Maestría en Ingeniería de Procesos
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- Modelado cinético para la hidrodesoxigenación de triglicéridos sobre catalizadores de platino soportado sobre arcillas pilareadas con circonio y galio(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2019-07) Zamora Rodea, Emigdio GregorioEn el presente trabajo se realizó la reacción de hidrodesoxigenación (HDO) de aceite de canola (AC) y la de una molécula modelo: ácido oleico (AO), para comparar el efecto de catalizadores de arcilla pilareada con cationes de circonio y galio impregnados con platino (1% en peso). La reacción de HDO se llevó a cabo en un reactor por lotes a alta presión, para una mezcla formada por el triglicérido (o AO), dodecano como solvente y 10% peso de catalizador a una temperatura de 523 y 573K a una presión de hidrógeno de 3 MPa. El reactor se operó a una velocidad de agitación de 1500 rpm durante 6 h de reacción. Las muestras líquidas se cuantificaron mediante cromatografía de gases y se identificaron por espectrometría de masas en un equipo Perkin Elmer modelo Clarus 580. Para el catalizador de Pt/Zr-PILC se encontró una actividad 2.3 veces más grande que la del Pt/ Ga-PILC en la HDO del triglicérido a una temperatura de 573 K. En el caso del catalizador soportado en la Zr-PILC los productos principales fueron C17 y C18 mientras que el soportado en Ga-PILC los productos son octadecanal (ODL), y octadecanol (ODOL). Lo cual indica que los catalizadores soportados en Zr-PILC presentan propiedades hidrodesoxigenantes. Los resultados experimentales en fase líquida fueron modelados a partir de esquemas de reacción. Con base en el seguimiento de las especies, se pudo proponer las rutas de reacción para los productos del AO y del AC empleando catalizadores de Pt/Zr-PILC y Pt/Ga-PILC. Para la reacción del AO a 523 K empleando Pt/Zr-PILC, se establecieron los siguientes pasos: hidrogenación de AO a ácido esteárico; posteriormente, se redujo el grupo del ácido carboxílico formando ODL y posteriormente a través de la vía de la descarbonilación se obtuvó C17 y por la vía de la HDO C18. Mientras que para el AC empleando Pt/Zr-PILC, la ruta de reacción propuesta es más compleja con respecto a la planteada para el AO debido a la formación de compuestos oxigenados: metil, etil y propil esteres, aldehídos y alcoholes. Para el modelo cinético empleado, la minimización de la suma de los residuales cuadrados de los datos predichos por el modelo y los obtenidos experimentalmente; así como, el ajuste de los modelos cinéticos planteados, se utilizó el método de Levenberg-Marquardt. Así mismo, el algoritmo de Levenberg-Marquardt fue acoplado al método de Runge-Kutta de cuarto orden para la integración del modelo diferencial. Utilizando un programa en MATLAB. De acuerdo con los parámetros cinéticos, la rapidez de producción de C18 es mayor que los demás productos lo cual indica que se favorece la vía de la HDO del AO. Para el caso de C17 se puede ver que la rapidez de producción se ve favorecida por la vía de la descarbonilación. En cuanto a la rapidez de velocidad de formación de ODL es la que presenta un menor valor lo cual, indicaría que es el paso controlante del sistema reaccionante. Mientras que para el modelo del TG, la rapidez de producción de OD es mayor que los demás productos, lo cual indica que se ha favoreciendo la vía de la HDO del aceite de canola. Para el caso de C17 se puede ver que la rapidez de producción no se ve tan favorecida con respecto a las demás rutas. Uno de los pasos más rápidos es la formación del ácido esteárico lo cual indicaría que el triglicérido se rompe preferentemente separándose en ácidos grasos libres y propano. Seguido de la formación de Octadecanal como paso previo a la formación de C18. De las rutas menos favorecidas se encuentra la formación de AES, ODPE y ODEE. Así como la ruptura del triglicérido formando tres moléculas de ME. Los resultados experimentales en fase líquida fueron modelados a partir de esquemas de reacción. Con base en el seguimiento de las especies, se pudo proponer las rutas de reacción para los productos del AO y del AC empleando catalizadores de Pt/Zr-PILC y Pt/Ga-PILC. Para la reacción del AO a 523 K empleando Pt/Zr-PILC, se establecieron los siguientes pasos: hidrogenación de AO a ácido esteárico; posteriormente, se redujo el grupo del ácido carboxílico formando ODL y posteriormente a través de la vía de la descarbonilación se obtuvó C17 y por la vía de la HDO C18. Mientras que para el AC empleando Pt/Zr-PILC, la ruta de reacción propuesta es más compleja con respecto a la planteada para el AO debido a la formación de compuestos oxigenados: metil, etil y propil esteres, aldehídos y alcoholes. Para el modelo cinético empleado, la minimización de la suma de los residuales cuadrados de los datos predichos por el modelo y los obtenidos experimentalmente; así como, el ajuste de los modelos cinéticos planteados, se utilizó el método de Levenberg-Marquardt. Así mismo, el algoritmo de Levenberg-Marquardt fue acoplado al método de Runge-Kutta de cuarto orden para la integración del modelo diferencial. Utilizando un programa en MATLAB. De acuerdo con los parámetros cinéticos, la rapidez de producción de C18 es mayor que los demás productos lo cual indica que se favorece la vía de la HDO del AO. Para el caso de C17 se puede ver que la rapidez de producción se ve favorecida por la vía de la descarbonilación. En cuanto a la rapidez de velocidad de formación de ODL es la que presenta un menor valor lo cual, indicaría que es el paso controlante del sistema reaccionante. Mientras que para el modelo del TG, la rapidez de producción de OD es mayor que los demás productos, lo cual indica que se ha favoreciendo la vía de la HDO del aceite de canola. Para el caso de C17 se puede ver que la rapidez de producción no se ve tan favorecida con respecto a las demás rutas. Uno de los pasos más rápidos es la formación del ácido esteárico lo cual indicaría que el triglicérido se rompe preferentemente separándose en ácidos grasos libres y propano. Seguido de la formación de Octadecanal como paso previo a la formación de C18. De las rutas menos favorecidas se encuentra la formación de AES, ODPE y ODEE. Así como la ruptura del triglicérido formando tres moléculas de ME.
- Modelado cinético de la producción de hidrógeno vía fotocatalizadores de platino sobre óxido de titanio-sílice mesoporosa en presencia de agentes de sacrificio orgánicos(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2019) Duran Perez, Jose FernandoEn este trabajo se presenta el modelado cinético de la producción de H2 debida a la hidrólisis fotocatalítica del agua (PWS, por sus siglas en inglés) empleando una molécula orgánica de sacrificio utilizando catalizadores basados en titania (TiO2) soportados en un material mesoporoso de sílice (SBA-15), y modificado con platino (Pt). El soporte SBA-15 fue sintetizado por medio del método sol-gel de autoensamblado, mientras que el TiO2 fue incorporado por el método del injerto químico, a su vez la incorporación de Pt se realizó por el método de impregnación en estado sólido. El material resultante se caracterizó por Espectroscopía de Reflectancia Difusa (DRS) de radiación UV-visible y Difracción de Rayos X (DRX), cuyos resultados brindaron información de la energía de brecha del material y de las propiedades texturales resultantes, así mismo el procesamiento de los datos se llevó a cabo con programas de Matlab. Además, se realizaron las evaluaciones fotocatalíticas con los siguientes catalizadores: de Pt-TiO2, TiO2-SBA-15 y Pt/TiO2-SBA-15 en un reactor de recirculación por lotes utilizando glicerol, propilenglicol y etanol como agentes de sacrificio, las muestras de reacción obtenidas fueron analizadas por cromatografía de gases. Los resultados del seguimiento de los componentes del sistema de reacción fueron analizados para plantear esquemas de reacción a partir del análisis de ciclos catalíticos y de reacción, los cuales permitieron la propuesta de los modelos cinéticos siguiendo el enfoque de adsorción competitiva. Los modelos cinéticos fueron ajustados utilizando el programa modular de Fortran 90 programado en Visual Studio y utilizando un compilador de Intel Fortran, el programa utiliza el algoritmo de Levenberg-Marquardt para la minimización de la suma de los residuales cuadrados de los datos predichos por el modelo y los obtenidos experimentalmente; asicomo, el ajuste de los modelos cinéticos planteados. Así mismo, el algoritmo de Levenberg-Marquardt fue acoplado al método de Runge-Kutta de cuarto orden para la integración del modelo diferencial. Los parámetros cinéticos fueron analizados con el objetivo de interpretar los valores de los resultados obtenidos. Es preciso mencionar, que los modelos cinéticos siguen estrictamente una formulación matemática del enfoque de Eley-Rideal (ER), sin embargo, esto resulta de la simplificación del enfoque de Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson (LHHW), esto se debe a que formalmente el mecanismo de LHHW considera la reacción de dos productos adsorbidos, sin embargo, la información cinética que se puede obtener de reacciones fotocatáliticas requieren de consideraciones que sugerirían una expresión matemática con el enfoque de ER. Los resultados obtenidos en este trabajo permitieron extender el conocimiento de la cinética química del uso de fotocatalizadores soportados en mesoporosos de sílice en la producción de H2 en el sistema glicerol-agua, además de las características presentes en los materiales obtenidos siguiendo los métodos de síntesis usados en este trabajo. Por otro lado, se muestra la estimación de parámetros cinéticos y de adsorción de modelos multirespuesta que describen este tipo de sistemas de reacción.
- Control robusto de reactores continuos de tanque agitado para la producción de biohidrógeno(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2018-11) Rodriguez Jara, MarianaUn tema relevante de hoy en día es el cambio climático, el cual se genera entre otras cosas por la gran cantidad de gases arrojados a la atmósfera, los cuales son precursores del efecto invernadero. Una fuente principal de estos gases de efecto invernadero son las emisiones de vehículos motorizados a través de la combustión de combustibles fósiles. Más aun, uno de los mayores desafíos de nuestro siglo es cubrir la demanda mundial de energía, debido al incremento de la población y al aumento del nivel de vida. Sumado a esto, las reservas de combustibles fósiles son cada vez menos accesibles a medida que se consumen las de fácil acceso, por lo que el precio de dicho combustible cada vez es más elevado. Con la finalidad de mitigar efectos ambientales y tener seguridad energética, se ha propuesto la producción del hidrógeno por medio de procesos biológicos. El hidrógeno es un combustible con alto contenido energético y durante su combustión solo se genera agua como producto resultante, lo que reduce en forma importante los efectos ambientales de los combustibles convencionales. El hidrógeno se puede producir mediante diferentes métodos. Uno de los más prometedores es por métodos biológicos, el cual emplea biomasa como materia prima. Con la producción del hidrógeno a partir de un sustrato se pueden obtener diversos beneficios, principalmente la obtención de energía limpia y la gestión de desechos. Sin embargo algunas desventajas de la producción de hidrógeno a partir de biomasa son los bajos niveles de producción de hidrógeno así como la tasa de degradación del sustrato. En consecuencia los procesos continuos son preferibles para el aumento en la producción a largo plazo. Se debe considerar que la operación convencional de procesos biotecnológicos continuos está sujeta a cambios importantes en la carga orgánica del sustrato, la actividad microbiana y las condiciones ambientales. Además, existe la necesidad de optimizar las condiciones para mejorar su productividad a largo plazo. Controlar un proceso biotecnológico puede ser un problema complicado debido a dificultades inherentes tales como la cinética no lineal y las incertidumbres del modelo. En este trabajo, se presentan dos métodos biológicos de producción de hidrógeno, la fermentación oscura y la fotofermentación, a los cuales se les implementa su optimización para la producción de hidrógeno en un CSTR. Además, para garantizar el proceso en las condiciones óptimas, se propone un enfoque de control robusto y práctico. Los resultados muestran que es posible mejorar la operación convencional y la producción de hidrógeno en reactores continuos.
- Control robusto de un reactor continuo para la producción de biobutanol(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2017) Torres Quintanilla, ErickaEn años recientes ha surgido un interés renovado en la producción comercial de biocombustibles. El biobutanol es un biocombustible que es atractivo por sus propiedades de usarse sin grandes modificaciones como sustituto de la gasolina y generar una menor emisión de contaminantes. Una limitación de los biocombustibles es su alto costo de producción, lo cual se puede reducir al usar procesos continuos y que operen en forma adecuada. En este trabajo se presenta el diseño de un esquema de control robusto para la producción de biobutanol por medio de la fermentación ABE en un reactor continuo de tanque agitado. El proceso se describe por un conjunto de siete ecuaciones diferenciales ordinarias no-lineales que describen la dinámica de las variables principales de operación (Glucosa, Biomasa, Biobutanol, Butirato, Acetato, Acetona, Etanol). Con base a modelos que se obtienen por identificación empírica, se proponen esquemas de control que compensan incertidumbres del modelo (reducción y simplificación del modelo). El control resultante es simple y muestra buenas propiedades de robustez bajo diferentes escenarios. Debido a la naturaleza de los bioprocesos, se estudia además las propiedades de controlabilidad en forma numérica en diferentes regiones de operación.
- Evaluación de un reactor electroquímico de cilindro rotatorio (RCE) para la deposición de níquel y cobalto en licores simulados del lixiviado de baterías secundarias de desecho(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2017-04) Rosas Grajeda, ElayneEn el presente trabajo se realizó un estudio teórico experimental enfocado a revisar el comportamiento de las reacciones electroquímicas que se llevan a cabo durante la deposición de los metales Ni – Co, contenidos en licores con concentraciones similares a las baterías secundarias, en presencia de un agente complejante y haciendo uso de un reactor electroquímico de cilindro rotatorio (RCE). De resultados previos obtenidos en el grupo, se tiene el siguiente sistema: 0.4 M NiSO4 + 0.018 M CoSO4 + 1 M Na2SO4. Se eligió como agente complejante la sacarina a dos concentraciones diferentes, esto con el fin de analizar principalmente su función en la reacción de evolución de hidrógeno, en comparación con el uso del B(OH)3. En los estudios de microelectrólisis se utilizaron dos técnicas: voltamperometría y cronoamperometría, para establecer las regiones de potencial de la deposición de las reacciones de deposición. A partir de este estudio, se determinó que la concentración de 24mM de sacarina fue la más viable al utilizar este agente complejante. Se desarrolló un modelo matemático basado en contribuciones cinéticas y fenómenos de transporte acoplados, el cual fue ajustado a datos experimentales de voltamperometría lineal. Este modelo describió correctamente la variación en corriente cuando la concentración de sacarina se modificaba. Además, permitió explicar y cuantificar la cinética del proceso de electrorecuperación, así como la etapa controlante del proceso de deposición; con los resultados se seleccionaron las condiciones a utilizar en la macroelectrólisis, que se llevó a cabo en un reactor de cilindro rotatorio (RCE). Los resultados obtenidos indicaron que el uso de este reactor es poco viable cuando los valores de concentración del níquel son altos, debido a que el depósito que se forma se desprende a consecuencia de la reacción evolución de hidrógeno y crea un corto circuito entre el cátodo y los ánodos. Esto desfavorece el control de la composición de la aleación debido a la alta concentración de este metal, contrario al proceso de microelectrólisis. Los valores de eficiencia de corriente calculados a partir de los resultados en el reactor muestran una eficiencia moderada del mismo, a pesar del transporte de H+ que se lleva a cabo al mismo tiempo que el níquel. Sin embargo; la buena hidrodinámica que tiene el reactor, sugiere que éste se utilice a tiempos de residencia más cortos.