Estudio mediante DEM de máquinas compresoras

Résumé

Las máquinas compresoras se utilizan en gran variedad de industrias, como la farmacéutica,la alimentaria, la metalúrgica, etc., para conformar pastillas o comprimidos a partir de materiales granulares o pulverulentos. Los principales desafíos a los que se enfrentan las industrias que emplean estos equipos son la segregación del material y su compactación. Dada la naturaleza de los materiales granulares, es complicado analizar experimentalmente su comportamiento, por lo que el método de los elementos discretos (DEM, del inglés Discrete Element Method) resulta ser una herramienta de gran utilidad. Mediante esta tesis, se pretende emplear la simulación DEM para analizar el comportamiento de los materiales en las máquinas compresoras, incidiendo en el análisis de la segregación del material durante su dosificación, así como en el proceso de compactación. Con el fin de obtener una visión global de la segregación originada en las máquinas compresoras durante la dosificación del material, se han analizado dos tipos de máquinas compresoras, cuyo funcionamiento difiere por completo. De este modo, se ha estudiado una máquina compresora rotativa y otra alternativa. Tras validar los modelos de simulación DEM generados con datos experimentales, éstos se han utilizado para examinar el comportamiento de las mezclas empleadas. Una vez identificados los mecanismos de segregación que tienen lugar en cada una de las máquinas, se ha propuesto una solución para reducir la segregación producida. Dicha solución consiste en introducir uno o varios injertos en el interior del depósito o zapato para modificar los flujos o velocidades de las partículas y, de este modo, evitar que los mecanismos de segregación identificados se generen o reducir su efecto. Su eficacia ha sido examinada mediante simulaciones DEM. Respecto al proceso de compactación, se ha examinado la capacidad de las simulaciones DEM para reproducir fielmente el proceso de compactación del material granular. Para comprobar que los resultados obtenidos no son exclusivos de una herramienta de simulación, se han puesto a prueba dos simuladores DEM distintos, uno comercial y otro de código abierto. En primer lugar, se han identificado los modelos de contacto cohesivos equivalentes en cada herramienta, así como los parámetros óptimos de simulación. Una vez establecidos, se han determinado los parámetros más influyentes y, teniendo éstos en cuenta, se han calibrado los modelos DEM mediante un diseño de experimentos (DOE). Finalmente, los modelos DEM se han validado por comparación con datos experimentales. De este modo, se ha observado que es posible conformar comprimidos con buena calidad aplicando una carga muy similar a la alcanzada en los experimentos. Sin embargo, para obtener la porosidad real en las simulaciones es necesario modelar el tamaño real de las partículas, lo cual no es viable debido al coste computacional requerido.