STKC 2553

การก่อสภาพของไหล (Fluidization)

เชาวเลข ชยวัฒนางกูร
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

ปัจจุบันเทคโนโลยีต่าง ๆ มีความเจริญก้าวหน้าอย่างมาก รวมทั้งการอนุรักษ์พลังงาน การประหยัดพลังงานในโรงงาน อุตสาหกรรม การใช้พลังงานชนิดต่าง ๆ อย่างเหมาะสมกับสภาพของโรงงานอุตสาหกรรมนั้น ๆ เพื่อประหยัดพลังงาน และลดค่าใช้จ่ายให้สิ้นเปลืองน้อยที่สุด

การก่อสภาพของไหล หรือ ฟลูอิไดเซชัน (fluidization) เป็นเทคนิคใหม่ที่ได้รับความสนใจในวงการอุตสาหกรรม เช่น การตากแห้ง การทำเม็ดนมผงให้โตขึ้น

คำว่า การก่อสภาพของไหล เป็นนิยามที่ใช้อธิบายกระบวนการหรือวิธีการ ที่มีของแข็งลักษณะเป็นเม็ด สัมผัสกับ ของไหล เม็ดเหล่านี้จะถูกวางไว้บนตะแกรงในหอทดลองที่มีรูปร่างเป็นทรงกระบอก แต่ในปัจจุบันมีการดัดแปลง ให้อยู่ในรูปร่างต่าง ๆ อยู่ในแนวนอนก็มี ของไหลที่ใช้ก็มีแก๊ส หรือ ของเหลว ปล่อยให้ผ่านมาทางด้านล่างของตะแกรง ที่รองรับเม็ดของแข็ง ของไหลก็จะไหลผ่านชั้นเม็ดของแข็ง แล้วไหลออกทางส่วนบนของหอทดลอง เมื่อเพิ่มความเร็ว ของไหลให้มากขึ้นเรื่อย ๆ จนในที่สุดจะเห็นเม็ดของแข็งขยับตัว และลอยตัวขึ้นเป็นอิสระไม่เกาะติดกัน ของแข็งที่อยู่ ในลักษณะนี้ จะมีสมบัติคล้ายของไหล กล่าวคือมีการไหลหมุนเวียนของเม็ดของแข็งภายใน เบด (bed) หรือภายใน หอทดลองหรือระหว่างเบดต่อเบดก็ได้ เราจึงเรียกของแข็งในสถานะนี้ว่า การก่อสภาพของไหล

คำว่า เบด หมายถึง อาณาเขตในหอทดลองที่มีปริมาณเม็ดของแข็งบรรจุอยู่ ไม่ว่าเม็ดของแข็งนั้นจะอยู่นิ่งหรือ เคลื่อนไหวด้วย ของไหลในหอทดลองจะมีระดับตั้งแต่แผ่นโลหะทำเป็น ตะแกรงรองรับหรือเป็นตัวกระจายของไหล (distributor) จนถึงระดับสูงสุดคือผิวหน้าของเม็ดของแข็งที่อยู่ในหอทดลอง เมื่อบรรจุเม็ดของแข็งในหอทดลอง เรียบร้อยตามความต้องการแล้ว เริ่มปล่อยของไหลเข้าทางด้านล่างของหอทดลองอย่างช้า ๆ ขณะที่ของไหลความเร็ว ยังน้อยอยู่ เม็ดของแข็งจะไม่ขยับตัวเลย ลักษณะของเบดเช่นนี้เรียกว่า เบดนิ่ง (fixed bed) เมื่อค่อย ๆ เพิ่มความเร็ว ของของไหลให้มากขึ้นทีละน้อยจนถึงความเร็วระดับหนึ่ง เม็ดของแข็งจะเริ่มขยับตัวและจัดตัวอย่างเป็นระเบียบ เมื่อความเร็วของของไหลเพิ่มขึ้นอีกเล็กน้อย เม็ดของแข็งจะหลุดออกจากกันลอยตัวเป็นอิสระ ลักษณะเช่นนี้เรียกว่า จุดเริ่มการก่อสภาพของไหล หลังจากจุดนี้ไปแล้ว ความเร็วของของไหลที่เพิ่มขึ้นจะไปทำให้เบดขยายตัวขึ้น ตามความเร็วของของไหล เม็ดของแข็งยังอยู่ติดกันมาก ดูเหมือนว่าเม็ดของแข็งยังจับกันเป็นกลุ่มก้อน เบดลักษณะนี้ เรียกว่า ฐานก่อสภาพของไหลแบบหนาแน่น ถ้าความเร็วของของไหลมากขึ้นอีก ของไหลก็จะเกือบพาเอาเม็ด ของแข็งออกจากหอทดลอง (ยังไม่ออก) เบดลักษณะนี้เรียกว่า ฐานก่อสภาพของไหลแบบเจือจาง หลังจากนั้น เพิ่มความเร็วของไหลอีกเล็กน้อย เม็ดของแข็งก็จะหลุดลอยออกจากหอทดลองไป ซึ่งในลักษณะนี้ เราใช้เป็นการขนส่ง ของแข็งจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้ ถ้าใช้อากาศ ก็เป็นการขนส่งด้วยอากาศ (pneumatics transport) เช่น การลำเลียงผลิตภัณฑ์อาหารสัตว์ ถ้าเป็นของเหลวก็เรียกว่า ขนส่งด้วยของเหลว (hydraulics transport) ตัวอย่างเช่น การขนส่งเม็ดแร่

ฐานก่อสภาพของไหลที่ของเหลวเป็นของเหลว การขยายตัวของเบดเป็นไปอย่างสม่ำเสมอ การลอยตัวและหมุนรอบ ตัวเอง ของเม็ดของแข็งเป็นไปอย่างช้า ๆ เราเรียกเบดนี้ว่า เบดสม่ำเสมอ หรือ เบดที่เป็นเนื้อเดียวกัน ฐานก่อสภาพ ของไหลที่ของไหลเป็นแก๊ส ลักษณะของเบดจะแตกต่างจากที่ใช้ของเหลวมาก เพราะว่าเมื่อความเร็วของแก๊สสูงกว่า ความเร็วที่จะทำให้เกิดฐานก่อสภาพของไหลแล้ว แก๊สส่วนหนึ่งยังทำหน้าที่ให้เกิดการลอยตัวของเม็ดของแข็ง เหมือนเดิม แต่มีอีกส่วนหนึ่งรวมตัวกันแล้วก่อตัวกันเป็นฟองแก๊สเกิดขึ้น ฟองแก๊สก็จะแทรกตัวเองขึ้นมายังบนผิวหน้า ของเบด และแตกตัวเองในที่สุด ขณะที่ฟองแก๊สลอยขึ้นมานี้ จะทำให้เม็ดของแข็งไหลจากส่วนหลังคาของฟองแก๊ส ลงมายังส่วนล่าง พร้อมกันนั้นยังมีบางส่วนของเม็ดของแข็ง ลอยติดตามฟองแก๊สขึ้นไปด้วย ภายในเบดจะเห็นว่า การเคลื่อนของเม็ดของแข็งเป็นไปอย่างชุลมุนวุ่นวาย เบดชนิดนี้เรียกว่า ฐานก่อสภาพของไหลแบบวุ่นวาย หรือ เบดวุ่นวาย

ประเภทของการก่อสภาพของไหล

1. การก่อสภาพของไหลสองสถานะ (two-phase fluidization) หมายความว่า ในหอทดลองหรือเบดที่ใช้งาน จะประกอบด้วยของสองสถานะคือ ของแข็งกับของเหลว ของไหลนี้อาจจะเป็นแก๊สหรือของเหลวก็ได้ ดังนั้น การก่อสภาพของไหลสองสถานะ ยังแบ่งออกได้อีก 2 ประเภท คือ
 

1.1 แก๊สการก่อสภาพของไหล
1.2 การก่อสภาพของไหลของเหลว

2.
การก่อสภาพของไหลสามสถานะ (three-phase fluidization) หมายความว่า ภายในหอทดลองหรือเบดจะ ประกอบไปด้วยของสามสถานะอยู่พร้อมกัน คือ ของแข็ง ของเหลว และแก๊ส สำหรับการก่อสภาพของไหลสามสถานะนี้ เป็นกระบวนการที่พัฒนาไปจากการก่อสภาพของไหลสองสถานะ หอทดลองที่เป็นฟอง (bubble column) และหอทดลองที่บรรจุด้วยของแข็ง (packed bed)
การผลิตออกไซด์ของยูเรเนียมและทอเรียม ได้อาศัยเทคโนโลยีด้านการก่อสภาพของไหล เข้ามาช่วยโดยใช้เป็นแบบ สามสถานะ (three-phase fluidization) คือของแข็ง (เบด) ได้แก่ออกไซด์ของยูเรเนียมและทอเรียม ของเหลวคือ สารละลายไนเทรตของยูเรเนียมและทอเรียม แก๊สคือลมหรืออากาศ หลักการคือ การผ่านสารประกอบไนเทรตของ ยูเรเนียมและทอเรียมที่มีความเข้มข้นสูง ผ่านหัวฉีดเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์แบบการก่อสภาพของไหล ซึ่งมีผงออกไซด์ ของยูเรเนียมและทอเรียมเป็นเบด ที่อุณหภูมิสูงประมาณ 350 - 400 เซลเซียส โดยมีอากาศเป็นตัวให้เกิดการก่อสภาพ ของไหลภายในเครื่องปฏิกรณ์นี้ สารประกอบไนเทรตของยูเรเนียมและทอเรียมเมื่อผ่านเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์จะเกิด การสลายตัวเป็นออกไซด์ ซึ่งเกิดเป็นผงอิสระ หรือเกาะรวมตัวกับผงออกไซด์ที่ใช้เป็นเบด หลักการการก่อสภาพ ของไหลยังประยุกต์มาใช้ในการทำยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ (enriched uranium) ของยูเรเนียมฟลูออไรด์ ได้แก่ UF4 และ UF6 ด้วย จึงเห็นได้ว่า เทคนิคการก่อสภาพของไหล ได้เริ่มพัฒนาและนำมาใช้ในทางนิวเคลียร์เทคโนโลยีด้วย