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ORCID:  http://orcid.org/0000-0001-5803-7314
Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Title: Estudo da mistura e segregação de material granular em tambor rotatório com suspensores empregando a abordagem numérica Lagrangeana
Alternate title (s): Study of mixing and segregation of granular material in a rotating drum with baffles using a Lagrangian numerical approach
Author: Heilbuth, Rafael Ramos
First Advisor: Duarte, Claudio Roberto
Second Counselor: Barrozo, Marcos Antonio de Souza
First member of the Committee: Pivello, Marcio Ricardo
Second member of the Committee: Vieira, Luiz Gustavo Martins
Third member of the Committee: Bettega, Rodrigo
Summary: Tambores rotatórios são frequentemente usados no processamento de materiais granulares. O estudo do escoamento de partículas no interior de um tambor em rotação é fundamental para melhorar a eficácia desse equipamento. Por exemplo, existe uma tendência de partículas com propriedades distintas como formato, densidade ou tamanho, segregar quando colocadas em rotação no interior do tambor. Partículas menores e mais densas tendem a percolar pelas partículas maiores e menos densas na camada ativa e a se concentrar no centro do leito. Múltiplas variáveis afetam a eficiência da mistura como grau de enchimento, geometria do tambor, propriedades das partículas e a utilização de suspensores, que quando adicionados, perturbam a dinâmica das partículas. No presente trabalho, o Método dos Elementos Discretos (DEM) foi utilizado para investigar a influência da adição de suspensores à geometria do tambor na cinética de mistura e no grau de segregação para uma mistura binária. As simulações foram realizadas através do software de código aberto LIGGGHTS®-PUBLIC. Os coeficientes de atrito estático e atrito de rolamento, parâmetros para o modelo DEM, foram analisados através de uma série de simulações baseadas em um Planejamento Composto Central. Os resultados das simulações para o ângulo de repouso e constante cinética de mistura foram comparados com valores experimentais e uma boa concordância foi observada para seis condições. A condição, cujos parâmetros DEM foram os mais próximos aos reportados por Lima (2017), foi utilizada nas simulações subsequentes. Um planejamento do tipo 3³ foi realizado para avaliar os efeitos do grau de enchimento, tamanho e quantidade dos suspensores na cinética de mistura e no grau de segregação (Índice de Lacey). A segregação foi analisada para os casos em que ela é promovida pela diferença de densidade e diferença de tamanho. Em relação ao controle da segregação, o uso de suspensores foi capaz de elevar o Índice de Lacey de 0,51 a 0,94 para um grau de enchimento de 50% usando 6 suspensores com razão entre o comprimento do suspensor e o raio do tambor (L/R) de 0,75. Os suspensores também melhoraram a velocidade de mistura, elevando a constante cinética de mistura em um grau de enchimento de 25% de 0,198 s-1 sem suspensores para até 0,377 s-1 usando 6 suspensores com L/R de 0,50. O tamanho das partículas também foi investigado, porém não apresentou efeito significativo na velocidade de mistura.
Abstract: Rotary drums are frequently used when processing granular materials. The study of particle flow inside a rotating drum is imperative to improve the effectiveness of this equipment. One of the processes it is used is in the mixing of granular materials. However, particles with distinct properties such as shape, density and size, have a tendency to segregate when rotating inside a drum. Smaller and heavier particles percolate through larger and lighter particles in the active layer and concentrate at the center of the bed. Multiple variables affect the mixing efficiency such as filling degree, drum geometry, particle properties and the use of baffles, which disturb the particle flow. In the present study, the Discrete Element Method (DEM) was utilized to investigate the influence of adding baffles to the drum geometry on the mixing rate and the degree of segregation for a binary mixture. The simulations were performed with LIGGGHTS®-PUBLIC open source software. The static and rolling friction coefficients - DEM model parameters - were analyzed through a series of simulations based on a Central Composite Design. The simulation results for the repose angle and the mixing rate constant were compared to experimental findings and a high degree of agreement was observed for six conditions. The one with DEM parameters closest in value to those reported by Lima (2017) was used for subsequent simulations. A 3³ experimental design was performed to evaluate the effects of filling degree, size and number of lifters on the mixing rate constant and degree of segregation (Lacey index). Segregation was analyzed for both size-driven segregation and density-driven segregation. Regarding segregation control, the use of baffles was responsible to increase Lacey index from 0,51 to 0,94 at 50% filling degree using 6 baffles and baffle length to drum radius ratio (L/R) of 0,75. Baffles also showed significant effect in improving the mixing velocity, raising the mixing rate constant at 25% filling degree from 0,194 s-1 without baffles up to 0,377 s-1 using 6 baffles and L/R of 0,50. The particle size was also investigated but had no effect on mixing velocity.
Keywords: Tambor rotatório
Rotary drum
Mistura de partículas
Particle mixing
Segregação
Segregation
Suspensores
Baffles
Método dos elementos discretos
Discrete element method
Engenharia química
Funções de Lagrange
Processos de fabricação
Granulação
Processos industriais
Partículas - separação e mistura
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES DE SEPARACAO E MISTURA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Quote: HEILBUTH, Rafael Ramos. Estudo da mistura e segregação de material granular em tambor rotatório com suspensores empregando a abordagem numérica Lagrangeana. 102 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2017. Disponível em: http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2019.42
Document identifier: http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2019.42
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/26911
Date of defense: 27-Nov-2017
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