MISCIBLE TALK. EP.1/30 Energy Dissipation Range


Home

>

Training

>

MISCIBLE TALK. EP.1/30 Energy Dissipation Range

453 views

-

MISCIBLE TALK. EP.1/30
Energy Dissipation Range

 

สวัสดีปี 2022 ครับ ผมห่างหายไปจากการแชร์ประสบการณ์แชร์ไอเดียด้าน Fluid Mixing ประมาณ 2 ปีเศษเห็นจะได้ครับ, เริ่มต้นปีนี้เลยมีความตั้งใจจะกลับมาแชร์ประสบการณ์เพื่อแบ่งปันหรือเป็นส่วนนึงของการแลกเปลี่ยนเชิงสร้างสรรอีกรอบในลักษณะการชวนคุยเน้นประสบการณ์แบบเดิมครับ เริ่มด้วยหัวข้อ High Shear Mixer หรือ นิยมเรียกในบ้านเราว่า Rotor-Stator ตามลักษณะของ Impeller หรือ หลายท่านอาจจะเรียกว่า Homo Mix ซึ่งผมว่าไม่ถูกซะทีเดียวแต่ก็เรียกได้ครับ แต่หากมองตาม Mixing Task เราควรเรียกว่า High Shear Mixer จะถูกต้องที่สุด เนื่องจากเครื่องกวนลักษณะดังกล่าวเป็นอยู่ใน Mixing Tank และ อนุภาคไม่ได้ถูกบด หรือ ถูก Shear Force กระทำทั้งหมดนั่นเอง
Energy Dissipation Range  ซึ่งมีหน่วยเป็น W/kg นั่น ถือว่าเป็น Guideline ที่ใช้เป็นแนวโน้มได้ครับว่า Agitator ที่เราออกแบบอยู่ใน Range ที่ทางด้านวิชาการหรือหนังสือกล่าวไว้หรือไม่ ซึ่งหนังสือก็เอามาจากการรวบรวมการทดสอบนั่นแหละครับ ก็ถือว่าเป็นไอเดียได้ แต่ ผมจะบอกว่า ต้องใช้อย่างระมัดระวัง และ ไม่เอามาเป็นเครื่องมือในการยืนยันทางคำพูดเชิงตรรกะว่าถูกหรือผิดกัน เพราะถ้าทำแบบนั้นจะไม่ดีแน่นอน ยกตัวอย่างเช่น

Agitator Vessel : 0.1-100
Static Mixer : 10-1,000
High Shear Mixer 1,000-100,000 

เป็นต้น อ้างอิงจาก หนังสือยอดนิยมอ่านกัน Handbook of Industrial Mixing หน้าที่ 500 เล่มปกสีม่วงนั่นเองครับ, พิจารณาดูแล้วมัน Range มันกว้างมากครับ, กว้างจนไม่รู้ว่าจะเอาตรงไหนเป็นแกนในการพิจารณาความมีแนวโน้มถูกต้องกับงานนั้นๆ จริงๆ มันคือการเก็บสถิติครับ แต่การเก็บสถิตินั้น Range ของ Product ก็กว้างมากอีก, ซึ่งหากอ่านแล้วก็จะงง และ หาข้อสรุปไม่ได้ ซึ่งผมมองว่าถูกแล้วครับ ในเชิงการหาข้อสรุปไม่ได้ เนื่องจากมีปัจจัยพิจารณาหลายส่วนทีเกี่ยวข้องซ่อนอยู่ เช่น Number of Rotor Blades, Type of Stator Head, Tip Speed, Viscosity ฯลฯ ซึ่งไม่ได้ถูกระบุชัดเจน ทำให้ Energy Dissipation Range เป็น Guideline ที่ควรระวังในการใช้ การพิจารณาว่าหากเราสร้าง High Shear Mixer ขึ้นมาใช้สักตัว ซึ่งออกแบบและใช้กำลังให้อ้างอิง Energy Dissipation Range อยู่ใน Range แล้วจะสามารถใช้งานได้แบบนี้ก็อันตรายครับ, ในมุมมองผม คือ ต้องหางานที่ลักษณะใกล้เคียงกันมากๆและเปรียบเทียบ P/V ที่ใช้ต่อ Mixing Time ที่ได้ และที่สำคัญที่สุด ต้องพิจารณาระดับความ Homogeneous ว่าเกินระดับ 70% หรือไม่ ถ้าได้ตามนี้ก็เอามาเป็น Guideline ได้ เป็นต้นครับ

สุดท้ายคือ P/V Range โดยทั่วไปจะมองกันว่า P/V ของ High Shear Mixer มีค่าไม่ได้ต่างจาก Impeller แบบอื่น โดยเฉพาะกลุ่มของ Disperser ตรงนี้ก็ควรระวังในการใช้งาน P/V Range ด้วยครับ เนื่องจากสัดส่วน P/V นั่นไม่ต่างก็จริง แต่สิ่งที่ต่าง คือ Dead Zone of Mixing ต่างกันมาก แม้ High Shear จะให้ค่า Shear Force ที่สูง (du/dy) แต่การ Drop ของของเหลวหลังออกจาก Stator จะทำให้เกิด Dead Zone of Mixing และ ส่งผลต่อระดับการ Homogeneous ของ Product ด้วยเช่นกัน P/V Range ของ High Shear จากหนังสือ อาจจะใช้ในกลุ่มงาน Low Viscosity เท่านั้น ซึ่งปกติเราก็ไม่นิยมใช้ High Shear Mixer ในกลุ่มงานนี้อีกเช่นกันเพราะคนละ Mixing Task ครับ, ท้ายสุดจริงๆ คือ ต้องพิจารณาลงไปอีกว่าแต่ละงานที่ใส่ Power ลงไปให้อยู่ใน P/V Range นั่นสามารถให้ Shear Force ได้ตามต้องการหรือไม่ เพราะหากจะพิจารณาแต่ Power ไม่พิจารณาผลที่ได้ หรือ ไม่พิจารณาชนิดของ Stator ก็ไม่ได้อีก, ยากพอสมควรครับที่จะฟันธงได้ ทำได้เพียงต้องระวังในการนำมาใช้ และ ต้องหากรณีศึกษาเทียบเคียงให้มากที่สุด ครับ

ขอบคุณครับ
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)

Next
-

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

Next
-

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

Next