Modelo e simulador de vazão de ar de entrada em instalação de moagem com moinho eletromagnético

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 8281 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A trituração de matérias-primas consome grande parte da energia e dos custos operacionais das fábricas de produção e processamento. Podem ser conseguidas poupanças, por exemplo, através do desenvolvimento de novos equipamentos de moagem, como o moinho electromagnético com a sua instalação de moagem dedicada; e aplicando algoritmos de controle eficientes a esses elementos. Um bom controle de qualidade depende de modelos matemáticos, e o teste de algoritmos de controle versáteis é muito simplificado se um ambiente de simulação de planta estiver disponível. Assim, nesta pesquisa foram coletadas medições na instalação de moagem com moinho eletromagnético. Em seguida, foi desenvolvido um modelo que caracterizou o fluxo de ar de transporte na parte de entrada da instalação. O modelo também foi implementado em software para disponibilizar o simulador do sistema pneumático. Foram realizados testes de verificação e validação. Eles confirmaram o correto comportamento do simulador e a boa conformidade com os dados experimentais, tanto para estados estacionários quanto para transientes. O modelo é então adequado para projeto e parametrização de algoritmos de controle de fluxo de ar e para seus testes em simulação.

A trituração de matérias-primas é uma parte vital em vários ramos da indústria, sendo uma etapa crucial em: processamento de alimentos; fabricação de papel, produtos farmacêuticos, cosméticos, pigmentos; tratamento de materiais minerais (para os setores metalúrgico, construção civil, químico e energético); Reciclagem de lixo; e mais. É também um processo em grande escala. Por exemplo, a produção global de minas de cobre atingiu 21,2 milhões de toneladas de metal puro em 20211. Como os minérios de cobre são de baixo teor – em média, havia 0,65% de teor de cobre no material extraído em 20152 – isso significa que uma quantidade colossal de mais de 3,2 bilhões toneladas de minério de cobre foram extraídas, trituradas e moídas em apenas um ano. Por ser um processo tão comum e de grande escala, a cominuição consome cerca de 2% da energia elétrica global3. Além disso, constitui frequentemente uma parcela muito significativa do consumo e das despesas de energia num local de mineração ou produção. Por exemplo, nas minas, os processos de cominuição e separação de partículas constituem normalmente cerca de 30-50% do consumo total de energia da planta4 e cerca de 35-55% dos seus custos operacionais5.

A redução de despesas, consumo de energia e impacto ambiental dos processos industriais é geralmente desejada e impulsiona continuamente a inovação em tecnologias de moagem6. Isto significa: desenvolvimento de novos equipamentos de moagem e classificação de partículas7; ou aplicar esquemas de controlo mais eficientes às soluções existentes8; ou tratamento extra da matéria-prima – com aditivos químicos9, frio10, calor, micro-ondas, ultrassom, alta tensão e outros7,11. Novos tipos de moinhos estão sendo inventados especialmente para moagem fina e ultrafina, onde os moinhos rotativos convencionais são ineficazes ou energeticamente ineficientes7. Uma comparação de vários projetos de moinhos, como moinhos rotativos (esferas, barras, autógenos), rolos, agitados, vibratórios, centrífugos, a jato (energia fluida), pode ser encontrada, por exemplo, em 12,13,14.

Uma das invenções recentes na moagem ultrafina é um moinho eletromagnético15,16,17,18. Inclui um indutor de forte campo eletromagnético giratório, que movimenta pequenas hastes ferromagnéticas (elementos de moagem) e provoca moagem ou mistura muito rápida das matérias-primas fornecidas. As partículas de alimentação estão sujeitas a alto impacto de elementos de moagem em movimento, mas também a tensões térmicas, elétricas, magnéticas e acústicas, que ajudam ainda mais a desenvolver fraturas na matéria-prima15. O tamanho máximo de partícula do material de alimentação é de cerca de 1–2 mm, dependendo do diâmetro da câmara de trabalho do moinho. Após a moagem, as partículas do produto são dimensionadas em cerca de dezenas de micrômetros, dependendo do tipo de material, da distribuição do tamanho das partículas da alimentação, do tempo de moagem e de outras condições operacionais19.