Jak simulace částic ovlivní udržitelně procesní inženýrství

Vzhledem k tématům ochrany klimatu a životního prostředí, nebo obecně šetření zdrojů, se zákazníci stále častěji ptají, zda je životní cyklus dodávaných produktů udržitelný. Od koronavirové krize je také řetězec dodávek v centru kritické diskuse. To jsou všechny důvody, proč se firmy v budoucnu budou muset zaměřit na celý životní cyklus svých produktů. Firmy musí brát v úvahu nejen ekonomické aspekty, ale také klást důraz na ekologické a společenské požadavky. Použití pokročilých simulačních metod může přispět k udržitelnější výrobě – a je také tématem letošní speciální edice POWTECH od 30. září do 1. října 2020. S upraveným konceptem v důsledku celosvětových dopadů COVID-19 se POWTECH letos zaměřuje na přenos znalostí – mimo jiné na téma simulace.

V mnoha průmyslových odvětvích je dnes simulace standardním nástrojem při vývoji a optimalizaci produktů. Metodou konečných prvků (FEM) se rutinně kontroluje strukturální mechanika dílů. Simulace poskytuje důležité poznatky ve vývojovém procesu a v mnoha případech výrazně zkracuje dobu vývoje nových produktů.

Zcela jiná situace je u procesní techniky. Zde jsou dosud s numerickou proudovou mechanikou (Computational Fluid Dynamics, CFD) rutinně řešeny pouze optimalizace proudových strojů. Pro simulaci částicových toků a mechanických procesů dnes existují vhodné, velmi moderní simulační nástroje s metodou diskrétních prvků (DEM). Dr. Jorge Carregal Ferreira, vedoucí oddělení Rocky DEM u společnosti CADFEM GmbH, pobočka Grafing, která je vystavovatelem na POWTECH, k tomu podrobně říká: „V mechanické procesní technice se fyzikální simulace dosud používá jen málo nebo vůbec. Obvykle se spoléhá na zkušenosti nebo laboratorní zkoušky. Při škálování z laboratorního testu na velký závod určený pro výrobu a při přenosu z jedné známé výrobní linky na novou se však často setkáváme s hranicemi. Zde může simulace pomoci pochopit klíčové vlivy a učinit správná rozhodnutí ohledně procesních parametrů. To vede k významným úsporám nákladů, protože se snižuje riziko dodatečných úprav výrobního zařízení. Navíc je možné provádět studie parametrů, citlivostní analýzy a optimalizace, aby se našly správné procesní parametry.“

Miliony částic simulovány individuálně

Udržitelná výroba tedy vyžaduje dobré pochopení fyzikálních efektů jednotlivých procesů, tzv. „Unit Operations“, jejichž souhrn představuje celý proces. I zde může fyzikální simulace přinést zásadní poznatky a zlepšení výrobního procesu. Mechanická procesní technika je velmi ovlivněna tokem částic a látek. Materiály a sypké látky jsou drceny, dopravovány, tříděny, míchány, separovány a ošetřovány. Celé díly jsou dopravovány, tříděny, ošetřovány a dále zpracovávány. „Pomocí metody diskrétních prvků (DEM) lze tyto procesy simulovat, pochopit a optimalizovat,“ říká Dr. Ferreira. „Při tom jsou zohledněny pohyby a kontakty všech částic. Při velmi vysokém počtu částic, často přes milion, je třeba výkonného hardwaru. Použitím technologie GPU (grafická procesorová jednotka) lze dnes s DEM simulovat mnohem větší počet částic a skutečný tvar částic.“

Simulace částic optimalizuje zařízení – od lomu po výrobu tablet

Kontrola kvality při míchacích procesech probíhá přes míchací nádobu a průtok. Měření míchací nádoby je v praxi velmi obtížné, protože je třeba zařízení zastavit a přístup umožňuje pouze omezenou vzorkovací kontrolu. „Zde pomáhá simulace DEM, která činí proces transparentním, protože s vhodným statistickým vyhodnocením můžeme v každém okamžiku a na libovolném místě určit kvantitativní míru míchání. Tím lze určit vlivové parametry a vstupní proměnné a doporučit optimální provozní parametry.“

Ve farmaceutickém průmyslu je potahování tablet důležitým dílčím procesem při výrobě tablet. Přestože je v tabletě obsažen drahý účinný látka, je třeba z důvodů akceptace zákazníky přesně a bez sebemenšího poškození vytvořit barevný povrch. Tyto potahovací procesy jsou proto velmi kritické, protože i při malém počtu tablet s okrajem praskliny jsou tyto odstraňovány jako odpad, což je spojeno s vysokými náklady. Pomocí simulace DEM lze zde škálování a procesní parametry nastavit tak, aby byl odpad minimalizován.“

„Předpokládá se, že v následujících třech až pěti letech se simulace DEM stane standardním nástrojem v mechanické procesní technice. To je srovnatelné s situací v strojírenství, kde se za posledních 15 let metoda konečných prvků stala standardním nástrojem, který se rutinně používá. A stejně jako ve strojírenství, i simulace zásadně změní procesní techniku,“ shrnuje Dr. Ferreira.

POWTECH 2020 Special Edition: Bezpečné síťování

Také na speciální edici POWTECH 2020 hrají nejnovější vývoje v oblasti simulace důležitou roli – jak v odborných fórech, tak u vystavovatelů. Letos se vzhledem k celosvětovým dopadům pandemie koronaviru klade zvláštní důraz na přenos znalostí. Srdcem speciální edice POWTECH jsou odborné fóra, která jsou realizována v souladu se všemi bezpečnostními opatřeními ve dvou veletržních halách. Doprovodná výstava dává všem vystavovatelům možnost efektivně a atraktivně představit své inovace. Předem definované koncepty stánků a prostorné meetingové zóny zajišťují dodržování všech hygienických a bezpečnostních pravidel. Části odborného programu budou po akci k dispozici účastníkům online.