Maestría en Ingeniería de Procesos
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- Diseño óptimo de un proceso de captura de CO2 mediante un sistema de reactores rotatorios(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2020-03) Aguilar Cardoso, Julio DavidLa intensificación de procesos ha sido una herramienta empleada en diferentes campos de estudio como el de energía, ingeniería química y de procesos, con la finalidad de reducir costos de diseño y operación. El proceso de captura de CO2 ha sido estudiado bajo las condiciones de intensificación presentando buenos resultados. El presente trabajo presenta la solución a un problema de minimización de costos de diseño y operación de una planta piloto de captura de bióxido de carbono, la cual usa reactores rotatorios para la captura del gas y la regeneración del absorbente (Monoetanolamina). El diseño óptimo de la planta tiene como objetivo encontrar el tamaño adecuado para los equipos principales del proceso como son los reactores rotatorios y el intercambiador de calor. La solución de este problema se realiza a través de la selección de modelos matemáticos representativos de los equipos utilizados obtenidos de la literatura, así mismo se localizan restricciones importantes para el correcto y verdadero funcionamiento de la planta; además se comparan los resultados obtenidos con los de una planta que utiliza columnas de absorción y desorción. Los resultados revelan una reducción de tamaño significativa, en contraste, los costos de operación incrementan. Sin embargo, el costo total se reduce considerablemente.
- Secuenciamiento y control en procesos por lote(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2016) Granillo Mendez, Edmundo MartinLas operaciones lote como el secado, mezclado, destilación y reacción son usadas frecuentemente en la industria química para la producción de alimentos, farmacéuticos y otros productos como los polímeros. Una característica principal de esas plantas es la producción de múltiples productos usando el mismo equipo. Por lo anterior, el secuenciamiento de esas operaciones es crucial en ese tipo de plantas. Otro reto importante en procesos por lote es el control, debido a la inherente naturaleza no estacionaria, la no linealidad de sus modelos y complejidad dinámica. En este trabajo se resuelven ambos problemas; secuenciamiento y control de un proceso lote de polimerización de estireno en el cual se obtienen cuatro productos. En el primer problema se determina la secuencia de producción a detalle, los tiempos iniciales y finales de ejecución así como el tiempo total que se requiere para completar un ciclo de producción considerando que el sistema incluye tres unidades de procesamiento. Para el segundo problema se aplica la técnica de control predictivo basado en modelos no lineales (NMPC) a la unidad de reacción del sistema con la cual se obtienen los perfiles de temperatura de cada producto. Esta investigación sirve de base para la integración y solución simultanea de ambos problemas.
- Un enfoque de descomposición Lagrangiana para problemas de planeación, secuenciamiento y control(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2018) Mora Mariano, DanteLos modelos que representan los problemas de optimización tanto de planeación y secuenciamiento, secuenciamiento y control y, planeación, secuenciamiento y control suelen ser complicados debido a los horizontes de tiempo en los que se llevan a cabo dichas actividades. Debido a esto es más fácil emplear un enfoque secuencial para su solución, ya que las soluciones se obtienen rápidamente. En éste, la resolución del problema de optimización se basa en el enfoque jerárquico de las operaciones, en el que primero se resuelve el problema de planeación, posteriormente de acuerdo a las decisiones de planeación se programan las operaciones principales del proceso y finalmente se toman las acciones de control. Sin embargo se ha mostrado que este método ignora las interacciones que existen entre planeación, secuenciamiento y control, lo cual tiene efectos significativos en la solución del problema [22]. Por lo que la solución generada de forma secuencial puede ser subóptima y en algunos casos puede ser infactible dando lugar a secuencias de producción erróneas. Otro enfoque es el simultáneo en el que la planificación, el secuenciamiento y control se optimizan de manera simultánea. Por otro lado en los trabajos mencionados se ha mostrado que los esquemas de descomposición aportan buenas aproximaciones a la solución de los problemas simultáneos y en poco tiempo, por lo que emplear una estrategia de descomposición para el problema de optimización de planeación, secuenciamiento y control, se reducirá la dificultad computacional del modelo, como también se podrán encontrar soluciones factibles para periodos de producción amplios.
- Integración másica en ecoparques industriales: optimización global mediante evolución diferencial(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2016) Cantu Medrano, Victor HugoLa problemática actual referente al agotamiento de los recursos naturales ha obligado a la creación de diversas estrategias para la preservación del medio ambiente. Asía ha surgido la novedosa idea del “ecoparque industrial” bajo la premisa de que al combinar varias plantas industriales para compartir mutuamente recursos u otros materiales, energía e infraestructura, se obtienen mayores beneficios, tanto ambientales como económicos, a aquellos obtenidos si cada planta industrial trabajase por separado. En este trabajo la integración másica de procesos, y específicamente, la integración de corrientes de agua con múltiples contaminantes es estudiada. Para la optimización del proceso se utiliza un modelo matemático que describe el funcionamiento de la superestructura del ecoparque industrial, cuyo objetivo es minimizar los costos totales anuales. El problema de optimización resultante es de tipo mixto-entero no lineal (MINLP). Las técnicas de programación matemática generalmente son utilizadas para la optimización de redes de agua en ecoparques industriales. Estas técnicas permiten involucrar una cantidad elevada de plantas de fuentes y de sumideros de procesos incluyendo muchos contaminantes así como consideraciones topológicas y de operación. Sin embargo, hallar la estructura óptima del ecoparque resulta verdaderamente complicado, debido a que el problema es altamente no convexo. Además, la gran mayoría de los métodos reportados no garantizan hallar el óptimo global y utilizan procedimientos de optimización local. Por otro lado, una alternativa a los métodos de programación matemática son las técnicas metaheurísticas de búsqueda. Estas últimas no han sido exploradas aún en esta área de ingeniería de procesos y, por lo tanto su implementación y evaluación constituyen el principal objetivo de este estudio. Específicamente, se implementan diferentes versiones del algoritmo de Evolución diferencial (DE), prestando una atención particular al tratamiento de restricciones de igualdad. Los experimentos numéricos realizados demuestran que los algoritmos desarrollados aunque no alcanzan las soluciones óptimas determinadas por las técnicas de programación matemática permiten obtener resultados de buena calidad, robustamente y en tiempos de cómputo razonables.
- Modelado estocástico de la secreción en células ciliadas internas del trayecto auditivo(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2019-06) Soto Bear, Jessica AlejandraLas células ciliadas internas son las células sensoriales del oído de mamíferos ubicadas en la cóclea, responsables de traducir los sonidos en señales neuronales. Estas células poseen estereocilios en su parte superior los cuales son desplazados por la presión producida por un sonido. Este desplazamiento despolariza a estas células y activa los canales de Ca2+ ubicados en las zonas activas de la membrana plasmática de la célula. La entrada de iones Ca2+ desencadena la fusión de las vesículas sinápticas rápidas y, por ende, la liberación del glutamato en las terminales aferentes. La liberación del glutamato es un paso fundamental en la decodificación de la información de los estímulos acústicos en la vía auditiva. Los protocolos experimentales actuales no proporcionan la resolución temporal adecuada para la observación de la exocitosis de vesículas rápidas, ya que no es posible aplicar estímulos muy cortos –por debajo de los milisegundos– y al mismo tiempo registrar la respuesta celular durante y en momentos definidos después de la estimulación. Con el fin de simular la secreción de las vesículas rápidas de las células ciliadas internas –a escalas de tiempo del orden de milisegundos- en respuesta a estímulos de diferentes duraciones y amplitudes, y de estudiar la influencia de micro y nanodominios de Ca2+; en este trabajo se propone un modelo de zona activa resuelto con un algoritmo Monte Carlo. Por algoritmo Monte Carlo se entiende un esquema computacional de resolución de un determinado problema que hace uso de variables generadas aleatoriamente (de acuerdo a determinadas distribuciones de probabilidad) para su resolución aproximada. Éste, por ejemplo, es el caso del algoritmo que simula los mecanismos de reacción-difusión que tienen lugar en la zona activa. Para ello se desarrollaron modelos para la difusión amortiguada de iones Ca2+, esquemas de unión de iones Ca2+ para la fusión de vesículas y para los canales de Ca2+ Cav1.3 tipo L. Se simula la activación del sensor otoferlina, ubicado en las vesículas sinápticas y se estudia su influencia en la secreción de glutamato. Con el modelo propuesto es posible simular mutaciones en la otoferlina, así como alteraciones en la endocitosis o en la concentración de glutamato, las cuales se asocian con diferentes tipos de pérdidas auditivas.
- Spatio-temporal simulation of intracellular Ca2+ dynamics during Shigella invasion(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2019-06) Ornelas Guevara, RobertoShigellosis is an important problem of public health worldwide. It is mainly caused by the ingestion of food or water contaminated with Shigella. After its ingestion, this bacterium invades the colon and causes an intense inflammatory reaction, leading to destruction of the epithelial tissue. During invasion of the epithelial cells, Shigella induces atypical Ca2+ signals; however, it is not clear how these signals are generated or how to control them (Tran Van Nhieu et al., 2013). It is well known that cells use Ca2+ as a second messenger to control a wide array of cellular functions, including reorganisation of the cytoskeleton, inflammatory responses and cellular death (Sun et al., 2017). In this line, it has been reported that the perturbation of cellular Ca2+ homeostasis caused by Shigella facilitates the entrance of the bacterium and its dispersion to adjacent cells, leading to apoptosis and destruction of the intestinal epithelium. In particular, the bacterium induces local responses, localised in the invasion area (Tran Van Nhieu et al., 2013), as well as global responses, that spread in the whole invaded cell. The local versus global character of the responses plays a crucial role in the cytotoxicity of the bacteria, since a high and sustained Ca2+ elevation can lead to cellular death and could limit the dissemination of the bacteria. Preliminary work regarding the atypical calcium responses caused by Shigella was carried out by Tran Van Nhieu et al. (2013) and Sun, et al (2017), using experimental methods and mathematical modelling. Nevertheless, the models that have been proposed do not take into account the Ca2+ coming from the extracellular space, which has been demonstrated to have a crucial contribution to the Ca2+ responses. In this work we present a reactive-diffusive mathematical model that takes into account extracellular Ca2+ entry through ion channels located in the cell membrane (ROCC, SOCC), Ca2+ exchanges with the endoplasmic reticulum, as well as Ca2+ and IP3 diffusion through the cytosol. The proposed model is capable to reproduce the calcium oscillations in the cytosol and in the endoplasmic reticulum observed in healthy cells, as well as the atypical calcium responses caused by Shigella. The model also allow us to analyse the global or local character of the cytosolic calcium responses during bacterial invasion. Simulations using the proposed model showed that the rate of IP3 synthesis is a bifurcation parameter that changes the stability of the system and that the entrance to the oscillatory regime has a dependence on the operation of ROCC and SOCC. Furthermore, spatio-temporal simulations showed that plasma membrane channels are clearly related to the global/local character of the calcium responses, which suggest that extracellular calcium entry through plasma membrane channels, particularly SOCC, could be a point of control of the bacterial invasion. Cytosolic calcium responses during bacterial invasion. Simulations using the proposed model showed that the rate of IP3 synthesis is a bifurcation parameter that changes the stability of the system and that the entrance to the oscillatory regime has a dependence on the operation of ROCC and SOCC. Furthermore, spatio-temporal simulations showed that plasma membrane channels are clearly related to the global/local character of the calcium responses, which suggest that extracellular calcium entry through plasma membrane channels, particularly SOCC, could be a point of control of the bacterial invasion.
- Análisis multiescala en procesos químicos y biológicos(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2018) Hernandez Aguirre, AlbertoLa creciente demanda de productos de alto valor agregado de bajo costo y de mayor calidad ha conducido a la industria química a la generación e implementación de sistemas de monitoreo y control robustos que les permitan alcanzar los estándares establecidos. Actualmente, el monitoreo de procesos se realiza de dos maneras, ya sea, mediante el uso de equipos costosos (cromatógrafos de gases y/o líquidos) o mediante muestras fuera de línea las cuales son caracterizadas usando técnicas de laboratorio. Entonces, el monitoreo de procesos requiere de altos costos y puede generar retrasos importantes, afectando la eficiencia del controlador. En las últimas décadas han surgido propuestas que se han centrado en el análisis de variables secundarias (e.g., temperatura, flujos, pH, conductividad, entre otros), en las cuales su medición es relativamente sencilla y de bajo costo. De hecho, se ha mostrado que el análisis de series de tiempo y/o imágenes brindan información que permite identificar etapas y/o fenómenos que son característicos del proceso estudiado, sugiriendo que es posible realizar el monitoreo indirecto en línea de variables claves del proceso. Particularmente, las metodologías basadas en descomposición multiescala han mostrado gran capacidad para identificar fenómenos que se conservan a diferentes escalas y detectar correlaciones entre variables del proceso lo cual indica la presencia de mecanismos deterministas contenido en los procesos estocásticos. Aunque existe un amplio marco de desarrollo y aplicación de estas metodologías en distintos campos de la ciencia e ingeniería, los trabajos reportados en el área de ingeniería de procesos, químicos y biológicos es limitado. Por lo cual, en este trabajo se plantea la evaluación de metodologías multiescala, tales como análisis de fluctuaciones sin tendencias (DFA), rango reescalado (R/S) y transformada de Fourier para la generación de guías de aplicación en el monitoreo indirecto de procesos.
- 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.
- 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.
- Simulación de pruebas de trazadores mediante formulaciones integrales(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2014) Rivera Ugalde, DeliaEn este trabajo se propone el uso de esquemas numéricos basados en las formulaciones de ecuaciones integrales (FEI) para la simulación de modelos de pruebas de trazadores. Las formulaciones integrales son generadas a partir de la inversión analítica de los operadores diferenciales que describen las pruebas de trazadores, lo cual conduce a esquemas numéricos con mejores propiedades numéricas que los esquemas tradicionales. Además, dada la estructura matemática de las FEI, es posible identificar las contribuciones individuales de las interacciones individuales del sistema reacción-transporte, esto es, por separado a los fenómenos de transporte, las reacciones químicas, las condiciones de frontera y los efectos de acumulación dinámica. Para ilustrar las ventajas de las FEI, se consideran dos casos de estudio generales de modelos de pruebas de trazadores en yacimientos naturalmente fracturados, donde intervienen interacciones de tipo reacción-difusión y reacción-difusión-convección. Los resultados obtenidos indican que los esquemas numéricos basados en las FEI son sistemáticos y de fácil aplicación en los modelos de pruebas de trazadores, mejoran las aproximaciones numéricas hasta 4 órdenes de magnitud comparados con los esquemas de DF y reducen los tiempos de cómputo significativamente.