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Los procesos industriales que manejan materiales granulares requieren un conocimiento y control precisos del comportamiento de los sólidos. Muchos de ellos son procesos complejos, donde factores como el caudal, la compactación o la segregación pueden influir directamente en la eficiencia global de los procesos y en la prevención de interrupciones en la producción. En este contexto, la simulación mediante Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) se ha consolidado como un recurso de gran utilidad para el diseño y mejora de procesos en múltiples sectores. Desde la gestión y el transporte de materiales hasta operaciones químicas o térmicas, estas metodologías permiten anticipar y resolver inconvenientes antes de llevar a cabo la implementación real, contribuyendo a un importante ahorro de tiempo y recursos.
La Dinámica de Fluidos Computacional (CFD, por sus siglas en inglés) es una rama de la mecánica de fluidos que utiliza métodos y algoritmos numéricos para estudiar y resolver problemas de esta disciplina. Gracias a estas técnicas es posible analizar el comportamiento de líquidos y gases bajo distintas condiciones y configuraciones.
La simulación multifísica amplía el alcance del CFD al incorporar la interacción entre diversos fenómenos físicos, como la transferencia de calor, el contacto con materiales sólidos, las reacciones químicas o la respuesta estructural. Esto permite abordar situaciones complejas donde varios procesos ocurren de forma simultánea.
Cuando el análisis considera sólidos en movimiento, suele emplearse el Método de Elementos Discretos (DEM), una técnica que representa el comportamiento de partículas individuales en sistemas donde las interacciones entre sólidos son determinantes, como ocurre en materiales granulares, polvos o cápsulas. Esta metodología permite estudiar procesos como segregación, compactación, mezcla o transporte de sólidos en equipos industriales. También se puede emplear para el estudio del transporte de sedimentos.
Para abordar estos problemas en distintos casos industriales existen múltiples softwares que permiten realizar simulaciones CFD y multifísicas con alta precisión. Algunos de los más utilizados incluyen Ansys Fluent junto con Rocky DEM, MSC Cradle, OpenFOAM o MFiX.
En ICEMM hemos trabajado recientemente en la optimización de un concentrador centrífugo de uso industrial mediante técnicas CFD y multifísica considerando las partículas de material mineral.
Los concentradores centrífugos se utilizan ampliamente en la industria minera para recuperar partículas finas y ultrafinas de minerales valiosos, en particular metales pesados como el tungsteno. Su funcionamiento se basa en la separación por gravedad mejorada, en la que un recipiente gira para generar una fuerza centrífuga varias veces superior a la gravedad terrestre. Esta operación mejora significativamente la sedimentación de las partículas pesadas en comparación con los materiales más ligeros, lo que permite una separación eficaz basada en la densidad, incluso para partículas de tamaño muy pequeño que los separadores por gravedad convencionales no pueden recuperar. La aplicación de los concentradores centrífugos es especialmente relevante en las operaciones mineras que procesan minerales de baja ley o que buscan maximizar la recuperación de los residuos y los recursos secundarios.
La dinámica del flujo dentro del concentrador desempeña un papel fundamental en la determinación del rendimiento de la separación de partículas. Comprender la compleja interacción entre las fuerzas centrífugas, el movimiento de los fluidos y el comportamiento de las partículas es esencial para optimizar la eficiencia de la recuperación.
La dinámica de fluidos computacional (CFD) se ha convertido en una potente herramienta para estudiar estos dispositivos, ya que permite calcular los campos de velocidad, las distribuciones de presión y las estructuras de flujo dentro del recipiente del concentrador. Mediante la incorporación de modelos de flujo multifásico, como el método de elementos discretos (DEM) o los enfoques “Particle in Cell” (PIC), es posible analizar las trayectorias y el comportamiento de partículas de diferentes densidades y tamaños en condiciones de funcionamiento realistas.
Los resultados de estas simulaciones, como la mostrada en la segunda imagen de la noticia, permiten obtener visualizaciones que resultan complejas de captar e interpretar mediante experimentación. Por ejemplo, se puede estudiar la forma de la lámina libre en el concentrador y el campo de velocidades del fluido, cuya medida experimental no es sencilla.
Las simulaciones CFD se pueden utilizar en el proceso de diseño para optimizar parámetros como la geometría del recipiente, la velocidad de rotación y el caudal de alimentación. Además, los estudios basados en CFD pueden respaldar el desarrollo al predecir el rendimiento en una amplia gama de escenarios operativos sin necesidad de realizar pruebas físicas exhaustivas.
En el video adjunto se muestran unos resultados de concentración de diferentes especies en uno de los canales del concentrador. Estos resultados visuales también pueden convertirse en datos numéricos para analizar mediante hojas de Excel o scripts de Python.
La simulación CFD y multifísica está cambiando la manera en que se diseñan y optimizan los procesos industriales. Su capacidad para modelar y prever el comportamiento de sistemas complejos, que involucran tanto fluidos como sólidos, permite mejorar la eficiencia, reducir costes y alcanzar un mejor funcionamiento en diversas aplicaciones. En un entorno industrial cada vez más competitivo, adoptar estas herramientas representa una ventaja para la innovación de los procesos productivos.
En ICEMM llevamos ya 20 años realizando trabajos de simulación y cálculo en distintos sectores industriales donde las técnicas de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) son de aplicación. Nuestro enfoque está centrado en el cliente y en las necesidades específicas del proyecto o desarrollo, donde aplicamos nuestra experiencia y capacidades técnicas para ayudar a obtener un producto más seguro y de máxima calidad con ayuda de la simulación. Para ello contamos con múltiples softwares de simulación que nos permiten utilizar las tecnologías más avanzadas de cálculo y proporcionar un servicio eficiente y de calidad.
