Simulación Computacional en Procesos Unitarios

Las operaciones unitarias hacen referencia a procesos industriales que se manejan de forma integral en donde por medio de uno o varios equipos especializados e interconectados se consigue una transformación en los insumos o materias primas que ingresan a estos procesos. Así podemos separar, mezclar, transferir calor, someter a esfuerzos o tensiones entre otras actividades, a estos insumos, con el fin de obtener un producto deseado.

Como es bien sabido, las aplicaciones de Ansys en la industria son amplias y variadas, y son muy usadas en la simulación de componentes mecánicos o maquinas completas. En ese sentido, hay maquinas que, debido a la naturaleza de sus geometrías, o de las funciones que desempeñan, hacen que sean especialmente desafiantes el poder simularlas correctamente. Así Ansys puede simular un gran número de equipos usados para este tipo de procesos, pasando por mezcladoras, intercambiadores de calor, tanques de almacenamiento y transporte, etc. 

Es en estos escenarios en el cual Ansys se destaca, siendo el software de simulación líder a nivel mundial, ya que posee las herramientas necesarias para el desarrollo de cualquier proyecto de diseño, desde cálculos iniciales, diseño de la geometría, pasando por el mallado de estas últimas, hasta la configuración de los parámetros de funcionamiento. En este articulo haremos un breve repaso de estas aplicaciones.

Figura 1. Maquinaria usada en procesos unitarios dentro de una fabrica

Procesos de separación

Los procesos de separación se refieren a todas aquellas actividades que busquen clasificar y diferenciar los distintos componentes y sustancias que, forman parte de alguna materia prima e ingresan a un flujo de alimentación industrial con el fin de obtener productos diferentes. Estos procesos se realizan en equipos integrados que sin embargo trabajan como unidades propias dando origen así al concepto de operaciones unitarias de separación. En muchos casos estas operaciones están relacionadas con procesos que se basan en el principio de diferencia de concentraciones tomando ventaja de la densidad relativa entre otras propiedades como el de difusividad, entre otras.

Como un ejemplo de máquinas involucradas en este tipo de operaciones tenemos a los ciclones. En estos equipos tienen lugar procesos de separación de corrientes de flujo multifásico (líquido/solido). 

Son equipos en donde la geometría juega un papel fundamental en la eficiencia de separación.

Figura 2. Visualización de partículas al interior de un ciclón

Con CFD podemos visualizar líneas de corriente, velocidad y vorticidad a todas las alturas del equipo, hacer validaciones operacionales, estudios de erosión y desgaste, estudios de eficiencia y como consecuencia estudios paramétricos para el diseño de ciclones o hidrociclones.

Operaciones de mezcla

La mezcla es el proceso de combinación de varios materiales diferentes que junto con la aportación de energía se combinan en un nuevo componente. Se puede definir dos tipos de mezcla heterogéneas y homogéneas, como es conocido las mezclas heterogéneas se puede distinguir los componentes de manera sencilla, a veces a simple vista, mientras que en las mezclas homogéneas los componentes son indistinguibles por medios comunes y requieren de equipos avanzados para conocer la composición.

Existen diferentes equipos de mezcla, sin embargo, los tanques de mezclado son una de las principales herramientas al momento de llevar a cabo este tipo de operaciones, aunque también existen otras configuraciones o aparatos para lograr este objetivo.

Figura 3. Modelos digitales de tanques de mezcla

Estas simulaciones en muchos casos se hacen complejas porque es necesario incluir dominios rotativos, o mallas móviles, que permitan representar el movimiento de los impulsores dentro del volumen de control. Adicionalmente, la incorporación de modelos multifásicos (liquido/gas/sólido) hacen más complejo el sistema. Sin embargo, Ansys CFD tiene capacidades comprobadas para simular estos sistemas y con una interfaz de usuario muy amigable e intuitiva.

Figura 4. Simulación de tanques de mezcla

De igual forma, estudios de vorticidad y líneas de corriente para poder explorar adecuadamente el flujo de las partículas por el equipo, así como también estudios de potencia y torque requeridos para mover las aspas según la reología del líquido manejado en cada tanque.

Operaciones de almacenamiento de líquidos y gases

Los tanques de almacenamiento se usan como deposito para contener una reserva suficiente de algún producto para su uso posterior, transporte y/o comercialización.

Los tanques de almacenamiento son estructuras que contienen productos, ya sean sólidos, líquidos o gases a presiones y temperaturas determinadas, siendo de uso muy común en las industrias de gas natural y petroquímicas. Actualmente existe numerosos diseños de depósitos de acuerdo con los parámetros ya establecidos en la industria, entre los cuales podemos tener: tipo y volumen del producto a almacenar, temperatura, presión entre otros.

La norma más usada para los tanques de almacenamiento es la norma API. Actualmente el uso de la simulación por elementos finitos en Ansys Mechanical, se ha vuelto un estándar en la industria, pues permite una rápida verificación del cumplimiento de los parámetros establecidos por las normas vigentes, esto permite encontrar y corregir errores de diseño de una manera rápida u efectiva.

Figura 5. Análisis de esfuerzo en tanques de almacenamiento

Existen tanques, para fluidos especiales como sería el caso del GNL, el diseño de este tipo de tanques, usados generalmente en barcos metaneros para su transporte alrededor del mundo, por lo general requieren de un diseño especial por lo que la simulación es ampliamente empleada en este tipo de industrias.

Operaciones de intercambio de calor

El intercambio de calor es el proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura

Los procesos de intercambio de calor requieren de equipos que constantemente transfieran energía de un medio a otro, esto con el fin de lograr una variación en la temperatura del material sometido al proceso, El principal medio para este fin es el uso de los intercambiadores de calor, muy usados en las diferentes industrias.

Figura 6. Simulación de un intercambiador de calor con ANSYS

Para hornos y secadores el tema de consumo energético es de amplio interés para la planta. Los combustibles fósiles suelen tener un impacto económico importante en el flujo de caja de la empresa, de manera tal que el diseño de quemadores y el control térmico dentro de los hornos es una tarea fundamental en estos equipos.

Figura 7. Simulación de quemadores de hornos

Operaciones de trituración y tamizado

La pulverización el proceso que consiste en dividir lo máximo posible un sólido hasta convertirlo en polvo o disminuir el tamaño de sus granos para favorecer los procesos posteriores. Para este fin tenemos procesos como la molienda y la trituración.

Figura 8. Proceso de simulación de trituración con ROCKY DEM

El tamizado es un método físico para separar dos solidos formados por partículas de tamaño diferente. En su forma más básica consiste en pasar una mezcla de partícula de diferentes tamaños por un tamiz, criba o colador, siendo que las partículas de menor tamaño atraviesan por los poros o malla del tamiz separando las partículas grandes de las pequeñas.

Figura 9. Tamizado con ROCKY DEM

Como se puede observar cuando se trata de simulación de partículas, Rocky es el estándar dorado en la industria, debido a la gran cantidad de validaciones que se han hecho sobre los resultados obtenidos en el software con su contraparte real.

Como se ha podido apreciar, es posible modelar las diferentes maquinas presentes en procesos unitarios, con Ansys y Rocky, siendo una gran ayuda al momento de enfrentarnos a este tipo de desafíos pues el ahorro de costos y tiempo es una gran ventaja competitiva para cualquier industria. Gracias a estas capacidades ANSYS y ROCKY son softwares lideres en la industria actual, con las cuales se pueden abarcar y solucionar prácticamente cualquier desafío que las industrias actuales tengan.

Para mayor información sobre esta aplicación o productos de simulación computacional ANSYS, visiten: https://www.semco.com.pe/ansys-software-de-simulacion/