Simulación de método de elementos discretos (DEM) para la validación operativa de los activos de producción de materiales a granel

Es importante determinar la geometría apropiada y la configuración del equipo para el flujo, manejo y almacenamiento de sólidos granulares a granel en industrias que van desde el procesamiento de la minería y minerales hasta las operaciones de la cadena de suministro en importación/exportación y la producción química.

Cualquier cuello de botella resulta en un exceso de presupuesto y plazos que, en última instancia, afecta los resultados finales de los clientes. Usar simulaciones de DEM en las primeras instancias de diseño de una instalación o proyecto puede ayudar a evitar estos problemas y lograr la capacidad nominal designada del equipo.

DEM es una herramienta de software que brinda una simulación precisa y visual de cómo los materiales a granel fluyen e interactúan con el equipamiento, como conductos de transferencia, elevadores subterráneos de producción y sistemas de minerales producidos en bruto (ROM, por sus siglas en inglés).

Dado que es una simulación, las oportunidades de ingeniería asistida por computadora permiten una mayor rentabilidad en el desarrollo y validación del concepto que aquella que se podría obtener al diseñar un modelo físico, o hacer modificaciones del equipamiento en el terreno durante el comisionamiento. La versatilidad del DEM provee la ventaja de poder cuantificar un amplio rango de métricas.

Por ejemplo, los clientes que requieren un conducto de transferencia para transportar material granular pueden utilizar DEM para analizar cualquier cantidad de situaciones hipotéticas. Pueden hacer una simulación de cuán rápido sería el flujo de material para determinadas características de fluidez. También pueden hacer una simulación de un efecto de carga aumentada o un evento de conexión y así poder señalar la ubicación inicial del problema y desarrollar soluciones para remediarlo.

Imagen 1: Evaluación de DEM del mineral de cobre ROM adhesivo con tres capacidades y operación de derivación que alimenta a alguno de los dos transportadores receptores.

Este tipo de capacidad de localización y corrección de problemas es invaluable y puede ser aplicada a múltiples sectores industriales, incluida la minería, procesamiento de minerales y energía con resultados positivos. En minería, por ejemplo, la simulación de DEM puede predecir los efectos a largo plazo que el mineral de hierro pesado, filoso y abrasivo podría tener en la vida de uso de un equipo, lo que permite a los clientes estar pendientes de los problemas de mantenimiento.

La simulación de DEM también puede dar soporte a los comienzos de un proyecto al aplicar un enfoque de comisionamiento digital que permite que los clientes determinen y optimicen las configuraciones de los equipos y los requerimientos de los flujos de material a granel en un ambiente de ingeniería asistida por computadora (CAE, por sus siglas en inglés) antes de avanzar con la fabricación y la instalación.

Hay varias razones por las cuales el DEM se ha convertido en una herramienta de simulación más efectiva y aceptada, entre las que se incluyen las siguientes:

• Los paquetes de software de DEM —que una vez fueron limitados a la investigación y el desarrollo de departamentos universitarios— están ampliamente establecidos y disponibles en el dominio público.
• El desarrollo continuo del hardware de computadoras, particularmente los avances en las unidades de procesamiento gráfico (GPU, por sus siglas en inglés) y la potencia computacional, permite una alta resolución de simulación virtual que está siempre en crecimiento y poblaciones de partículas cada vez más grandes.
• Una aceptación establecida por empresas de grandes clientes de los beneficios de DEM en validar equipo y diseños de materiales a granel dentro de la fase de ingeniería para proyectos grandes. El uso de DEM por parte de grandes fabricantes de equipos originales (OEM, por sus siglas en inglés) en el desarrollo de sus respectivos diseños de equipos es notorio.

La simulación de DEM, la cual tiene un establecido registro en la provisión a clientes de soluciones innovadoras y prácticas para el equipo que maneja materiales granulares a granel, tiene un futuro alentador.

Se logran beneficios adicionales cuando se lo empareja con otros módulos de software de CAE, principalmente la dinámica de fluidos computacional (para simular la interacción de fluidos y sólidos granulares), el análisis de elementos finitos (para análisis estructural cuando hay problemas de carga de sólidos granulares) y los sistemas mecánicos de múltiples cuerpos (para predecir el comportamiento del equipo al interactuar con situaciones de material a granel). Ver Imagen 2.

Imagen 2: Evaluación del movimiento de descarga del elevador del tambor (DEM emparejado con la simulación de movimiento de múltiples cuerpos, con el movimiento de vaciado del elevador del tambor controlado por el recorrido de la rueda guía dentro de las vías perfiladas).

Y todavía hay una cantidad innumerable de aplicaciones que están en la transición de ser iniciativas de investigación y desarrollo a valiosas oportunidades industriales. Ejemplos de estas oportunidades incluyen figuras de partículas complejas, entre las que se encuentran las partículas flexibles, desarrollo de nuevos modelos de contacto de materiales y utilización de la ingeniería de almacenamiento en contenedores, modelado de ruptura de partículas con aplicaciones en degradación material (ver Imagen 3) y conminución, modelado de flujos materiales que incorporan análisis de transferencia de calor, o campos magnéticos y electrostáticos, y evaluación de segregación y combinación de eficiencia de ensamblado de partículas.

Imagen 3: Calibración de la degradación del mineral congelado y modelado de DEM para la evaluación del equipo de BMH

Cuando se trata de la simulación del manejo y el flujo de materiales a granel, es justo decir que el DEM es un modelo para el éxito.

Vea el blog de Luke Stone sobre simulaciones avanzadas para comprender los efectos estacionales en las operaciones que detalla cómo el material congelado en una pantalla causó bloqueos y cómo el DEM se utilizó para comprender mejor el desafío operativo y resolver el problema.