Article Specify The Static Mixer

การกำหนดคุณสมบัติของเครื่องกวนในท่อ

เครื่องกวน (Mixer หรือ Agitator) ทั่วไป แบ่งเป็น 3 ชนิด ดังนี้

1. เครื่องกวนแบบท่อ (Static mixer, SM, Motionless)
คืออุปกรณ์การผสมของสารสองชนิดขึ้นไปในท่อ โดยการทำให้สารที่จะผสมใหลสลับไปมาตามแนวขวาง ขวางทิศทางการไหลภายในท่อของ การใหลสลับไปสลับมาจะเกิดการผสมของสารเกิดขึ้น SM จะไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนใหว (Motionless) ไดๆ
SM จะประกอบด้วยแผ่นเหล็กหรือพลาสติก (อีลีเมนท์, Element) วางอยู่ในท่อ เพื่อทำหน้าที่เปลี่ยนทิศทางการใหลของสารไปในแนวแกนและแนวขวางสลับไปสลับมา เพื่อให้สารผสมกันมีคุณภาพตามต้องการ
SM ใช้ได้ในท่อ หอกลั่น (Column) ในถังปฏิกริยา (Reactor) เป็นต้น
SM ใช้ผสมของเหลวกับของเหลว ของเหลวกับแก๊ส ของเหลวกับของเหลวหนืด (Viscous liquid) เป็นต้น

2. เครื่องกวนแบบอินไลน์ (In line mixer, IM)
คือการให้สารที่จะผสมกันใหลผ่านอุปกรณ์อย่างต่อเนื่อง เวลาในการผสมสั้น มีลักษณะของปลั๊กอินโฟลว (Plug in flow) หรือการทำให้การใหลเท่ากันตลอดหน้าตัดของท่อ ไม่มีการผสมย้อนมาข้างหลัง (Minimal back mixing) IM ต่างกับ SM คือ IM จะมีชิ้นส่วนที่เคลื่อนใหว (Moving part)ได้

3. เครื่องกวนแบบหมุน (Dynamic mixer (DM) หรือ Agitator)
คือการผสมที่ใช้ในการผสมของสารตั้งแต่สองสารขึ้นไปในถังกวน โดยใช้ใบพัดหมุน (Impeller) กวนให้เกิดการใหลของสารที่จะผสมปั่นป่วน (Turbulent) จนผสมกัน ใบพัดจะถูกทำให้หมุนให้สารกวนผสมกันด้วยความเร็วรอบที่ค่อนข้างสูงด้วยตัวขับ (Drive) เช่นมอเตอร์ ลม เป็นต้น

หลักการใช้งาน (Principle of operation) ของ SM

SM เป็นอุปกรณ์ที่ใส่เข้าในระบบท่อเพื่อผสม หรือกวนของใหล (Liquid, Fluid) ต่างชนิด มากกว่าสองอย่างเข้าด้วยกัน ให้ผสมเข้ากันเป็นเนื้อเดียวกัน (Homogeneous) โดยการเปลี่ยนทิศทางการใหลของของเหลวให้สลับกันไปมา เพื่อแยกตัว รวมตัวใหม่ กระจายออก หมุน หรือทำให้เกิดแยกเป็นชั้นในระหว่างการใหลผ่านกันของสารที่จะผสมกันภายในตัวกวนแบบท่อ สารที่ใหลกลับไปกลับมาเช่นนี้ก่อให้เกิดการผสมจนเป็นเนื้อเดียวกัน (Homogeneous)

รุปแสดงการทำงานผสมสารโดย SM

รูปแสดงลักษณะการกวน

การกวนอาจจะทำได้หลายๆสาร โดยการทำท่อฉีดเข้าเพิ่มเข้าไปตัว SM

สมรรถนะของเครื่องกวนสามารถทำนายได้จากปริมาณเปอเซ็นต์ของการใหลจาก ความหนืด และความหนาแน่น ของๆเหลว และเส้นผ่าศูนย์กลางของท่อที่ใช้ การเลือกใช้อีลิเมนท์ในเครื่อกวนแบบ SM ก็มีหลายแบบแล้วแต่การออกแบบและประสบการณ์ของผู้ออกแบบ

รูปแสดงรูปร่างของ SM และอีลีเมนท์ภายใน

ชนิดของ SM

1. แบบการใหลราบเรียบ (Laminar flow)
2. แบบการใหลแบบยุ่งเหยิง (Turbulent flow)

ความยาวของ SM และการออกแบบการใหลภายใน SM จะไม่มีเหมือนกัน เพราะต้องการเวลาสัมผัส การกวนไม่เท่ากัน
ลักษณะของอีลิเมนท์ (Element) หรือใส้ในของ SM มีหลายแบบ หลายรูปร่าง ตามแต่การการออก ตามความรู้ ทักษะ และประสบการณ์ของผู้ผลิต

การใช้ SM และวัสดุที่ใช้สร้าง

• PVC SM ใช้กับความดันและอุณหภูมิต่ำ
• FRP SM ใช้กับโรงงานเคมี และที่ที่มีการกัดกร่อนสูง
• Lined SM ใช้กับโซดาไฟ ซึ่งมีการกัดกร่อนสูง
• Wafer SM ใช้สำหรับโรงกำจัดน้ำเสียและอุตสาหกรรมน้ำมัน
• Non-Clogging SM หรือ Hi-Pass SM ใช้กับอุตสาหกรรมโพลีเมอร์

วัสดุที่ใช้ทำจะเป็น PVC, GRP, uPVC, cPVC, PTFE, Carbon steel, Stainless steel, Alloy steel, Exotic alloy,Tantalum,….Etc. แล้วแต่ชนิดของการใช้งาน

การออกแบบเครื่องกวนแบบท่อ (SM) ต้องมีข้อมูลเหล่านี้

1. สารที่ต้องการกวน (Component to be mixed)
ลิสท์ขอบเขต (Range) ของปริมาณการใหล
(Flow rate) และคุณสมบัติ (Physical properties) ของแต่ละสาร (ความถ่วงจำเพาะ (Specific gravity) และความหนืด (Viscosity)) ความดันและอุณหภูมิที่ใช้งาน และสภาวะที่บรรยากาศ (State the ambient)

2. คุณภาพของการผสม (Mixture quality)
ต้องระบุคุณภาพของการผสม (Mixture quality) ให้แน่ชัด

Mixture quality กำหนดโดยค่าสัมประสิทธ์หรือแฟคเตอร์ของตัวแปร (Variation coefficient, CoV) โดยทั่วไปใช้ค่า 0.5 จะทำให้การกวนเข้ากันได้ดี (Homogeneous) ค่าสัมประสิทธ์ของตัวแปรปรกติจะใช้ค่า 0.1-0.5 เป็นเป้าหมาย ค่ายิ่งน้อยจะมีคุณภาพของการกวนได้ดียิ่งขึ้น

CoV is defined as:

where:
c : average measured concentration of the additive
cmean : theoretical mean concentration
ci : local concentration of the additive at the ith measurement position
N : number of position where the concentrate is measured

ต้องการกวนที่มีคุณภาพสูงสุดตลอดช่วงของการใหล (Flow range) จะต้องกำหนดเวลากวน (Resident time) ที่อยู่ในเครื่องกวน กำหนดจุดวัดที่จุดออกของเครื่องกวนหรือจุดวัดที่ใกล้ที่ท่อใกลออกไป (Downstream)

• หย่าใช้ค่าความดันตกในการวัดสมรรถนะ เพราะไม่เกี่ยวกับคุณภาพของการกวน
• ห้ามใช้คำที่วัดไม่ได้ เป็นนามธรรม ในการวัดคุณภาพการกวน เช่นกวนให้ดีที่สุด เป็นต้น
• อย่าใช้ G - factor เพราะไม่เกี่ยวกันกับสมรรถนะ
• ระบุค่าคุณภาพของการกวน เช่นค่าสัมประสิทธ์ของการเปลี่ยนแปลง (CoV) ให้ระบุเวลากวนหรือจุดวัดปลายทางของความต้องการค่าสัมประสิทธ์ของการเปลี่ยนแปรง

3. การออกแบบทางกล (Mechanical design details)

 เส้นผ่าศูนย์กลางของท่อที่ทำ SM คุณสมบัติของข้อต่อ (Size and Rating) ความดันที่ลดลง (Pressure drop) ที่ยอมรับได้ วัสดุทำท่อและอีลีเมนท์ และเงื่อนไขของการออกแบบ รวมทั้งลักษณะของจุดฉีดการฉีดสารที่ผสมที่ต้องการ

ขั้นตอนการเลือกเครื่องกวนแบบท่อ

SM เลือกง่ายๆโดยสูตรคำนวณ (Available formula) และชาร์ทความดันตก (Pressure drop chart) การเลือกจะทำโดยไกด์ไลน์ข้างล่างนี้ แต่การเลือกขั้นสุดท้ายจะทำโดย AE

1. เลือกชนิดของเครื่องกวนโดยใช้ Motionless Table

2. กำหนดขนาดเส้นผ่าศูนกลางของ SM
คำนวณเส้นผ่าศูนย์ของท่อทำ SM
ใช้สูตร D = Q/PHI*V
ความยาว SM ที่ต้องการขึ้นกับเรโนล์นัมเบอร์ (Reynold number) และค่าคุณภาพของการกวน (Mixing quality) ที่ต้องการ

3. ประเมินค่าความดันตก (Pressure drop)
รูปแสดงค่าของความดันที่สญเสียระหว่างการผสมผ่าน SM

การคำนวณค่าเรโนล์นัมเบอร์
1. Compute the Reynolds Number:
NRe = 6.31w = 3,161 Q * sg
µD µD
2. NRe = Reynolds number dimensionless
D = Inside diameter of mixer housing, inches
Q = Volumetric flow rate, gallons/minute
w = Mass flow rate, pounds/hour
sg = Specific gravity
µ = Absolute viscosity, centipoise
3. If NRe < 500 the flow is laminar. Use relevant curve to estimate the pressure drop per element. If NRe > 500, the flow is turbulent. The pressure drop per element is estimated from relevant curve.

4 หาความดันตกต่อเอลีเมนท์คูณด้วยจำนวนเอลีเมนท์ เพื่อหาค่าความดันตกผ่านเครื่องกวน
5 ประเมินค่าความดันตกต้องใช้แฟคเตอร์ของคุณสมบัติทางฟิสิคส์ในการปรับแต่ง (Correction) ดังข้างนี้
For turbulent flow, multiply the estimated pressure drop by the specific gravity and the correction factor K from the table below to obtain the actual pressure drop.

For laminar flow, the pressure drop is proportional to the viscosity. Since curve are based on a fluid having a viscosity of 10,000 cps, the actual pressure drop is calculated as follows

Acutual Pressure Drop = Viscosity in cps 10,000 X est. pressure driop

6. กำหนดค่าความดันตก (LLPD) โดยการคูณค่าความดันตก LPD ในการใหลแบบราบเรียบ (Laminar flow) LPD และ LLPD จะมีค่าคล้ายกัน
7. ถ้าค่าความดันตกมากกว่าค่าที่ยอมรับได้ (Allowable value) ให้ทำซ้ำๆในขั้นตอนข้างต้นอีกครั้ง โดยใช้เส้นผ่าศูนย์กลางที่ใหญ่ขึ้น

ลักษณะโครงสร้างของ SM

ประโยชน์ (Benefits)

1. SM มีประสิทธิภาพสูง ทำให้การสิ้นเปลืองของสารผสมน้อย
2. ไม่ต้องการถัง เครื่องกวน (DM) ไม่ชิ้นส่วนที่เคลื่อนใหว ไม่ต้องเปลี่ยนอะไหล่ ไม่สิ้นเปลืองพลังงาน
3. ติดตั้งกับระบบเดิมโดยไม่ทำให้เสียกำลังผลิต เพียงแต่มีความดันของระบบลดสงบ้าง
4. ติดตั้งง่ายมาก
5. ไม่ต้องการบำรุงรักษา เพราะไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนใหว
6. ขนาดเท่ากับท่อมาตรฐานที่ใช้ในอุตสาหกรรม
7. สามารถออกแบบให้ได้คุณภาพของการกวนที่ต้องการของกระบวนการผลิตได้ง่าย

เครื่องกวนใช้ที่ไหนบ้าง

1. โรงงานเคมี
2. บ่อผลิตน้ำมันและแก๊ส โรงกลั่นน้ำมัน และโรงแยกแก๊ส
3. โรงงานปิโตรเคมี
4. โรงผลิตไฟฟ้า
5. โรงกลั่นน้ำจากทะเล
6. เหมืองแร่
7. โรงงานผลิตอาหารและเครื่องดื่ม
8. โรงกำจัดน้ำเสีย
9. โรงงานผลิตกระดาษ

SM ต้องออกแบบและประกอบจากผู้มีความรู้ มีทักษะ และมีประสบการณ์ ต้องเลือกใช้จากผู้ผลิตที่มีชื่อเสียง ใว้ใจได้ มีการพิสูจน์ติดตั้งใช้งานในโรงงานทั่วโลก มีการทดสอบและรับรองจากสถาบันที่เชื่อถือได้ มิฉนั้นแล้วคุณภาพของการกวน (Mixture quality) จะทำไม่ได้ตามความต้องการของกระบวยการผลิต ทำให้คุณภาพของผลิตภัณฑ์ที่ผลิตมีปัญหา

คำถามสำหรับผู้ออกแบบเครื่องกวนแบบท่อ (Static mixer sizing questionnaire)