PLAPIQUI aplica Rocky DEM em estudos de sistemas particulados da indústria alimentícia


Berço de pesquisa, educação e desenvolvimento tecnológico, a Planta Piloto de Engenharia Química (PLAPIQUI), mantida pela Universidade Nacional do Sul (UNS) e pelo Conselho Nacional de Pesquisas Científicas e Técnicas (CONICET) da Argentina, passou a utilizar o Rocky DEM em simulações e modelagem de sistemas particulados.

Desde meados de 2018, o software tem sido aplicado em estudos da área de Tecnologia de Partículas da PLAPIQUI, com utilidade principalmente nas indústrias alimentícia e farmacêutica. A seguir, apresenta-se um caso de uso do Rocky DEM para calibragem de parâmetros do milho.

Rocky DEM na calibragem e determinação de parâmetros de grãos de milho

Um dos relevantes estudos de caso da PLAPIQUI foi o uso de simulações com Rocky DEM para calibragem de parâmetros do milho. O trabalho foi desenvolvido pela aluna de Engenharia Química da UNS, Manuela Lucia Quezada Henry, com a orientação das professoras Ivana Cotabarren e Juliana Piña.

Os métodos tradicionais de cálculo não são capazes de analisar os fenômenos de sólidos particulados, frequentemente usados em grande parte da indústria. É por isso que a modelagem de elementos discretos, ou Discrete Elements Method (DEM), agora adquiriu um papel fundamental na solução desse tipo de problema. Neste estudo, as propriedades dos grãos de milho foram determinadas experimentalmente (ângulo de repouso e coeficiente de restituição) e o coeficiente de resistência à rolagem foi calibrado usando o software Rocky DEM (ESSS), modelando as partículas de duas maneiras diferentes: como esferas e como poliedros.

“Realizamos testes de ângulo de repouso, coeficiente de restituição e caracterização completa das partículas por análise de imagem. Simulamos o sistema experimental de ângulo de repouso para calibrar o ‘coeficiente de rolagem’ aproximando partículas reais com esferas e poliedros, obtendo as melhores aproximações para este último tipo de partículas”, conta Ivana Cotabarren.
Para obter o valor do coeficiente de resistência à rolagem das partículas de milho, a experiência de medir o ângulo de repouso foi numericamente implementada usando o software Rocky DEM. A configuração e o procedimento experimental foram replicados o mais próximo possível da realidade. O valor do parâmetro foi modificado de maneira iterativa até que o ângulo de repouso obtido na simulação coincidisse com o valor experimental. A figura 1 mostra o sistema simulado no programa.

Imagem do sistema simulado no Rocky DEM
Figura 1: Imagem do sistema simulado no Rocky DEM.

Resultados do uso do Rocky DEM na calibragem de parâmetros do grão de milho

De acordo com a professora Cotabarren, os resultados indicam que a capacidade do software de simular partículas irregulares permite obter resultados melhores em relação aos outros softwares disponíveis no Discrete Elements Method, nos quais a representação se baseia apenas em partículas esféricas.

De fato, só foi possível alcançar os valores de ângulo de repouso medidos experimentalmente por meio da representação poliédrica dos grãos de milho.

Dentre as principais implicações observadas no estudo, destaca-se ainda a variação do tempo de simulação necessário para as partículas poliédricas e esféricas. Com o coeficiente de resistência à rolagem, o tempo de simulação tende a aumentar. O tempo de simulação para partículas poliédricas foi 20 vezes maior do que o necessário para as esféricas, embora não tenha sido possível reproduzir os valores experimentais de ângulo de repouso com estas últimas. A tabela abaixo mostra os tempos de simulação necessários para as partículas poliédricas.

Tabela: Tempos de simulação e tempos simulados para partículas poliédricas.

Observa-se que, nas últimas simulações com as partículas poliédricas, foi necessário estender o tempo de experiência simulado, já que as partículas continuaram a se mover por vários segundos após a queda, alterando a forma da pilha de milho e, consequentemente, o ângulo de repouso. Isso está relacionado ao coeficiente de resistência à rolagem apresentado pelas partículas.

Nas Figura 2 e 3 é possível ver a pilha formada na simulação de partículas poliédricas com um coeficiente de resistência à rolagem de 0,25 em diferentes instantes. A forma da pilha de partículas muda visivelmente após alguns segundos. É por essa razão que o tempo simulado foi aumentado de tal forma que as partículas não se encontrassem em movimento ao final da simulação.

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

Outros resultados relevantes do estudo:

● Os sólidos particulados são sistemas complexo de modelar, por isso muitas vezes é preciso recorrer a simplificações.
● As partículas de milho têm uma forma irregular que deve ser representada de maneira apropriada na simulação no software DEM.
● Só foi possível calcular o coeficiente de resistência à rolagem para o caso em que os grãos de milho foram representados como partículas poliédricas.
● Os resultados com partículas poliédricas foram melhores do que os obtidos com partículas esféricas, uma vez que a forma usada para a simulação é mais próxima da forma real dos grãos.

E afinal, como funciona o Rocky DEM?

O Rocky DEM simula com rapidez e precisão o comportamento do fluxo de materiais a granel com formas complexas de partículas e distribuições de tamanho. O software fornece uma plataforma única para cientistas de todo tipo de indústrias de processamento analisarem computacionalmente seu processo mapeando a interação dinâmica de variáveis, material e geométrica.

O Rocky DEM modela o sistema com a maior precisão possível usando o Discrete Element Modeling (DEM). O DEM é essencialmente um primeiro método físico principal que trata cada partícula de uma camada granular individualmente. Cada partícula é representada através de uma forma e tamanho específico que interage com outras partículas e com a geometria do equipamento.

O software da ESSS pode descrever com precisão o comportamento de contato de cada partícula individual usando os vários modelos de literatura disponíveis. Todas as forças que atuam sobre uma partícula são adicionadas e a aceleração de partículas é calculada. Isto é integrado numericamente com o tempo para obter velocidade e posição das partículas. A partir deste processo, é possível visualizar e prever a evolução temporal e espacial do sistema granular.

Além disso, o Rocky DEM fornece ferramentas de pós-processamento de última geração para ajudar a visualizar e quantificar uma ampla gama de métricas diferentes, incluindo campos de velocidade, pressão e tensão, taxas de consumo de pó, quebra de material, desgaste de contorno e variação de temperatura. Os engenheiros obtêm uma visão profunda do processo.

Plapique-PT


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