FRC-Tesis Doctoral Mención Química
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Item Metodología para la optimización de Layout y síntesis de procesos considerando el riesgo tecnológico(Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Córdoba, 2024) Orellano, Santiago; Scenna, Nicolás J.; Rodríguez, Néstor H.En las últimas tres décadas, la sostenibilidad de los procesos ha cobrado un papel fundamental en la industria química. Esto implica, entre otros aspectos, seguridad operativa y de diseño. A su vez, la necesidad de operar plantas a costos reducidos y con mayor eficiencia, manteniendo altos estándares de seguridad, ha generado un creciente interés en el diseño del layout de las plantas de procesos químicos. El diseño del layout de plantas químicas es un proceso crucial que determina la distribución espacial de los equipos y las estructuras en una planta con sus interconexiones asociadas. Un adecuado diseño del layout exige un eficiente uso del espacio proporcionando un equilibrio entre diversos factores, como los costos, la seguridad y la operabilidad, entre otros. Si bien en las últimas décadas se han propuesto métodos y modelos para optimizar layouts, el problema es complejo y las estrategias actuales se caracterizan por ciertas carencias que limitan su aplicación a casos realistas, especialmente cuando se incorpora la seguridad como un aspecto crucial. Restan superar muchos retos para la masificación de estrategias para la optimización del layout de procesos y de la planta en su totalidad, considerando todas las aristas intervinientes en el problema. Objetivo General Esta tesis tiene como objetivo desarrollar soluciones innovadoras para optimizar el layout de plantas químicas, integrando la seguridad como un elemento fundamental y reduciendo significativamente las prin-cipales deficiencias de los métodos actuales. Los algoritmos y estrategias propuestas buscan reducir la bre-cha existente entre las estrategias utilizadas por los diseñadores experimentados y los modelos matemáticos, que a menudo están sujetos a un elevado número de hipótesis simplificadoras. Por otro lado, las metodologías actuales de diseño de procesos tienden a potenciar la conexión entre las distintas etapas de diseño, buscando la interacción de ingeniería desde las primeras etapas del proceso por-que revertir las decisiones tomadas en etapas tempranas sobre las últimas suele ser costoso. En este con-texto, surge la necesidad de desarrollar metodologías tendientes a acoplar las etapas de diseño, buscando obtener diseños óptimos integralmente. En otras palabras, desarrollar modelos y estrategias de resolución que permitan considerar las etapas iniciales del diseño conceptual; y en lo posible, optimizar simultánea-mente el layout y el diseño de las instalaciones que lo componen. Objetivos Específicos ▪ Desarrollar modelos determinísticos eficientes para optimizar layouts de pequeña escala (menos de 15 unidades) mediante la evaluación de distintas estrategias de modelado disyuntivo (GDP) y de la imple-mentación de distintas reformulaciones a modelos MILP (Mixto Entero Lineales). ▪ Desarrollar metodologías para obtener layouts eficientes en problemas de gran tamaño considerando la limitación de los métodos determinísticos para abordar problemas de gran dimensión. ▪ Desarrollar metodologías y modelos de optimización para obtener diseños eficientes de layouts en múl-tiples niveles simultáneamente, particularmente aplicables a la optimización simultánea del block y el plot layout. ▪ Desarrollar estrategias que permitan incorporar las distintas filosofías de diseño actuales para la consi-deración de la seguridad (Diseño Inherentemente más Seguro -ISD- y Diseño Basado en Riesgos -RBD-). En este contexto, se propone: - Desarrollar estrategias para la generación automática de matrices de distancias de seguridad a partir de métodos basados en el Análisis Cuantitativo de Riesgos (ACR o QRA) considerando el efecto dominó y el daño sobre las personas. - Desarrollar modelos reducidos eficaces para la estimación de distancias de seguridad ante ciertos eventos accidentales, ya que son fundamentales para explicitar el vínculo entre variables críticas para el diseño del layout y simultáneamente de las instalaciones a ubicar en el mismo. ▪ Desarrollar conceptualmente los lazos que vinculan las distintas etapas del diseño de plantas, y obtener modelos adecuados para optimizar diseños de distintas etapas en simultáneo. Particularmente, obtener modelos para la optimización simultánea del block layout y el diseño de las instalaciones relevantes que lo componen (particularmente las zonas de almacenamiento). Si bien individualmente los capítulos representan avances significativos en distintos aspectos de la optimización del layout en sí mismo, un aporte significativo de esta tesis lo constituye la compatibilidad entre éstos y la posibilidad de sistematizar una metodología eficiente y automática para la optimización del layout de plantas químicas considerando el riesgo tecnológico; al igual que el iniciar un camino para el diseño de ciertos componentes críticos del proceso simultáneamente con la optimización del layout. Los desarrollos presentados constituyen un avance notorio en las estrategias para el diseño de plantas químicas actuales, permitiendo la creación de layouts más seguros, eficientes y adaptables a diferentes contextos industriales.Item Modelado, simulación y optimización de reactores discontinuos secuenciales (SBR) con barros activados para la eliminación de carbono, nitrógeno y fósforo de aguas residuales(Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Córdoba, 2024) Santa Cruz, Judith Ailén; Mussati, Miguel C.; Scenna, Nicolás J.En esta tesis se aborda el modelado, la simulación y la optimización de sistemas de reactores discontinuos secuenciales (sequencing batch reactor, SBR) de barros activados, con el fin de eliminar materia carbonosa y nutrientes biológicos (nitrógeno y fósforo) de aguas residuales municipales domiciliarias. Un sistema SBR es un proceso cíclico en el que cada ciclo sigue un patrón de etapas sucesivas inherentemente dinámicas. Las etapas típicas incluyen: llenado con líquido a tratar, reacción (conversión biológica) bajo diferentes condiciones ambientales, sedimentación de sólidos suspendidos, descarga del líquido tratado, purga de sólidos generados en exceso y, eventualmente, espera. Se estudian dos configuraciones de proceso SBR: el sistema convencional, en el que todos los procesos microbiológicos ocurren en un único reactor, y el sistema SBR con nitrificación externa (sistema de dos barros), en el que ciertos procesos microbiológicos ocurren en un reactor y otros ocurren separadamente en un segundo reactor, lo que permite establecer las condiciones ambientales más favorables para el crecimiento de los microorganismos autótrofos, heterótrofos y acumuladores de fósforo que promueven las distintas etapas de conversión. La eliminación biológica simultánea de nitrógeno y fósforo se consigue a través de una secuencia de etapas anaeróbicas, aeróbicas y anóxicas, cuyas duraciones y otras variables, como la edad del lodo, el tiempo total del ciclo y la velocidad de aireación, son críticas para alcanzar los objetivos de tratamiento. La estequiometría y la cinética de reacción de los procesos microbiológicos de barros activados considerados para la eliminación de C y N se describen mediante el Activated Sludge Model N° 3 (ASM3) de IWA, y las correspondientes a la eliminación de P mediante el Bio-P module de EAWAG. Partiendo de los principios de conservación y dadas la naturaleza del proceso investigado y las hipótesis de modelado consideradas, el modelo de sistema SBR que resulta naturalmente consiste en un conjunto de ecuaciones diferenciales ordinarias en el tiempo mezcladas con ecuaciones algebraicas (sistema DAE). Se presentan y discuten los resultados de la simulación dinámica del sistema SBR convencional y del sistema SBR con nitrificación externa. Para estos estudios, los modelos dinámicos de ambos procesos SBR se implementaron en el entorno de lenguaje de alto nivel gPROMS/ModelBuider de Process Systems Enterprise, resolviéndose con el código DASOLV, que se basa en la fórmula de diferenciación hacia atrás (BDF) con orden y paso de integración variables. Se presentan y discuten los resultados de la optimización del sistema SBR convencional. Para este estudio, se discretizó el modelo dinámico diferencial algebraico de cada etapa del proceso SBR mediante el método de colocación ortogonal sobre elementos finitos (OCFEM), para su incorporación a problemas de optimización que consisten íntegramente en sistemas algebraicos; es decir, en modelos de programación matemática del tipo no lineal (NLP). De esta manera, se recurre a un enfoque algebraico para resolver problemas diferenciales. Los problemas NLP resultantes se implementaron en el entorno de modelado y optimización GAMS (General Algebraic Modelling System) y se resolvieron con el algoritmo de búsqueda local CONOPT3, que se basa en el método del gradiente reducido generalizado (GRG). Se presentan problemas de optimización simple objetivo (SOO) en los que la función objetivo utilizada es la minimización del tiempo de ciclo, la minimización del tiempo de retención hidráulica y la minimización del costo total anual de tratamiento, para distintos escenarios. En cada caso, se obtiene como parte del resultado el dimensionamiento óptimo del reactor y la condición óptima de operación.Item Desarrollo de sistemas catalíticos para la obtención de bioproductos químicos de fuentes renovables(2020) Mayer, Sergio Federico; Falcón, Horacio; Alonso, José AntonioEn el presente Trabajo de Tesis se propone la optimización de sistemas de reacción y el diseño de materiales catalíticos para la obtención de productos químicos de valor agregado a partir de materias primas de origen renovable; más específicamente, en la obtención de 5‑hidroximetilfurfural a partir de fructosa mediante catálisis ácida heterogénea. En «Introducción» se elabora un marco teórico y un estado del arte para contextualizar la labor aquí desarrollada, donde se exponen los avances más significativos en la materia, además de definir ciertos conceptos clave para una comprensión más cabal del contenido. En «Justificación y Objetivos» se manifiesta de manera sintética la motivación de este Trabajo de Tesis, y se proponen sus objetivos generales y específicos. En el capítulo «Métodos experimentales» se describen los equipos e implementos utilizados para los diferentes estudios catalíticos, y se definen las técnicas instrumentales de caracterización, y los métodos empleados en las síntesis realizadas. Los capítulos «Síntesis y Caracterización de Materiales» y «Reacciones Catalíticas» mencionan los antecedentes más notables en materia de síntesis de materiales y estudios catalíticos, respectivamente, y detallan las tareas llevadas a cabo en el curso de esta investigación, junto con los resultados a los que se ha arribado, con su discusión y conclusiones independientes. Finalmente, un capítulo de «Conclusiones Generales» resume sintéticamente los resultados más significativos de este Trabajo de Tesis. La unidad «Referencias» reúne toda la bibliografía citada en este documento, en orden alfabético. En el último capítulo, «Apéndice», se expone la producción científica generada a partir de esta investigación, y finaliza con los estudios que podrían llevarse a cabo a futuro para culminar las labores aquí desempeñadas.Item Evaluación de la biorremediación de efluentes industriales/municipales con consorcios de microalgas-bacterias promotoras del crecimiento, aprovechando la biomasa generada para producir compuestos orgánicos de alto valor agregado(2020) Cuello, María Carolina; Chamorro, Ester R.; Moheimani, Navid R.Hoy en día, nos enfrentamos ya a una importante escasez de agua dulce, lo que amenaza la sostenibilidad del desarrollo humano, las estimaciones indican que la demanda mundial de agua dulce aumentará en un 55% para 2050, principalmente debido a la creciente demanda en las actividades de manufactura (400%), la generación de electricidad térmica (140%) y el uso doméstico (130%) (FAO 2012). Por otra parte, la gran cantidad de líquidos residuales de origen agrícola-ganadero y las aguas residuales de ciudades en crecimiento, están contaminando los cursos de agua más rápidamente de lo que la naturaleza puede remediarlas (Abdel-Raouf, Al- Homaidan et al. 2012). Las microalgas, microorganismos unicelulares, fotosintéticos, eucarióticos y procarióticos, que pueden crecer en una amplia variedad de condiciones, tienen mayor eficiencia que las plantas terrestres para la captación de dióxido de carbono y el aprovechamiento de la luz solar, por lo que tienen una mayor productividad en términos de biomasa y metabolitos y, además pueden metabolizar eficientemente los nutrientes de varias corrientes de efluentes (aguas residuales municipales, agrícolas e industriales) y producir numerosos compuestos valiosos como proteínas, carbohidratos y lípidos. En este trabajo se evaluó la viabilidad del cultivo de las microalgas Scenedesmus dimorphus y Chlorella pyrenoidosa, solas y consociadas con la bacteria promotora del crecimiento de plantas Azospirillum brasilense, en mezclas de Suero Ácido de Queso y Purín Vacuno y, la proporción de estas dos corrientes de aguas residuales en las que simultáneamente se logran las mejores tasas de remoción de nutrientes y la mayor producción de bioproductos (biomasa, metabolitos de interés comercial) en cultivos abiertos al exterior. En primer lugar, se realizó la selección o screening en condiciones controladas de laboratorio para seleccionar las condiciones más convenientes para el crecimiento de las microalgas Scenedesmus dimorphus y Chlorella pyrenoidosa, en Purín Vacuno y Suero Ácido de Queso. Luego se evaluó la capacidad de remoción de nutrientes por parte del cultivo de las microalgas en consorcio con la bacteria promotora del crecimiento Azospirillum brasilense, la productividad volumétrica de biomasa algal y la composición bioquímica de dicha biomasa (es decir, el contenido de carbohidratos, lípidos y proteínas) para los cultivos. vi Finalmente se estudió el co-cultivo en modo semicontinuo, en estanques abiertos al exterior, en las condiciones optimizadas. Se encontró que las microalgas fotoautotróficas Scenedesmus dimorphus y Chlorella pyrenoidosa se adaptan y crecen en los efluentes de la industria láctea, a saber, Purín Vacuno y Suero Ácido de Queso. La opacidad del Purín Vacuno, su alto contenido en nitrógeno amoniacal, el alto contenido de sólidos suspendidos totales, así como el bajo pH del Suero Ácido de Queso y el rápido descenso del mismo por acción de las bacterias lácticas cuando el efluente no es esterilizado ni diluido, y su bajo contenido de nitrógeno en relación al fósforo (Relación N:P 1,8:1) en comparación con la proporción óptima para el crecimiento microalgal (Relación óptima N:P 16:1) (Redfield 1958), son los principales factores que retrasan el crecimiento de Scenedesmus dimorphus y Chlorella pyrenoidosa en los mismos. El resultado óptimo de crecimiento microalgal y depuración simultáneas, se alcanzó en mezclas de 50% Purín Vacuno y 50% Suero Ácido de Queso (v/v). Los consorcios Scenedesmus dimorphus-Azospirillum brasilense y Chlorella pyrenoidosa-Azospirillum brasilense fueron estudiados por primera vez consociados de manera programada sin estar co-inmovilizados en microcápsulas de alginato, en este estudio. Los resultados indican que el consorcio Chlorella pyrenoidosa- Azospirillum brasilense, es de beneficio para el crecimiento de la microalga, sobre todo en condiciones adversas al exterior. Esto no ocurre para Scenedesmus dimorphus en consorcio con la misma bacteria. Además, esta microalga mostró una escasa tolerancia a bajos pH y altas temperaturas y, sobre todo, inhabilidad para competir con Chlorella pyrenoidosa en las condiciones cambiantes de los cultivos al exterior. En resumen, este estudio muestra que es posible cultivar Chlorella pyrenoidosa exitosamente y ésta, consociada con una bacteria promotora de crecimiento o sin ella, es capaz de crecer en efluentes de la industria láctea, tales como el Purín Vacuno y el Suero Ácido de Queso, sin esterilizar, ni diluir, ni agregar nutrientes, lo que además de remover contaminantes de los mismos, disminuye la huella hídrica, de carbono y energética, de un cultivo tradicional de microalgas. Además, los extractivos lipídicos de la biomasa algal obtenida, contienen biomoléculas de alto valor agregado que justifican su aislamiento de la biomasa algal tanto o más que las grasas y aceites a los cuales acompañan.Item Barreras reactivas permeables como reactores químicos para remediación de aguas subterráneas impactadas con BTEX y MTBE(2020) Pepino Minetti, Roberto; Britch, Javier; Macaño, HéctorEste trabajo de tesis presenta un estudio sobre la aplicación de una cupla de oxidantes químicos integrados con otros materiales de manera tal de poder ser aplicado como relleno de barreras reactivas permeables. Dicho sistema ha sido desarrollado para el tratamiento de aguas subterráneas impactadas principalmente con compuestos orgánicos provenientes de derrames de naftas. Uno de los oxidantes, el ferrato de potasio, es un oxidante químico novedoso, por dicho motivo se sintetizó en laboratorio a través de diferentes vías: húmeda, seca y electroquímica. Posteriormente, se estudiaron las propiedades de interés más importantes del ferrato de potasio como ser: su estabilidad en el medio acuoso, su capacidad para degradar BTEX y MtBE disueltos en agua y el efecto de la variación del pH del medio. A continuación, se estudió el comportamiento conjunto del ferrato de potasio y del persulfato de sodio, siendo el persulfato el último compuesto químico en ser empleado en remediación de agua subterránea por oxidación química in situ en la actualidad. Se desarrolló luego un pellet constituido por carbón activado, ligante cementicio, caolín y ambos oxidantes. Dicho pellet fue ensayado como relleno de barreras reactivas permeables considerando sus propiedades estructurales, su capacidad de adsorción y degradación de BTEX y MtBE. Para finalizar, se identificaron las principales características hidrogeológicas a considerar en el diseño de una barrera, que sumadas al desarrollo matemático de los principales fenómenos fisicoquímicos que suceden dentro de la misma, permitieron plantear un procedimiento de diseño de barreras reactivas permeables como si se tratase de un reactor químico.