High Shear Mixer_Ep.1

413 views

12/02/2023 13:54

High Shear Mixer_Ep.1
หากเราจะตั้งคำถามว่า ทำไม High Shear Mixer ถึงเป็นเครื่องผสมที่ยากที่จะออกแบบและผลิตขึ้นมาใช้งาน, ความสัมพันธ์ของสมการจากการทดลองสามารถนำมาใช้งานอะไรได้บ้าง อาจจะต้องเริ่มต้นย้อนกลับไปไกลหน่อยที่ กฏของนิวตันสักเล็กน้อยที่กล่าวว่า ผลรวมของแรงใดๆ ส่งผลให้ ระบบซึ่งมีภาวะการต้านทานการเคลื่อนที่ (มวล)มีการเปลี่ยนแปลงความเร็วเมื่อเทียบกับเวลา หรือ กล่าวว่า ผลรวมของแรง ส่งผลให้ระบบไม่สามารถรักษาภาวะการเคลื่อนภายใต้กรอบอ้างอิงไว้ได้ โดยมี แรง เป็น เหตุ

เมื่อเราพิจารณาแรงที่กระทำต่อพื้นที่ในลักษณะของการไหล คือ เราจะเรียกลักษณะดังกล่าวว่า การเฉือน (Shear) ซึ่งจะเป็นแรงที่เอาชนะแรงดึงดูดระหว่างมวลของของเหลว และ เราจะมีคำนิยามใหม่เกิดขึ้น คือ ค่าความเค้นเฉือน (Shear Stress) ซึ่งเป็นความสัมพันธ์ของแรงที่กระทำต่อพื้นที่รับแรง ดังนั้นจะมีหน่วยเป็น N/M^2 (โดย 1N = 1kg x 1m/s^2) ซึ่งจริงๆแล้วมวลนั่นเป็นนามธรรมที่แสดงการต้านการเคลื่อนที่นะครับ เพียงแต่เราให้หน่วนเป็น kg , และ จะมีคำนิยามอีกตัวที่สำคัญคือ อัตราเฉือน (Shear Rate) ซึ่งคือ การแสดงความเกี่ยวข้องกันของปริมาณของความเร็วและระยะทางแผ่นชั้นของของเหลว (อัตรา คือ การแสดงความเกี่ยวข้องกันของปริมาณสองปริมาณ ซึ่งไม่จำเป็นต้องมีหน่วยเดียวกันก็ได้นะครับ) ซึ่งจะได้หน่วยเป็น 1/sec ((m/sec) / (m)) และ เมื่อทั่ง Shear Stress และ Shear Rate เกี่ยวข้องกับความเร็ว ก็จะส่งผลให้ Shear Stress แปลผันตาม Shear Rate และ ได้ค่าสัมประสิทธิ์ออกมาเป็นค่าคงที่ค่านึง ซึ่งเราอาจจะนิยามง่ายๆว่าคือ ความหนืดก็ได้ไม่ผิดครับ หรือ จะเรียกเป็นสัมประสิทธิ์ของความหนืดเฉือนก็ได้ ดังนั่นหน่วยของความหนืด (Viscosity) จะมีหน่วยเป็น N.Sec/M^2 และ โดยมากจะลดรูปโดยใช้หน่วย Pascal(Pa) แทนหน่วยของ N/M^2 ดังนั้นหน่วยสากลของความหนืด คือ Pa.s นั่นเองครับ (น้ำมีความหนืด = 1mPa.s = 1000000Pa.s)

เมื่อพิจารณาในลักษณะของอนุพันธ์ (Derivative) จากนิยามข้างต้นในส่วนของ Shear Rate คือ du/dr (u = ความเร็ว, r = ความหนาของแผ่นชั้นของเหลว) จะพบว่าหาก du มีค่ามากจะทำให้เกิด Shear Rate สูง เมื่อมี Shear Rate สูงก็จะทำให้สามารถเอาชนะแรงดึงดูดระหว่างมวลของของเหลวได้ ทำให้ของอนุภาคของของเหลวมีขนาดเล็กลงและไปแทรกกับอนุภาคของของเหลวอื่นได้ หรือ หากมีการเติมของเหลวบางชนิดเข้าไปเพื่อให้มันแทรกอยู่ตรงกลางระหว่างของเหลวสองชนิดที่ไม่สามารถจะผสมกันได้ก็จะสามารถทำให้เกิดการแทรกสอดเกิดขึ้นและของเหลวจะไม่สามารถกลับไปรวมกันได้อีก, ดังนั่นการออกแบบเครื่องผสมที่ให้ Shear Rate ที่สูงนั่นจะมีประโยชน์ในลักษณะดังกล่าวนั่นเองครับ, มองลึกลงไปอีกสักเล็กน้อยคือ การออกแบบ High Shear Mixer จะมีลักษณะของการทำให้ของไหลไหลผ่านด้วยความเร็วสูงออกผ่านช่อง,รู ที่ไม่เคลื่อนที่ กล่าวคือ การที่ของเหลวมีความเร็วสูงมาปะทะส่วนของรูที่ไม่เคลื่อนที่ทำให้ du มีค่ามากขึ้น (ความเร็วตอนปะทะเท่ากับศูนย์) ส่งผลให้ Shear Rate นั่นสูงขึ้นนั่นเองครับ แต่ยังมีอีกหลายปัจจัยที่ทำให้ High Shear Mixer สามารถทำให้ของเหลวได้รับ Shear Rate ที่สูงไม่ใช่เพียงแค่ du สูงเท่านั้น เอาไว้ค่อยมาเล่าสู่กันฟังในครั้งถัดๆไปครับ

สถาพร เลี้ยงศิริกูล
บจก.มิสซิเบิล เทคโนโลยี

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