Estudo experimental e numérico da dinâmica de partículas em um disco rotatório

• Autor(a) principal: Lima, Rondinelli Moulin
• Data de Publicação: 2021
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFU
• Texto Completo: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/32570; http://doi.org/10.14393/ufu.te.2021.418
• topic: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES DE SEPARACAO E MISTURA; dinâmica de partículas; particle dynamics; regimes de escoamento; flow regimes; abordagem lagrangeana; lagrangian approach; MED; DEM; parâmetros numéricos; numerical parameters; Engenharia química

O processo de granulação dependente diretamente de como as partículas ou grãos movimentam-se no interior do disco rotatório, sendo este comportamento bastante complexo e ainda pouco compreendido. O conhecimento sobre a dinâmica das partículas é essencial para otimização e escalonamento dos projetos envolvendo o disco rotatório e também para uma melhor eficiência do processo de granulação. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo estudar, a partir de dados experimentais e numéricos, a influência das condições operacionais do disco rotatório na dinâmica dos materiais granulares soja e vidro. Verificou-se que maiores velocidades de rotação e menores do ângulo de inclinação resultaram em um aumento na retenção de material granular (holdup de sólidos) no interior do disco rotatório. Percebeu-se ainda que, pelo fato de apresentar um leito granular mais rígido e compactado, as partículas de soja apresentaram um maior holdup de sólidos, quando comparadas com as esferas de vidro. A transição dos regimes de escoamento foi avaliada pela técnica de análise por imagens e foi possível observar que as condições operacionais analisadas (grau de preenchimento: 2, 5 e 8% e ângulo de inclinação: 40, 50 e 60°) e as propriedades físicas dos materiais influenciaram velocidade de rotação necessária para transição dos regimes de escoamento. As imagens obtidas por esta técnica também foram utilizadas para o treinamento e validade de uma rede neural convolucional. A rede proposta apresentou uma acurácia de 98%, conseguindo classificar corretamente 353 das 360 imagens que lhe foram fornecidas. Pelo fato da análise por imagem ser uma técnica qualitativa, foi proposta a metodologia de análise por acústica, sendo uma nova técnica para a identificação da transição dos regimes de escoamento. A técnica de análise por acústica demonstrou ser uma excelente alternativa no estudo da dinâmica de partículas, visto que ela conseguiu identificar a transição cascateamento-catarateamento para as partículas de soja, além de determinar o momento exato em que ocorreu a centrifugação das partículas. Também foi realizado uma modificação no modelo de Papadakis e Bombled (1961) para o cálculo da velocidade crítica de centrifugação, com a inclusão do termo do grau de preenchimento, o que resultou em uma média dos desvios de 14,27%. Como uma ferramenta complementar aos estudos experimentais, foi utilizado a abordagem numérica Lagrangeana, por meio do Método dos Elementos Discretos (MED), como auxílio à compreensão do escoamento dos materiais granulares. Realizou-se uma análise de sensibilidade tanto dos parâmetros numérico MED, quanto das condições operacionais sobre o número de contato entre as partículas. Em relação aos parâmetros MED, verificou-se que o coeficiente de atrito estático partícula-parede foi o parâmetro que apresentou maior efeito sobre a resposta, já para as condições operacionais o número de contato partícula-partícula foi mais afetado pelas mudanças do grau de preenchimento e da velocidade de rotação. O MED também foi utilizado para avaliar os regimes de escoamento. Notou-se que os valores obtidos experimentalmente dos parâmetros MED, quando implementados no modelo, não conseguiram representar de forma adequada as observações experimentais, sendo necessário um processo de calibração. Para as partículas de soja, verificou-se que a calibração do coeficiente de atrito estático partícula-parede não foi suficiente para a resposta numérica reproduzisse a experimental, sendo necessário um estudo mais aprofundado da influência dos outros parâmetros e da esfericidade da partícula. Já para as esferas de vidro, após a calibração, verificou-se que o Método dos Elementos Discretos conseguiu representar de forma adequada o comportamento granular no interior do disco rotatório e que os valores dos parâmetros obtidos pela calibração estiveram dentro do desvio padrão da medida experimental, conseguindo manter o significado físico dos parâmetros.