Rocky DEM: orientado al diseño de equipos mezcladores

 

Desde la mezcla de polvos de ingredientes farmacéuticos hasta partículas de combustible dentro de un reactor nuclear de lecho fluidizado; desde la mezcla de levadura en la masa en una operación de panadería hasta grava dentro de una planta de asfalto; la búsqueda de formas de aumentar la homogeneidad de un sistema es una necesidad común en muchas industrias.

La mezcla es una operación unitaria que involucra la manipulación de un sistema heterogéneo para reducir su falta de uniformidad o gradientes en composición, propiedades o temperatura. También se puede aplicar para mejorar las tasas de transferencia de calor y masa, y controlar reacciones y cambios estructurales.

En lo relacionado con estos equipos es común querer entender cómo son las líneas de flujo y patrones de mezcla dentro del equipo, definir tiempos de agitación mínimos para garantizar la homogeneidad de un sistema, detectar zonas de estancamiento o baja agitación, o inclusive poder la potencia mecánica necesaria. La implementación de las herramientas de simulación Ansys facilitan estos cálculos.

¿Qué pasa si la mezcla falla?

Los equipos de mezcla que funcionan mal o están mal diseñados pueden aumentar significativamente los costos de producción al aumentar el tiempo y/o la energía que se gasta en lograr la homogeneidad deseada. En caso de que falle la mezcla, es posible que se descarte todo el lote de producto y que la planta de producción se detenga por algún tiempo.

A pesar de la gran cantidad de opciones de equipos disponibles en el mercado, la mezcla eficiente puede ser difícil a escala industrial. En casos con tamaños o densidades muy diferentes, surge una complejidad adicional ya que las fuerzas gravitatorias tienden a segregar las partículas. Tratar con materiales orgánicos también agrega algunas dificultades con respecto a la degradación del material y los problemas sanitarios.

¿Por qué Rocky DEM?

Rocky DEM se puede utilizar para evaluar el comportamiento de las partículas dentro de los dispositivos de mezcla, lo que ayuda a los ingenieros a diseñar u optimizar los equipos. Las simulaciones computacionales pueden reducir significativamente los costos al estudiar varias configuraciones antes de probarlas en el laboratorio y luego escalar de laboratorio a modelos a escala real. Las simulaciones de Rocky también son muy útiles para evaluar la eficiencia de los equipos, especialmente en casos de condiciones operativas cambiantes, aumento de la producción o manejo de propiedades materiales imprevistas.

Alto número de partículas

Anteriormente, una desventaja de usar DEM para evaluar la mezcla era un tiempo de ejecución de simulación inviable debido a la cantidad de partículas. Sin embargo, con los avances en el poder computacional y la paralelización de los códigos, en la mayoría de los casos, ya no es una limitación. La siguiente simulación muestra una mezcla muy rápida y eficiente del producto en un mezclador de arado a 30 RPM y 1,2 millones de partículas.

Se pueden visualizar los detalles de la mezcla cerca de las paletas, así como las zonas muertas y de alta mezcla dentro de la mezcladora, lo que puede ayudar a optimizar el rendimiento de la mezcladora y comprender la eficiencia del proceso.

Partículas no-esféricas

En algunos casos, la forma importa y el uso de partículas esféricas para imitar el comportamiento de la forma real no es suficiente. De esta manera, la capacidad de Rocky DEM para ejecutar partículas no esféricas puede ayudar mucho. La siguiente demostración presenta la mezcla de nueces con maní usando una batidora manual de cocina. Muestra que la máxima eficiencia de mezcla se alcanza antes de los 7 s. Se puede observar cierta segregación cerca de la parte inferior, lo que sugiere algún rediseño para mejorar el dispositivo.

Modelos de adhesión

Las partículas pueden ser aglomerados formadores de cohesión y también pueden adherirse a las paredes. En estos casos, el modelo de adhesión Rocky DEM se puede utilizar para modelar estos fenómenos. En el siguiente ejemplo, se evaluó la sección del tambor giratorio del equipo de la planta de asfalto, donde el material aglutinante y las partículas finas se mezclan con partículas de grava. Las simulaciones reprodujeron el comportamiento general de las partículas húmedas en el interior del equipo, emulando la formación de cúmulos de partículas, así como la adhesión de las partículas a las paredes, evaluando el impacto de nuevas aletas rascadoras en el tiempo de residencia y retención de masa en esta región.

Modelos con transferencia de calor

Muy a menudo, la transferencia de calor acompaña a la operación de mezclado. En estos casos, la mezcla es fundamental para garantizar una transferencia adecuada de calor y/o masa entre las partículas. En el siguiente ejemplo, Rocky DEM se utilizó para modelar la transferencia de calor en un calcinador rotatorio, un dispositivo de mezcla muy común en las industrias metalúrgica y de catalizadores. La pared curva se calienta rápidamente hasta 1298K y se monitoriza la evolución de la temperatura de las partículas a lo largo del tiempo, evaluando el impacto sobre diferentes tambores de velocidad y la inclusión de elevadores.

Acople DEM-CFD

Las capacidades de acoplamiento Rocky-Fluent permiten a los usuarios tener en cuenta la mezcla dentro de casos fluidos-sólidos, ampliando la gama de procesos que se pueden modelar utilizando DEM. El siguiente video muestra una simulación de acoplamiento bidireccional de un lecho fluidizado con un caudal de gas creciente. El comportamiento de mezcla íntima que se muestra es una de las principales ventajas del uso de lechos fluidizados en procesos industriales.

La implementación de herramientas de simulación computacional, bien sea para DEM, CFD o FEA, pueden mejorar en gran medida el desempeño operacional de cualquier equipo mezclador al poder visualizar el comportamiento de los sistemas de mezcla con una gran precisión. Fenómenos físicos de alta complejidad, fluidos de reología compleja, sistemas particulados, entre muchos otros pueden representarse con las herramientas Ansys. 

La información técnica usada en este blog es cortesía de Rocky DEM

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