PLAPIQUI aplica Rocky DEM en estudios de sistemas particulados de la industria alimentaria


La Planta Piloto de Ingeniería Química (PLAPIQUI), centro de investigación, educación y desarrollo tecnológico dependiente de la Universidad Nacional del Sur (UNS) y el Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) de Argentina, comenzó a utilizar Rocky DEM en simulaciones y modelado de sistemas particulados.

Desde mediados de 2018, el software ha sido aplicado en estudios del área de Tecnología de Partículas de PLAPIQUI, principalmente con aplicación en las industrias alimentaria y farmacéutica. A continuación, se presenta un caso de uso de Rocky DEM para calibración de parámetros del maíz.

Rocky DEM en la calibración y determinación de parámetros de granos de maíz

Uno de los casos de estudio relevantes de PLAPIQUI fue el uso de simulaciones en Rocky DEM para calibración de parámetros del maíz. El trabajo fue desarrollado por la alumna de Ingeniería Química de la UNS, Manuela Lucía Quezada Henry, con la orientación de las profesoras Ivana Cotabarren y Juliana Piña.

Los métodos tradicionales de cálculo no son capaces de analizar los fenómenos de sólidos particulados, a menudo utilizados en gran parte de la industria. Es por eso que el Discrete Elements Method (DEM) ha adquirido un papel fundamental en la solución de este tipo de problemas. En este estudio, las propiedades de los granos de maíz fueron determinadas experimentalmente (ángulo de reposo y coeficiente de restitución) y el coeficiente de resistencia a la rodadura fue calibrado usando el software Rocky DEM (ESSS), modelando las partículas de dos maneras diferentes: como esferas y como poliedros.

«Realizamos ensayos de ángulo de reposo, coeficiente de restitución y caracterización completa de las partículas por análisis de imagen. Simulamos el sistema experimental de ángulo de reposo para calibrar el ‘rolling coefficient’ aproximando partículas reales con esferas y poliedros, obteniendo las mejores aproximaciones para este último tipo de partículas», cuenta Ivana Cotabarren.
Para obtener el valor del coeficiente de resistencia a la rodadura de las partículas de maíz, la experiencia de medir el ángulo de reposo fue implementada numéricamente usando el software Rocky DEM. La configuración y el procedimiento experimental se replicaron lo más cerca posible de la realidad. El valor del parámetro fue modificado de forma iterativa hasta que el ángulo de reposo obtenido en la simulación coincidiera con el valor experimental. La Figura 1 muestra el sistema simulado en el programa.

 

Imagem do sistema simulado no Rocky DEM
Figura 1: Imagen del sistema simulado en Rocky DEM.

Resultados del uso del Rocky DEM en la calibración de parámetros de granos de maíz

De acuerdo con la profesora Cotabarren, los resultados indican que la capacidad del software de simular partículas irregulares permite obtener mejores resultados respecto a los otros softwares disponibles en el Discrete Elements Method, donde la representación solo se basa en partículas esféricas.

De hecho, sólo fue posible alcanzar los valores de ángulo de reposo medidos experimentalmente mediante una representación poliédrica de los granos de maíz.

Entre los principales resultados observados en el estudio, se destaca también la variación del tiempo de simulación requerido para las partículas poliédricas y esféricas. Con el coeficiente de resistencia a la rodadura, el tiempo de simulación tiende a aumentar. El tiempo de simulación para partículas poliédricas fue 20 veces mayor de lo necesario para las esféricas, aunque con estas últimas no fue posible reproducir los valores experimentales de ángulo de reposo. La siguiente tabla muestra los tiempos de simulación necesarios para las partículas poliédricas.

Tabla: Tiempos de simulación y tiempos simulados para las partículas poliédricas.

Tabla: Tiempos de simulación y tiempos simulados para las partículas poliédricas.

Se observa que en las últimas simulaciones con las partículas poliédricas fue necesario extender el tiempo de experiencia simulado, ya que las partículas continuaron moviéndose por varios segundos después de la caída, alterando la forma de la pila de maíz y, consecuentemente, el ángulo de reposo. Esto tiene relación con el coeficiente de resistencia a la rodadura presentado por las partículas.

En las Figuras 2 y 3 es posible ver la pila formada en la simulación de partículas poliédricas con un coeficiente de resistencia a la rodadura de 0,25 en diferentes instantes de tiempo. La forma de la pila de partículas cambia visiblemente después de algunos segundos. Es por esta razón que el tiempo simulado fue aumentado de tal manera que las partículas no se encuentren en movimiento al final de la simulación (i.e., 20 segundos).

Pilha de partículas a 7,5s (a) e 10 s(b)
Figura 2: Pila de partículas a los 7,5 s (a) y 10 s (b).
Figura 3: Pila de partículas a los 12,5 s (a) y 17,5 s (b).

Otros resultados importantes del estudio:

● Los sólidos particulados son sistemas complejos para modelar, por lo que muchas veces es necesario recurrir a simplificaciones.
● Las partículas de maíz tienen una forma irregular que debe ser apropiadamente representada en la simulación en el software DEM.
● Solo fue posible calibrar el coeficiente de resistencia a la rodadura para el caso en el que los granos de maíz se representaron como partículas poliédricas.
● Los resultados con partículas poliédricas fueron mejores que aquellos con partículas esféricas, ya que la forma utilizada para la simulación es más cercana a la forma real de los granos.

Y al final, ¿cómo funciona el Rocky DEM?

El Rocky DEM simula con rapidez y precisión el comportamiento del flujo de materiales a granel con formas complejas de partículas y distribuciones de tamaño. El software proporciona una plataforma única para científicos de todos los tipos de industrias de procesamiento, que pueden analizar computacionalmente los procesos mapeando la interacción dinámica de variables, material y geométrica.

Rocky modela el sistema con la mayor precisión posible usando el Discrete Element Modeling (DEM). El DEM es esencialmente un primer método físico principal que trata cada partícula de una capa granular individualmente. Cada partícula se representa a través de una forma y tamaño que interactúa con otras partículas y con la geometría del equipo.

El software de ESSS puede describir con precisión el comportamiento de contacto de cada partícula individual utilizando los diversos modelos de literatura disponibles. Todas las fuerzas que actúan sobre una partícula se agregan y se calcula la aceleración de partículas. Esto se integra numéricamente con el tiempo para obtener la velocidad y la posición de las partículas. A partir de este proceso, es posible visualizar y predecir la evolución temporal y espacial del sistema granular.

Además, Rocky proporciona herramientas de post-procesamiento de última generación para ayudar a visualizar y cuantificar una amplia gama de métricas diferentes, incluyendo campos de velocidad, presión y tensión, tasas de consumo de polvo, roturas de material, desgaste de contorno y variación de temperatura. Los ingenieros obtienen una visión profunda del proceso.


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