Ingeniero Civil Electricista / En la industria en general, y en la minería de forma particular, existen una gran variedad de procesos que emiten abundante material particulado; poniendo en peligro la salud y condiciones de trabajo de quienes laboran allí. Es por esta razón que existe un gran interés en desarrollar una variedad de métodos para extraer y capturar este material. En este sentido, la empresa TDS S.A. ha desarrollado un nuevo método de captación de polvo, el cual debe cumplir con las normas de emisión de material particulado MP2.5 y MP10. El presente trabajo de memoria muestra el diseño e implementación de una controlador tipo difuso, que asegura que el proceso de captación de polvo cumpla con las normas antes mencionadas para el caso específico de una pieza cerrada. Para ello es necesario, primeramente, modelar dos partes específicas y fundamentales del captador de polvo ideado por la empresa TDS S.A., siendo estas una Jet Pump o eductor de la empresa Penberthy y un estanque de sedimentación circular a través de CFD (Computational Fluid Dynamics). De las simulaciones del sistema de captación de polvo en ANSYS®-CFX, pudo establecerse que tan sólo 3 variables eran importantes desde el punto de vista del control de la extracción del polvo: la velocidad de entrada del líquido usado el eductor, la concentración de polvo a la entrada del líquido en el eductor y la velocidad de extracción del material particulado por los ductos fuera de la pieza. Sin embargo, la velocidad de entrada del líquido al eductor tuvo un impacto del orden de cien veces mayor a las otras variables en cuanto a la cantidad de material particulado extraída, por lo que se le privilegió para diseñar el sistema de control. Se diseñaron tanto un control PI como uno PD difuso para el caso particular de limpiar una pieza cerrada con material particulado en suspensión, con el fin de evaluar distintas estrategias de control, además de definir la idoneidad de cada tipo de controlador. La entrada de ambos controladores fue el error de la concentración de polvo en la pieza y la variación del error de la misma variable. La salida del sistema de control fue la variación de la velocidad de entrada del líquido al eductor para el controlador PD difuso y la variación de la misma variable para el caso del controlador PI difuso. Estos sistemas de control fueron validados en ambiente MATLAB®-Simulink. Se concluyó que el sistema de control tipo PI difuso era mucho más apropiado para el problema propuesto, por la mayor estabilidad en su respuesta en la estrategia de control, menor tiempo requerido por el sistema en la limpieza de la pieza y el diseño de conjuntos difusos y reglas de control de forma más intuitiva que para el caso de control PD difuso. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por TDS S. A.

Memoria para optar al título de Químico / Los aerosoles atmosféricos corresponden a partículas suspendidas en la atmósfera, cuyo tamaño oscila entre los 0.001 μm (aerosoles microscópicos) hasta los 100 μm (aerosoles visibles). El material particulado es introducido a la atmósfera mediante procesos naturales (resuspensión de polvo) o bien procesos antropogénicos que involucran quema de combustibles fósiles. Los efectos del material particulado en el ambiente y en la población expuesta dependen del tamaño y de la composición de estas partículas. Para poder estimar el daño que están produciendo estas partículas se hace necesario, conocer la concentración total de elementos químicos y su distribución entre los componentes de la matriz, debido a que la biodisponibilidad de estos elementos depende entre otros factores de características como, fuerza de enlace y solubilidad. En este trabajo se realizó un fraccionamiento químico del material particulado determinando las diferentes formas químicas de los elementos entre (1) soluble en agua, (2) intercambiable, (3) unida a carbonatos y óxidos y (4) medioambientalmente inmóvil (unida a silicatos). Se determinó también la, concentración total y fue estimada la fuente de emisión, mediante factor de enriquecimiento (FE), de 14 elementos presentes en el material particulado de 10 m recolectado por la estación Cerrillos, de la red MACAM, (SESMA) de la ciudad de Santiago, durante el mes de julio entre los años 1997 – 2003. Los resultados indican que la mayoría de los elementos disminuyen su concentración en los 7 años estudiados, excepto cromo el cual aumenta en este periodo. Los elementos que presentan mayor labilidad y por tanto se encuentran más disponibles al medio ambiente son Pb, Cu, y As, los cuales son tóxicos. Sin embargo, el plomo se ha ido tornando más inerte entre 1997 – 2003, haciéndose menos disponible, posiblemente debido a la eliminación de las gasolinas con Plomo. Los elementos Cr, V y Ti se encuentran principalmente en la fracción unida a carbonatos y óxidos mientras que los elementos Al, Ba, Ca, Mg y Ni se encuentran principalmente en la fracción unida a silicatos y a la materia orgánica

Ingeniero Civil de Minas / La emisión de material particulado es un aspecto ambiental relevante para las faenas mineras, con impacto directo en la salud de los trabajadores y de las comunidades cercanas. En un levantamiento de información sobre las faenas mineras chilenas se estableció que la generación de polvo debido al tránsito por caminos no pavimentados resulta ser la fuente más comprometida. Se procedió a estudiar esta última fuente de emisión en mayor detalle, referida a los caminos internos de alto tonelaje (tránsito de más de 100 t). En base a testimonios de profesionales relacionados con caminos mineros, se pone de manifiesto la poca ingeniería sobre la construcción de caminos mineros y la dependencia de soluciones reactivas y costosas para su mantención. Dejan en claro la necesidad de proponer una mejor preparación de la carpeta de rodado y material granular subyacente para tener un mayor desempeño en términos de rodadura y control del polvo. En especial, incorporar el uso de bandas granulométricas como una medida fundamental en el diseño de un camino. Se estudia la interacción rueda-suelo para comprender más de cerca la suspensión de material particulado (MP10) desde caminos. Para ello se realizan simulaciones computacionales en elementos discretos (DEM) con el software RockyDEM®, sobre un sistema simplificado placa-cajón con partículas de 10 μm para determinar el potencial de emisión de material particulado y el hundimiento de la rueda en el suelo. La penetración de la rueda aumenta con la carga del camión y la disminución de la cohesión del suelo. Para cargas entre 100 y 400 t, la penetración ronda entre 1,5 y 6,0 cm, respectivamente. El potencial de emisión permanece cuasi invariante con respecto a la velocidad de la rueda pero aumenta con la carga de un camión. Tan solo el 23% de la velocidad del camión es adquirida como velocidad media de eyección de las partículas del suelo, es decir, la rueda hace ruptura por sobre la dispersión de estas. Complementariamente se realizan estudios experimentales de evaporación de agua desde cuarzo, mineral representativo de caminos mineros muestreados, pretratados con agua destilada, medio ácido, con floculante y una emulsión de polímero. La adición de ácido y floculante retardan las tasas de evaporación. Como cierre se propone un diseño conceptual, resguardando las variables de distribución de tamaño de partículas y mineralogía en el diseño espacial de un camino minero. Se destaca además, el muestreo en superficie del contenido de limo y la aplicación tópica de supresores de polvo, durante la operación de caminos.

Ingeniero Civil Químico / En el presente informe se muestra el desarrollo del proyecto de la Clínica Alemana de Osorno, para reducir las emisiones de material particulado de su caldera, debido a las preocupantes condiciones de contaminación atmosférica de la ciudad. Con este objetivo, se exponen diversas tecnologías de control de material particulado, considerando aspectos técnicos, ambientales y económicos. Tras realizar las comparaciones pertinentes, se decidió enfocar el trabajo en el diseño de un depurador tipo Venturi, debido a que su incorporación lograría disminuir las emisiones a niveles adecuados, y sus características de operación y mantención son aptas para el caso de estudio. El diagnóstico de las emisiones actuales se construyó sobre las mediciones realizadas en la caldera, para caracterizar el material particulado y las condiciones de los gases emitidos. Con esta información, y aplicando un modelo matemático del depurador Venturi, fue posible definir las características adecuadas de su diseño. Según este modelo, además, se prevé la disminución de material particulado en las emisiones desde 930 mg/m3, medidos en los gases emitidos de la caldera sin su tratamiento actual, hasta 90 mg/m3 en las condiciones más adversas. Una vez diseñado el depurador, se dimensionaron los equipos secundarios necesarios para su funcionamiento, encontrándose diferencias significativas con respecto a los equipos similares instalados actualmente. En cuanto a la implementación del proyecto, se recomienda que se realice por fases, dando mayor prioridad a aquellos equipos cuyo reemplazo sea más simple y, con certeza, necesario. Una vez finalizada su implementación, es necesario mantener un registro de las variables adecuadas para verificar la eficiencia de la depuración. Finalmente, el costo de operación del proyecto, que involucra el consumo de agua y energía eléctrica, se estimó en CLP$ 640.000 mensuales. Por otro lado, el costo de inversión, que supone la compra de todos los equipos necesarios para el proceso de depuración, se estimó en CLP$ 17.050.000.

La ciudad de Santiago (33.5 ºS, 70.6 ºW) presenta una compleja geografía que deriva en especiales características de las variables de capa límite, además de la ocurrencia de eventos de alta concentración de material particulado, asociados a estas características. El desarrollo de la capa de mezcla diurna en Santiago se documenta en este estudio, usando datos de un nefobasímetro ubicado en el centro de esta ciudad, para un período de 9 meses. Para complementar el análisis se utilizan, además, datos de estaciones meteorológicas automáticas ubicadas en la cuenca de Santiago, datos de un perfilador acústico y resultados de una simulación con el modelo numérico de mesoescala MM5, hecha para un período de ocurrencia de capas de mezcla someras en la cuenca. Se aplicó un algoritmo para diagnosticar, a partir de los perfiles de reflectividad del nefobasímetro, la altura de capa de mezcla (HCM) en Santiago, el cual tiene buenos resultados durante días mayormente despejados y con una significativa concentración de partículas en el aire. Este análisis muestra que la HCM media a las 14 HL fluctúa entre los 400 m durante otoñoinvierno y los 700 m durante primavera-verano, con mayor dispersión de valores durante este último período. Se encontró una relación directa entre el balance de energía superficial y la HCM a las 14 HL, con un porcentaje de entre 20% y 40% de radiación solar incidente ocupada en el crecimiento y calentamiento de la capa de mezcla (CM) diurna, indicativo de la gran influencia que tiene el balance de energía superficial en la evolución de CM. Por otro lado, se identificaron episodios en que la advección de capa límite marina costera parece afectar de manera importante el balance de energía de la cuenca, especialmente durante primavera-verano. La estabilidad nocturna en la cuenca también es un factor importante en la evolución de CM, dando lugar en algunos casos a eventos de CM muy someras durante invierno, asociados con gran calentamiento sobre la capa límite y el consiguiente aumento de la estabilidad cerca de la superficie. Los resultados de la modelación de mesoescala reproducen de buena forma estos eventos de CM someras, aunque asociados a una disminución del flujo de calor sensible superficial y a una moderada amplitud térmica a 10 m, a diferencia de las observaciones, que sugieren que estos eventos de CM someras responden a un calentamiento del aire sobre la capa límite, un incremento importante de la estabilidad en la masa de aire de la cuenca y una amplitud térmica superficial también alta.

Los óxidos de azufre emitidos desde fuentes antrópicas, particularmente fundiciones de cobre, termoeléctricas y cementeras constituyen un problema ambiental relevante en Chile central. Las fundiciones Ventanas y Caletones, responsables en el año 2005 de un 64% y 13% respectivamente de las emisiones antrópicas de azufre de la región (90GgS/a), han disminuido sobre un 80% sus emisiones desde 1995. Esta disminución obedece a la implementación de planes de descontaminación a través de los cuales se aumentó la captación de azufre mediante la instalación de plantas de ácido y sistemas de manejo de gases y el reemplazo de los hornos de reverbero. Este trabajo aborda una cuantificación de los cambios en cuanto a la distribución de azufre oxidado en Chile central analizando el año 2005. Para esto se utiliza un modelo meteorológico de mesoescala (MM5) y un modelo de dispersión de contaminantes (POLYPHEMUS) simulando cuatro períodos representativos de un mes cada uno: enero, abril, julio y octubre de 2005. Los resultados de ambos modelos fueron evaluados utilizando observaciones disponibles, incluyendo entre ellas a las observaciones satelitales de carga de dióxido de azufre. Se encuentra que las simulaciones representan la dispersión regional de azufre oxidado y que las condiciones locales en las cercanías de las megafuentes son capturadas solo parcialmente debido, por una parte, a la resolución espacial de las simulaciones y, por otra, a inconsistencias en las observaciones disponibles. Además, se concluye que la percepción remota satelital es una herramienta que puede usarse para el monitoreo de las emisiones de azufre de megafuentes como la fundición Caletones. Finalmente, para la zona donde se obtiene la mejor correspondencia entre simulaciones y observaciones y en donde cada megafuente posee estaciones de monitoreo se implementó y evaluó una metodología para mejorar la estimación y resolución temporal de las emisiones de las megafuentes utilizando los resultados de la simulación, una estimación inicial de las emisiones y las observaciones superficiales de dióxido de azufre. A través de esta metodología se obtiene una estimación diaria de la emisión de azufre oxidado de las megafuentes, lo que permite mejorar su operación.

El desarrollo de modelos matemáticos predictivos de distinto tipos de fenómenos son aplicaciones fundamentales y útiles de las técnicas de Minería de Datos. Un buen modelo se convierte en una excelente herramienta científica que requiere de la existencia y disposición de grandes volúmenes de datos, además de habilidad y considerable tiempo aplicado del investigador para integrar los conocimientos más relevantes y característicos del fenómeno en estudio. En el caso concreto de ésta tesis, los modelos de predicción desarrollados se enfocaron en la predicción contaminantes ambientales como el valor medio de Partículas Finas (PM2.5) presentes en el aire respirable con un tiempo de anticipación de 8 horas y del Ozono Troposférico Máximo (O3) con 24 horas de anticipación. Se trabajó con un interesante conjunto de técnicas de predicción partiendo con herramientas de naturaleza paramétrica tan sencillas como Persistencia, Modelación Lineal Multivariante, así como la técnica semi-paramétrica: Regresión Ridge además de herramientas de naturaleza no paramétrica como Redes Neuronales Artificiales (ANN) como Perceptron Multicapa (MLP), Perceptrón Multi Capa Cuadrática (SMLP), Función de Base Radial (RBF) y Redes Elman, así como Máquinas de Vectores Soporte (SVM), siendo las técnicas no paramétricas las que generalizaron mejor los fenómenos modelizados. / Salazar Ruiz, E. (2008). Desarrollo de modelos predictivos de contaminantes ambientales [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/2504