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ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-1638-880X
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Estudo experimental e numérico da dinâmica de partículas em um disco rotatório
Alternate title (s): Experimental and numerical study of particle dynamics in a dish granulator
Author: Lima, Rondinelli Moulin
First Advisor: Duarte, Claudio Roberto
Second Counselor: Barrozo, Marcos Antonio de Souza
First member of the Committee: Coutinho Filho, Ubirajara
Second member of the Committee: Sousa, Robson Costa de
Third member of the Committee: Petri Júnior, Irineu
Fourth member of the Committee: Malagoni, Ricardo Amâncio
Summary: 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.
Abstract: The granulation process directly depends on how the particles or grains move inside the dish granulator, this behavior being quite complex and still poorly understood. Knowledge about particle dynamics is essential for optimizing and scaling projects involving the dish granulator and improving granulation process efficiency. In this context, the present work aimed to study, experimentally and numerically, the influence of the operating conditions of the dish granulator on the dynamics of soy and glass granular materials. It was found that higher rotation speeds and lower inclination angles increased the solids holdup inside the dish granulator. It was also noticed that, as it has a more rigid and compacted granular bed, the soybean particles presented a greater solids holdup when compared to the glass spheres. The transition of the flow regimes was evaluated by the image analysis method and it was possible to observe that the operational conditions analyzed (filling degree: 2, 5, and 8% and inclination angle: 40, 50, and 60°) and the physical properties of the materials influenced the rotation speed necessary for the transition of the flow regimes. The images obtained by this method were also used for the training and validity of a convolutional neural network. The proposed network presented an accuracy of 98%, correctly classifying 353 of the 360 images provided to it. Because image analysis is a qualitative method, the acoustic analysis methodology was proposed as a new method for identifying the transition of flow regimes. The acoustic analysis method proved to be an excellent alternative in the study of particle dynamics, as it was able to identify the cascading-cataracting transition for soybean particles, in addition to determining the exact moment in which the particles centrifugation took place. A modification was also carried out in the Papadakis and Bombled (1961) model to calculate the critical centrifugation speed. The filling degree addition resulted in an average deviation of 14.27%. As a complementary tool to experimental studies, the Lagrangian numerical approach was used, through the Discrete Element Method (DEM), as an aid to understanding the flow of granular materials. A sensitivity analysis of both the DEM numerical parameters and the operational conditions on the contact number between particles was performed. Regarding the DEM parameters, it was found that the particle-wall static friction coefficient was the parameter that had the greatest effect on the response, whereas, for the operational conditions, the particle-particle contact number was more affected by changes in the filling degree and the speed rotation. DEM was also used to assess runoff regimes. It was noted that the experimentally obtained values of the DEM parameters, when implemented in the model, could not adequately represent the experimental observations, requiring a calibration process. For soybean particles, it was found that the calibration of the particle-wall static friction coefficient was not sufficient for the numerical response to reproduce the experimental one, requiring more study of the influence of other parameters and the particle sphericity. As for the glass spheres, after calibration, it was found that the Discrete Element Method was able to represent the granular behavior inside the dish granulator and that the values of the parameters obtained by calibration were within the standard deviation of the experimental measurement, maintaining the physical properties.
Keywords: dinâmica de partículas
particle dynamics
regimes de escoamento
flow regimes
abordagem lagrangeana
lagrangian approach
MED
DEM
parâmetros numéricos
numerical parameters
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES DE SEPARACAO E MISTURA
Subject: Engenharia química
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Quote: LIMA, Rondinelli Moulin. Estudo experimental e numérico da dinâmica de partículas em um disco rotatório. 2021. 136 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2021. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2021.418.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2021.418
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/32570
Date of defense: 30-Jul-2021
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