Doctorado en Ingeniería de Procesos
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- Intensificación del proceso electroquímico para la remoción de cromo en residuos líquidos(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2022-05) Yáñez Varela, Juan AntonioEl cromo es un metal comúnmente utilizado en la industria galvanoplástica, la cual genera aguas de enjuague que contienen concentraciones de cromo hexavalente por encima de las permisibles por la regulación ambiental. Varias alternativas de tratamiento se han propuesto para atacar este problema, de donde destacan los métodos electroquímicos. Entre estos últimos, un proceso atractivo es el que utiliza electrodos de hierro, los cuales son fuente para la generación electroquímica in situ del agente reductor, que químicamente reduce al cromo en el seno del líquido, de su estado hexavalente a trivalente. El efluente, pasa a un tanque de mezclado para propiciar la precipitación de los metales en hidróxidos metálicos, mediante el incremento del pH del medio, con la finalidad de separarlos del agua tratada. En este trabajo se presentan distintas estrategias para intensificar este proceso de tratamiento, con la finalidad de mejorar el desempeño hidrodinámico del reactor electroquímico y la etapa de precipitación. Para la evaluación del comportamiento de los procesos, tanto en el reactor electroquímico como en el de precipitación, se realizaron pruebas experimentales en reactores de mezcla completa y de jarras, las cuales se complementaron con estudios mediante la dinámica computacional de fluidos, para integrar la información del desempeño de los procesos bajo los diferentes escenarios probados. El capítulo dos detalla el estudio realizado mediante herramientas de dinámica computacional de fluidos al reactor electroquímico de anillos rotatorios, el cual ha mostrado altas eficiencias de remoción de cromo hexavalente en aguas contaminadas. Esta parte del proyecto da a conocer cuál es el enfoque de modelado más apropiado para simular la hidrodinámica que se desarrolla dentro del reactor. Se realiza la comparación de los resultados predichos por tres variantes del modelo de turbulencia κ-ε (standard, RNG y realizable) acoplado al modelo de múltiples marcos de referencia para simular la rotación del electrodo. También se evalúa el efecto de la posición de las fronteras del marco de referencia rotacional respecto a las fronteras del marco de referencia estacionario. Se demuestra que la predicción con el modelo κ−ε realizable en conjunto con la posición a 0° genera los resultados con mayor acercamiento a las mediciones experimentales de tiempo de mezclado obteniendo un 6% de error. En el capítulo tres se muestran los resultados de la incorporación de una novedad, la cual consiste en un reactor equipado con el electrodo estático de electro-deflectores agitado por dos impulsores de alabes inclinados, conocido como PBT. Los resultados de esta modificación se comparan respecto a los obtenidos con el desempeño del reactor electroquímico equipado con el electrodo dinámico de anillos rotatorios. La comparación se realiza de forma teórica para evaluar sus diferencias en cuanto a su desempeño hidrodinámico, y experimental para conocer su eficiencia frente a la reducción de cromo hexavalente. Para realizar la comparación, los reactores se operaron a la misma velocidad de agitación y al mismo número de Reynolds. Los resultados del análisis hidrodinámico muestran que el arreglo de electro-deflectores estáticos junto con el par de impulsores permite mejorar el tiempo de mezclado en 36%, incrementando la eficiencia hidráulica en 85% cuando el reactor se opera al mismo número de Reynolds. Se evidencia que la capacidad de circulación del reactor afecta directamente la tasa de reducción de cromo hexavalente, ya que los tiempos de tratamiento tienen una tendencia parecida a los tiempos de circulación axial. También se muestra que hay una reducción del consumo energético de al menos un 21% cuando el reactor es equipado con los electro-deflectores y el sistema de agitación de dos impulsores. En el capítulo cuatro se evalúan las condiciones de operación del reactor electroquímico, como son: configuración geométrica del electrodo, velocidad de agitación e intensidad de corriente. Para evaluar el cambio en la configuración del electrodo se utiliza el electrodo de anillos estáticos y electro-deflectores. Al operar el electrodo con anillos estáticos también se evalúa la necesidad de incorporar deflectores convencionales. Los sistemas de agitación del reactor están compuestos por dos impulsores PBT, de los cuales también se evalúa la separación entre ellos. Al realizar las simulaciones se consideró la interacción de la interfase líquido-gas. Los resultados revelan que por la posición de los impulsores es necesario tomar en cuenta en el modelo la interacción líquido aire para obtener una predicción más realista del patrón de flujo en la configuración de electro-deflectores. Resultado de los estudios, se obtuvo que la configuración con menor consumo energético fue la de los electro-deflectores con una separación entre impulsores igual a su diámetro pues sus características geométricas e hidrodinámicas le permiten ser más eficiente. En este sistema se exploró el efecto de la velocidad de agitación y de la intensidad de corriente. La velocidad de agitación aumenta la tasa de reducción de cromo hexavalente, hallando su límite en 300 rpm. En esta velocidad de agitación se exploró el efecto de la intensidad de corriente, de donde se encuentra una dependencia lineal del consumo energético del reactor respecto a esta variable en el rango evaluado. En el capítulo cinco se estudia la etapa de precipitación. Los estudios se realizan en un sistema de jarras agitado con dos tipos de impulsores, uno radial y otro axial. Se realiza la evaluación del efecto del pH al que se ajusta el efluente para realizar la precipitación en los valores de 4, 6, 7 y 9. Los resultados muestran que después de precipitar el agua tratada a un pH = 9.0, se obtiene un clarificado con pH neutro y se logran precipitar todas las especies. Se evalúa también el ambiente hidrodinámico de las jarras de forma experimental y numérica, determinando que el impulsor radial disipa mayor energía turbulenta respecto al impulsor axial. Por lo anterior, el impulsor axial propicia un ambiente hidrodinámico favorable para el desarrollo de los flóculos, lo que se traduce en velocidades de sedimentación mayores con respecto a las alcanzadas cuando la jarra se opera con el impulsor radial. Además, el impulsor axial consume solo el 50% de la energía que consume el impulsor radial.
- Bioproceso para obtener ácido cítrico, a partir de un material lignocelulósico(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2021-03) Guzmán Gil, RaymundoEl propósito de este estudio fue desarrollar un proceso biotecnológico para producir ácido cítrico, mediante la biorreacción de residuos de Opuntia ficus indica, como materia prima, a partir del Residuo Agroindustrial generado en la Alcaldía Milpa Alta, Ciudad de México. Los hongos Pycnoporus cinnabarinus y Aspergillus niger realizaron los procesos de biorreacción en biorreactores homogéneos. La eficiencia de la deslignificación con Pycnoporus cinnabarinus se midió bajo diferentes condiciones de operación: pH de 4 y 6, temperaturas de 30° C y 50° C; y tamaño de partículas de 0.074 mm y 0.25 mm, y la eficiencia de la biotransformación con Aspergillus niger se midió bajo diferentes condiciones de operación: pH de 2 y 4, 20 g/L y 30 g/L de celulosa, y concentraciones altas y bajas de metales traza: Cobre (Cu), Manganeso (Mn) y Zinc (Zn). La deslignificación y la producción de ácido cítrico se evaluó mediante espectroscopía IR y los efectos de los factores y sus interacciones se evaluaron mediante el análisis de varianza (ANOVA). Además, durante las biorreacciones se mantuvo bajo control el pH, el oxígeno disuelto (OD) y el potencial de óxido reducción (ORP), así como las concentraciones de biomasa y de carbohidratos reductores totales, para su determinación se utilizaron los métodos de Bradford y del ácido 3,5-Dinitrosalicílico (DNS) respectivamente. Mediante el análisis de la espectroscopía IR se midieron los porcentajes de deslignificación, logrando alrededor del 67 % de deslignificación durante las biorreacciones. La cantidad máxima de ácido cítrico obtenida fue de 6.2 g/L en las condiciones de operación optimizadas, a partir de 20 g de celulosa, y los valores de las constantes asociadas a la formación de producto fueron α de 2.91, β de 4.28, μm de 0.1362 d-¹, ks de 0.603 g sustrato/l, kd de 0.0102.
- Recuperación de In y Sn a partir de paneles LCD residuales usando citrato como agente complejante(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2020) López Yañez, AdriánEn este trabajo se investigó un proceso de lixiviación amigable con el medio ambiente para la recuperación de indio y estaño a partir de residuos de paneles LCD. Se usó el ion citrato (C₆H₅O₇³-) como agente complejante y al ser un ligante orgánico es fácilmente degradable. Se caracterizó la morfología de las partículas de polvo obtenido de los residuos de paneles LCD y la composición atómica en dicho polvo-LCD antes y después de los procesos de lixiviación mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectroscopia de dispersión de energía (EDS). La cantidad de indio (In), estaño (Sn) y hierro (Fe) presente en el lixiviado se determinó mediante una digestión en medio ácido y su posterior análisis en espectrometría de absorción atómica (AAS). Las condiciones termodinámicas que favorecen la recuperación u obtención de las especies de interés, en este caso In, se establecieron mediante el uso del software MEDUSA. Las condiciones de reacción para la lixiviación se determinaron experimentalmente variando la concentración de citrato al inicio de la reacción y utilizando un agente reductor u oxidante, empleando para dicho fin, hidracina (N₂H₄) y peróxido de hidrógeno (H₂O₂) respectivamente. Se encontró que la hidracina en una solución de citrato aumenta la eficiencia de la lixiviación de In. Sin embargo, se encontraron altas concentraciones de Sn y Fe con respecto al In en el polvo-LCD y a su vez compiten por el citrato. Por tal motivo, se implementó un pretratamiento utilizando solamente ácido sulfúrico (H₂SO₄) y pH = 1 en una primera etapa para eliminar el exceso de Sn y Fe, y posteriormente se realizó la lixiviación con una solución 1 M de ácido citrico, 0.2 M de hidracina, el pH se ajustó en 5 mediante una solución 7 M de hidróxido de sodio (NaOH) y una relación sólido:líquido (S:L) de 20 g∙L-¹, obteniendo una recuperación de In notablemente alta de aproximadamente el 99% después de 16.6 h.
- Intensificación de procesos de dispersión en sistemas agitados mecánicamente(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2018) Martínez-De Jesús, GastónLos impulsores de alto corte (IAC) son muy utilizados en la industria de recubrimientos y pinturas para recuperar el tamaño primario de pigmentos (i.e. desaglomeración), sin embargo, los parámetros hidrodinámicos que caracterizan su desempeño son muy escasos en la literatura científica. Esto origina que el escalamiento y puesta a punto los proceso en los que se utilizan se ejecuten siguiendo reglas heurísticas y la experiencia de ingenieros de proceso. Por ello, en esta tesis, utilizando herramientas de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) y mediciones experimentales de consumo de potencia, se comparan los parámetros hidrodinámicos de los IAC tipo Norstone, Hockmeyer y Cowles. El estudio se realizó en el régimen de flujo laminar y de laminar a transición (0.5≤Re≤263). Se considera la naturaleza newtoniana y no newtonianos de tipo pseudoplástico de los fluidos de proceso. Se obtuvieron los campos de velocidad, la dependencia de los números de potencia (NP) y de bombeo (NQ) respecto al número de Reynolds (Re). También se comparan sus capacidades de disipación viscosa de energía en regiones cercanas a la superficie de los impulsores. Este parámetro es de particular interés ya que está relacionado con la capacidad de desaglomeración de partículas. Los valores de disipación viscosa en la zona de contacto con la superficie de los impulsores fueron de utilidad para definir la zona de bombeo efectivo. La comparación de estos parámetros, a una misma potencia inyectada, indica que los impulsores tipo Norstone pueden generar los valores más altos de disipación viscosa, lo cual sugiere que este impulsor tendría un mejor desempeño con partículas difíciles de desaglomerar. Sin embargo, su capacidad de bombeo es la de menor magnitud. En impulsor Cowles presenta los valores más altos de bombeo y los valores de disipación viscosa en presencia de fluidos newtonianos es aproximadamente del 90%, mientras que con fluidos pseudoplásticos es cercana al 70% ambas comparadas con los tipo Norstone. El impulsor Hockmeyer presenta un desempeño intermedio. Tanto con la los fluidos newtoniano y pseudoplásticos, este genera cerca del 50% de la disipación respecto de los tipo Norstone, pero su capacidad de bombeo es aproximadamente el 70% del Cowles. Los datos de simulación indican que existe una relación inversa entre las capacidades de disipación de energía y la viscosidad del fluido de proceso. Para investigar el desempeño de los impulsores tipo Norstone con relación al tamaño de sus surcos, se evaluaron tres variantes de estos. El primero que presenta surcos de una profundidad de 3 mm, el segundo 1.5 mm y un disco plano. Los resultados numéricos indican que la función principal de los surcos es la generación de bombeo. Sin embargo, cuando se evaluaron altas velocidades de agitación, los surcos presentan valores de disipación viscosa comparable a los máximos generados por el Hockmeyer. Utilizando la metodología de Metzner y Otto adaptada a herramientas de CFD se obtuvieron las constantes de Metzner y Otto, la cuales son utilidad práctica para estimar la potencia de impulsores operando con fluidos pseudoplásticos. Además, para el Hockmeyer se obtuvieron datos experimentales de reducción de tamaños de partículas de polvos minerales, los cuales se relacionaron directamente con los datos numéricos de disipación viscosa. Y estos resultados fueron comparados con los generados por una turbina Rushton.
- Experimentación y modelado a escala de laboratorio y banco de los fenómenos cinéticos, de adsorción y partición en un sistema roca-fluido-aceite en una prueba de trazadores de pozo único(Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información., 2016-03) Otero Lopez, Martha LeticiaEsta investigación tiene como objetivo esclarecer algunos fenómenos que se involucran en una prueba de trazadores de pozo único: cinética química, adsorción y partición del acetato de etilo. Se utilizaron agua de formación sintética, aceite residual y roca de yacimiento (dolomita) de un campo situado en el sureste de México para los experimentos llevados a cabo en los sistemas a escala de laboratorio y banco. Se realizaron un conjunto de experimentos independientes diseñados para calcular el coeficiente de partición entre el acetato de etilo en agua de formación y el aceite residual, así como el desarrollo de un modelo cinético para la hidrólisis del acetato de etilo, la isoterma de adsorción del acetato de etilo y los modelos cinéticos para la adsorción del acetato de etilo en roca de yacimiento. Los experimentos fueron evaluados en un intervalo de concentraciones de 100-300 mmol L-1, condiciones similares a las utilizadas en el método de trazadores de pozo único. Todos los parámetros determinados a partir de estos experimentos fueron validados con los experimentos en el sistema trifásico, donde los fenómenos cinéticos químicos, de partición y adsorción se llevan a cabo al mismo tiempo; tanque agitado y lecho empacado. Se desarrolló un modelo pseudo-heterogéneo que considera tres fases constituidas por el agua de formación, la roca y el aceite residual que describe la interacción de los diferentes fenómenos involucrados. Los resultados pueden resumirse de la siguiente manera: (i) los coeficientes de reparto (KEA) obtenidos son aparentes variando en un intervalo entre 5 a 8, esto debido a limitaciones termodinámicas;(ii) el modelo cinético para la hidrólisis del acetato de etilo se desarrolló en condiciones básicas y ácidas, ya que en condiciones neutras la conversión de reacción es despreciable; (iii) el modelo de isoterma de Langmuir-Freundlich combinado y la cinética de Langmuir son los modelos que más se adecuan a los datos experimentales obtenidos al equilibrio y la velocidad de adsorción, respectivamente; (iv) la roca dolomita adsorbe cantidades significativas de acetato de etilo, obteniéndose una capacidad de adsorción máxima (qEAm) de 7 mmol.g-1 en las condiciones de estudio; (v)los fenómenos de adsorción del acetato de etilo sobre la roca dolomita se describen de forma más adecuada con un modelo cinético de adsorción que con el modelo de isoterma simplificado; (vi) los parámetros de partición, hidrólisis y adsorción evaluados en los experimentos independientes nos permiten describir los datos experimentales obtenidos en el sistema trifásico y el lecho empacado. Estos resultados ponen de manifiesto la importancia de considerar los mecanismos de partición, hidrólisis y adsorción en una prueba de trazadores de pozo único cuando se utiliza como trazador el acetato de etilo.