Granular flow in static mixers - DEM/CFD approach

Abstract

The mixing process greatly influence the quality of the intermediate and/or the final product, moreover, the parameters of the mixing process and the design of used equipment have a strong impact on mixing efficiency, the quality and the price of the product. In this article, Discrete Element Method is used for modeling of granular flow in multiple static mixer applications (Komax and Ross configurations were utilized). Computational Fluid Dynamic method was chosen for fluid flow modeling, using Eulerian multiphase model. Coupling of these two methods provides reliable, sufficiently correct and adequate results of proposed model compared to experimental measurements. The aim of this article is to predict the behavior of granules in different mixer configuration and to optimize parameters of the mixing process taking into account the duration of the mixing process and the quality of mixture, as well as the price of final product.

Proces mešanja veoma utiče na kvalitet krajnjeg poluproizvoda i/ili krajnjeg proizvoda, a parametri procesa mešanja i dizajn opreme veoma utiču na efikasnost mešanja, kvalitet proizvoda i cenu proizvoda. U ovom radu, prikazana je upotreba metode diskretnih elemenata (engl. Discrete Element Method - DEM) na modelovanje mešanja granula u različitim konfiguracijama statičkih mešača (korišćene su različite Komax i Ross konfiguracije za mešanje). Za modelovanje protoka fluida primenjena je metoda računske dinamike fluida (engl. Computational Fluid Dynamic - CFD), korišćenjem Ojlerovog višefaznog modela. Povezivanjem rezultata ove dve metode dobija se pouzdan, dovoljno tačan i adekvatan model koji daje rezultate koji odgovaraju eksperimentalnim merenjima. Praćene su i analizirane trajektorije, brzine i ubrzanja čestica, u cilju procene kvaliteta procesa mešanja. Dobro poznati kriterijum za kvalitet mešanja, pod nazivom relativna standardna devijacija (RSD) je korišćen za ovu svrhu. Optimizacija dimenzija i parametara mešanja u statičkoj mešalici je izvedena korišćenjem matematičkog modeliranja. Cilj ovog rada je bio da se predvidi ponašanje granulamog materijala u različitim konfiguracijama mešalica i da optimizuje parametre procesa uzimajući u obzir trajanje procesa mešanja, kvalitet mešavine i cenu finalnog proizvoda mešanja. U istraživanju je primećeno da su Komax elementi primenljiviji, u poređenju sa Ross elementima, posebno kada je visina instalacije mala. Međutim, upotreba Ross je finansijski prihvatljivija, zbog njegove jednostavnije geometrije. Dodatna pregrada sa kvadratnim otvorima, koja se postavlja na izlazu iz statičke mešalice, koristi se da bi se umirilo kretanje granula na obodu cevi, kao i da smanji segregaciju granula.