การประยุกต์พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณเพื่อทำนายสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนออกซิเจนเชิงปริมาตรรวมของระบบ อากาศ-น้ำ ในถังกวนรัชทอนเทอร์ไบน์คู่แบบไม่มาตรฐาน

Abstract

กระบวนการหมักเป็นกระบวนการที่พบได้มากในอุตสาหกรรม โดยทั่วไปแล้วนิยมใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบถังกวนที่มีการป้อนออกซิเจนเข้าสู่ระบบเพื่อให้เซลล์ในระบบทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในการขยายขนาดของถังหมักนั้น นอกจากจะต้องคำนึงถึงสภาวะ well mixed แล้ว อัตราการถ่ายโอนออกซิเจนภายในระบบ เป็นอีกตัวแปรหนึ่งที่ต้องคำนึงถึง ในการทดลองขยายขนาดโดยการกำหนดอัตราการถ่ายโอนออกซิเจนคงที่ พบว่าผลิตภัณฑ์ที่ได้มีคุณภาพแย่ลง อย่างไรก็ตาม ในการขยายขนาดดังกล่าวมีการเปลี่ยนแปลงของระยะระหว่างใบปั่นกวน และความสูงของของไหลทำงานที่ใช้ งานวิจัยนี้จึงมีจุดประสงค์ที่จะศึกษาผลการเปลี่ยนแปลงของสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนออกซิเจนเชิงปริมาตรที่เกิดขึ้นภายในถังกวนระบบน้ำ-อากาศที่ติดตั้งใบปั่นกวนแบบรัชทอนเทอร์ไบน์คู่ โดยใช้พลศาสตร์การไหลเชิงคณนา (CFD) ในการทำนายพลศาสตร์ที่เกิดขึ้นภายในระบบ โดยใช้แบบจำลอง Eulerian และแบบจำลองความปั่นป่วน k-ϵ ร่วมกับสมการ population balance ผลการสอบเทียบสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนออกซิเจนเชิงปริมาตรรวมของระบบ จากแบบจำลองกับผลการทดลอง พบว่ามีแนวโน้มสอดคล้องกัน และมีความคลาดเคลื่อนไม่เกินร้อยละ 10 ผลการทำแบบจำลองพบว่าการเปลี่ยนแปลงระยะระหว่างใบปั่นกวนจะไม่ส่งผลต่อลักษณะการไหลของวัฏภาคน้ำ และอากาศภายในระบบ จะไม่ส่งผลให้สัมประสิทธิ์การถ่ายโอนออกซิเจนเชิงปริมาตรภายในระบบเปลี่ยนแปลง ในส่วนของการเปลี่ยนแปลงความสูงของของไหลในระบบ พบว่าไม่ส่งผลต่อค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนออกซิเจนเชิงปริมาตรเฉพาะที่ภายในระบบ แต่เนื่องจากระดับของใบปั่นกวนไม่เปลี่ยนแปลงตามความสูงน้ำที่เพิ่มขึ้น ส่งผลให้ระบบที่มีความสูงของน้ำอยู่ใกล้กับใบปั่นกวนมีแนวโน้มของสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนออกซิเจนเชิงปริมาตรรวมของระบบสูงกว่า นอกจากนี้ที่ระดับความสูงของน้ำใกล้กับใบปั่นกวนมาก ๆ จะส่งผลให้ลักษณะการไหลที่เกิดจากใบปั่นกวนเปลี่ยนไป ทำให้กำลังที่ใช้มีค่าลดน้อยลงด้วย