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.

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. 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.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, mención Química / Ingeniero Civil Químico / Algunos ejemplos recientes de tecnologías catalíticas que han recibido mayor énfasis en su etapa de desarrollo, incluyen la producción de fuentes limpias de energía, la captura, control y utilización de gases de invernadero, la transformación de biomasa en hidrógeno y la generación de energía utilizando celdas de combustibles. Si bien es conocido que la economía de escala favorece a las grandes plantas químicas, durante los últimos años se ha notado un creciente interés en la intensificación de los procesos y las tecnologías de microsistemas, ya que estos procesos tienen una respuesta más rápida, son más flexibles y tienen costos capitales y de operación menores. Una de las áreas más investigada y en amplio desarrollo por las tecnologías de sistemas microestructurados son los reactores de microcanal. Estos abrieron una nueva perspectiva a la tecnología química y la ingeniería de reacciones, ofreciendo una alta razón área-volumen que provee un buen contacto entre fases, además de una rápida transferencia de masa y calor, una baja caída de presión a lo largo del canal debido a la utilización de flujos laminares, una buena estabilidad, tanto térmica como estructural y en consecuencia, el control preciso de las condiciones de operación del proceso, pudiéndose obtener altos grados de producción. Existen variados trabajos en los que se habla sobre el acoplamiento de reacciones. En ellos se presenta una alta eficiencia de integración entre un canal de combustión exotérmico y un canal de reacción endotérmica, mediante una buena transferencia de calor en el muro metálico entre canales. Como resultado, muchos sistemas se ven beneficiados por el uso de este tipo de configuración. Uno de los mayores incentivos para el uso de métodos de simulación para el diseño a priori de los microrreactores es la reducción en tiempo y costo que tiene éste, en comparación con la fabricación de los dispositivos y que además cumplan con los objetivos de diseño. Una vez que un concepto de diseño ha sido definido, los llamados prototipos numéricos se pueden utilizar como un medio de evolución del concepto de diseño hasta la etapa en la fabricación. En el presente trabajo se planteó y simuló un modelo fenomenológico que describe el comportamiento que exhiben dos microcanales conectados térmicamente por un soporte sólido, en los que se desenvuelven la reacción de reformado de metanol por el lado endotérmico y la combustión de hidrógeno por el lado exotérmico. Los resultados obtenidos se compararon con datos obtenidos en la literatura para verificar la validez del modelo obtenido y su posible utilización como método de diseño de este tipo de equipos. Como línea de trabajo futuro se puede mejorar el desempeño del modelo mediante la optimización computacional de este además de un ajuste paramétrico llevado a cabo con resultados empíricos llevados a cabo en un microrreactor real.

La presente tesis se compone de cuatro capítulos: en el primer capítulo se plantea los objetivos de la esta investigación y se realiza una recopilación de información referente a investigaciones relacionadas con el control y la automatización de reactores químicos CSTR. En el segundo capítulo realiza una introducción teórica sobre el reactor tanque agitado continuo, así mismo se desarrolla el modelo matemático de un reactor químico de este tipo, el cual servirá para la simulación del sistema a controlar. En el tercer capítulo se lleva a cabo el desarrollo de los criterios de diseño y parámetros de sintonización de los diversos controladores implementados para aplicarlos al reactor. En el cuarto capítulo se presentan las simulaciones del sistema sometido a la acción de control de los diversos controladores, para luego elaborar un análisis de la performance de cada uno, y finalmente establecer la superioridad del neurocontrolador dinámico frente a otros controladores. / Tesis

La presente tesis se compone de cuatro capítulos: en el primer capítulo se plantea los objetivos de la esta investigación y se realiza una recopilación de información referente a investigaciones relacionadas con el control y la automatización de reactores químicos CSTR. En el segundo capítulo realiza una introducción teórica sobre el reactor tanque agitado continuo, así mismo se desarrolla el modelo matemático de un reactor químico de este tipo, el cual servirá para la simulación del sistema a controlar. En el tercer capítulo se lleva a cabo el desarrollo de los criterios de diseño y parámetros de sintonización de los diversos controladores implementados para aplicarlos al reactor. En el cuarto capítulo se presentan las simulaciones del sistema sometido a la acción de control de los diversos controladores, para luego elaborar un análisis de la performance de cada uno, y finalmente establecer la superioridad del neurocontrolador dinámico frente a otros controladores. / Tesis

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

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Professor Doutor José Miguel Loureiro

Tese de doutoramento. Engenharia Química e Biológica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2011