Estágio realizado na AtralCipan e orientado pelo Eng.º Joaquim Queiroga / Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Estágio realizado na Delft University of Technology - Netherlands e orientado pelo Prof. David Vervloet,Prof. John Nijenhuis, Prof. Ruud van Ommen, Prof. Doutor Frrek Kapteijn / Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Tese de doutoramento. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2007

Ingeniero Civil Químico / Los plásticos son uno de los materiales más utilizados en el mundo entero debido a sus buenas propiedades físicas y a su bajo costo. La producción de éstos, ha ido aumentando drásticamente, habiendo crecido desde las 1,7 [MTon] en el año 1950, hasta las 280 [MTon] en el año 2011. Junto con lo anterior, la baja biodegradabilidad y la falta de políticas que incentiven el buen manejo de estos compuestos a la hora de ser desechados, ha generado una evidente acumulación de plásticos en el mundo entero, los cuales tienen impactos negativos sobre el medio ambiente y la sociedad. En Chile, el panorama es muy similar, donde 0,67 [Mton] de desechos plásticos se produjeron durante el año 2009, de los cuales sólo se recicló un 4%, cifra que a la vez sólo ha crecido desde un 2,3% en el año 2000. Todo lo anterior hace necesaria la implementación de equipos que permitan el reciclaje de los desechos plásticos desde un punto de vista industrial. Para ello, el objetivo del presente trabajo fue el diseño y la construcción de un reactor continuo para el estudio de la degradación química de los residuos plásticos, valorizándolos en combustibles. El reactor implementado fue de tornillo y se caracterizó por medir 0,9 [m] de alto, 0,5 [m] de ancho y 1,3 [m] de largo y tener una potencia eléctrica cercana a los 2 [kW]. El material de construcción utilizado en el equipo fue acero inoxidable AISI 316. El tornillo sinfín del reactor está conectado a un motoreductor capaz de variar el tiempo de residencia del equipo entre 1,7 y 51 [min]. El equipo cuenta con una tolva de acceso por donde la mezcla ingresa, dirigiéndose al lecho (de volumen 95 [mL]) calefaccionado del reactor (el cual está compuesto por dos zonas de control de temperatura, independientes entre sí). El sistema incluye una entrada de nitrógeno gaseoso, el cual es el compuesto encargado de mantener el ambiente inerte y de desplazar los productos hacia un sistema de trampas de captura. Se realizaron pruebas preliminares de pirólisis térmica en el equipo utilizando 10 [g] de polietileno de baja densidad, para una velocidad de giro del motor de 2 [RPM] y temperaturas de 480 [°C] y 520 [°C] en las zonas 1 y 2 de calefacción respectivamente, encontrándose conversiones de un 56% y selectividades de un 34,6% para las ceras, 41,5% para los líquidos y 23,9% para los gases. El desempeño del reactor fue de acuerdo a lo esperado, encontrándose productos de pirólisis térmica en el rango C9-C38 de manera poco selectiva, con resultados reproducibles entre sí, lo que valida la sistematización del equipo.

En la presente Tesis se analiza el comportamiento de un reactor de membrana en el que se lleva a cabo la reacción de desplazamiento de gas de agua (WGS) sobre un catalizador comercial de Fe/Cr con el objetivo de purificar una corriente de gas de síntesis para alimentarla finalmente a una celda de combustible tipo PEM. Se simula la operación de un reactor multitubular de membrana inerte. En él, se extrae el H2 selectivamente por medio de membranas tubulares de Pd/Ag soportadas a-Al2O3 permitiendo el desplazamiento del equilibrio. El catalizador se encuentra ubicado en los tubos y por la carcasa circula un gas de arrastre. Se evalúa la impor-tancia de considerar los efectos térmicos que tienen lugar en este reactor, en particular, cuando se trabaja a escalas mayo-res que las que generalmente se consideran en el laboratorio. Por medio de un modelo matemático 1D pseudohomogéneo se estudia la influencia de algunas variables operativas y de diseño sobre los perfiles de temperatura, la conversión y la recuperación de hidrógeno. Se demuestran las ventajas de utilizar un reactor de membrana frente a un reactor conven-cional y se comparan las operaciones en las que la corriente de reactivos y permeado circulan en modo cocorriente por un lado, y cuando circulan en modo cotracorriente por otro. Debi-do a la retroalimentación de calor que existe cuando se opera en modo contracorriente, se analiza la estabilidad del reactor bajo las condiciones estudiadas. Se extiende luego el análisis a un diseño en el que se modifica la ubicación de catalizador. Con el propósito de aumentar la recuperación, se analizan diferentes estrategias para aumentar la fuerza impulsora para la permeación tales como incrementar la presión operativa, el caudal de gas de arrastre y el area de permeación. Además, se presentan expresiones algebraicas que permiten estimar el máximo incremento de temperatura que podría tener lugar en un reactor de membrana. Por otro lado, se incluye el proce-dimiento de cálculo de la conversión y recuperación de equi-librio en un reactor de membrana operando a cocorriente. Por último, se ajustan resultados experimentales obtenidos en el Instituto de Investigaciones en Catálisis y Petroquímica (INCAPE). Los catalizadores considerados, en este caso, son más activos que el catalizador commercial de Fe/Cr común-mente utilizado para llevar a cabo la reacción de WGS a altas temperaturas. Por tal motivo, se plantea un modelo unidimen-sional heterogéneo con el fin de cuantificar la presencia de fenómenos difusionales externos. / The present Thesis analyses the reaction behavior of a membrane reactor where the water-gas shift (WGS) reaction is conducted over a Fe/Cr commercial catalyst. The aim of the investigated system is the purification of a synthesis gas stream for PEM fuel cell feeding. The operation of a multitubular reactor with inert membranes is simulated. The use of Pd/Ag tubular composite membranes permits the selective extraction of hydrogen leading to a shift in the chemical equilibrium of the WGS reaction. In this work, the relevance of considering the thermal effects occurring in the reactor is evaluated, in particular, in the situations where the scale of the system is higher than the one usually handled in lab works. A 1D pseudohomogeneous mathematical model is profited here to study the influence of operating and design variables over axial profiles of temperature, conversion and hydrogen recovery. The advantages in the selection of a membrane reactor design over a conventional reactor for performing the WGS reaction are reported. A performance comparison for the reactor operating with permeate and retentate streams circulating in the same (cocurrent) or opposite (countercurrent) directions is presented as well. Due to the heat feedback phenomenon verified when counter-current operation is selected, the stability in the reactor operation is analyzed. Moreover, algebraic equations to esti-mate the maximum possible temperature rise in the membrane reactor are reported here. For the case of a membrane reactor under cocurrent regime, the calculation procedure for both conversion and equilibrium recovery is presented. With the aim of improving the hydrogen recovery, different strategies including increasing the operation pressure or using diverse sweep gases are analyzed towards an enhancement of the permeation driving force. A fitting work of experimental results measured at Instituto de Investigaciones en Catálisis y Petroquímica (INCAPE) is also reported in this Thesis. The two different catalysts used in the experiments present higher activities than the Fe/Cr commercial catalyst usually selected for high temperature WGS. Therefore, a 1-D heterogeneous mathematical model is solved to quantify the impact of exter-nal diffusion phenomena. The math model allows a satisfac-tory reproduction of the experimental results for the two catalysts evaluated.

El propósito de esta tesis es el diseño del módulo de transesterificación de una planta piloto de producción de biodiésel a partir de aceites usados de cocina, que debe servir para hacer investigaciones y generar una base de conocimientos que permita aumentar la eficiencia de los procesos productivos, disminuir los costos de producción y cumplir con las normativas actuales de calidad. Para ello, se comenzó realizando una extensiva investigación bibliográfica de todas las tecnologías implicadas en el proceso de producción de biodiésel, así como las proporciones adecuadas de materia prima para optimizar las diversas reacciones. Aplicando la metodología de diseño se definió el proceso y el concepto de solución del módulo que permitiese realizar de manera eficiente los objetivos planteados. Así, luego de una evaluación técnico – económica, se decidió diseñar un módulo que permita el control de los sistemas de agitación mecánica, temperatura y presión. En el que se trabajará por lotes (tipo batch) obteniéndose del proceso productivo biodiésel y glicerina. Posteriormente, se realizó un análisis económico de los costos de fabricación del módulo de transesterificación (costos de adquisición de materiales y de equipos, costos de manufactura de los elementos mecánicos y finalmente los costos de montaje); dando como resultado que es económicamente viable. / Tesis

Tese de doutoramento. Engenharia Química e Biológica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Tese de doutoramento. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2005

Ingeniera Civil Química / En este trabajo se plantea el uso de una metodología dirigida a minimizar y, en lo posible, anular el efecto de la transferencia de masa para el desarrollo de una reacción, persiguiendo de esta manera establecer las condiciones operacionales para en un futuro encontrar las cinéticas de reacción a escala de laboratorio. Utilizando esta metodología se busca estudiar el desempeño de la reacción de metanación de dióxido de carbono, bajo diversas condiciones operacionales en un reactor de lecho empacado para asegurar control cinético. Se optó por el estudio de esta reacción debido a las oportunidades que presenta el metano de ser utilizado como combustible a nivel país, además de ofrecer una alternativa para la mitigación de las emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera. La metodología utilizada consiste en evaluar dos factores de dilución, de lecho y de pellet, con los cuales se espera encontrar aquellas condiciones que aseguren que la velocidad medida corresponda efectivamente a la tasa de transformación química, y que esta no se encuentre afectada por factores externos, por ejemplo, problemas de transferencia de masa. El desempeño de la reacción de metanación fue estudiado utilizando catalizadores de Ni y Rh soportados en ZrO2 monoclínica y Al2O3 preparados por el método de impregnación húmeda. Estos fueron analizados por medio de diversas técnicas de caracterización (área BET, TPR, XRD, dispersión, entre otras), con el fin de determinar y relacionar las características superficiales del catalizador con su actividad. Se encontró que el catalizador 6,6%p/p Ni/ZrO2 es el que presenta la mayor actividad (por masa de catalizador soportado) en la reacción de metanación de CO2, seguido por los catalizadores 15%p/p Ni/Al2O3, 1%p/p Rh/Al2O3, y finalmente 0,4%p/p Rh/ZrO2. Para el sistema Ni/Al2O3 se encontró que sobre diluciones de lecho = 500 y de pellet = 150 se puede despreciar el efecto de la transferencia de masa sobre la velocidad de reacción medida. A su vez, para el catalizador de Ni/ZrO2 se demostró que para la dilución de lecho antes mencionadas se puede asegurar un perfil plano de temperatura en el reactor. Se encontró que la reacción de metanación ocurre en conjunto con reacciones laterales, las que en este caso se cree están ocasionadas por la entrada de CO y H2O como impureza. Estas reacciones laterales pueden producir formación de coque sobre el catalizador. Finalmente se puede concluir que con un manejo adecuado de las condiciones fluidodinámicas en un reactor catalítico de lecho fijo es posible asegurar condiciones de control cinético durante la reacción de metanación de dióxido de carbono, junto con mejorar la selectividad del catalizador utilizado.