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

Simulación de partículas

La Planta Piloto de Ingeniería Química (Plapiqui), centro de investigación, educación y desarrollo tecnológico mantenida por la Universidad Nacional del Sur (UNS) y el Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), pasó a utilizar el Rocky DEM en simulaciones y modelados.

Desde mediados de 2018, el software ha sido aplicado en estudios de las más diversas áreas desarrolladas en Plapiqui, principalmente en las industrias alimenticia y farmacéutica. A continuación, vamos a presentar un caso de uso de la simulación para calibración de parámetros del maíz.

Rocky DEM en la calibración y determinación de parámetros del grano de maíz

Uno de los casos destaques de Plapiqui fue el uso de la simulación para calibración de parámetros del maíz. El trabajo fue desarrollado por la alumna de postgrado del curso de Ingeniería Química de la UNS, Manuela Lucia 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 problema. En este estudio, las propiedades de los granos de maíz fueron determinadas experimentalmente (ángulo de reposo y coeficiente de restitución) y la resistencia al rodamiento fue calibrada 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 de la resistencia al rodamiento de las partículas de maíz, la experiencia de medir el ángulo de reposo usando el software Rocky DEM fue numéricamente repetida. La configuración y el procedimiento se replicaron lo más cerca posible de la realidad. El valor del parámetro fue cambiado iterativamente 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.

Imagen del sistema simulado en Rocky DEM.

Figura 1: Imagen del sistema simulado en Rocky DEM

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

De acuerdo con la profesora Ivana, los resultados indican que la capacidad del software de simular partículas irregulares es superior a los otros softwares disponibles en el Discrete Elements Method.

Entre las principales implicaciones observadas en el estudio, se destaca la variación de tiempo en la simulación de las partículas poliédricas y esféricas. Con la resistencia al rodamiento, el tiempo de simulación tiende a aumentar. El tiempo de simulación de partículas poliédricas fue 20 veces mayor de lo necesario para las esféricas. La siguiente tabla muestra los tiempos de simulación necesarios para las partículas poliédricas.

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

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

 

En las últimas simulaciones con las partículas poliédricas fue necesario extender el tiempo, 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.

En la Figura 2 y 3 es posible ver la pila formada en la simulación de partículas poliédricas con una resistencia de desplazamiento de 0,25 en momentos diferentes. 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 estaban en movimiento al final de la simulación.

Pila formada en 7.5s (a) y 10s (b).

Pila formada en 12.5s (a) y 17.5s (b).

Otros resultados importantes del estudio:

  • Sólidos particulados son complejos de modelado, por lo que muchas veces es necesario recurrir a las simplificaciones.
  • Las partículas de maíz tienen una forma irregular que complica la simulación en el software DEM.
  • En el caso de partículas poliédricas, fue posible calibrar la resistencia al rodamiento.
  • Los resultados fueron mejores que en el caso de 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 la aceleración de partículas se calcula. Esto se integra numéricamente con el tiempo para obtener la velocidad y la posición de la partícula. 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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