจะไม่ทำกว่า 30 m/sec และ ไม่เกิน 50 m/sec จากประสบกาณ์และข้อจำกัดของความเร็วรอบของมอเตอร์ที่ใช้งานนั่นเองครับ

High Shear Mixer_Ep.2

จาก Ep.1 ผมได้ทำการทดสอบ High Shear Mixer-Head เพื่อแสดงให้เห็นถึงการที่ du มีค่าสูงจะทำให้แรงเอาชนะแรงดึงดูดระหว่างมมวลทำให้อนุภาคของของเหลวที่เป็นน้ำ และ น้ำมัน นั้นมีขนาดเล็กลง และ เกิดการแทรกสอดระหว่างอนุภาคได้ทำให้ในภาวะชั่วขณะน้ำกับน้ำมันสามารถรวมตัวกันได้ จริงๆไม่ได้รวมตัวกันนะครับ เพียงแต่เกิดการแทรกสอดระหว่างกันและด้วยอนุภาคขนาดเล็กทำให้การย้อนกลับไปรวมตัวกันต้องใช้เวลานานประมาณนึงเลยทีเดียว ซึ่งกรณีนี้หากเราเติมสารตัวช่วยประสาน หรือ ที่เรียกกันว่า Emulsifier เข้าไปแล้ว Emulsifier ก็จะเกิดการแทรกสอดระหว่างน้ำกับน้ำมันทำให้น้ำกับน้ำมันไม่สามารถแยกออกมารวมเป็นของเหลวในสมบัติของตัวเองได้อีก, ซึ่ง Ep.2 นี้ แสดงถึงสิ่งที่เกิดขึ้นจากทฤษฎีที่กล่าวมาใน Ep.1 ใน Ep ถัดไปค่อยมาอธิบายเพิ่มเติมถึงผลของคลิปดังกล่าวครับ สถาพร เลี้ยงศิริกูล บจก.มิสซิเบิล เทคโนโลยี