Maestría en Ingeniería de Procesos
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- Simulación rigurosa del proceso de digestión anaerobia(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2014-10) Pallares García, ArturoLa digestión anaerobia (DA) es uno de los procesos biológicos de mayor uso para el tratamiento de aguas residuales con alta carga orgánica, las cuales son muy comunes en desechos agro-industriales. Un atractivo de la DA es la generación como subproducto de biogás (mezcla de metano y dióxido de carbono). A pesar de estas ventajas, se sigue desconfiando en este proceso, pues es potencialmente inestable y los tiempos de tratamiento pueden ser muy largos. Por esto, las plantas suelen estar sobredimensionadas, los costos de instalación son demasiado altos y su operación sea poco eficiente. Los procesos biológicos implican interacciones entre una gran cantidad de diversos tipos de microrganismos y sustratos contenidos en la materia orgánica, que dificulta contar con un entendimiento profundo de cómo funcionan y operan los procesos de DA y el efecto de diversas variables de operación de las unidades de tratamiento biológico de la DA. En este trabajo de tesis se presentan dos estudios de simulación rigurosa de procesos de DA. La simulación rigurosa permite modelar y simular con un alto grado de precisión los fenómenos más relevantes de un proceso y tienen la finalidad de mejorar el entendimiento de la DA, así como reproducir y predecir el comportamiento de esta clase de proceso. La simulación de procesos se lleva a cabo utilizando el simulador de procesos comercial Aspen Plus y el modelado y la simulación de los patrones de flujo por medio de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). Para el caso de la simulación rigurosa con Aspen Plus, se describe la implementación de la DA reportada recientemente en la literatura y se identifican el potencial de su aplicación en otros casos de estudio. La simulación por CFD se lleva a cabo a través del programa ANSYS Fluent. Se considera un caso de estudio de un digestor anaerobio sin agitación de flujo ascendente empleado para el tratamiento de aguas residuales de alta resistencia de la industria tequilera.
- Optimización de reactores anaerobios continuos para tratamiento de aguas residuales(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2014-10) Mora Vázquez, AlejandroEl tratamiento de aguas residuales de procesos industriales es un tema de gran interés académico e industrial. Por una parte, la complejidad de las aguas residuales y su posible tratamiento es de gran interés científico. Por otra parte, debido a las restricciones ambientales cada vez mayores, las industrias están obligadas a implementar sistemas de tratamiento de aguas residuales. De los distintos tipos de tratamiento de aguas que se aplican para aguas residuales industriales, los procesos biológicos, y en particular la digestión anaerobia, son atractivos debido a su capacidad para tratar aguas residuales con alta carga orgánica y generar como subproducto del tratamiento biogás. La operación tradicional de digestores anaerobios se puede mejorar a través de la optimización de procesos. En el presente trabajo se formulan dos problemas de optimización para dos casos de estudio. Los problemas de optimización se formulan con base a un enfoque convencional de programación no-lineal y un enfoque no convencional basado en la teoría de sistemas bioquímicos. El primer caso de estudio consiste en un modelo de un digestor anaerobio tipo CSTR de cuatro estados, que tiene aplicación en el tratamiento de aguas residuales provenientes del proceso de producción de tequila. El segundo caso de estudio consiste en un modelo genérico de un digestor anaerobio tipo CSTR de siete estados.
- Análisis de la capacidad de transporte de un poliducto. Caso de estudio(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2014-11) Sánchez García, HéctorEn este trabajo se desarrolla una metodología para determinar la viabilidad de reconfiguración de un sistema de conducción de hidrocarburos. La viabilidad de reconfiguración se fundamenta en principios de seguridad hidráulica y de integridad mecánica incluidos en los códigos ASME B31.4-2006 “Pipeline transportation systems for liquid hydrocarbons and other liquids” y ASME B31G-1991 “Manual for Determining the Remaining Strength of Corroded Pipelines”. Con la finalidad de ejemplificar su uso se toma en consideración un caso de estudio hipotético, en el cual se simula, evalúa y analiza la viabilidad de reconfiguración de este sistema. Con base en este análisis se identifican tramos vulnerables a lo largo de la línea de conducción, mostrando algunas de las medidas de mitigación más comunes y su impacto al implementarlas al caso de estudio.
- Evaluación del desempeño de reactores electroquímicos asistidos con ultrasonido para la remoción de amoxicilina en fase acuosa(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2014-12) Padilla Robles, Blanca GabrielaEn la actualidad existe una gran cantidad de fármacos que son utilizados tanto en la medicina humana como en la veterinaria, y su presencia en el medio acuoso se ha convertido en un problema ecológico de interés debido a que pueden causar cambios en los ecosistemas afectando a los seres vivos. La amoxicilina es un antibiótico muy utilizado debido a su capacidad para contrarrestar una gran cantidad de enfermedades. Este antibiótico no es completamente metabolizado en el cuerpo humano por lo que se puede encontrar en las excreciones, esto conlleva a su presencia en las aguas residuales y consecuentemente a su aparición en el medio ambiente. La presencia de amoxicilina en el medio acuático puede causar graves alteraciones en el ecosistema y con el fin de evitar estos efectos, este contaminante debe ser removido de los efluentes para evitar su entrada al medio. Se han estudiado métodos como la oxidación química mediante reactivos Fenton, floculación y tratamientos fotoquímicos para la remoción de la amoxicilina y otros contaminantes, pero el coto de implementación aún es elevado. En este estudio se utiliza un proceso electroquímico asistido con ultrasonido buscando una mejor eficiencia de remoción de la amoxicilina, así mismo se analiza cada proceso por separado. Se encontró que una densidad de potencia ultrasónica de 116 Wl-1 no modifica la concentración de 30 ppm de amoxicilina presente en el medio. Por otro lado, en el proceso electroquímico usando ánodos de hierro y de carbón vítreo se obtuvieron remociones del 62 y 95 %, respectivamente después de una hora de tratamiento. Finalmente, se analizó el comportamiento del proceso electroquímico (ánodo de Fe) asistido con ultrasonido dando una remoción del 55 % del fármaco en el mismo lapso de tiempo que los procesos anteriormente mencionados. Por lo cual, el ultrasonido disminuyo la eficiencia de remoción del fármaco. Cuando el ánodo de hierro es utilizado, este actúa como proveedor de los óxidos de hierro no solubles, que son promotores de la formación de flóculos, y debido a que el ultrasonido incrementa el micromezclado, puede estar disminuyendo la formación de los flóculos y al mismo tiempo la remoción del fármaco.
- Estudio de los esquemas de control de cascada basados en múltiples mediciones de temperatura(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2014) Ramírez Castelán, Carlos EduardoLos reactores tubulares son difíciles de operar debido al acoplamiento entre los fenómenos de transporte, cinética no-lineal y su naturaleza distribuida. El objetivo esencial del control de reactores tubulares es la regulación de la concentración a la salida. Dado que las mediciones de composición generalmente conllevan retardos considerables debido a restricciones como el tiempo de respuesta de los equipos de medición y el transporte interno, un lazo cerrado de control basado únicamente en la composición puede sufrir un pobre desempeño e incluso inestabilidades. Para contrarrestar esta situación, un esquema de control en cascada de composición-temperatura es propuesto. El control en cascada propuesto se compone de una configuración anidada que consiste en un lazo interno de control de temperatura dirigido a cumplir el objetivo de estabilización y un lazo externo de composición con el objetivo de regular la concentración a la salida. En las configuraciones de control en cascada de reactores tubulares, el número apropiado además de la localización de sensores es un problema abierto. Diversos estudios demuestran que los sensores pueden ser colocados en las posiciones más sensibles, es decir la posición del punto más caliente del reactor (Hot spot). En este trabajo se estudió el problema de la localización de sensores para una configuración de control en cascada simple empleando dos métodos. El primero utilizando series de tiempo obtenidas a partir de condiciones de entrada del reactor forzadas aleatoriamente para las cuales se realiza un análisis fractal con el objetivo de localizar las zonas más sensibles del reactor. Por otra parte, se realiza un análisis de sensibilidad numérica local aproximada. Dos casos de estudio son tratados que consisten en modelos de reactor tubular de dispersión axial exhibiendo comportamientos tipo Hot spot y cuasi lineal.
- 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.
- Diseño y simulación del proceso de obtención de etanol a partir de bagazo de caña(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2017-07) Montiel Rivas, Jose LuisEl desarrollo de la sociedad ha generado una demanda de combustibles, los cuales se producen principalmente a partir de recursos no renovables, en particular de derivados del petróleo. Dos problemas de los combustibles a partir de fuentes no renovables son su gradual agotamiento, así como la generación de altas cantidades de emisiones contaminantes. Una alternativa es la generación de combustibles a partir de energías alternas o renovables, los cuales generan menos problemas al medio ambiente. Uno de los combustibles alternos de mayor interés es el etanol a partir de biomasa. En este proyecto, se presenta el diseño, la simulación, y un estudio preliminar de la factibilidad económica de la producción de etanol a partir de bagazo de caña. Los resultados muestran que es posible la producción económicamente factible de etanol a partir de bagazo de caña.
- Reutilización óptima de agua de purgas de procesos térmico industriales mediante algoritmos evolutivos(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2019-06) Vazquez Santiago, Dulce ItzuriEn este proyecto se presenta un nuevo enfoque para la reutilización óptima de agua de purgas procedente de equipos térmicos industriales, mediante el aprovechamiento energético de las mismas. Esta estrategia de integración energética es introducida a través de la implementación de una estructura que representa la red de intercambio de calor en un proceso de producción de embutidos. La mayoría de estudios han considerado trabajar la integración térmica mediante una superestructura de los flujos y posibles intercambios y optimizan posteriormente el modelo resultante mediante herramientas de Programación Matemática. Al contrario, en este proyecto, el proceso de interés es formulado como un modelo de simulación asistido por el paquete computacional Aspen Plus. Este modelo incluye el equipo necesario para la reutilización de la energía térmica del agua de purgas del proceso térmico considerando sus respectivos parámetros de operación, así como las reacciones químicas correspondientes. En base a este modelo, se define un problema de optimización que toma en cuenta una función objetivo relacionada con la minimización de los costos totales anuales, que toman en cuenta el costo de inversión del equipo de intercambio de calor nuevo, así como los costos de operación de los calentadores formando parte del proceso. Las variables de decisión las constituyen las condiciones operativas del intercambiador de calor incluido en el modelo creado. Debido a sus características, el problema de optimización correspondiente es resuelto mediante técnicas metaheurísticas, fáciles de adaptar cuando sólo se dispone de una simulación como evaluación de la función objetivo. En este caso, dos Algoritmos Evolutivos, Estrategias Evolutivas y Evolución Diferencial, fueron elegidos e implementados en Matlab. La relación entre el simulador y el optimizador se efectúa mediante una interfaz en Excel-VBA, que permite tratar e interpretar los flujos de información de cada módulo. Los experimentos computacionales realizados sobre este ejemplo demuestran la relevancia de la propuesta, ya que confirman la justificación económica de colocar un intercambiador nuevo, con un área lejos de ser despreciable y provocando una disminución de los costos totales anuales del proceso considerado.