Introdução

O método dos elementos discretos (DEM) é uma ferramenta amplamente utilizada para simular o comportamento de materiais graneis dos mais diversos formatos e tamanhos, em equipamentos como silos, moegas e chutes de transferência. O DEM possibilita que a operação do ativo seja representada de forma numérica, após correlacionar o modelo e os dados do ativo em análise. Dessa forma, torna-se possível a identificação de padrões de fluxo e parâmetros físicos que seriam de difícil obtenção durante o funcionamento. Além disso, o método também viabiliza o estudo de modificações na geometria e nos parâmetros de operação, sem a necessidade de parada do equipamento ou uso de protótipos físicos.

Case

A pedido de um cliente, a Kot Engenharia utilizou o método para realizar a análise de fluxo em um leito de resfriamento de pelotas de minério de ferro. O estudo teve como objetivo identificar possíveis causas para o resfriamento insuficiente de um segmento de material ao longo do resfriador. A Figura 1 apresenta o equipamento, assim como seus principais componentes, relacionados ao fluxo de material.

A partir de relatos da equipe de operação e de imagens obtidas em campo, observou-se que na saída do leito de resfriamento uma parcela do material não estava sendo resfriada corretamente. Com isso, foi possível notar que o material em alta temperatura se encontrava próximo à parede externa do leito de forma recorrente, conforme Figura 2.

Em relação ao material utilizado no modelo, uma vez que não é possível realizar a coleta e manuseio das pelotas na condição de operação, o modelo DEM foi calibrado utilizando os dados do material em temperatura ambiente. A Figura 3 apresenta uma das vistas comparando a trajetória das pelotas na saída do forno com a trajetória de material no modelo DEM.

A partir da avaliação do processo e do equipamento, foram elaboradas duas hipóteses para a faixa de material que não estava sendo resfriado conforme esperado. As duas possibilidades consideradas são:

• Irregularidades na altura do leito de material;
• Porosidades não uniformes do leito de pelotas.

O modelo DEM executado para avaliação da formação do leito de pelotas, que pode ser visualizado no Vídeo 1, apresenta a etapa de enchimento e início da operação do resfriador.

Esse modelo teve como objetivo identificar a altura da cama de material ao longo da largura do leito. A partir dos resultados da análise DEM foi possível identificar a uniformidade na altura, conforme Figura 4.

Após descartar a possibilidade de variações na altura da cama, a hipótese seguinte tratou de avaliar a não uniformidade da porosidade do leito de pelotas. Conforme relatos do cliente e dados de amostragem do material granel após o resfriador, os problemas de resfriamento foram relacionados ao aumento da fração de partículas de menor granulometria.

A possibilidade de segregação por tamanho de partículas na saída do forno é conhecida, resultando em trajetórias predominantemente diferentes para cada tamanho de pelota e, consequentemente, causando a formação de um leito não uniforme. Caso ocorra uma maior presença de finos em uma região especifica do resfriador, o fluxo de ar nesta seção seria prejudicado e, com isso, a capacidade de troca de calor das pelotas neste segmento também seria reduzida. Sendo assim, foi implementado no modelo DEM uma maior variabilidade de partículas, seguindo a proporção de distribuição granulométrica informada pelo cliente. A Figura 5 apresenta a análise de fluxo no modelo em função do diâmetro das partículas.

O modelo com maior variabilidade granulométrica indicou que as partículas de menor diâmetro possuem tendência de queda no lado externo do leito de resfriamento, coincidindo com a região de pior resfriamento do material. Dessa forma, a composição do leito foi avaliada, sendo apresentado no Vídeo 2 o número de partículas em cada segmento radial do leito. Esse parâmetro está relacionado à porosidade do leito, uma vez que uma região com maior número de partículas implica em maior preenchimento do volume desta seção e, consequentemente, em uma menor fração de espaços vazios.

Conclusão

A análise do leito de pelotas realizada por meio de um modelo DEM indicou que a seção com maior número de partículas e consequentemente com maior porosidade, coincide com a região de pior resfriamento, destacando este fator como causa dos problemas relatados pelo cliente. A partir da identificação da origem do problema, utilizando ferramentas de cálculo computacional, a Kot conseguiu apoiar seu cliente, obtendo as informações necessárias para o desenvolvimento e aplicação de soluções mais direcionadas, otimizando o uso de recursos e possibilitando melhorias significativas em seu processo.

A equipe da Kot possui profissionais qualificados à sua disposição para avaliar e realizar as mais diversas análises de engenharia consultiva. Consulte nossos profissionais para maiores informações!

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