Agitator Scale Up 'Case-2'

592 views

31/03/2021 14:41

EP-22 : Agitator Scale Up 'Case-2'
'Large Agitator Scale Down'

กว่าจะออกมาเป็นเครื่องกวนที่ใช้กับถังขนาด 120,000L แบบ Heavy Duty นั้นต้องทำอย่างไรบ้าง เราจะมาดูกันครับ, คราวนี้ได้ใช้ 'ทฤษฏีกันสักที' เดี๋ยวจะหาว่าใช้แต่ประสบการณ์กันจนลืมหลักการในการ Scale Up แต่...!!! ก็ไม่ได้ใช้เต็ม 100% ครับ แค่ 40% แค่นั้นเอง, ผมอยากจะบอกว่าผมใช้องค์ความรู้ทั้งหมดตั้งแต่ EP-1 ถึง RP-14 เลยครับ, มาทำ Scale Down กันดีกว่า

ขั้นตอนที่-1 : ออกแบบ/คำนวณ

ผมต้องทำ การออกแบบ/คำนวณ ในถังจริงว่าต้องใช้ใบชนิดไหนตาม Rheology ของของเหลว, ออกแบบ Tip Speed, คำนวณ Reynolds Number สำหรับใบกวนแบบ 2 Stages, ออกแบบระยะ Pitch เพื่อกำหนด Impeller Location, จากนั้นก็คำนวณเพลา, ออกแบบ Steady Bottom Bush ตามปกติ

ขั้นตอนที่-2 : ทำ Model ทดสอบ

เป็นไปไม่ได้เลยที่ จะมีใครกล้าออกแบบและรับผิดชอบงาน Agitator ระดับนี้ โดยใช้แค่ประสบการณ์, ผมทำการ Scale Down เพื่อทำ Model สำหรับทดสอบค่าคำนวณที่ Scale Down ทั้งหมดในถังสี่เหลียม (ตามงานจริง) ขนาด 100L, ผมไม่กล้าใช้ Model ต่ำกว่า 100L แน่นอน เพราะกังวลเรื่อง Renolds Number / Averate Shear Rate / Dead Zone of Mixing (ซึ่งเกิดแน่นอน), จากนั้นก็ทดสอบ

ขั้นตอนที่-3 : ปรับผลการทดสอบ

การปรับผลการทดสอบนั้นสำคัญมาก, มันอาจจะฉีก ทฤษฏี ไปสักหน่อยอย่าไปซีเรียสครับ เราทำงานจริงๆ ไม่ได้ส่งการบ้านอาจารย์ หรือ เรียนเอาเกรด, ผมต้องมั่นใจว่าผลทดสอบใน Model ไม่เวอร์วัง จนเกินไปอยู่ในขอบข่ายที่สามารถเกิดขึ้นจริงได้

ขั้นตอนที่-4 : ปรับงานจริง

เอาผลการทดสอบใน Model มาเทียบกับ ผลการคำนวณ และ สำคัญที่สุดคือ ต้องใช้ "ประสบการณ์ในการวิเคราะห์" เพื่อยืนยันความมั่นใจว่า หากสร้าง Agitator ชุดนี้ไปแล้วต้องสามารถใช้งานได้ และ ต้องรับประกันการ Mixing ได้ตามต้องการ

ขั้นตอนที่-5 : สร้างเลย

ผมต้องมั่นใจในประสบการณ์, และ การคำนวณ รวมถึง ผลการทดสอบใน Model ทั้งสามอย่างรวมกัน แล้วลงมือผลิตเลย, อยากบอกว่า Gear Motor ชุดนี้ใช้มอเตอร์กันระเบิดนะครับ ราคาเฉพาะ Gear Motor ก็ประมาณ 3 แสนครับ, ไม่มั่นใจไม่กล้าทำแน่..จากนั้นลุยเลย เพราะทำ Agitator ขนาดประมาณนี้มาเยอะแล้ว

ถาม : Scale Down ยังไง
ตอบ : คืออย่างนี้ครับ, การ Scale Down เนี่ย เราจำเป็นที่จะต้องผ่านงานสร้าง Agitator ขนาดใหญ่มามากๆก่อนนะครับ, สมองเราจะนึกออกว่างานแบบนี้แบบนั้น มันเป็นอย่างไร, แนวโน้มมันจะใช้งานได้หรือไม่, จากนั้นก็คำนวณครับ, ได้ออกมาแล้ว ผมใช้ 'Geometic Similarity' เฉพาะของใบกวนแค่นั้นนะครับ ไม่ได้ใช้ของถัง ด้วยเหตุผลของ Dead Zone of Mixing ใน Model กับของจริงขนาด 120,000L มันเทียบกันไม่ได้ ใช้ไปรังจะทำให้เรามั่นใจแบบผิดๆเปล่าๆ, แล้วผมก็ได้ใบของ Model มาแล้วนำไปทดสอบครับ

ถาม : ใช้ทฤษฏีอื่น Scale Down หรือไม่
ตอบ : ใช้แน่นอนครับ, ผมใช้ 'Buckingham Pi Theory' ซึ่งเป็นวิธียอดนิยมในการวิเคราะห์เชิงมิติ (Dimensional Analysis) ทำตามขั้นตอนทุกอย่าง เพื่อหาความสัมพันธ์ว่าอะไรเป็นฟังก์ชั่นของอะไรบ้างอย่างไร, จึงเป็นที่มาของ Diameter of Impeller ที่สร้างใน Model เพราะเป็นส่วนที่ส่งผลต่อการผสมนี้มากที่สุดแล้วนั่นเองครับ

ถาม : ใช้ Dimensionless Number ตัวไหน
ตอบ : ใช้ Newton ครับ, เพื่อสมดุล Specific Power เทียบกับ Re ภาคคำนวณ, แต่ไม่ได้ซีเรียสมาก ผมใช้เพื่อคอนเฟริม์ ให้ใกล้เคียง และ ดูแนวโน้มมากกว่า

สรุป : สำหรับงานลักษณะนี้, หากคิดเป็น 100% แล้ว, ผมเชื่อประสบการณ์ที่ผ่านมา 80%, เชื่อผลคำนวณ 80% และ เชื่อ Dimensional analysis 30%

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