Maestría en Ingeniería de Procesos
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- Modelado de reactor de lecho fijo para la reformación de etanol con CO2(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2018-05) Ramos Sanchez, IvanEn el presente trabajo se ha fijado la atención en cómo resolver uno de los grandes problemas que posee la civilización humana en todos los estratos sociales en el siglo XXI. Que es la emisión de gases contaminantes hacia la atmósfera, pero un especial interés, es el cómo usar el CO2, para generar más productos de valor agregado, y que no sea un simple gas efluente. En este caso se investigo acerca la reacción de reformación seca de etanol, para generar Hidrógeno, principalmente porque es un gas de alto valor en el mercado, porque posee algunas características que lo hace una opción viable para sustituir a los combustibles fósiles. Y suena aún más atractivo el obtenerlo de una materia prima que puede ser recabada a su vez de fuentes renovables como la descomposición anaerobia de biomasa. Se realizó un breve y simple estudio termodinámico para saber bajo ciertas condiciones de alimentación y temperatura, puede llevarse a cabo la reacción. Se hizo reaccionar el etanol con CO2 mediante un catalizador ya estudiado para generar hidrógeno a partir de etanol y vapor de agua. Se formula una mezcla Binder que permitió aumentar las propiedades mecánicas del catalizador, así como sus propiedades texturales, el cual podría generar nuevas perspectivas en la síntesis de catalizadores y materiales incluso. Se calcularon los parámetros de transporte efectivos, como función únicamente de la temperatura y de las propiedades texturales del catalizador. Mediante técnicas numéricas se desarrollaron expresiones para definir una ley de velocidad mediante el uso de ajuste no lineal de datos. Así como el uso del método de diferencias finitas, para resolver las ecuaciones conservativas de masa y energía. Para posteriormente cotejar su validez mediante experimentación en reactor integral de lecho fijo. Se obtuvieron velocidades de reacción en reactor diferencial (sin resistencias la transporte de masa y energía) para generar factores de efectividad. Que por sí mismos pueden dar información sobre los procesos que influyen en la cinética de la reacción y la transferencia de masa intraparticula. En la sección de apéndices se presenta un resumen más detallado de las metodologías usadas.
- Modelado de un reactor de lecho fijo para la obtención de acroleína a partir de glicerina(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2018-03) Hernandez Ramirez, SofiaLa producción de acroleína se llevó a cabo por deshidratación de glicerina utilizando un catalizador de Pd Paladio soportado en zeolita Y con La Lantano. Se realizaron una serie de experimentos en un reactor diferencial a diferentes temperaturas de reacción y de concentración de glicerina en la alimentación para validar la ecuación de velocidad de reacción de acuerdo con el modelo de Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson. Se determinaron las constantes de velocidad de reacción y se confirmó que la cinética de reacción de deshidratación de glicerina a acroleína es de primer orden, así como la energía de activación y el factor de pre exponencial, basado en la ecuación de Arrhenius. Utilizando los datos anteriores, se desarrolló un modelo bidimensional que permite calcular los perfiles de conversión y temperatura en cualquier punto de un reactor de lecho empacado, siendo las ecuaciones parciales de balance de energía y masa en estado estacionario las que rigen el modelado del reactor de lecho fijo. Estas ecuaciones se resolvieron por el método de elemento finito utilizando COMSOL Multiphysicis 5.2a. La mayor aportación de este estudio consiste en la determinación experimental de la ecuación de velocidad de reacción y su aplicación a la construcción del modelo de balance de masa y energía para determinar los perfiles de conversión y temperatura, axial y radialmente. Gracias al modelo se puede predecir que a 13 cm de longitud se puede obtener un 100% de conversión a temperaturas cercanas a los 320 °C y 325 °C. El perfil de conversión de la glicerina es parabólico siendo mayor en las paredes del reactor donde se encuentra la fuente de calor ya que es un producto de una reacción endotérmica.
- Análisis CFD de la disipación viscosa en un tanque cilíndrico usando un impulsor de alto corte(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2017-12) Guadarrama Perez, RomanLa disipación viscosa es un parámetro clave en procesos de dispersión de polvos, llevados a cabo en sistemas con agitación mecánica. Debido a que ésta es asociada a la desaglomeración de partículas cerca de la zona barrida por el impulsor. En este trabajo se simuló el flujo tridimensional (en régimen laminar y de transición) en estado estacionario inducido por un impulsor de alto corte tipo Hockmeyerr de dos anillos. El sistema de estudio es un tanque cilíndrico con fondo toriesférico, desprovisto de detectores. Con el uso de la herramienta de dinámica de fluidos computacional (CFD, por sus siglas en inglés), se evaluó el efecto de la distancia del fondo del tanque al impulsor (C), el diámetro del tanque (T) y la altura del fluido de trabajo (Z), expresados como las relaciones: C=T , D=T y Z=T , D representa el diámetro del impulsor, así como el tipo de fluido (newtoniano y pseudoplástico) sobre el patrón de flujo y la disipación viscosa a una misma potencia inyectada por unidad de volumen de fluido (P=Vf ). Con el fin de capturar la hidrodinámica en la región cercana al impulsor y extraer valores promedio de la disipación viscosa en esta zona, el dominio computacional se dividió en diferentes volúmenes. Se utilizó el modelo de múltiples marcos de referencia (MRF, por sus siglas en inglés) y el modelo de volumen de fluido (VOF, por sus siglas en inglés) para simular la evolución de la interface aire-líquido. Los resultados numéricos fueron validados con mediciones experimentales de consumo de potencia. Con base en los resultados, se encontró que los sistemas estudiados presentan un patrón de flujo radial. Sin embargo, en el fluido pseudoplástico los lazos de recirculación son más reducidos. Lo que genera valores más altos del gradiente de velocidad y como consecuencia en la disipación viscosa. Por otro lado, al reducir la distancia del fondo del tanque al impulsor, el patrón de flujo radial tiende a deformarse e incluso el fluido pseudoplástico comienza a segregarse cerca de la interface aire-líquido. Se determinó que la configuración geométrica tiene efecto sobre la disipación viscosa y que los valores más altos se tienen al mantener las relaciones: C=T = 0.3848, D=T = 0:3848 y Z=T = 1:0. Los resultados obtenidos en este trabajo sugieren que el proceso de dispersión podría intensificarse al mantener la configuración geométrica antes mencionada y utilizar un fluido pseudoplástico como fluido de proceso.
- Recuperación optima de energía de fuentes de baja temperatura bajo condiciones de incertidumbre(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2017) Santos Rodriguez, Maria MagdalenaEn el proceso de una industria existen corrientes de calor de baja temperatura las cuales no tienen utilidad y por lo tanto se convierten en residuos industriales. Una fuente de energía se considera de baja temperatura si es inferior a 370_C [10, 52]. Debido a su bajo contenido energético, estas corrientes de procesamiento son consideradas no rentables, especialmente en los ciclos termodinámicos utilizados para la recuperación de energía a partir de fuentes de energía de baja temperatura. Investigaciones estadísticas indican que las corrientes de calor de baja temperatura representan 50% o más del total del calor generado en la industria, el cual se pierde en forma de emisiones contaminantes térmicas [10, 47]. Debido a la falta de métodos de recuperación eficientes, el calor residual de baja calidad ha sido descartado generalmente por la industria y se ha convertido en una preocupación ambiental debido a la contaminación térmica. Un ciclo termodinámico que es utilizado para la recuperación de energía es el ciclo Rankine orgánico y puede ser una opción de generación de energía Sin embargo en la mayoría de las situaciones prácticas existe por lo general incertidumbre o desconocimiento del valor preciso o exacto de variables que influyen fuertemente sobre la calidad de diseño de un ciclo Rankine orgánico. Por lo que considerar incertidumbre en algún parámetro es de gran importancia y utilidad ya que permite obtener diseños que operen bajo condiciones de operación más reales. En esta tesis, se aborda el problema del diseño de fluidos orgánicos de múltiples componentes capaces de funcionar de manera óptima bajo condiciones de incertidumbre en las condiciones de funcionamiento tales como las temperaturas de la fuente de calor y la eficiencia de los componentes individuales del ciclo de Rankine. El problema de diseño se presenta como un problema de optimización estocástica no lineal. También se utilizan las medidas de riesgo para compensar la flexibilidad y el desempeño del promedio y encontrar que existen conflictos fuertes.
- Modelado cinético del proceso de obtención de acroleína a partir del glicerol(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2016) Flores Gutierrez, Tyreese HumbertoLa alta demanda y la preocupación ambiental que han causado los combustibles fósiles por su consumo, ha estimulado la oferta de combustibles renovables y sustentables como el biodiesel. Actualmente la producción de biodiesel tiene una rápida tasa de expansión anual del 28% en Europa y del 50-80% en Estados Unidos. Sin embargo, el fuerte incremento en la producción de biodiesel ha llevado a la abundancia del glicerol de bajo costo como el principal producto del proceso de transesterificación. Investigaciones recientes indican que la producción de glicerol en el año 2020 excederá seis veces la demanda industrial actual (Talebian-Kiakalaieh et al, 2015), por lo que uno de los principales retos que encara el sector industrial es el poder promover el desarrollo de la industria química para la producción de productos químicos de alto valor agregado a partir del glicerol, con el fin de disminuir la dependencia económica hacia el petróleo, al mismo tiempo que fomente el uso de recursos renovables y amigables con el medio ambiente. Este estudio está enfocado a investigar una de las diferentes aplicaciones útiles que se le pueden dar al glicerol. Uno de los principales productos que se obtienen de la deshidratación de glicerol en presencia de catalizadores ácidos es la acroleína. El estudio cinético de la deshidratación selectiva del glicerol en fase gas, se plantea bajo la necesidad de conocer el comportamiento y el mecanismo de reacción de este proceso, que se lleva a cabo en el régimen de catálisis heterogénea, hay que resaltar que este estudio se centra principalmente en el efecto que produce el catalizador bifuncional Pt/ - Al2O3 (concentración vs tiempo) en la obtención de acroleína en términos de reactivos, intermediarios y productos. El modelado que se desarrolla para este proceso, se simula mediante el uso del software MATLAB y siguió la metodología de ajuste de parámetros por mínimos cuadrados e interpolación cuadrática. Los modelos simulados son de tres pasos (reacción irreversible) y cuatro pasos (reversibilidad en el equilibrio tautomérico, compuestos intermediarios), ambos coincidiendo con lo visto por otros estudios, ya que consideran una deshidratación selectiva en el grupo hidroxilo (OH-) secundario, un equilibrio tautomérico dónde está presente el principal precursor de la acroleína que es el 3 Hidroxipropanaldehído y finalmente una segunda deshidratación. Mediante ambas técnicas se obtuvieron las constantes cinéticas para el proceso.
- Modelado de un reactor de lixiviación para el proceso de extracción de metales contenidos en minerales de baja ley(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2016) Juarez Mata, RaulEn el presente trabajo se realizó un estudio hidrodinámico, mediante dinámica de fluidos computacional, Computational Fluids Dynamics, CFD, del comportamiento de dos tipos de impulsores comerciales, uno de alto corte (disco tipo Norstone®) y otro convencional (turbina Rushton estándar). Los resultados obtenidos mediante las simulaciones se validaron con mediciones experimentales de potencia. El estudio se realizó en un tanque agitado con bafles operando en el régimen turbulento, del cual se obtuvo a través de las simulaciones, el parámetro de macro mezclado, de número de potencia. En el sistema experimental se utilizó un mineral de Fresnillo en una concentración de 20% en sólidos en una solución de tiourea. La cuantificación de los metales extraídos, oro, plata y cobre, fue realizada por análisis químico en un Espectrofotómetro de Absorción Atómica, y la morfología de los sólidos sin reaccionar a través de Microscopia Electrónica de Barrido, con el fin de evaluar el desempeño de cada impulsor en la extracción de plata contenida en minerales refractarios o de baja ley. De los resultados experimentales se observa un mejoramiento en el proceso de extracción de plata con el sistema de agitación equipado con el disco Norstone®, el cual es similar al obtenido mediante un tratamiento con ondas ultrasónicas. Los resultados de la simulación fueron utilizados para explicar este fenómeno. Se determinó que, a una misma potencia inyectada, el disco Norstone® induce una mayor disipación de energía alrededor de su volumen barrido, esto con respecto a la Turbina Rushton. Esta diferencia entre las potencias inyectadas por cada impulsor, se traduce también en un incremento en los niveles de extracción de plata cuando se utiliza el disco Norstone.
- Modelado fenomenológico y computacional de la determinación de aceite residual en yacimientos naturalmente fracturados usando trazadores reactivos(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2015) Fernandez Alarcon, Aaron GerardoEn este trabajo se realiza el modelado fenomenológico del transporte de trazadores reactivos que es una herramienta comúnmente usada para describir los procesos que subyacen dentro de los yacimientos naturalmente fracturados. Esto con el objetivo de calcular el aceite residual remanente. Se usaron ecuaciones de transporte de masa y ecuaciones de equilibrio locales como punto de partida para el escalamiento de un modelo matemático global. Usando el teorema del promediado volumétrico, se estudiaron los fenómenos a una escala local y se promediaron en todo el sistema a partir de un volumen muestra representativo. Se compararon los modelos propuestos fenomenológicamente con los realizados con el método de escalamiento matemático del promedio volumétrico, llegando a ecuaciones análogas que representan físicamente lo mismo. Los fenómenos de transporte de masa en los dos dominios del sistema para la etapa de inyección del reactivo acetato de etilo, fueron la convección, reacción química y difusión molecular efectiva. En la etapa de reposo, es donde se lleva a cabo el fenómeno de la partición del reactivo A en el aceite residual, la adsorción en la roca, así como la difusión molecular efectiva entre los intersticios de la matriz porosa. En la etapa de salida o producción, las sustancias químicas que comprenden la prueba de trazadores reactivos salen del yacimiento naturalmente fracturado. Se realizó un programa en el software MATLAB, usando el método de diferencias finitas, dividiendo el sistema en dos dominios: la matriz porosa y la fractura. En la simulación se pudieron observar claramente los efectos de cada uno de los mecanismos del modelo propuesto. Así se concluye que los modelos presentados en este trabajo son aceptables para simular el comportamiento del acetato de etilo y el etanol dentro del sistema de estudio.
- Modelado y simulación de un reactor airlift para su aplicación en la separación de sílice del agua(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2015-03) Solis Herrera, Jose AngelEn el presente trabajo, se llevó a cabo la experimentación y análisis de la factibilidad técnica de aplicación de un reactor airlift, que mostrara la capacidad de mantener una reacción química conservando el rendimiento y los requerimientos de energía de un reactor agitado con un impulsor. Se planteó el uso de un “dispositivo airlift” el cual se encuentra libre de partes mecánicas móviles en su interior, y donde el mezclado es generado por burbujas de aire. La investigación y experimentación se enfocaron en la utilización un dispositivo airlift con doble circuito de recirculación interna. Se manejaron herramientas aplicadas de CFD que permitieron modelar el patrón de flujo en el reactor bajo diferentes condiciones. Se aplicó la precipitación química de dióxido de silicio (sílice) para su separación del agua. La remoción de sílice es muy importante en muchos procesos industriales como parte del pretratamiento de agua para procesos industriales. Como en toda área de investigación, la búsqueda bibliográfica fue piedra angular para definir las actividades que se desarrollaron en el Proyecto, replantear los alcances y profundizar en algunos aspectos. Por estos motivos se realizó una revisión en libros, artículos de revistas, Internet, informes, normas, catálogos y manuales que aportaran antecedentes e información relativa a la aplicación de reactores tipo airlift y su utilidad práctica para aplicar en la industria. Una parte complementaria de la búsqueda bibliográfica fue la fabricación de un reactor piloto tipo airlift y el desarrollo de pruebas experimentales con este reactor, que aportó información específica sobre su comportamiento, la cual no pudo encontrarse en las referencias. Las fases desarrolladas con reactor piloto fueron: diseño, fabricación, instalación, arranque, experimentación con la reacción química y obtención de resultados. En estas fases, al igual que en la búsqueda bibliográfica, requirieron el replanteamiento de los alcances, que permitiera direccionar adecuadamente su desarrollo hacia los objetivos originales, complementando solamente con información útil. El dominio de todas las variables relacionadas con el funcionamiento del sistema facilitó la realización de las pruebas. Otra línea de trabajo desarrollada, fue la construcción del modelo del reactor airlift en un paquete de software para CFD. Se comenzó desde representar geométricamente el reactor piloto, e ingresar la información relativa a las propiedades de los fluidos, materiales aplicados, fronteras del sistema, bajo qué condiciones se resolvería el modelo y cómo se procesarían los resultados. La tarea requirió el entendimiento básico de la forma de operar del paquete de software y de ensayos continuos, ya que en los primeros ensayos no se obtuvieron los resultados esperados. Esto fue mejorando a medida que se interpretó mejor el lenguaje manejado por el programa y la forma de presentar los resultados. La comparación datos generados con el reactor piloto y con el modelo del reactor permitió confirmar la congruencia entre los valores experimentales con los valores obtenidos en la simulación. De esta forma se comenzó a describir de forma precisa los procesos hidrodinámicos que ocurren en el reactor, tales como el transporte de momento (a través de la velocidad de agua), el régimen de turbulencia, fracción volumétrica de gas, energía cinética turbulenta, etc. Se realizó una comparación teórica del desempeño energético del reactor airlift contra un reactor agitado con un impulsor, a través de datos y cálculos mencionados las referencias bibliográficas. En este Proyecto se intentó dar un enfoque sobre cómo los fundamentos de fenómenos de transporte pueden aplicarse a casos prácticos en la industria.
- Optimización de la geometría externa de la buza del molde para colada continua de planchón de acero(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2015) Hernandez Santoyo, RodrigoHoy en día, el acero sigue siendo el material de más amplio uso en todas las ramas de la industria, si bien, nuevos materiales se han desarrollado, estos aún no pueden sustituir al acero debido a su amplio rango de propiedades mecánicas que puede ofrecer, además en los últimos años se han seguido desarrollando diversos tipos de aceros como los aceros de alta resistencia de última generación como TRIP, TWIP y DP que permiten una reducción de peso considerable en aplicaciones estructurales. Es por esta razón que el proceso de colada continua sigue siendo de importancia fundamental en la industria. De aquí que la mejora de la calidad del proceso de colada continua sea fundamental. Los defectos que afectan de manera importante la calidad del acero son las inclusiones no metálicas causadas durante el vaciado en el molde de CC por arrastre de escoria. Para disminuir este defecto se han propuesto distintas alternativas como el uso del freno electromagnético. El problema del freno electromagnético es que resulta costoso y difícil de operar. En este trabajo se propone una solución simple y de bajo costo que según veremos resulta eficiente para disminuir el arrastre de escoria. Si bien, hace falta más investigación para su implementación, los resultados obtenidos durante la investigación aportan evidencia de que desde el punto de vista de la mecánica de fluidos es posible su uso. La solución aquí presentada consiste en el uso de un deflector de flujo externo rectangular que forma parte de la buza bifurcada, que tiene como intención provocar un patrón de flujo cuasi simétrico que impida la formación de fluctuaciones, las cuales, a su vez, son las responsables en gran medida del arrastre de escoria que puede generar defectos internos o superficiales en el acero durante su solidificación después del vaciado en el molde de CC.
- Estudio de la hidrodinámica de dos dispersores de alto corte usando Dinámica de Fluidos Computacional (CFD)(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2015-02) Ramirez Gomez, RubenEn este trabajo se realizó un estudio numérico del desempeño hidrodinámico de dos impulsores comerciales de alto corte de escala de laboratorio tipo Hockmeyer® de dos (HockD-2A) y cuatro anillos (HockD-4A), y su desempeño se comparó con el de una turbina Rushton estándar (RT). Los resultados de las simulaciones fueron validados con mediciones experimentales de potencia. El estudio se llevó a cabo en un tanque agitado cilíndrico sin deflectores en el régimen de flujo de transición a turbulento. Los parámetros hidrodinámicos de macro-mezcla: números de potencia y de bombeo y locales: campos de velocidad y distribución de la tasa de disipación de energía, así como la tasa de disipación de energía promedio en el volumen barrido por el impulsor y sus cuchillas se obtuvieron a partir de los resultados de las simulaciones para cada impulsor estudiado. A partir de los resultados de las simulaciones, se encontró que los números de potencia y de bombeo o su relación no pueden ser simplemente conectados para seleccionar adecuadamente un impulsor en aplicaciones en donde es deseable una alta disipación de energía localizada. Además se encontró que la relación de la tasa de disipación de energía promedio en el volumen barrido por los impulsores ( Ē RI) y el promedio en todo el volumen (Ē) a los tres consumos de potencia constante (P) evaluados en este trabajo, son inferiores para los dos impulsores de alto corte. Sin embargo, se encontró que la disipación de energía promedio adimensional en el volumen barrido por la cuchilla (ĒBP/ Ē ) cuando P aumenta de 12.92 W a 23.45 W, es mayor para el HockD-2A en comparación con la RT, confirmando la ventaja del alto cizallamiento inducido por el HockD-2A cuando opera a velocidades más altas.