Jak symulacja cząstek zmieni zrównoważenie technikę procesow�

W związku z tematami ochrony klimatu i środowiska, lub ogólnie oszczędzania zasobów, klienci coraz częściej pytają, czy cykl życia dostarczanych produktów jest zrównoważony. Od kryzysu COVID-19 również łańcuchy dostaw są w centrum krytycznej dyskusji. To wszystko powody, dla których firmy w przyszłości muszą myśleć o całym cyklu życia swoich produktów. Firmy muszą brać pod uwagę nie tylko aspekty ekonomiczne, ale także ekologiczne i społeczne wymagania. Wykorzystanie zaawansowanych metod symulacji może przyczynić się do bardziej zrównoważonej produkcji – i jest również tematem tegorocznego specjalnego wydania POWTECH od 30 września do 1 października 2020 roku. Z dostosowaną koncepcją w związku z globalnymi skutkami COVID-19, POWTECH jako specjalne wydanie w tym roku skupia się na transferze wiedzy – między innymi na temat symulacji.

W wielu branżach przemysłowych dziś symulacja jest standardowym narzędziem w rozwoju i optymalizacji produktów. Metodą elementów skończonych (FEM) rutynowo sprawdza się mechanikę strukturalną elementów. Symulacja dostarcza ważnych informacji w procesie rozwoju i w wielu przypadkach znacznie skraca czas opracowania nowych produktów.

Zupełnie inaczej wygląda to w technice procesowej. Dotychczas rozwiązaniami rutynowymi w zakresie optymalizacji maszyn przepływowych są jedynie metody numerycznej mechaniki płynów (Computational Fluid Dynamics, CFD). Do symulacji przepływów cząstek i mechanicznych procesów technologicznych dostępne są dziś bardzo nowoczesne narzędzia symulacyjne, takie jak Metoda Dyskretnych Elementów (DEM). Dr Jorge Carregal Ferreira, kierownik działu Rocky DEM w CADFEM GmbH, oddział w Grafing, wystawcy na POWTECH, mówi szczegółowo: „W technice mechanicznej do tej pory stosuje się niewiele lub wcale symulacji fizycznych. Zazwyczaj opiera się na doświadczeniu lub próbach laboratoryjnych. Przy skalowaniu od stanowiska laboratoryjnego do dużej instalacji produkcyjnej oraz przy transferze z jednej znanej instalacji na nową, często napotyka się na ograniczenia. Tutaj symulacja pozwala zrozumieć kluczowe wpływy i podjąć właściwe decyzje dotyczące parametrów procesu. To prowadzi do istotnych oszczędności kosztów, ponieważ zmniejsza ryzyko konieczności korekt w produkcji. Ponadto można przeprowadzać badania parametrów, analizy wrażliwości i optymalizacje, aby znaleźć odpowiednie parametry procesu.”

Indywidualna symulacja milionów cząstek

Zrównoważona produkcja wymaga więc dobrego zrozumienia fizycznych efektów poszczególnych procesów, tzw. „Unit Operations”, których suma stanowi cały proces. Również tutaj symulacja fizyczna może prowadzić do istotnych odkryć i poprawy procesu produkcyjnego. Technikę mechaniczną silnie kształtują przepływy cząstek i substancji. Materiały i surowce są rozdrabniane, transportowane, klasyfikowane, mieszane, rozdzielane i poddawane obróbce. Całe elementy są transportowane, sortowane, poddawane obróbce i dalej przetwarzane. „Metodą Dyskretnych Elementów (DEM) można symulować, rozumieć i optymalizować te procesy,” mówi Dr Ferreira. „Uwzględnia się ruchy i kontakty wszystkich cząstek. Przy bardzo dużej liczbie cząstek, często ponad milion, wymaga to odpowiedniego, wydajnego sprzętu. Dzięki technologii GPU (Graphics Processing Unit) można dziś symulować za pomocą DEM znacznie większą liczbę cząstek i ich rzeczywiste kształty.”

Symulacja cząstek optymalizuje zakłady – od kamieniołomu po produkcję tabletek

Kontrola jakości w procesach mieszania odbywa się poprzez mieszadło i wydajność przepływu. Pomiar mieszadła jest w praktyce bardzo trudny, ponieważ trzeba zatrzymać urządzenie, a dostęp do próbki jest ograniczony. „Tutaj pomaga symulacja DEM, czyniąc proces transparentnym, ponieważ za pomocą odpowiedniej analizy statystycznej możemy w każdym momencie i w dowolnym miejscu określić ilościową wartość mieszania. W ten sposób można zbadać wpływ parametrów i wejściowych wielkości, aby móc zalecić optymalne parametry pracy.”

W przemyśle farmaceutycznym powłoka tabletek jest ważnym etapem produkcji. Chociaż kosztowny składnik aktywny jest zawarty w tabletce, ze względu na akceptację klientów powierzchnie kolorowe muszą być precyzyjnie wykonane, bez najmniejszej szkody. Procesy powlekania są więc bardzo krytyczne, ponieważ nawet niewielka ilość tabletek z uszkodzeniem krawędzi jest odrzucana jako odpad, co wiąże się z wysokimi kosztami. Dzięki symulacji DEM można ustawić skalowanie i parametry procesu tak, aby zminimalizować odpad.”

„Przewiduje się, że w ciągu najbliższych trzech do pięciu lat symulacja DEM stanie się standardowym narzędziem w technice mechanicznej. To porównywalne z sytuacją w inżynierii maszyn, gdzie w ciągu ostatnich 15 lat metoda elementów skończonych stała się narzędziem rutynowym. I podobnie jak w inżynierii maszyn, symulacja znacząco zmieni technikę procesową,” podsumowuje Dr Ferreira.

Specjalne wydanie POWTECH 2020: Bezpieczne nawiązywanie kontaktów

Również podczas POWTECH 2020 Special Edition najnowsze osiągnięcia w dziedzinie symulacji odgrywają ważną rolę – zarówno w forach branżowych, jak i u wystawców. Tegoroczne wydanie skupia się szczególnie na przekazywaniu wiedzy w związku z globalnym wpływem pandemii koronawirusa. Trzonem POWTECH Special Edition są fora branżowe, które, z zachowaniem wszelkich wymogów bezpieczeństwa, zostaną zorganizowane w dwóch halach targowych. Towarzysząca wystawa umożliwia wszystkim wystawcom efektywne i atrakcyjne prezentowanie swoich innowacji. Z góry zaplanowane koncepcje stoisk i przestronne strefy spotkań gwarantują przestrzeganie wszystkich zasad higieny i bezpieczeństwa. Część programu branżowego będzie dostępna online dla uczestników po zakończeniu wydarzenia.