En los procesos industriales rara vez interviene únicamente un fluido, sino que es común que interactúen distintas fases, componentes o especies gaseosas entre sí. Desde hornos industriales y sistemas de extracción hasta reactores y equipos de ventilación, la correcta caracterización del comportamiento de la mezcla es fundamental para garantizar la seguridad, la eficiencia y la calidad del proceso. Por ello, las simulaciones CFD para mezcla de gases representan un área de alto interés industrial.
¿Cómo se aplica la simulación CFD para mezcla de gases?
Cuando dos o más gases entran en contacto dentro de una tubería, una cámara o un reactor, no basta con resolver únicamente el campo de velocidades y presiones del fluido. A diferencia de una simulación CFD convencional, es necesario calcular simultáneamente el movimiento de la mezcla y la concentración de cada especie química presente en el dominio.
Para ello se emplean modelos de transporte de especies, que consideran fenómenos como la convección y la difusión turbulenta, además de la influencia de la geometría, las propiedades de los gases y las condiciones de operación. A diferencia de una simulación de un gas simple, donde las propiedades del fluido son uniformes y constantes en todo el dominio, se debe resolver una ecuación de transporte adicional por cada especie presente y actualizar continuamente las propiedades locales de la mezcla: densidad, viscosidad y conductividad térmica, que varían punto a punto en función de la composición local.
Aplicaciones de la simulación CFD para mezcla de gases
Las aplicaciones de esta tecnología son muy variadas y abarcan múltiples sectores industriales. Algunas de las áreas donde estas simulaciones aportan mayor valor incluyen:
- Sistemas de extracción y ventilación industrial: La simulación CFD permite caracterizar la distribución de gases en el interior de extractores, campanas y conductos, evaluando la eficacia de la captación y la influencia de las condiciones de operación sobre el flujo.
- Hornos y procesos térmicos: En equipos donde coexisten gases a distintas temperaturas y composiciones, el modelo de especies permite estudiar simultáneamente la mezcla y la transferencia de calor, identificando zonas de acumulación de gases o gradientes térmicos no deseados.
- Análisis de fugas y dispersión de gases: En instalaciones industriales donde existe riesgo de fuga de gases tóxicos, inflamables o contaminantes, la simulación CFD permite predecir la dispersión de la nube de gas en función de las condiciones del entorno, la ventilación disponible y las características de la fuga. Este tipo de análisis es clave para evaluar zonas de riesgo, dimensionar sistemas de detección y ventilación de emergencia, y garantizar el cumplimiento de normativas de seguridad industrial.
- Sistemas de control de emisiones: La simulación CFD permite evaluar la eficiencia de sistemas de dilución de gases contaminantes o la correcta distribución de corrientes de purga, contribuyendo al cumplimiento de requisitos medioambientales y de seguridad.
Caso de estudio
Como ejemplo de aplicación industrial, recientemente en ICEMM realizamos un estudio del sistema de extracción acoplado a un horno de fundición de cobre usando Cradle CFD. El objetivo fue validar el funcionamiento del extractor y evaluar su influencia sobre el sistema, caracterizando el comportamiento del flujo mediante la validación del campo de velocidades, la distribución de temperatura y la difusión de los componentes gaseosos.
El estudio se realizó considerando el modelo de mezcla de gases en el interior del equipo, así como fuentes de calor y el módulo de partículas con masa acopladas con el fluido. Se analizaron dos configuraciones geométricas correspondientes resolviendo las ecuaciones de flujo compresible con turbulencia en régimen transitorio.
En la siguiente imagen se muestran las líneas de corriente para una de las configuraciones estudiadas, permitiendo visualizar la distribución del flujo en el interior del sistema.
