EN
การเลือกเครื่องกวนที่เหมาะสมสำหรับรีแอคเตอร์แบบมีเปลือกหุ้มสแตนเลสของคุณ ถือเป็นหนึ่งในการตัดสินใจด้านวิศวกรรมที่สำคัญที่สุดที่คุณจะต้องทำ เครื่องกวนคือหัวใจของการผสม เพราะมันกำหนดประสิทธิภาพของปฏิกิริยา คุณภาพของผลิตภัณฑ์ และต้นทุนพลังงาน หากเลือกเครื่องกวนที่ไม่สอดคล้องกับระบบอาจก่อให้เกิดโซนที่ไม่มีการไหล (dead zones) การควบคุมอุณหภูมิอย่างไม่สม่ำเสมอ และการผลิตที่ล้มเหลว ในทางกลับกัน การเลือกเครื่องกวนที่เหมาะสมจะช่วยให้การถ่ายโอนมวลมีประสิทธิภาพสูงสุด การให้ความร้อนหรือระบายความร้อนอย่างสม่ำเสมอ และการขยายขนาดจากห้องปฏิบัติการสู่การผลิตจริงได้อย่างเชื่อถือได้
คู่มือนี้จะนำคุณผ่านกระบวนการเลือกเครื่องกวนอย่างเป็นระบบ โดยจับคู่ประเภทของใบพัดกับวัตถุประสงค์ของกระบวนการและคุณสมบัติของของไหล
ก่อนที่จะลงลึกในประเภทของใบพัด คุณจำเป็นต้องประเมินสามปัจจัยพื้นฐานของแอปพลิเคชันของคุณ ดังนี้ วัตถุประสงค์ของกระบวนการของคุณ , คุณสมบัติของของไหลของคุณ , และ รูปแบบการไหลที่ต้องการ .
คุณต้องการบรรลุอะไรจากการกวน? วัตถุประสงค์ที่แตกต่างกันต้องการลักษณะการเคลื่อนที่ของของไหลที่ต่างกัน :
การผสมของเหลว-ของเหลว การสร้างส่วนผสมที่สม่ำเสมอของของเหลวที่สามารถผสมกันได้ต้องอาศัยการพลิกกลับของมวลสารจำนวนมากและการไหลตามแนวแกนอย่างมีประสิทธิภาพ
การแขวนลอยของแข็ง การรักษาอนุภาคของแข็งให้แขวนลอยอยู่ในของเหลวต้องอาศัยกระแสการไหลในแนวดิ่งที่แรงเพื่อป้องกันไม่ให้อนุภาคตกตะกอน
การกระจายก๊าซ การแยกก๊าซออกเป็นฟองเล็กๆ เพื่อใช้ในปฏิกิริยาต่างๆ เช่น การไฮโดรจิเนชัน ต้องอาศัยแรงเฉือนเฉพาะที่สูง
การเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน การเคลื่อนย้ายของไหลผ่านเปลือกหุ้มหรือขดลวดภายในต้องอาศัยรูปแบบการไหลที่สัมผัสผนังภาชนะอย่างทั่วถึง
การเหนียวเคมี การสร้างอิมัลชันที่เสถียรต้องอาศัยแรงเฉือนที่ควบคุมได้เพื่อให้ได้ขนาดหยดน้ำที่ต้องการ
แต่ละวัตถุประสงค์นี้บ่งชี้ถึงเรขาคณิตของใบพัดที่แตกต่างกัน
คุณสมบัติของของไหล—โดยเฉพาะความหนืด—เป็นปัจจัยหลักเพียงปัจจัยเดียวที่กำหนดว่าใบพัดแบบใดจะให้ผลลัพธ์ที่มีประสิทธิภาพ .
ความหนืดต่ำถึงปานกลาง (< 50,000 cP) ของไหลประเภทนี้มีพฤติกรรมคล้ายน้ำหรือน้ำมันเบา ใบพัดแบบเทอร์ไบน์หรือไฮโดรฟอยล์มาตรฐานทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในสภาวะการไหลแบบปั่นป่วน (turbulent regime) การติดตั้งแผ่นกั้น (baffles) เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อป้องกันการเกิดเวิร์ตекс (vortexing) และให้การผสมเป็นไปอย่างเหมาะสม
ความหนืดสูง (≥ 50,000 cP) พาสต์หนา โพลิเมอร์ และสารแขวนลอยหนักมีพฤติกรรมที่แตกต่างออกไป ใบพัดเทอร์ไบน์แบบเปิดจะเพียงแต่เจาะรูในของไหลโดยไม่สามารถเคลื่อนย้ายมวลสารส่วนใหญ่ได้ ดังนั้นการใช้งานเหล่านี้จึงต้องอาศัย ใบพัดแบบระยะห่างแคบ (close-clearance impellers) เช่น ใบพัดแบบแองเคอร์หรือริบบอนแบบเกลียว (helical ribbons) ซึ่งสัมผัสและกวาดผนังภาชนะโดยตรง และทำงานในสภาวะการไหลแบบชั้น (laminar regime) .
สำหรับของไหลแบบนอน-นิวโทเนียน (non-Newtonian fluids)—คือของไหลที่ความหนืดเปลี่ยนแปลงตามอัตราการเฉือน (shear rate)—การเลือกใบพัดจะซับซ้อนยิ่งขึ้น ของไหลประเภทนี้จำเป็นต้องพิจารณาพฤติกรรมเรโอลอจิกอย่างรอบคอบ โดยมักต้องใช้การออกแบบแบบระยะห่างแคบเพื่อรักษาการเคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งภาชนะ .
ใบพัดสร้างรูปแบบการไหลหลักสองแบบ :
กระแสแกน : ของไหลถูกดันลงด้านล่างไปยังก้นถัง จากนั้นไหลขึ้นตามผนังภาชนะ ซึ่งทำให้เกิดการหมุนเวียนจากด้านบนถึงด้านล่างอย่างมีประสิทธิภาพ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผสมและการแขวนอนุภาคของแข็ง ใบพัดไฮโดรฟอยล์และใบพัดแบบเอียง (pitched-blade) สร้างการไหลในแนวแกน (axial flow)
การไหลแบบรัศมี (Radial Flow) : ของไหลถูกปล่อยออกสู่ภายนอกไปยังผนังภาชนะ ทำให้เกิดแรงเฉือนสูงบริเวณใบพัด เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการกระจายก๊าซและการทำอิมัลชัน ใบพัดรัสตัน (Rushton turbine) สร้างการไหลแบบรัศมี
ใบพัดไฮโดรฟอยล์ (Hydrofoil Impellers) : ใบพัดชนิดนี้เป็นมาตรฐานสมัยใหม่สำหรับการผสมของเหลวอย่างมีประสิทธิภาพ โดยใบพัดที่มีรูปร่างโค้งและออกแบบมาเฉพาะจะสร้างการไหลในแนวแกนได้อย่างแข็งแรง พร้อมใช้พลังงานต่ำมาก (ค่ากำลัง (power number) ต่ำสุดเพียง 0.30) จึงเป็นทางเลือกที่ประหยัดพลังงานที่สุดสำหรับการผสมและปฏิบัติการผสมทั่วไป .
ใบพัดแบบเอียง (Pitched-Blade Turbines: PBT) เป็นอุปกรณ์ผสมที่มีความหลากหลายและใช้งานได้ดีในงานทั่วไป ใบพัดแบบแบนมีการตั้งมุมไว้ประมาณ 45° เพื่อสร้างการไหลตามแกน (axial flow) ที่มีกำลังแรงพร้อมส่วนประกอบของการไหลรัศมี (radial component) โดยมีค่าพลังงาน (power number) ประมาณ 1.30 ใบพัดชนิดนี้ให้ผลดีเยี่ยมในการกระจายของแข็งให้ลอยตัว (solid suspension) และการผสมทั่วไป สำหรับการใช้งานกับของไหลที่มีความหนืดสูงในช่วงต่ำสุดของสเปกตรัม ใบพัด PBT ที่หมุนช้าอาจเหมาะสมกว่า .
เทอร์ไบด์แบบรัสตัน เป็นใบพัดแบบคลาสสิกที่ให้แรงเฉือนสูงและสร้างการไหลแบบรัศมี (radial-flow) โดยมีค่าพลังงานประมาณ 5.00 ซึ่งใช้พลังงานมากกว่าใบพัดแบบไหลตามแกนอย่างมีนัยสำคัญ แต่ให้ประสิทธิภาพสูงสุดในการกระจายก๊าซ (gas dispersion) โดยทำให้ก๊าซแตกตัวเป็นฟองเล็กๆ เพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างก๊าซกับของเหลวให้มากที่สุด .
ข้อพิจารณาในการเลือก มีความสัมพันธ์แบบตรงกันข้าม (trade-off) ระหว่างประสิทธิภาพในการส่งผ่านของไหล (pumping efficiency) กับความเข้มข้นของแรงเฉือน (shear intensity) โดยใบพัดไฮโดรฟอยล์ (hydrofoil) จะให้การไหลสูงสุดด้วยพลังงานต่ำสุด ในขณะที่เทอร์ไบด์แบบรัสตันจะให้แรงเฉือนสูงสุดแต่ใช้พลังงานมาก ดังนั้นควรเลือกใบพัดที่มีค่าพลังงานต่ำที่สุดที่ยังสามารถบรรลุผลลัพธ์ของกระบวนการที่ต้องการได้ เพื่อลดทั้งต้นทุนการลงทุน (capital cost) และต้นทุนการดำเนินงาน (operating cost) .
ใบพัดแบบแองเคอร์ การออกแบบแบบสองใบพัดที่เรียบง่าย ซึ่งกวาดใกล้ผนังของถัง เพื่อปรับปรุงการผสมและเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนที่ผิวของชั้นเปลือกหุ้ม (jacket) เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานที่มีความหนืดปานกลางถึงสูง โดยยังสามารถผสมจากด้านบนลงล่างได้บางส่วน .
ใบพัดแบบเกลียวริบบอน (Helical Ribbon Impellers) ตัวเลือกที่เหนือกว่าสำหรับของไหลที่มีความหนืดสูงมาก ริบบอนด้านนอกทำหน้าที่ขูดผนังถังและดันของไหลขึ้นไปด้านบน ในขณะที่ริบบอนหรือสกรูด้านในจะดันของไหลลงมาตามศูนย์กลาง ส่งผลให้เกิดการหมุนเวียนของวัสดุอย่างมีประสิทธิภาพและคาดการณ์ได้ แม้แต่ในวัสดุที่โดยปกติแล้วไม่สามารถไหลได้ จำเป็นอย่างยิ่งสำหรับการประมวลผลพอลิเมอร์หรือพาสต์ที่มีความหนืดสูง .
หมายเหตุเกี่ยวกับขนาด สำหรับระบบที่มีความหนืดสูงเกิน 25,000 cP จะต้องใช้ใบพัดที่มีระยะห่างจากผนังถังน้อยมาก (close-clearance impellers) ซึ่งทำงานภายใต้สภาวะการไหลแบบลามินาร์ (laminar regime) เพื่อให้มั่นใจว่าจะเกิดการเคลื่อนที่ของมวลสารโดยรวม ปั๊มแรงเหวี่ยงมาตรฐานมักสามารถจัดการกับความหนืดสูงสุดได้เพียง 800 cP เท่านั้น เมื่อเกินค่านี้จึงจำเป็นต้องใช้ใบพัดเฉพาะสำหรับของไหลที่มีความหนืดสูง .
ปฏิกิริยาแต่ละประเภทมีความต้องการในการคนที่แตกต่างกัน:
| ประเภทของการทำปฏิกิริยา | ใบพัดที่แนะนำ | เหตุผลสนับสนุน |
|---|---|---|
| การผสมของเหลวและการละลาย | ไฮโดรฟอยล์ | การไหลตามแนวแกนอย่างมีประสิทธิภาพ ใช้พลังงานต่ำ |
| การแขวนตัวของของแข็งและสารแขวนลอย | เทอร์ไบน์แบบใบมีดเอียง | การไหลตามแนวแกนที่แรงช่วยป้องกันการตกตะกอน |
| ปฏิกิริยาระหว่างก๊าซกับของเหลว (การเติมไฮโดรเจน การออกซิเดชัน) | เทอร์ไบน์รัสตัน | แรงเฉือนสูงสำหรับการกระจายฟองเล็กๆ อย่างสม่ำเสมอ |
| การพอลิเมอไรเซชันของสารที่มีความหนืดสูง | ริบบอนแบบเกลียว | การไหลเวียนเชิงบวกในภาวะการไหลแบบชั้น |
| ปฏิกิริยาที่ไวต่ออุณหภูมิ | เครื่องกวนแบบแอนคอร์พร้อมแผ่นกั้น | กวาดผนังเพื่อให้การถ่ายเทความร้อนสม่ำเสมอ |
| วัฒนธรรมทางชีวภาพที่ไวต่อแรงเฉือน | ใบพัดไฮโดรฟอยล์ (ความเร็วปลายต่ำ) | หลีกเลี่ยงความเสียหายต่อเซลล์ |
การเลือกขนาดเครื่องกวนที่เหมาะสมต้องพิจารณาพารามิเตอร์ไม่มีหน่วยที่สำคัญ :
จำนวนเรย์โนลด์ของอิมพีลเลอร์ กำหนดโหมดการไหล
Re = (D² × N × ρ) ÷ μ
Re < 10: การไหลแบบลามินาร์
Re > 10,000: การไหลแบบก่อกวน
ค่าระหว่างนั้น: การไหลแบบเปลี่ยนผ่าน
ค่าตัวเลขกำลัง คงที่ในโหมดการไหลแบบก่อกวน ใช้คำนวณกำลังที่ใช้
อัตราส่วนเส้นผ่านศูนย์กลางอิมพีลเลอร์ต่อเส้นผ่านศูนย์กลางถัง (D/T) โดยทั่วไปเท่ากับ 0.33 สำหรับการผสมแบบมาตรฐาน
หลักการประมาณความต้องการกำลังขับ เลือกมอเตอร์ให้มีขนาดที่กำลังขับขณะใช้งานไม่เกิน 85% ของกำลังขับสูงสุดที่ระบุไว้ หลักการ 85% นี้คำนึงถึงแรงบิดเริ่มหมุน ความหนืดที่เพิ่มขึ้นระหว่างปฏิกิริยา และระยะปลอดภัยสำหรับเหตุการณ์ผิดปกติในกระบวนการ การเลือกมอเตอร์ที่มีขนาดเล็กเกินไปจะทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไปและเสียหาย ในขณะที่การเลือกมอเตอร์ที่มีขนาดใหญ่เกินไปจะสิ้นเปลืองทั้งต้นทุนและการใช้พลังงาน
สำหรับการใช้งานที่ของเหลวมีความหนืดต่ำ ถังที่ไม่มีแผ่นกันหมุนจะเกิดเวิร์ตекс (vortex) คือของเหลวจะหมุนตามใบพัดโดยไม่มีการผสมอย่างแท้จริง .
แผ่นกั้นลม —แผ่นแนวตั้งที่ติดตั้งบนผนังถัง—มีความจำเป็นอย่างยิ่งในการหยุดการหมุนดังกล่าว และเปลี่ยนการไหลแบบวนเป็นการไหลตามแนวแกน (axial flow) หรือการไหลแบบรัศมี (radial flow) ตามที่ต้องการ ตามมาตรฐานการปฏิบัติงานในอุตสาหกรรมทั่วไป จะใช้แผ่นกันหมุนจำนวน 4 แผ่น โดยแต่ละแผ่นมีความกว้างเท่ากับ 1/12 ถึง 1/10 ของเส้นผ่านศูนย์กลางถัง .
สำหรับการใช้งานที่ของเหลวมีความหนืดสูงซึ่งใช้ใบพัดชนิด close-clearance มักไม่จำเป็นต้องติดตั้งหรือใช้แผ่นกันหมุน
เครื่องกวนของท่านต้องสามารถทนต่อสภาพแวดล้อมทางเคมีได้ สำหรับถังแบบมีชั้นหุ้มสแตนเลส หม้อปฏิกิริยา เกรดวัสดุที่นิยมใช้ ได้แก่:
สแตนเลสเกรด 304 : เหมาะสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมอาหาร การบำบัดน้ำ และเคมีภัณฑ์ขั้นสูงที่ไม่มีสารกัดกร่อนรุนแรง
สแตนเลสสตีลเกรด 316L : มีโมลิบดีนัม (2–3%) ซึ่งให้ความต้านทานต่อคลอไรด์และฮาไลด์ได้ดีเยี่ยม แนะนำสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมยา ชีวเทคโนโลยี และงานทางทะเล
ฮาสเทลลอยด์ ซี-276 : สำหรับสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูงมาก ซึ่งเกินความสามารถของเหล็กกล้าไร้สนิม
การขยายขนาดจากห้องปฏิบัติการไปสู่ระดับการผลิตจริงเป็นหนึ่งในขั้นตอนที่ท้าทายที่สุดของการระบุคุณสมบัติของเครื่องกวน คุณไม่สามารถรักษาพารามิเตอร์แบบไม่มีหน่วยทั้งหมดให้คงที่พร้อมกันได้เมื่อเริ่มเพิ่มขนาดเรือปฏิบัติการ .
กลยุทธ์ทั่วไปในการขยายขนาด :
กำลังต่อหน่วยปริมาตรคงที่ (P/V) : รักษาอัตราการเกิดปฏิกิริยาไว้ได้ แต่ทำให้ความเร็วปลายใบพัดเพิ่มขึ้นเมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้น ซึ่งอาจทำลายวัสดุที่ไวต่อแรงเฉือน
ความเร็วปลายใบพัดคงที่ : ปกป้องวัสดุที่ไวต่อแรงเฉือน แต่อาจลดความสามารถในการถ่ายโอนมวล
จำนวนเรย์โนลด์สคงที่ ยากที่จะบรรลุผลสำหรับการเปลี่ยนแปลงในขนาดใหญ่
วิธีที่ดีที่สุดขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์หลักของกระบวนการคุณ สำหรับการถ่ายโอนมวล (เช่น การกระจายก๊าซ) ให้รักษาระดับความดันต่อปริมาตร (P/V) ให้คงที่ สำหรับกระบวนการที่ควบคุมด้วยแรงเฉือน (เช่น การเพาะเลี้ยงเซลล์ หรือสารแขวนลอยผลึก) ให้รักษาระดับความเร็วปลายใบพัดให้คงที่
การเลือกเครื่องกวนที่เหมาะสมสำหรับสแตนเลสของคุณ เครื่องปฏิกรณ์แบบมีแจ็คเก็ต ต้องใช้วิธีการอย่างเป็นระบบ:
กำหนดวัตถุประสงค์ของกระบวนการคุณ —คุณต้องการบรรลุสิ่งใด
ระบุลักษณะของของไหล —ความหนืดและพฤติกรรมการไหลเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุด
เลือกประเภทของใบพัดให้สอดคล้องกับการใช้งาน —การไหลตามแกน (axial flow) เหมาะสำหรับการผสมและการทำให้วัสดุลอยตัว การไหลแบบรัศมี (radial flow) เหมาะสำหรับการกระจายก๊าซ และการไหลแบบระยะห่างใกล้ (close-clearance) เหมาะสำหรับของไหลที่มีความหนืดสูง
ออกแบบขนาดให้เหมาะสม —ใช้ตัวเลขไม่มีหน่วยและกฎกำลังร้อยละ 85
พิจารณาการขยายขนาด —วางแผนสำหรับการเปลี่ยนผ่านจากห้องปฏิบัติการสู่การผลิตจริง
ระบุวัสดุที่เข้ากันได้ —เลือกโลหะผสมให้สอดคล้องกับสภาพแวดล้อมทางเคมีของคุณ
เครื่องกวนที่เลือกอย่างเหมาะสมไม่เพียงแต่ทำหน้าที่คนส่วนผสมเท่านั้น แต่ยังช่วยรับประกันคุณภาพผลิตภัณฑ์ที่สม่ำเสมอ ลดการใช้พลังงาน และยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ของคุณอีกด้วย ใช้เวลาในการเลือกให้เหมาะสม และหม้อปฏิกิริยาแบบมีปลอกสแตนเลสของคุณจะทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุดเป็นเวลานานหลายปี
