Computer Based Simulations of Polymer Pellets Flow in Pneumatic Conveying Systems and Hoppers

Abstract: I lamineringsprocessen är polymer pellets en viktig komponent för den färdiga produkten. Innan polymer pelletsen smälts och formas till slutlig produkt i en extruder, måste de transporteras från sin lagerhållningsplats in till processen genom rörsystem. Under denna transport uppstår slitage av pelletsen i form av damm och avlagringar som har en negativ effekt på processen. Innan pelletsen når processen fylls de i en hopper, placerad direkt ovanför extrudern. Hoppern i sin tur matar extrudern med pellets, men fungerar också som en lokal lagringsenhet för att försäkra att extrudern konstant förses med erforderliga pellets. Att ha ett väl fungerande flöde i hoppern är därför viktigt för att undvika avbrott i produktionen. Tetra Pak vill utöka sin förståelse inom detta området för att kunna minimera problem i processen och säkerställa kvalitén i slutprodukten. Man vill därför förutom att göra en teoretisk studie, även undersöka möjligheterna att utföra datorsimuleringar av flödet av polymer pellets i rörsystem och i hopprar. Avsikten med detta examensarbete har varit att först genomföra en teoretisk studie för att identifiera vilka materialegenskaper och processparametrar som påverkar dessa flöden, men också att finna lämpliga programvaror för dessa simuleringar samt att utvärdera programvaran för hoppersimuleringar. I den teoretiska studien identifierades vilka materialegenskaper för polymerpelletsen som var nödvändiga för att kunna utföra datorsimuleringar. Metoder för att mäta dessa materialegenskaper utvecklades och utvärderades sedan statistiskt med Gage R&R. Programvaran, EDEM, utvärderades genom att utföra praktiska tester som sedan jämfördes med simuleringarna. Första simuleringensmodellen sattes upp med de uppmätta materialeparametrar, men också med en del uppskattade som inte kunde mätas. Reslutatet från denna simuleringen visade sig inte stämma överens med det praktiska testet. En känslighetsanalys utfördes i simuleringsprogrammet för att undersöka vilka materialparametrar som påverkade resultatet. Ett antal vidare simuleringar utfördes där dessa parametrar justerades tills resultatet från simuleringen stämde överens med det praktiska testet. För att verifiera att dessa materialparametrar var representabla, utfördes ytterligare ett praktiskt test och en simulering på en annorlunda hoppergeometri. Om materialparametrarna från den första simuleringen är representabla, skulle de ge en överensstämmande simulering även för den andra hoppergeometrin. Samma undersökning gjordes sedan med en annan polymertyp med andra materialegenskaper för att ytterligare validera simuleringsmodellen. Studien visar att simuleringsresultat som ligger väldigt nära verkligheten kan uppnås. De fyra slutgiltiga simuleringarna i studien visar alla goda resultat med avvikelser inom 3,9 % vad gäller tömningstid av hopprarna. Vidare så stämmer flödesmönsterna väl överens med observationer gjorda under de praktiska testerna. Man ska dock ha i åtanke att simuleringarna är väldigt tidskrävande och kräver hög datorprestanda. En simulering av flödet i en fylld hopper av den typ som Tetra Pak använder sig av kan ta flera månader att slutföra. För att spara tid har istället små hoppermodeller använts i detta arbetet. I kombination med dessa mindre hoppermodeller kan EDEM fungera som ett bra verktyg att utföra känslighetsanalyser med för att undersöka hur materialegenskaper och hoppergeometrier påverkar flödet av pellets.