Hoe de deeltjesimulatie de procesindustrie duurzaam zal veranderen

Met het oog op de onderwerpen klimaat- en milieubescherming, of in het algemeen hulpbronnenefficiëntie, vragen klanten steeds vaker of de levenscyclus van de geleverde producten duurzaam is. Sinds de coronacrisis staan ook de toeleveringsketens in de schijnwerpers van kritische discussies. Dit alles zijn redenen waarom bedrijven in de toekomst nadenken moeten over de volledige levenscyclus van hun producten. Bedrijven moeten niet alleen economische aspecten in acht nemen, maar ook ecologische en maatschappelijke eisen op de voorgrond plaatsen. Het inzetten van geavanceerde simulatiemethoden kan bijdragen aan een duurzamere productie – en is ook een thema op de dit jaar georganiseerde POWTECH Special Edition van 30 september tot 1 oktober 2020. Met een aangepast concept in het kader van de wereldwijde COVID-19-impact richt de POWTECH zich dit jaar als Special Edition op kennisoverdracht – onder andere over het onderwerp simulatie.

In veel industriële sectoren wordt simulatie tegenwoordig als standaardinstrument gebruikt bij de ontwikkeling en optimalisatie van producten. Met de eindige-elementenmethode (FEM) wordt routinematig de structurele mechanica van onderdelen gecontroleerd. De simulatie levert belangrijke inzichten in het ontwikkelingsproces en heeft in veel gevallen de ontwikkeltijd van nieuwe producten aanzienlijk verkort.

Heel anders ligt dat bij procestechnologie. Hier worden tot nu toe met numerieke stromingsmechanica (Computational Fluid Dynamics, CFD) alleen routinematig oplossingen gevonden voor de optimalisatie van stromingsmachines. Voor de simulatie van deeltjesstromen en mechanische processtappen bestaan tegenwoordig met de Discrete Element Method (DEM) zeer moderne simulatie-instrumenten. Dr. Jorge Carregal Ferreira, hoofd van de afdeling Rocky DEM bij de CADFEM GmbH vestiging in Grafing, een beursdeelnemer aan POWTECH, legt in detail uit: „In de mechanische procestechniek wordt fysische simulatie tot nu toe slechts weinig of helemaal niet toegepast. Men vertrouwt meestal op ervaring of laboratoriumproeven. Bij het opschalen van het laboratoriumtestbankje naar de grootschalige productie-installatie en bij de overgang van een bekende productie-installatie naar een nieuwe installatie stuit men echter regelmatig op grenzen. Hier kan simulatie helpen om de belangrijkste invloeden te begrijpen en de juiste beslissingen te nemen over procesparameters. Dit leidt tot aanzienlijke kostenbesparingen, omdat het risico op bijstellingen van de productie-installatie wordt verminderd. Bovendien kunnen parameterstudies, gevoeligheidsanalyses en optimalisaties worden uitgevoerd om de juiste procesparameters te vinden.“

Miljoenen deeltjes individueel gesimuleerd

Een duurzame productie vereist dus een goed begrip van de fysische effecten van de afzonderlijke processen, de zogenaamde „Unit Operations“, waarvan de som het totale proces vormt. Ook hier kan fysische simulatie leiden tot belangrijke inzichten en een verbetering van het productieproces. De mechanische procestechniek wordt sterk beïnvloed door deeltjes- en stofstromen. Materiaal en bulkgoed worden verkleind, getransporteerd, geclassificeerd, gemengd, gescheiden en behandeld. Hele onderdelen worden getransporteerd, gesorteerd, behandeld en verder verwerkt. „Met de Discrete Element Method (DEM) kunnen deze processen worden gesimuleerd, begrepen en geoptimaliseerd,“ aldus Dr. Ferreira. „Hierbij worden de bewegingen en contacten van alle deeltjes in overweging genomen. Bij een zeer groot aantal deeltjes, vaak meer dan een miljoen, is daarvoor krachtige hardware nodig. Met het gebruik van GPU-technologie (GPU = Graphics Processing Unit) kan men tegenwoordig met DEM een veel groter aantal deeltjes en de echte vorm van de deeltjes simuleren.“

Deeltjesimulatie optimaliseert installaties - Van steengroeve tot tablettenproductie

De kwaliteitscontrole bij mengprocessen gebeurt via de mengkuip en de doorvoerprestatie. Het meten van de mengkuip is in de praktijk zeer moeilijk, omdat de installatie moet worden stilgezet en de toegang slechts een beperkte steekproef mogelijk maakt. „Hier helpt DEM-simulatie om het proces transparant te maken, omdat we met de juiste statistische evaluatie op elk moment en op elke willekeurige plek de kwantitatieve mengkuip kunnen bepalen. Daarmee kunnen de invloed van de procesparameters en invoervariabelen worden vastgesteld, zodat een aanbeveling voor de optimale bedrijfsparameters kan worden gedaan.“

In de farmaceutische industrie is de tabletbescherming een belangrijk onderdeel van de tablettenproductie. Hoewel de dure werkzame stof in de tablet aanwezig is, moeten de gekleurde oppervlakken zeer precies en zonder enige beschadiging worden aangebracht, omwille van de klantacceptatie. Deze coatingprocessen zijn daarom zeer kritisch, omdat bij een geringe hoeveelheid tabletten met randbreuk deze als afval worden afgevoerd, wat hoge kosten met zich meebrengt. Met behulp van DEM-simulatie kunnen hier het opschalen en de procesparameters zodanig worden ingesteld dat het afval wordt geminimaliseerd.

„Het is aannemelijk dat binnen de komende drie tot vijf jaar DEM-simulatie een standaardinstrument wordt in de mechanische procestechniek. Dit is vergelijkbaar met de situatie in de machinebouw, waar de eindige-elementenmethode in de afgelopen 15 jaar is uitgegroeid tot een standaardinstrument dat routinematig wordt ingezet. En net als in de machinebouw zal simulatie de procestechniek aanzienlijk veranderen,“ vat Dr. Ferreira samen.

POWTECH 2020 Special Edition: Veilig netwerken

Ook op de POWTECH 2020 Special Edition spelen de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van simulatie een rol – zowel in de vakforums als bij de exposanten. De editie van dit jaar richt zich, als gevolg van de wereldwijde impact van de coronapandemie, in bijzonder op kennisoverdracht. Het hart van de POWTECH Special Edition vormen de vakforums, die onder naleving van alle veiligheidsvoorschriften in twee beurshallen worden georganiseerd. De begeleidende vakbeurs biedt alle exposanten de mogelijkheid om hun innovaties efficiënt en aantrekkelijk te presenteren. Voorgedefinieerde standbouwconcepten en ruime meeting-gebieden garanderen de naleving van alle hygiëne- en veiligheidsrichtlijnen. Delen van het vakprogramma zullen na afloop van het evenement online beschikbaar worden gesteld voor deelnemers.