ทำไม fixed-bed จึงวางตั้ง MO Memoir : Tuesday 27 December 2554

ผมเคยถามหลายคนที่ผ่านการเรียนการคำนวณหาค่าความดันลดคร่อม fixed-bed (หรือ packed bed หรือเบดนิ่ง) มาแล้วว่า "fixed-bed นั้นควรวางตั้ง (ของไหลไหลในแนวดิ่ง) หรือวางนอน (ของไหลไหลในแนวนอน) หรือจะวางอย่างไรก็ได้ ให้เหตุผลประกอบด้วย"

ปรากฏว่ามักจะตอบไม่ได้กัน

เราลองดูรูปที่ ๑ ข้างล่างกันก่อน ผมเอาขวดโหลพลาสติกมาใบหนึ่ง กรอกทรายลงไปจนล้น แล้วปาดที่ปากขวดโหลให้เรียบ (รูปทางด้านซ้าย) จะเห็นว่าระดับทรายนั้นเสมอกับขอบปากขวดโหล

จากนั้นก็หยิบขวดโหลเคาะกับพื้นเบา ๆ จะเห็นว่าทรายในขวดมีระดับลดลง ทั้ง ๆ ที่ทรายไม่ได้หกออกมาจากขวดโหล แต่การลดลงนั้นเกิดจากการที่ทรายอัดตัวกันแน่นมากขึ้น

รูปที่ ๑ (ซ้าย) โหลใส่ทรายก่อนการเคาะเบา ๆ (ขวา) หลังการเคาะเบา ๆ จะเห็นทรายยุบตัวลงไป

รูปที่ ๒ (ซ้าย) ถ้า fixed-bed วางตั้ง เมื่อเบดเกิดการยุบตัว ของแข็งที่บรรจุอยู่ในเบดยังคงอยู่เต็มพื้นที่หน้าตัดการไหล (ขวา) แต่ถ้าเบดวางนอน เมื่อเบดเกิดการยุบตัวจะทำให้เกิดช่องว่างทางด้านบนของเบด ของไหลจะไหลผ่านทางช่องว่างนั้นไป (เพราะมีความต้านทานการไหลที่ต่ำกว่า) โดยไม่ไหลผ่านเบด

เมื่อเราวาง fixed-bed ในแนวดิ่งนั้น เมื่อใช้งานไปเบดจะเกิดการยุบตัว แต่ของแข็งที่บรรจุในเบดเองก็ยังคงขวางทิศทางการไหลเอาไว้เต็มพื้นที่หน้าตัดการไหล ดังนั้นของไหลจึงยังไหลผ่านตัวของแข็งที่บรรจุอยู่ (รูปที่ ๒) แต่ถ้าเราวางเบดในแนวนอน เมื่อของแข็งเกิดการยุบตัวจะทำให้เกิดช่องว่างทางด้านบนของเบด ของไหลที่ไหลมาทางแนวนอนจะไหลออกทางช่องว่างด้านบนของเบดเพราะช่องทางนี้มีความต้านทานการไหลต่ำ ดังนั้นจะทำให้ไม่มีของไหลไหลผ่านของแข็งที่บรรจุในเบด

ทีนี้ถ้าหากเราวางเบดในแนวดิ่ง คำถามถัดมาก็คือของไหลที่ไหลผ่านเบดนั้น (เอาเพียงเฟสเดียวเท่านั้น) ควรจะไหลจาก "บนลงล่าง" หรือไหลจาก "ล่างขึ้นบน"

สำหรับ fixed-bed ส่วนใหญ่นั้นจะเป็นการไหลจาก "บนลงล่าง" เหตุผลก็เพราะการไหลจากบนลงล่างนั้นไม่ทำให้เกิดการฟลูอิไดซ์ (fluidisation) ไม่ว่าของไหลนั้นจะไหลด้วยความเร็วเท่าใดก็ตาม

ผมใช้คำว่า "ส่วนใหญ่" ในย่อหน้าข้างบน เพราะเคยเห็นบางระบบเหมือนกันที่ใช้การไหลจาก "ล่างขึ้นบน" แต่ก็เป็นส่วนน้อย เช่นพวกที่ต้องการให้มีการไหลกลับทิศทาง กรณีของของเหลวที่มีฟองแก๊สปนอยู่ ซึ่งการไหลจากล่างขึ้นบนจะช่วยให้ฟองแก๊สไหลสู่ด้านบนได้ง่ายกว่าการที่จะดันให้ฟองแก๊สไหลตามของเหลวจากบนลงล่าง แต่ทั้งนี้ต้องระวังเรื่องความเร็วของการไหลซึ่งจะต้องไม่มากจนทำให้ของแข็งในเบดหลุดลอยออกจากเบดไปได้