应用案例

设计仿真 | 再生资源:基于CFD-DEM的制浆系统生态发展研究

在古埃及,纸莎草(papyrus)诞生后首先被作为书写纸张,后来有了更广泛的用途,如今纸莎草的发展也正经历着巨大的变化。由于可持续性和数字化转型的发展趋势,合同正在以电子方式转换,而纸张不再使用。那报纸和杂志呢?随着智能手机和平板电脑的普......


案例背景

在古埃及,纸莎草(papyrus)诞生后首先被作为书写纸张,后来有了更广泛的用途,如今纸莎草的发展也正经历着巨大的变化。由于可持续性和数字化转型的发展趋势,合同正在以电子方式转换,而纸张不再使用。那报纸和杂志呢?随着智能手机和平板电脑的普及,数字化文件可以发到你的电子设备上,印刷出版物的数量正在减少,出版物停产或关闭的情况并不罕见。另一方面,面巾纸、纸巾、卫生纸是每天都要消耗的生活必需品,需要稳定的供应,所以循环利用的纸张类型发生了变化。还有其他一些例子,你经常光顾的星巴克咖啡连锁店提供的吸管从20201月开始逐步用纸吸管代替塑料吸管[1]。在COVID-19大流行期间,你不太可能外出,所以你在亚马逊上购物时,收到的包裹可能装在可回收的纸盒或无塑料纸垫中[2]。你可能也去过宜家,那里有他们瑞典命名的产品,你会发现所有的包装材料都是由纸和瓦楞纸板制成的,因为他们的目标是去除消费者包装中的所有塑料[3]

挑战

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图1. 冈部工厂,是相川钢铁厂厂的主要生产设备(2003年完工)


这些变化不仅影响了造纸公司,也影响了支持它们的造纸设备制造商。虽然日本的造纸设备制造商纷纷倒闭或转移业务,但有一家公司正在通过简化设计和开发来迎接当前变革时代的挑战。相川钢铁厂有限公司于1924年在日本静冈县成立,是日本历史悠久的龙头企业,今年迎来了98周年。他们的造纸行业在芬兰和加拿大也有子公司,目前销售额已增至50亿日元(截至2019年12月),并且公司拥有255名员工(截至2021年6月,仅在日本)。

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图2. 再生纸板加工步骤总流程图


相川的优势之一是他们可以为造纸过程中不可缺少的纸浆制备设备提供一站式解决方案,这次我想重点介绍相川的无堵塞泵(ANP)和外筛系统。

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图3. 碎浆机系统分析


他们在2018年7月首次应用了Cradle CFD。最初,他们安装了另一个CFD软件,但该软件没有自由表面分析功能,无法再现由于碎浆机系统(原料罐)中转子旋转造成的原料浆液界面(漩涡)。这个问题当时是通过使用SC/Tetra自由表面分析功能解决的,这是他们成功使用CradleCFD的开始。


解决方案

              

图4. 相川的无堵塞泵                                                     图5. 实际的异物

他们现在已经在scFLOW中使用了DEM(离散元方法)功能,通过再现各种外来颗粒来更真实地模拟泵的内部,如图4所示。通过将DEM粒子与弹簧刚度等参数联系起来,织物模型可以用于弦状和布状物体的建模。

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图6. 无堵塞泵在改进设计前存在异物


董事兼高级管理执行官藤田先生说:“无堵塞泵的持续运行对有效清除碎浆机中的异物至关重要。如何运输原料而不堵塞是设计中的重要问题。如果发生堵塞,则需要停止造纸生产线,清除堵塞。如果你关闭生产线,最坏的情况就是你会失去一半的产能。”为此,他们利用scFLOW的DEM功能将废弃物的流动和堵塞过程可视化,提出来降低造成堵塞可能性的设计方案。堀池先生在他们的CFD分析中扮演着核心角色,他说:“我们已经能够使用scFLOW从候选设计中缩小模型的原型,并且能够将一些模型的开发周期从6个月缩短到1个月。随着原型机数量的减少,评价试验所需的原材料、水、电成本也减少了十分之一,同时更最重要的是,反复修改原型机所需的开发成本大大降低。”

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图7. 外置式筛管系统的外观


接下来,我要介绍的是筛分系统。该装置内部有一个旋转体,称为“筛转子”,在筛转子和机匣之间是有细间隙的结构(篮杆),称为“筛筒(篮)”。在本文介绍的模型中,流场是向机匣一侧产生的,因此有效纤维可以通过篮杆之间的间隙,而转子旋转产生的负压可以防止异物堵塞。

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图8. 改进设计前使用粒子跟踪对整个系统的分析


在分析整个系统之前,他们确定了杆隙上的压降,并将其作为整体分析中的压降模型。这种方法减少了每次分析的计算量,即使是总计算时间超过20秒的大规模瞬态分析,也可以通过44个内核并行模拟,在1~2天内完成整个分析(约100万个单元)。图8显示了整个分析的结果,说明重颗粒倾向于向设备的下部移动,轻颗粒倾向于向设备的上部移动,在那里它们被称为废品。这一趋势与相川试验设施的实验观察结果是一致的。对杆隙的有效纤维也分别使用DEM功能进行分析,如图9所示。

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图9. 有效纤维穿过条形缝隙


展望

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图10. 采访中的一个场景:(左)克美藤田先生,董事兼高级管理执行官;(中)堀池秀夫先生,

产品开发部;(右)后藤诚先生,执行总裁,产品开发部总经理


鉴于scFLOW已经广泛应用于其他设备的开发,如相川钢铁厂的精炼系统,我们询问了他们的分析前景。堀池先生说:“原材料的表观粘度随着最终产品和季节的变化而变化。因此,我们希望利用分散式多相流功能来对不同纸浆混合原料设备内部的流动进行可视化。”不同性质原料的混合意味着转子的搅拌和筛选不同,转子运行所需的功率也可能发生变化。造纸业一直以来都注重原材料的回收和再利用,而相川钢铁厂有限公司也一直致力于发展相关技术,通过节约能源和提高造纸过效率来实现更大的可持续发展。

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