Modello e simulatore del flusso d'aria in ingresso in un impianto di macinazione con mulino elettromagnetico

Aug 02, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8281 (2023) Citare questo articolo

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La triturazione delle materie prime consuma grandi quote di energia e costi operativi degli impianti di produzione e lavorazione. Si possono ottenere risparmi, ad esempio, sviluppando nuove apparecchiature di macinazione, come il mulino elettromagnetico con il suo impianto di macinazione dedicato; e applicando efficienti algoritmi di controllo a questi elementi. Un buon controllo di qualità si basa su modelli matematici e il test di algoritmi di controllo versatili è molto semplificato se è disponibile un ambiente di simulazione dell'impianto. Pertanto, in questa ricerca, le misurazioni sono state raccolte presso l'impianto di macinazione con mulino elettromagnetico. Successivamente è stato sviluppato un modello che caratterizzava il flusso d'aria di trasporto nella parte di ingresso dell'impianto. Il modello è stato anche implementato nel software per fornire il simulatore del sistema pneumatico. Sono stati condotti test di verifica e validazione. Hanno confermato il corretto comportamento del simulatore e la buona conformità con i dati sperimentali, sia per stati stazionari che transitori. Il modello è quindi adatto per la progettazione e la parametrizzazione di algoritmi di controllo del flusso d'aria e per il loro test in simulazione.

La triturazione delle materie prime è una parte vitale in molteplici settori industriali, essendo una fase cruciale in: trasformazione alimentare; produzione di carta, prodotti farmaceutici, cosmetici, pigmenti; trattamento materiali minerali (per i settori metallurgico, edile, chimico ed energetico); Riciclo dei rifiuti; e altro ancora. È anche un processo su vasta scala. Ad esempio, la produzione globale delle miniere di rame ha raggiunto 21,2 milioni di tonnellate di metallo puro nel 20211. Considerando che i minerali di rame sono di bassa qualità (in media, il contenuto di rame era pari allo 0,65% nel materiale estratto nel 20152), ciò significa che una quantità colossale di oltre 3,2 miliardi di tonnellate di minerale di rame sono state estratte, frantumate e macinate in un solo anno. Essendo un processo così comune e su larga scala, la sminuzzamento consuma quasi il 2% dell’energia elettrica globale3. Inoltre, spesso costituisce una quota molto significativa del consumo energetico e delle spese in un sito minerario o produttivo. Ad esempio, nelle miniere, i processi di sminuzzamento e separazione delle particelle costituiscono tipicamente circa il 30-50% del consumo energetico complessivo dell’impianto4 e circa il 35-55% dei suoi costi operativi5.

La riduzione delle spese, del consumo energetico e dell'impatto ambientale dei processi industriali è generalmente auspicata e guida continuamente l'innovazione nelle tecnologie di macinazione6. Ciò significa: sviluppo di nuove apparecchiature di macinazione e classificazione delle particelle7; o applicare schemi di controllo più efficienti alle soluzioni esistenti8; o un trattamento aggiuntivo della materia prima, con additivi chimici9, freddo10, calore, microonde, ultrasuoni, alta tensione e altri7,11. Vengono inventati nuovi tipi di mulini soprattutto per la macinazione fine e ultrafine, dove i mulini convenzionali sono inefficaci o energeticamente inefficienti7. Un confronto tra numerosi modelli di mulini, come i mulini a rotolamento (a sfere, a barra, autogeni), a rulli, ad agitazione, a vibrazione, centrifughi, a getto (energia fluida), può essere trovato ad esempio in 12,13,14.

Una delle recenti invenzioni nella macinazione ultrafine è un mulino elettromagnetico15,16,17,18. Comprende un induttore di forte campo elettromagnetico rotante, che muove piccole aste ferromagnetiche (elementi di macinazione) e provoca una macinazione o miscelazione molto rapida delle materie prime fornite. Le particelle di mangime sono soggette al forte impatto degli elementi di macinazione in movimento, ma anche a sollecitazioni termiche, elettriche, magnetiche e acustiche, che contribuiscono ulteriormente allo sviluppo di fratture delle materie prime15. La dimensione massima delle particelle del materiale in entrata è di circa 1–2 mm, a seconda del diametro della camera di lavoro del mulino. Dopo la macinazione, le particelle del prodotto hanno dimensioni di circa decine di micrometri, a seconda del tipo di materiale, della distribuzione granulometrica dell'alimentazione, del tempo di macinazione e di altre condizioni operative19.