Maestría en Ingeniería de Procesos
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- Diseño del electrodo de un reactor electroquímico mediante modelamiento y simulación hidrodinámica(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2017-12) Yañez Varela, Juan AntonioEl proceso electroquímico se ha colocado como una alternativa importante para el tratamiento de aguas residuales con concentraciones de Cr (VI) superiores a las permitidas por la legislación en materia ambiental. A diferencia de los electrodos rotatorios reportados en otros trabajos, aquí se proponen dos tipos de electrodos estáticos de un reactor electroquímico para la remoción de este metal pesado, en el cual se mantiene la mezcla completa mediante impulsores tipo pitched blade turbine (PBT). En una de las configuraciones evaluadas se utiliza un electrodo estático con anillos intercalados, que tienen la función de cátodos y ánodos, y que se distribuyen a lo largo de la altura del reactor (Caso 1). La segunda configuración, utiliza dos tubos de acero inoxidable en forma de deflector (Caso 2). El objetivo de emplear electrodos estáticos es evitar el movimiento de los electrodos y hacer un uso más eficiente de la energía aplicada en la agitación. Los sistemas fueron analizados utilizando mediciones experimentales, así como dinámica computacional de fluidos (CFD, por sus siglas en ingles), herramienta moderna que se emplea en el diseño, evaluación y optimización de tecnologías en las diversas ramas de la ingeniería. El análisis se llevó a cabo con el software ANSYS Fluent®, el cual se ha aplicado con éxito en el estudio de tanques agitados, este análisis cumple con el objetivo de identificar cuál arreglo tiene un mejor desempeño hidrodinámico, cuantificando la energía utilizada para la agitación del fluido y los tiempos requeridos para alcanzar un cierto grado de homogeneidad en la concentración dentro del reactor. La validación de los resultados obtenidos con la simulación se realizó con la medición experimental del torque y de los tiempos de mezclado con la técnica de medición de conductividad eléctrica. El análisis CFD permitió identificar que el Caso 2 promueve una mejor circulación en todo el volumen del tanque reduciendo en un 70% el tiempo de mezclado, en comparación con los electrodos rotatorios. Para las pruebas experimentales, se utilizó un reactor electroquímico con una capacidad de 19 L, se construyeron los electrodos de acero al carbón y se realizaron pruebas de remoción de Cr (VI) a una concentración inicial de 130 mg/L. La remoción del Cr(VI) siguió una cinética de orden variable. Los resultados obtenidos muestran que el tiempo de tratamiento obtenido con los arreglos propuestos se reduce en al menos 50%, con respecto a los encontrados con electrodos rotatorios. Con toda la información generada en este trabajo fue posible calcular la energía total que se requiere en cada uno de los sistemas para remover 1 g de Cr (VI), los resultados muestran que los diseños propuestos reducen en 70% el consumo energético total para el proceso electroquímico, en comparación con los electrodos rotatorios, lo que demuestra que la mejora en la eficiencia hidrodinámica dentro del reactor, impacta directamente en los costos del proceso, haciéndolo más factible para la aplicación del tratamiento electroquímico a este tipo de efluentes a nivel industrial.
- Diseño óptimo de un sistema de tratamiento para la remoción de cromo hexavalente usando reactores electroquímicos continuos(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2015-05) Lopez Yañez, AdrianEn este trabajo se investiga el problema de síntesis y optimización de sistemas de tratamiento selectivo de corrientes efluentes. La motivación surge del hecho de que comúnmente en las industrias se da un tratamiento centralizado a sus residuos acuosos derivados de un proceso productivo, sin ofrecer alternativas que reduzcan el volumen de agua a tratar. Es decir, el diseño estructural y sus propiedades de flujo y remoción de contaminantes no se estudian de manera sistemática con el fin de producir un diseño eficiente que minimice la contaminación de los sumideros y reduzca simultáneamente los costos de tratamiento. Con este fin se desarrolló un modelo de programación matemática para la síntesis y optimización de sistemas de tratamiento selectivo de efluentes para la reducción electroquímica de cromo hexavalente (Cr(VI)) a cromo trivalente (Cr(III)). El modelo de programación no lineal (PNL) se desarrolló a partir de la superestructura básica propuesta por Hernández-Suárez (2004), la cual toma en cuenta tres unidades de tratamiento. Se utilizó un modelo cinético de orden variable obtenido por Rodríguez y col. (2009) para la tecnología electroquímica de reducción de Cr(VI). La función objetivo considera las variables de flujo, consumo eléctrico y volumen del reactor, lo cual permite diseñar la estructura particular de tratamiento y el cálculo de sus propiedades al menor costo total anualizado. Por otra parte, el modelo de PNL desarrollado involucra términos no convexos, por lo tanto, el problema puede contener mínimos locales los cuales dificultan la obtención de un óptimo global. La posibilidad de manejar múltiples corrientes residuales y unidades de tratamiento en el sistema, introduce complejidades adicionales y un gran número de posibles configuraciones topológicas. Éstas son algunas de las dificultades que fueron abordadas en este trabajo de investigación con el enfoque de programación matemática.
- Optimización con multi-arranque estocástico para la síntesis de sistemas de tratamiento distribuido de efluentes industriales(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2017-12) Gallegos Delgado, RocioLas industrias de proceso generan grandes volúmenes de efluentes, los cuales deben recibir tratamiento antes de descargarse en cloacas o cuerpos de agua para cumplir con los límites ambientales permitidos para diversos contaminantes, establecidos por las legislaciones vigentes. Los sistemas de tratamiento de efluentes suelen ser costosos y pueden afectar la rentabilidad de una industria, por lo que se busca diseñar sistemas que cumplan con las especificaciones de descarga al menor costo posible. En un sistema de tratamiento distribuido, las corrientes efluentes pueden o no tratarse, de manera total o parcial según se requiera, en uno o más procesos de tratamiento con distintas tasas de remoción para uno o varios contaminantes y se mezclan con otras corrientes si es conveniente. El problema de síntesis de sistemas de tratamiento distribuido de efluentes, abordado en este trabajo, consiste en obtener la topología (arreglo y conectividad de los procesos de tratamiento) y las condiciones de operación que minimizan el costo total anual, CTA, del sistema. Uno de los enfoques para abordar este problema es la optimización de una superestructura de red, que engloba todos los posibles arreglos de los procesos de tratamiento y la conectividad que estos pueden tener entre sí y con las corrientes efluentes. Para formular matemáticamente esta superestructura se utilizan modelos de Programación No Lineal, PNL, o Programación No Lineal Entera Mixta, PNL-EM. Obtener una solución óptima global a este problema es muy complejo, pues las no convexidades presentes en los modelos causan dificultades a los algoritmos de solución y generalmente existe más de una solución óptima local. Los algoritmos de PNL generan un óptimo local, que probablemente no es el óptimo global del problema y además puede ser una solución pobre, la solución obtenida tiene una fuerte dependencia con el punto de arranque del proceso de solución. En este trabajo se propone un modelo de PNL para una superestructura de red, el cual se denominó modelo PNL-R, y a diferencia de algunos modelos de la literatura considera corrientes de recirculación y reciclo en la estructura de la red, éstas pueden ser útiles para disminuir costos o lograr factibilidad en algunos casos. Para resolver el modelo se propone un algoritmo iterativo de optimización con multi-arranque estocástico en dos fases. En la primera fase, la fase global, se genera de manera aleatoria un punto de arranque, en la segunda fase, la fase local, un resolvedor de PNL obtiene una solución óptima local a partir del punto generado en la fase global si esto es factible. Repitiendo el algoritmo se generan múltiples puntos de arranque, con lo cual se busca una amplia exploración de la región factible y con la fase local se consigue que cada solución obtenida sea la mejor en la vecindad del punto de arranque. De las soluciones obtenidas se elige la de menor costo y si se realizan iteraciones suficientes pueden obtenerse soluciones de alta calidad e incluso soluciones óptimas globales. El modelo y el algoritmo se aplicaron a 17 problemas de la literatura, de diferentes autores y con distintas características, con lo cual se validó el modelo y se probó la efectividad de la metodología de solución. Se reprodujo la mejor solución reportada en la literatura para todos los problemas abordados en tiempos de cómputo razonables, para diez de estas soluciones otros autores han probado que son óptimos globales por métodos deterministas y para dos de los problemas abordados se obtienen soluciones de menor costo que las reportadas en la literatura. Se concluye que el método es muy efectivo para abordar este tipo de problemas y tiene potencial para aplicarse en problemas incluso más complejos.