Scale Up Agitator with Dimensionless Number

360 views

17/08/2021 16:45

Scale Up Agitator with Dimensionless Number
Note: This Calculation in only valid for nearly the same Reynolds Number

ลูกค้าถามผมมาเยอะมากครับว่าใช้หลักการอะไรในการ Scale Up Agitator ผมก็ตอบไปตามจริงละครับว่า ใช้ Dimensionless Number, ส่วนเหตุผลก็คือ ก็มันมีแค่ทฤษฏีเดียวสำหรับงาน Scale Up Agitator ซึ่งถ้าไม่ใช้... แล้วจะให้ใช้อะไรใช่มั้ยครับ, ส่วนจะใช้ผลการคำนวณจากโปรแกรมมาใช้ในงานจริงมากน้อยแค่ไหน ผมขอสงวนไว้ไม่บอกก็แล้วกันครับ เพราะไม่อยากถกเถียงกับใคร โดยเฉพาะนักทฤษฏี...ทั้งนี้ทั้งนั้นผมจะขอยกตัวอย่างจากงานจริงที่ผมออกแบบและใช้งานจริงก็แล้วกันครับ...ถือว่าแชร์ประสบการณ์จริงกันครับ

สิ่งหนึ่งที่เป็นปัญหาสำหรับการ Scale Up Agitator คือ เราต้องการทราบว่า Diameter of Impeller ที่ต้องใช้ใน New Unit นั้นเป็นเท่าไหร่, โดยปกติ โปรแกรมก็จะให้ป้อนค่า Existing Unit อยู่ 3 ค่าครับ คือ Diameter of Impeller / Power Absorb / Speed ..... และเช่นเดียวกัน โปรแกรมจะให้ป้อนค่าสำหรับ New Unit อยู่ 2 ค่าครับ คือ Power / Speed จากนั้นโปรแกรมก็จะคำนวณค่า Diameter of Impeller ให้ครับว่า New Unit ต้องเป็นเท่าไหร่.....?

Case-1 : Thixotropy Flow (Time dependent)
Existing Unit คือ Saw Disc Impeller Dia.150mm / Power 1.5kW / Speed 1450 RPM และ ป้อนค่าในโปรแกรมสำหรับ New Unit คือ Power 7.5kW / Speed 1450 RPM....จะคำนวณ Dia. of Impeller (Saw Disc) ได้เท่ากับ 207 mm.....งานนี้ Existing Unit เป็น Emulsion Paint ขนาด 20L และ New Unit เป็น Emulsion paint ขนาด 200L...ซึ่งมี Viscosity 8,000 mPa.s และ SG.1.18 โดยเป็นกระบวนการ Solid-Liquid Dispersion, ผลของงานจริงๆด้าน Absorb Power กับใบกวนที่เลือกใช้ เทียบกับความเร็วรอบที่ใช้งานนั้น ถูกต้องครับ ในงานจริงๆใช้กันประมาณนี้แหละครับ แต่ Mixing Time นั้นต่างกันประมาณ 5 เท่า (Dimensionless Number : Blend Time)...ซึ่งถูกต้องครับว่าเราไม่สามารถ Balance Dimensionless Number ให้ใช้ได้กับทุกค่า...แต่ผลจากงานจริงๆนั้นบอกมากกว่า "กระดาษ" เสมอ..นั่นคือ New Unit จะมี Dead Zone of Mixing บริเวณขอบถังพอสมควร..งานจริงๆเราต้องใช้การเลื่อนใบ ขึ้น/ลง และหรือ ใช้อะไรช่วยกวาดขอบๆ (คนทำงาน Paint จะทราบดี) ไม่งั้นไม่เข้ากันแน่นอน....ผมว่าทฤษฏี Dimensionless Number for Scale Up คงไม่ได้บอกไว้นะครับว่าต้องเลื่อนใบขึ้น/ลง เพื่อกำจัด Dead Zone of Mixing.

Case-2 : Thixotropy Flow (Time independent)
Existing Unit คือ 6-Blades Turbine Impeller Dia.550mm / Power 4.0kW / Speed 179 RPM และ ป้อนค่าในโปรแกรมสำหรับ New Unit คือ Power 11.0kW / Speed 98 RPM....จะคำนวณ Dia. of Impeller (6-Blades Turbine) ได้เท่ากับ 960 mm.....งานนี้ Existing Unit เป็น Emulsion Paint ในกระบวนการ Mixing ที่ไม่ต้องการ Shear Rate, ซึ่งโปรแกรมคำนวณได้แม่นยำมากครับ และ ผมก็เอาค่าตรงนี้ไปใช้งานจริงด้วยเช่นกัน (อ่อลืมบอกไปงานนี้ No.of Stages = 1 ครับ ใช้ใบกวนชั้นเดียว) ที่สำคัญคือ Mixing Tank ทั้ง Existing Unit และ New Unit ให้ Mixing Time ที่ใกล้เคียงกันมากครับ....งานนี้ Existing Unit คือ Mixing Tank 1,000L ส่วน New Unit คือ Mixing Tank 5,000L ครับ...ผมอยากจะบอกว่ามันฟลุ๊กที่บังเอิญใช้งานได้ก็เกรงใจครับ แต่ผมใช้โปรแกรมคำนวณ Scale Up ประมาณนี้ทุกรอบก่อนสร้างงานจริง แต่อย่างที่บอกครับ ผมไม่ได้เชื่อและนำมาใช้เลยทันที ต้องเอาประสบการณ์มาใช้ด้วยอย่างระมัดระวัง

Case-3 : Newtonian Flow
Existing Unit คือ Trapezoid Beam Impeller Dia.1200mm / Power 7.5kW / 44 RPM และ ป้อนค่าในโปรแกรมสำหรับ New Unit คือ Power 22.0kW / Speed 38 RPM....จะคำนวณ Dia. of Impeller (Trapezoid Beam Impeller) ได้เท่ากับ 1625 mm.....งานนี้ Existing Unit เป็น Glucose Tank ขนาด 20,000L โดยผมออกแบบให้ใช้ใบกวนใช้งานที่ 6 Stages และ New Unit เป็น Glucose Tank ขนาด 100,000L (Mixing Tank มีการให้ความร้อนที่ค่อนข้างดีเพื่อควบคุม Viscosity ดังนั้นเลยขออนุญาตอุปมาว่าเป็น Newtonian Flow กูรู คงไม่ว่ากันนะครับ) ซึ่งใช้ใบกวน 6 Stages เช่นกันครับ โดยใช้ Geometic Similarity ในการกำหนดค่า Dimension of Impeller...ผลงานนี้ออกมาในระดับที่ดีครับ ผมใช้เป็นแนวทางในการออกแบบ และ ยึดใบกวน 6 Stages ในการใช้งานเป็นหลัก...แต่ต้องมาออกแบบปรับปรุงประสิทธิภาพเพิ่มเติม ซึ่งงานนี้หากไม่มีประสบการณ์มามากพอรับรองเจ๊งแน่ครับ, ประเด็นคือ Flow ของจริงที่ได้ใน New Unit นั้น (ลืม Reynold Number ภาคคำนวณไปนะครับ เพราะงานนี้เป็น Multi Stages of Impellers) ต้องได้รับการปรับปรุง องศาของใบกวน ที่ต่างจาก Existing Unit เพราะหากไม่ปรับองศาใบกวนแล้ว... มวลของของเหลวจะทำหน้าทีกด Flow บริเวณด้านล่างถังให้ขยับน้อย อีกทั้งยัง ต้องเพิ่ม Baffle Plate จาก 4 เป็น 6 เพื่อรักษาระดับความปั่นป่วน(ของจริง) ให้ใกล้เคียงกับ Exisiting Unit...นี่คืองานจริงๆครับ...

หากถามว่าทำไมผมใช้ Existing Unit ที่ 20,000L ก็เพราะว่า หากใช้ที่ 20L ผมก็จะต้องใช้ใบกวนแค่ชั้นเดียวในการกวน ซึ่งพอจะเป็น 20,000L จะทำไงเพราะต้องใช้ ใบกวน 6 Stages และ พอจะเป็น 100,000L จะทำไงต่อ .... หากเริ่มต้น Existing Unit ที่ 20L แล้วผมบอกว่าใช้ Dimensionless Number ในการ Scale Up ไม่ได้ ก็เกรงว่า กูรู ระดับโลก จะหาว่าไม่ใช้ทฤษฎีในการทำงานอีก ก็ประมาณนั้นแหละครับ....

ขอบคุณครับ
สถาพร เลี้ยงศิริกูล (Agitator Designer)
MISCIBLE TECHNOLOGY CO., LTD
Tel: 02.548.0414-5 / 091.7400.555
Line : @agitator
www.miscible.co.th

Blogs

Solid-Liquid Suspension#2

Zwietering Criteria

Solid-Liquid Suspension#1

Degrees of suspension / ระดับของการกระจายตัว

How to Calculate Mixing Time. By MISCIBLE..(1)

How to Calculate Mixing Time. ? By MISCIBLE เราจะคำนวณและประมาณ Mixing Time อย่างไรให้ใช้งานได้จริงๆ Step-1 : Selection Degree of Mixing ก่อนอื่นต้องขอบอกว่าคำว่า Mixing Time ในนิยามนี้คือ เวลาที่ผสมแล้วเสร็จนะครับ ไม่ได้อ้างอิง Blending, Suspension, Dispersion ฯลฯ เพราะเวลาที่ใช้ผสมเสร็จแต่ละกระบวนการก็เรียกต่างกัน แต่เอาเป็นว่าอย่าทำเรื่องง่ายเป็นเรื่องยาก ก็ใช้คำว่า Mixing Time ก็จบครับ เข้าใจกันง่ายๆดี เราจะไม่หา Mixing Time แบบการใช้ Scale Up นะครับ เพราะถ้าทำแบบนั้น เราคงต้องทำ Existing Model ในแล๊ปกันตลอด ซึ่งในชีวิตจริงไม่มีใครทำกันครับ (เว้นแต่มันจำเป็นจริงๆ) หรือ หากจะศึกษาการหา Mixing Time โดยการใช้ Scale Up ก็สามารถหาอ่านได้ทั่วไปครับมีข้อมูลเยอะมากๆให้อ่านกัน, แต่เราจะพูดกันถึงในจุดที่ว่า...เราคือผู้ออกแบบและผลิต และ กรณีที่เราต้องสร้าง Mixing Tank ขนาด 5,000 ลิตร, แล้วเราจะต้องรับประกัน Mixing Time กับลูกค้า...แล้วเราจะทำอย่างไร...? Step-1 : Selection Degree of Mixing อ้างอิงการออกแบบตามแนวทางของ MISCIBLE, ผมจะแบ่ง Degree of Mixing ออกเป็น 5 ประเภท คือ 1. Keep Homogenizer 2. Slightly Blending 3. Medium Mixing 4. Strong Mixing 5. Solve Crystals ขั้นตอนในการเลือก Degree of Mixing จะเลือกหลังจากเราได้ออกแบบและคำนวณ Speed of Impellers เรียบร้อยแล้วครับ, จากนั้นเราจะมาเลือก Degree of Mixing ให้เหมาะกับ Mixing Task, ตรงนี้พูดตรงๆคือ ต้องอาศัยประสบการณ์จริงๆครับ ไม่มีตำราสรุปให้เป็นแน่เพราะงาน Mixing มันกว้างมากๆ มาดูวิธีการกันครับ Vessel Diameter : 2000 mm Liquid Level : 1591.55 mm Volume : 5000 Liters ขั้นตอนแรก : Volume Calculation ก็ทำตามปกติครับ ให้ได้ Working Volume ออกมาตามที่กระบวนการต้องการ, ตรงนี้จะใช้ Dimension ความยาวเฉพาะ เส้นผ่านศูนย์กลางถัง และ ระดับของเหลว เท่านั้น ขั้นตอนที่สอง : Speed Calculation ก่อนจะออกมาเป็น Output Speed นั้นต้องผ่านการคำนวณด้าน Mechanic มาแล้วทั้งหมดครับว่า หากเราจะใช้ Speed แค่นี้จะทำให้เพลาเราแกว่งมั้ย, ขนาดเพลาพอมั้ย, มีลูกปืนรับแบบไหน, ออกแบบ Housing Bearing แบบไหน ฯลฯ แล้วเราจะได้ Speed ออกมา, ตรงนี้ผมได้ Speed 300 RPM ครับ ขั้นตอนที่สาม : Selection Degree of Mixing 3.1 หากเลือก Keep Homogenizer เราจะคำนวณ Specific Torque in Nm/m^3 ได้เท่ากับ 0.15 และ เราจะคำนวณ Diameter of Impeller ได้เท่ากับ 235 mm ระยะ Pitch 235 mm เช่นกัน 3.2 หากเลือก Slightly Blending เราจะคำนวณ Specific Torque in Nm/m^3 ได้เท่ากับ 0.35 และ เราจะคำนวณ Diameter of Impeller ได้เท่ากับ 280 mm ระยะ Pitch 280 mm เช่นกัน 3.3 หากเลือก Solve Crystals เราจะคำนวณ Specific Torque in Nm/m^3 ได้เท่ากับ 3.2 และ เราจะคำนวณ Diameter of Impeller ได้เท่ากับ 435 mm ระยะ Pitch 435 mm เช่นกัน ครั้งต่อไปเราจะมาดู Step-2 และ สุดท้ายเราจะเอา Step-1,2 ไป หา Mixing Time ต่อไปครับ Sataporn Liengsirikul (Agitator Designer) Tel : 091.7400.555 www.miscible.co.th Email : miscible@miscible.co.th MISCIBLE TECHNOLOGY CO., LTD