Почему именно смешивание?
Потребность в повышении однородности смесей существует в различных отраслях промышленности. Порошковые фармацевтические ингредиенты, топливные частицы внутри ядерного реактора с псевдоожиженным слоем, дрожжи в тесте для выпечки, щебень на асфальтовом заводе – однородность важна для каждого из материалов.
Смешивание – это отдельная операция, задача которой – равномерно распределить ингредиенты и добиться однородности температур и характеристик материала. Этот процесс также применяется для увеличения скорости тепломассообмена, контроля изменений в структуре и свойствах материала.
Что бывает, если технология процесса смешивания нарушена?
Неисправное или плохо спроектированное смесительное оборудование может значительно повысить производственные затраты, так как на достижение желаемой однородности может затрачиваться больше времени или энергии. В случае неправильного перемешивания вся партия продукта может быть забракована, а оборудование на некоторое время остановлено. Несмотря на большое разнообразие смесительного оборудования на рынке, добиться эффективного смешивания в масштабах производства может быть крайне сложно. Когда размер или плотность частиц сильно отличаются, возникает дополнительная сложность, так как повышается вероятность сегрегации частиц. Работа с органическими материалами также создает некоторые трудности, связанные с разложением материалов и соблюдением санитарных требований.
Почему Rocky DEM?
В Rocky DEM можно прогнозировать динамику частиц внутри смесительного устройства, что позволяет правильно спроектировать и оптимизировать оборудование. Численное моделирование помогает значительно сократить затраты, исследуя несколько вариантов устройства до проведения натурных тестов и построения полномасштабного образца. Кроме того, инженерные расчеты в Rocky DEM позволяют оценивать эффективность оборудования, особенно при изменении условий эксплуатации, росте производства или непредвиденном проявлении свойств материала.
Большое количество частиц
Ранее при использовании DEM-метода для расчетов перемешивания решение задачи занимало слишком много времени из-за большого количества частиц, однако с развитием компьютерной техники и появлением возможности параллельных вычислений эта проблема исчезла. Приведенный ниже пример моделирования демонстрирует быстрое и эффективное перемешивание 1,2 миллиона частиц материала в лопастном (плугообразном) смесителе со скоростью 30 оборотов в минуту. На визуализации детально показано качество смешивания материала возле лопастей, в зонах интенсивного перемешивания и в мертвых зонах. Это позволяет оптимизировать производительность смесителя и получить более подробное представление о производственных процессах. Узнайте более подробно о возможностях постобработки Rocky DEM, посмотрев вебинар от специалистов «КАДФЕМ Си-Ай-Эс».
Лопаточный (плугообразный) смеситель
Несферические частицы
В некоторых случаях форма частиц имеет особое значение, и использования сферических элементов недостаточно для имитации реалистичного поведения массива материала. Для таких случаев в Rocky DEM есть модель несферических частиц. На следующем видео представлен процесс перемешивания орехов пекан с арахисом при помощи ручного кухонного миксера. Моделирование показывает, что максимальная эффективность смешивания достигается за 7 секунд. Внизу заметна некоторая сегрегация, что говорит о необходимости доработки конструкции миксера.
Моделирование адгезии
Частицы могут сцепляться друг с другом, формируя агломераты, и прилипать к стенкам устройства. Для имитации таких явлений в Rocky DEM есть модель адгезии. На видео ниже представлена секция вращающегося барабана оборудования по производству асфальта. В барабане связующее вещество и мелкие частицы перемешиваются с частицами щебня. Моделирование позволило воспроизвести поведение влажных частиц внутри оборудования, спрогнозировать образование кластеров частиц и их прилипание к стенкам. В ходе расчета исследовалась эффективность новых очищающих ребер, оценивались масса прилипающего материала и время, в течение которого он остается на стенках.
Моделирование теплообмена
Очень часто процесс перемешивания сопровождается теплообменом. В таких случаях важно обеспечить при перемешивании необходимый перенос массы и тепла между частицами. В следующем примере Rocky DEM использовался для моделирования теплообмена в роторной обжиговой машине, распространенном устройстве в металлургической промышленности и производстве катализаторов. Изогнутая стенка быстро нагревается до 1024 °C, отслеживается изменение температуры частиц и оценивается влияние различных скоростей вращения барабана и включения лифтеров.
Связный DEM-CFD расчет
Возможности сопряженных расчетов с Ansys Fluent позволяют пользователям проводить расчеты смешивания в системах газ/жидкость-твердые частицы, тем самым расширяя спектр процессов, доступных для моделирования в Rocky DEM. Видео, представленное ниже, демонстрирует связное (two-way) моделирование псевдоожиженного слоя при увеличивающемся расходе газа. Видно, что псевдоожиженный слой обеспечивает качественное перемешивание, что является одним из основных преимуществ его использования в производственных процессах.
Читать оригинал статьи по ссылке