Maestría en Ingeniería Química

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Gasificación de residuos plásticos provenientes del AMB para la producción de energía eléctrica: un estudio de simulación a escala piloto
(Universidad Industrial de Santander, 2025-05-20) Carreño Villarreal, Lynda Valentina; Morales Medina, Giovanni; Oviedo Ocaña, Édgar Ricardo; Escalante Hernández, Humberto
Con la finalidad de aprovechar una fracción de los Residuos plásticos generados en el área metropolitana de Bucaramanga (AMB), se propone un modelo de simulación a escala piloto para la gasificación de plásticos compuestos que se reportan el Planes de gestión integral de residuos sólidos de Bucaramanga principalmente constituido por: propileno de bajo densidad (LDPE), con un 38,59% del total, PET (15,79%), poliestireno (PS) con un 16,69%, polietileno de alta densidad (HDPE) 10,89%. El PP Polipropileno 4,59%. Logrando un rendimiento del 68 respecto a los residuos, generando 23,7 kg/h de gas de síntesis, con una diferencia del 8.4% y 2.4% respectivamente comparado con datos experimentales. Integrando un ciclo Rankine se evaluó la proyección de producción eléctrica la cual fue de 570 kW. Logrando abastecer aproximadamente a 380 hogares de la región. Con emisiones anuales cercanas a 264 toneladas de CO₂ equivalente. Así mismo, re realizó un análisis de sensibilidad revelando que el aire como agente gasificante, a una temperatura óptima de 1073 K y una relación aire/residuo de 1,4, maximiza la producción de energía, alcanzando hasta 1000 kW. Se estima que esta tecnología tendría unos costos de inversión de 3,04 millones de USD para los Capex, donde el gasificador representa el mayor costo (54,6%), 742 mil USD para los costos operativos anuales y el costo de manufactura (COM) totalizó 2,07 millones USD. A pesar de estos costos, el análisis financiero con una TIR del 10% arrojó un VPN negativo de -0,75 millones USD, indicando necesidad de ajustes para viabilidad económica. Finalmente se propone un mapa de ruta tecnológica con implementación progresiva hasta 2050, basada en viabilidad técnica, económica y ambiental, promoviendo la valorización y gestión responsable de residuos plásticos.
Evaluación de la bioaccesibilidad in vitro y aceptabilidad sensorial de harinas a base de papa fortificadas con hierro hemo microencapsulado
(Universidad Industrial de Santander, 2025-05-18) Páez Madariaga, Oliva Yineth; Sánchez Torres, Viviana; López Giraldo, Luis Javier; Nabarlatz, Débora Alcida; Cuarán, Viviana Lucía
La fortificación de alimentos con hierro es una estrategia para reducir la deficiencia de hierro en niños. Generalmente, se utiliza como fuente de hierro sulfato ferroso, el cual corresponde a la categoría de hierro no hemo. En esta investigación se desarrolló una harina de papa fortificada con hierro hemo proveniente de sangre de bovino. La población objetivo de este estudio son los niños menores de 5 años pertenecientes a los municipios de Saboyá y Siachoque. A través de encuestas, los padres de familia manifestaron interés en una harina a base de papa para preparar coladas y galletas con ellas. Se evaluó el efecto de la cáscara y el pretratamiento de escaldado con y sin adición de ácidos, en las características fisicoquímicas, funcionales y sensoriales de la harina de papa; como resultado se obtuvo que la presencia de cáscara incrementó un 20,6% la capacidad de absorción de agua. El escaldado con ácidos disminuyó en el contenido de zinc y potasio en un 40,7%, 76,8%, respectivamente, en la harina sin cáscara escalda con ácidos. La presencia de cáscara y ácidos no presentó diferencia significativa en el análisis sensorial. Para la fortificación de la harina se obtuvo hierro hemo con y sin encapsulamiento y se cubrió el 20% del valor diario recomendado. Posteriormente, se elaboraron coladas y galletas con el fin de evaluar la bioaccesibilidad in vitro del hierro. Como resultado se obtuvo que la encapsulación no presentó diferencia significativa en la bioaccesibilidad de las galletas fortificadas y en las coladas encapsuladas presentó una mayor bioaccesibilidad en comparación con la colada fortificada sin encapsular. En cuanto a la evaluación sensorial, las coladas obtuvieron una mejor aceptación que las galletas.
Evaluación experimental de formulaciones a base de surfactantes para la recuperación de un crudo pesado colombiano
(Universidad Industrial de Santander, 2025-05-26) Lozada Campo, Ana María; Mercado Ojeda, Ronald Alfonso; Rondón Antón, Miguel; Avendaño Benavides, Jorge Antonio; Pedraza Avella, Julio Andrés
La combinación de surfactantes puede contribuir a la reducción de la tensión interfacial, inducir a un cambio en la mojabilidad e incrementar el factor de recuperación de petróleo pesado, siempre que exista una interacción sinérgica entre sus moléculas. En particular, cuando se combinan surfactantes aniónicos y no iónicos, una ventaja adicional es la estabilidad ante cambios en las condiciones fisicoquímicas, como la temperatura y la salinidad. El objetivo de este estudio fue desarrollar formulaciones de mezclas binarias de surfactantes para evaluar su eficiencia en procesos de inyección cíclica. En primera instancia se llevó a cabo la evaluación de 24 surfactantes, clasificados en tres categorías: aniónicos, no iónicos y anfótero, a través de tensiometría interfacial. La fase acuosa se preparó disolviendo los surfactantes en salmuera sintética con una salinidad de 1039 ppm, mientras que la fase oleosa consistió en un crudo pesado con una gravedad API de 12. Posteriormente, se establecieron mezclas binarias con la finalidad de obtener sistemas con TIF<0,1 mN/m . Adicionalmente, se llevaron a cabo pruebas de adsorción estática, ángulo de contacto e imbibición espontánea en celdas de Amott para evaluar el comportamiento sólido/fluido de estas formulaciones. Los resultados mostraron que cuatro formulaciones basadas en mezclas de surfactantes aniónicos/no iónicos, con variación en su proporción volumétrica, lograron disminuir la tensión interfacial hasta dos órdenes de magnitud. Las mediciones del ángulo de contacto indicaron que la adsorción de surfactantes mejora la hidrofilización de la superficie sólida al emplear todas las formulaciones. Además, las pruebas de imbibición espontánea revelaron que el rendimiento de recuperación de crudo pesado mejora a medida que aumenta el contenido de surfactantes aniónicos. Finalmente, las pruebas de desplazamiento en modalidad cíclica revelaron que las formulaciones evaluadas permitieron obtener un factor incremental de petróleo del 11%, lo cual sugiere que esta tecnología, a escala industrial, podría mejorar la eficiencia en la extracción de crudo pesado.
Síntesis verde de nanopartículas de cobre y/o plata y su evaluación como agente biocida para el control de las bacterias patógenas Escherichia coli (ATCC® 25922)
(Universidad Industrial de Santander, 2025-05-26) Guerrero Rodríguez, Julián Mauricio; Nabarlatz, Debora Alcida; Sánchez Torres, Viviana; Viejo Abrante, Fernando
Este estudio evaluó el uso de extractos acuosos de residuos agroindustriales como agentes reductores y estabilizantes en la síntesis verde nanopartículas metálicas (CuNps, AgNps y CuAgNps) como alternativa para el control de la bacteria patógena Escherichia coli ATCC® 25922. La investigación se desarrolló en tres etapas: (i) selección de residuos agroindustriales y obtención de extractos mediante maceración y Soxhlet, optimizadas a través de diseño de experimentos para maximizar la capacidad de reducción del ion Cu+2; (ii) síntesis y caracterización de nanopartículas, aplicando diseño experimental para optimizar variables criticas (pH, concentración de extracto y sal metálica, tiempo de reacción), evaluando sus propiedades fisicoquímicas por espectrofotometría Uv-Vis, DLS, y SEM-EDX; y (iii) evaluación de su actividad antibacteriana in vitro, determinando la concentración mínima inhibitoria por microdilución en caldo. El extracto de semilla de mora (SM), obtenido por maceración acida presentó la mayor capacidad reductora. A partir de este extracto se sintetizaron las nanopartículas bajo condiciones optimizadas (10 mM de sal metálica, 75% v/v de extracto, pH 12 y 120 min de reacción). Las AgNps mostraron tamaños promedio de 113,17 ± 1,71 nm, morfología ligeramente esférica y mayor contenido metálico (15,82%), a diferencia de las CuNPs y CuAgNPs, que fueron más grandes y con menor proporción metálica. Las pruebas antimicrobianas revelaron que únicamente las AgNps evidenciaron actividad al inhibir parcialmente el crecimiento de E. coli ATCC® 25922 durante las primeras 4 horas de incubación, mientras que las CuNps y CuAgNps no mostraron actividad significativa, atribuida a su baja concentración, mayor tamaño y composición metálica limitada. Estos hallazgos evidencian el potencial de los extractos derivados de residuos agroindustriales en la síntesis sostenible de nanopartículas y resaltan los desafíos asociados a la optimización de sus propiedades fisicoquímicas para mejorar su eficiencia biocida y aplicación antimicrobiana frente a microrganismos patógenos.
Efecto de la modificación superficial de ilmenita natural (FeTiO3) con heteropoliácidos en la remoción fotoactivada de arsénico
(Universidad Industrial de Santander, 2025-05-07) Córdoba Miranda, Stefanny; Pedraza Avella, Julio Andrés; Cañas Martínez, Diana Marcela; Vásquez Samperio, Juvencio; Viejo Abrante, Fernando; Córdoba Tuta, Elcy María
Ilmenita natural (FeTiO3) fue modificada superficialmente con ácido fosfotúngstico “PTA” (H3PW12O40) con el objetivo de disminuir la tasa de recombinación de los pares electrón/hueco y potenciar su desempeño fotocatalítico en la oxidación de As(III) a As(V). La modificación se realizó mediante un proceso físico de impregnación húmeda variando la relación PTA/FeTiO3 adicionado (0,2, 0,3 y 0,4 g PTA/ g FeTiO3) y la relación volumétrica etanol:agua del medio de impregnación (R.V. 2:1, 1:1 y 1:2). El porcentaje de heteropoliácido impregnado en la superficie de la ilmenita fue medido indirectamente a través de la medición de W por espectroscopía de absorción atómica (AAS) y se observó una relación directamente proporcional entre la cantidad de PTA impregnado y el volumen de agua en el medio. Los materiales obtenidos fueron analizados mediante UV-Vis DRS para determinar su ancho de banda prohibida (Eg) y gráficas Mott-Schottky para calcular la densidad de portadores de carga y la posición del potencial de banda plana. La construcción del diagrama de bandas permitió observar que el Eg de los materiales aumentó en una proporción de 0,04 eV y que este cambio se debió principalmente al desplazamiento de la banda de valencia a valores más positivos de potencial debido a la impregnación con aniones fosfotúngstico. Experimentos de potencial de circuito abierto (OCP) en luz y oscuridad demostraron que los materiales son semiconductores tipo n y que, una vez detenida la iluminación, los materiales se mantienen reducidos. Así mismo, en las pruebas de fotocorriente realizadas se observó que los materiales modificados exhibieron un mayor flujo de electrones fotogenerados y que la estabilidad de estos e- se mantuvo en el tiempo. Las pruebas fotoelectroquímicas aplicadas mostraron que el PTA actúa como sitios de almacenamiento de electrones, lo que se vio reflejado en una disminución en la foto-respuesta de la ilmenita ante la incidencia de luz visible, así como una separación más eficiente de los pares electrón/hueco. Esta mejora electroquímica se manifiesta en el aumento de la eficiencia fotocatalítica de los materiales modificados en la foto-oxidación de As(III) a As(V), los cuales exhibieron una eficiencia de oxidación mayor al 58,3%. Finalmente, se estudió el mecanismo de oxidación y la función del PTA como aceptor de electrones, y su influencia en el aumento del poder oxidante de los materiales modificados.
Síntesis de un polímero tipo poliglicerol-éster y evaluación de su efecto en la modificación de mezclas asfálticas
(Universidad Industrial de Santander, 2025-05-26) Hernández Garcés, Jorge Eliécer; Ramírez Caballero, Gustavo Emilio; López Contreras, Yuly Fernanda; Blanco Acuña, Edgard Fabián; Mercado Ojeda, Ronald Alfonso; Ardila Suárez, Carolina
El cemento asfáltico modificado con polímeros para la fabricación de mezclas asfálticas es una práctica reconocida y regulada por el Instituto Nacional de Vías – INVIAS. Este tipo de modificaciones representan una solución para mejorar el desempeño de los pavimentos en diversas condiciones. Ante la necesidad de adaptar los materiales a las condiciones particulares de cada proyecto, especialmente en un contexto como el colombiano con una oferta limitada de asfaltos, la implementación de asfaltos modificado con polímeros se presenta como una alternativa técnica y económicamente atractiva. El objetivo de esta investigación fue sintetizar y caracterizar un nuevo polímero tipo poliglicerol-éster y evaluar su efecto en la modificación de mezclas asfálticas. Para ello, se realizó la síntesis de un aditivo polimérico mediante un proceso de polimerización por etapas del glicerol, seguido de su funcionalización con un aminoácido metilado. La síntesis se llegó a cabo en un reactor bajo condiciones de calentamiento convencional, y se desarrolló una metodología estandarizada para la metilación de grupos funcionales amino y su posterior mezcla con el poliglicerol. Posteriormente, se compararon las propiedades de las mezclas asfálticas aditivadas y sin aditivar con un asfalto convencional 60/70 bajo los lineamientos y del Capítulo 4 Art. 414-22 (INVIAS, 2022). La penetración aumentó un 32%, la temperatura de punto de ablandamiento disminuyó 10%, el índice de penetración disminuyó entre -0,24 a -0,80; la ductilidad a 25 °C fue superior a 150 cm; la recuperación elástica por tensión aumentó un 42%; Las curvas de viscosidad dinámica en función de la temperatura, permitieron determinar las temperaturas mezcla y compactación, encontrándose entre 151 °C y 156 °C para la mezcla, y entre 137 °C y 143 °C para la compactación. Finalmente, los resultados obtenidos permiten concluir que el polímero sintetizado mejora las propiedades reológicas evaluadas de las mezclas asfálticas.
Obtención de nanozeolitas por molienda de alta energía para su evaluación en la producción de biomasa y absorción de nitrógeno en cultivos de Ray grass
(Universidad Industrial de Santander, 2025-05-15) Amorocho Cubides, Karen Viviana; Botero Londoño, Mónica Andrea; Botero Londoño, Julián Mauricio; Sánchez Torres, Viviana; Rodríguez López, Nelson Facundo
En un panorama global donde garantizar la seguridad alimentaria y la sostenibilidad agrícola se ha convertido en una necesidad apremiante, este estudio se centra en la fabricación y aplicación de nanozeolitas como una solución innovadora para optimizar el uso de fertilizantes en cultivos de Ray grass (Lolium spp.). A través de un proceso de molienda de alta energía, se sintetizaron nanozeolitas con un tamaño de partícula notablemente reducido, lo que mejora su capacidad para absorber y liberar nutrientes de manera controlada y eficiente. Estas nanozeolitas fueron sometidas a un análisis detallado utilizando una variedad de técnicas avanzadas: la Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) mostró mejoras en la morfología de las partículas, la Difracción de Rayos X (XRD) evidenció una disminución en el tamaño del cristalito, y la Espectroscopía Fotoelectrónica de Rayos X (XPS) confirmó la estabilidad química del material. Además, la Dispersión de Luz Dinámica (DLS) permitió evaluar el comportamiento de las partículas en suspensión acuosa, mientras que la Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) proporcionó información adicional sobre la topografía y el tamaño de las partículas. Finalmente, la Fisisorción de Nitrógeno (BET) se empleó para analizar propiedades texturales, como el área superficial específica, lo que es fundamental para comprender la eficacia de las nanozeolitas en aplicaciones agrícolas. En los ensayos de invernadero, la aplicación de estas nanozeolitas resultó en un incremento del 41,1% en la producción de biomasa fresca y una mejora del 47,16% en la eficiencia de recuperación de nitrógeno, en comparación con el uso de fertilizantes convencionales. Estos hallazgos sugieren que las nanozeolitas, especialmente las obtenidas mediante molienda en húmedo, tienen un gran potencial para transformar las prácticas de fertilización, ofreciendo una alternativa más eficiente y sostenible para la agricultura de precisión. Esta investigación subraya la importancia de las nanozeolitas como una herramienta prometedora para enfrentar los desafíos actuales en la producción agrícola, al promover un uso más eficiente de los recursos y reducir el impacto ambiental asociado a la fertilización tradicional.
Evaluación de catalizadores para la reacción de desulfuración oxidativa en fase gaseosa de aceites pirolíticos obtenidos a partir de caucho de llantas
(Universidad Industrial de Santander, 2025-05-21) Sandoval Quiñónez, Karol Vanessa; Escalante Hernández, Humberto; Tavera Ruiz, Claudia Patricia; Maradei García, María Paola; Ramírez Caballero, Gustavo Emilio; Ballesteros Rueda, Luz Marina
El aceite obtenido de la pirólisis del caucho de llantas usadas (APCL) tiene potencial como combustible, pero su alto contenido de azufre limita su uso. El presente estudio se centra en la desulfuración oxidativa (ODS) en fase gaseosa del APCL, ya que tiene una mejor viabilidad técnica a nivel industrial en comparación con a la ODS en fase líquida y no ha sido estudiada para este tipo de aceites. Se evaluaron tres catalizadores: dos heteropoliácidos (H3PMo12O40 y H4PMo11VO40) soportados en la sílica comercial Q-10 y el óxido mixto CuO/ZnO/Al2O3. El H3PMo12O40/Q-10 (HPMo/Q-10) y H4PMo11VO40/Q-10 (HPMo/Q-10) fueron sintetizados y caracterizados en estudios previos. El CuO/ZnO/Al2O3 fue sintetizado por coprecipitación de los respectivos nitratos y fue caracterizado por diferentes técnicas fisicoquímicas. Las propiedades catalíticas de los catalizadores fueron evaluadas en la ODS de mezclas modelo de los APCL representadas por dibenzotiofeno (DBT) en tolueno y del benzotiazol (BTZ) en tolueno, ambas con un contenido de azufre de 0.08 %p. El proceso se llevó a cabo en el reactor de lecho fijo de una unidad piloto de pirólisis a 350 °C, 1.5 bar y empleando aire como agente oxidante. Se lograron conversiones del DBT similares para los tres catalizadores (39.6 – 41.7 %) siguiendo el orden HPMoV/Q-10 > HPMo/Q-10 > CuO/ZnO/Al2O3. Las conversiones del BTZ fueron diferentes entre los catalizadores y siguieron un orden opuesto al de las conversiones del DBT. Es probable que la presencia de sitios ácidos de Brønsted haya afectado negativamente la conversión del BTZ. En este caso, la conversión más alta fue del 19.3 % con el CuO/ZnO/Al2O3. La validación de estos resultados en el proceso real de pirólisis se llevó a cabo con los catalizadores HPMo/Q-10 y CuO/ZnO/Al2O3, logrando una remoción de azufre del 35.3 y 35.6 %, respectivamente. La diferencia en morfología y tipos de sitios ácidos no afectaron la actividad catalítica.
Análisis técnico-económico y ambiental para la producción de e-Fuels a partir de CO2 e hidrógeno verde
(Universidad Industrial de Santander, 2025-05-07) Díaz Rodríguez, Gineth Tatiana; Sánchez Torres, Viviana; Rodríguez Vallejo, Daniel; Uribe Rodríguez, Ariel; Escalante Hernández, Humberto; García Navas, Dubán Fabián
Los combustibles sintéticos son productos energéticos líquidos que se generan a partir de la captura de dióxido de carbono (CO2) y la producción de hidrógeno verde mediante electrólisis del agua utilizando energía renovable. Estos combustibles pueden ser utilizados en motores de combustión interna convencionales, lo que los convierte en una opción atractiva para descarbonizar sectores difíciles de electrificar, como la aviación, el transporte marítimo y el transporte de larga distancia por carretera, contribuyendo a reducir las emisiones globales de CO2. Esta investigación se centra en realizar un estudio de prefactibilidad técnico-económica y ambiental sobre el proceso de producción de e-Fuels basada en simulación utilizando como herramienta Aspen Plus® donde se obtuvo como producto e-diesel, e-gasolina y e-jet-A1 con una capacidad proyectada de 440 toneladas métricas por día (TM/día) de combustible. La ruta de obtención es la síntesis de Fischer-Tropsch (FT), contando con tres etapas principales que parten de la generación de gas de síntesis mediante una reacción de desplazamiento gas-agua (RWGS). Así mismo, se integra un modelo de recuperación de CO2 no convertido mediante absorción usando como solvente Dimetil Éter de Polietilenglicol (DEPG). Seguidamente, con la síntesis de FT se genera un producto intermedio con cadenas en un rango de C1 a C23, principalmente para la formación de n-parafinas. Finalmente, la separación o mejora de los productos deseados incluye un reactor de hidro-craqueo que transforma hidrocarburos líquidos con una longitud de cadena largas (ceras) en hidrocarburos de cadenas en el rango de C5-C20, los cuales pasan a un tren de destilado para obtener los combustibles sintéticos deseados.
Efecto de la molienda de alta energía en medio ácido sobre la actividad fotocatalítica de concentrados de ilmenita en la degradación de cianuro
(Universidad Industrial de Santander, 2025-05-19) García Manzano, Tania Isabel; Pedraza Avella, Julio Andrés; Henao Martínez, José Antonio; Cañas Martínez, Diana Marcela; Ballesteros Rueda, Luz Marina; Valencia Sánchez, Hoover Albeiro
Concentrados de arenas negras ricos en ilmenita provenientes de Barbacoas, Nariño se trataron mediante de molienda de alta energía en presencia de soluciones ácidas, con el fin de obtener un aumento en el área superficial que permitiera mejorar la actividad fotocatalítica de este fotocatalizador natural, para su aprovechamiento en la degradación de cianuro. La molienda de alta energía en presencia de ácido acético produjo una disminución significativa en el tamo de partícula, lo que se reflejó en un incremento de 35,24 𝑚2/𝑔 del área superficial de los concentrados. Los efectos observados estuvieron determinados por las condiciones de molienda: una concentración del 3% p/v, a 650 rpm, con una relación (BRP) de 20:1, durante 120 minutos, utilizando esferas de 4 mm de diámetro. promovió modificaciones estructurales y composicionales, incluyendo la disminución en la cristalinidad y la aparición de fases de la forma FexTiyO4. Además, el medio ácido favoreció la disolución parcial de fases acompañantes y un posible enriquecimiento de titanio en la superficie. Los materiales tratados mostraron una mayor eficiencia fotocatalítica, atribuida a la mayor área superficial y reducción del tamaño de partícula. Estos factores favorecieron una mayor absorción de luz UV y visible. Asimismo, los cambios microestructurales y composicionales facilitaron la interacción del fotocatalizador con el cianuro, destacando el potencial del tratamiento mecanoquímico en medio ácido como estrategia para mejorar el rendimiento en la degradación de cianuro. Puesto que se alcanzó un máximo de degradación de cianuro con la muestra con mayor área superficial y las muestras presentaron porcentajes de degradación muy cercanos tanto radiación visible y UV.
Ignición asistida de un proceso de combustión in situ con partículas de óxidos de metales de transición
(Universidad Industrial de Santander, 2025-02-18) Akimushkina Valencia, Lucía; Kafarov, Viatcheslav Victorovich; Bottía Ramírez, Hernando; Pedraza Avella, Julio Andrés; León Bermudez, Adán Yovani
The growing global energy demand has shifted attention toward unconventional oils due to their abundance. In reservoirs containing extra-heavy crude oil at significant depths, in-situ combustion (ISC) is often the only feasible recovery method. This method consists in the generation of oxidation reactions between crude oil and an oxidizing agent. The initial stage of the process, known as ignition, requires a sustained temperature increase, driven by the rate of heat generation from oxidation reactions, which must exceed heat losses in the reservoir. The rate of heat generation can be enhanced with the use of transition metals oxides as catalysts for the oxidation reactions. Three transition metal oxides (MnO2, MoO3 and Fe3O4) were synthesized at different temperatures to obtain different particle sizes. Size and morphology were determined by SEM, TEM, and adsorption isotherms. The performance of the synthesized oxides was evaluated on the oxidation reactions of an extra heavy oil. Kinetic parameters were estimated using the isoconversional method. The obtained activation energy of the catalyst with the best performance was used in a developed numerical model to evaluate the ignition stage in terms of temperature and oxygen profiles as functions of distance and time. The addition of metal oxides altered the oxygen consumption as well as the oxidation products, specifically increased the CO₂/CO molar ratio across all systems. A correlation was observed between particle size and the obtained activation energies with smaller particles leading to lower activation energies compared to larger ones for the Iron and Manganese catalysts. The most favorable kinetic changes were observed with molybdenum oxide in the size of 4.61 ± 1.72 um. The catalyst reduced the activation energy during the low temperature oxidation (LTO) by 9.46% and the high temperature oxidation (HTO) by 13.3% compared to the crude oil alone. The presence of the catalyst significantly enhanced the ignition stage, reducing the time required to achieve the process's auto-sustainability by 25.5%.
Síntesis y caracterización de un aditivo polimérico base glicerol-ácido cítrico y su evaluación en mezclas de materiales cementantes
(Universidad Industrial de Santander, 2025-02-03) Abril Moreno, Lina María; Ramírez Caballero, Gustavo Emilio; Zapata Orduz, Luis Eduardo; Lopéz Contretas, Yuly Fernanda; Díaz Ramírez, German Adolfo
En la construcción, los aditivos químicos son esenciales para modificar las propiedades de los materiales cementantes, permitiendo su adaptación a diversas aplicaciones. Con el creciente enfoque en la sostenibilidad, se busca explorar materias primas alternativas y desarrollar procesos innovadores para reducir los impactos ambientales. El glicerol y el ácido cítrico, subproductos industriales, han demostrado ser útiles en la mejora de estos procesos. Este estudio se centró en la síntesis de tres materiales: un núcleo ramificado (NR) como prepolímero, poliglicerol (PG) como primer aditivo y poliglicerol modificado (PGM) como segundo aditivo, creado al combinar NR y PG. Los materiales fueron caracterizados mediante técnicas térmicas, estructurales y de medición de potencial zeta. En la evaluación de pasta de cemento, se analizaron tiempos de fraguado y calorimetría con distintas dosis de aditivos. En concreto, se probaron concentraciones de polímeros para evaluar asentamiento, contenido de aire, y propiedades reológicas como esfuerzo de fluencia y viscosidad plástica, además de medir resistencia a la compresión a 1, 3, 7 y 28 días. Los resultados mostraron tres materiales con propiedades distintas: uno con estructura entrecruzada, otro con estructura lineal y un tercero con fracciones lineales y ramificadas. En los materiales cementantes, los aditivos PG y PGM actuaron como retardantes, inclusores de aire y plastificantes. Su morfología influye en cómo se distribuyen en la mezcla, ya que pueden formar complejos con los iones de Ca+2 en el entorno alcalino, generando un efecto surfactante que afecta el asentamiento y reduce la viscosidad y esfuerzo de fluencia. Para evitar la pérdida de resistencia, es crucial determinar la dosis adecuada en cada aplicación.
Calidad del digerido obtenido de un proceso de codigestión anaerobia suplementado con biochar a condiciones psicrotróficas
(Universidad Industrial de Santander, 2024-11-11) Muñoz Muñoz, Alexander; Escalante Hernández, Humberto; Castro Molano, Liliana del Pilar; Passos, Fabiana; Oviedo Ocaña, Édgar Ricardo
Este trabajo abordó el efecto de la integración del biochar en la digestión anaerobia psicrotrófica sobre el digerido producido. La investigación se desarrolló en tres etapas: En la primera etapa, se determinó el impacto de la adición de biochar a un biodigestor tubular de laboratorio sobre la tipología del digerido. Los resultados indican que la suplementación del biochar al proceso anaerobio mejora la estabilidad del digerido, reduciendo en un 50% su contenido de materia orgánica de fácil degradación; además de aumentar en un 150% y 30% su contenido de carbono orgánico y de nitrógeno, respectivamente. En la segunda etapa, se evaluó el potencial fertilizante del digerido en un cultivo de lechuga romana. Los rendimientos en biomasa y pigmentos fotosintéticos fueron similares y comparables a los obtenidos usando un fertilizante comercial como la urea. Además, la adición de biochar al biodigestor puede ser una alternativa para reducir la eutrofización en sistemas agrícolas, causada por el uso de los digeridos anaerobios, disminuyendo la lixiviación de amonio y fosfato en un 67% y 50%, respectivamente. Finalmente, en la tercera etapa, se estudió la vermifiltración como postratamiento para un digerido proveniente de un biodigestor a escala doméstica suplementado con biochar y operando bajo condiciones psicrotróficas. La vermifiltración resultó ser eficaz en la reducción de materia orgánica (55-90%) y nitrógeno amoniacal (83-97%), mejorando la calidad del digerido. El vermicompost resultante, con un alto contenido de carbono orgánico (17.2%), podría ser utilizado como fertilizante orgánico sólido. Sin embargo, el efluente del vermifiltro requiere tratamientos adicionales para disminuir su conductividad eléctrica y contenido de nitratos. Este estudio destaca el potencial de la integración del biochar en la digestión anaerobia para mejorar parcialmente las características del digerido y subraya la necesidad de un sistema de tratamiento para su uso sostenible en la agricultura.
Estudio técnico, económico y ambiental de tecnologías emergentes para la producción de hidrógeno verde
(Universidad Industrial de Santander, 2024-11-11) De la ossa Medina, Daniela; Ramírez Caballero, Gustavo Emilio; Uribe Rodríguez, Ariel; Pedraza Avella, Julio Andrés; Kafarov, Viatcheslav Victorovich
Las estrategias power-to-gas juegan un papel clave en la descarbonización ya que permiten un uso más eficiente de los recursos naturales, al almacenar energía de fuentes renovables en combustibles limpios y de alto rendimiento energético como el hidrógeno. Este estudio investiga las tecnologías emergentes en la producción de hidrógeno con bajas emisiones de carbono, enfocándose especialmente en la electrólisis de membrana de intercambio aniónico (AEM), una tecnología con promesa de escalabilidad y potencial para reducir costos de implementación en el futuro. El objetivo principal es explorar las implicaciones técnicas, económicas y ambientales asociadas a la adopción de estos sistemas emergentes, utilizando modelos de simulación que faciliten la prueba de la tecnología y la estimación de indicadores clave de rendimiento. Se lleva a cabo el desarrollo y la validación de la simulación del proceso de producción de hidrógeno por electrólisis AEM, para un sistema de 60 MW capaz de producir 1133 kg H2/h. Utilizando Aspen Custom Modeler (ACM) para simular el sistema de electrólisis, se modela el comportamiento electroquímico y la operación del equipo mediante formulación matemática reportada en literatura para la curva de polarización. Posteriormente, este modelo se vincula al entorno de Aspen Plus para integrar los procesos de separación y reciclo a la unidad de electrólisis. Se llevó a cabo un análisis técnico, económico y ambiental del proceso simulado, contemplando el contexto colombiano y el potencial de reducción de costos de la tecnología para 2025 y 2050, basado en proyecciones literarias. En este análisis se estiman los gastos de capital (CapEx), gastos operacionales (OpEx) y el costo nivelado de hidrógeno (LCOH) para dichos escenarios. Además, se analizó la influencia de la fuente de energía suministrada al proceso, evaluando seis alternativas que abarcan combinaciones de energía de la red, solar, eólica y bioenergía, brindando una perspectiva completa sobre el progreso hacia sistemas energéticos renovables más eficientes.
Desarrollo y validación experimental de un modelo fenomenológico de la transferencia de calor en intercambiadores con materiales de cambio de fase. Caso de estudio la estearina de palma hidrogenada
(Universidad Industrial de Santander, 2024-11-09) Cabrera Ruiz, Nicolás; Kafarov, Viatcheslav Victorovich; Lizcano González, Víctor Alexis; Martínez Rey, Ramiro; García Navas, Dubán Fabián
Este trabajo de investigación presenta el desarrollo y validación experimental de un modelo fenomenológico de la transferencia de calor en intercambiadores de calor con estearina de palma hidrogenada como un nuevo material de cambio de fase (PCM). Este modelo fenomenológico permite estudiar el proceso de fusión de la estearina de palma hidrogenada. Adicionalmente, mediante un análisis adimensional, es posible estudiar el efecto de variables operacionales y parámetros de diseño, y consecuentemente, extrapolarlos en sistemas con dimensiones y volúmenes diferentes. El modelo fenomenológico planteado está basado en el método matemático de las capacidades caloríficas aparentes y presenta errores máximos de alrededor de 8%. El proceso de fusión de la estearina de palma hidrogenada está altamente influenciado por la convección natural mostrando una interfase sólido/líquido ovalada. La energía máxima almacenada al finalizar el proceso de fusión de la estearina de palma hidrogenada es de 303.51 kJ/kg. Además, emplear una configuración de serpentín rectangular causará una alta tasa de fusión en las zonas inferiores del sistema. El análisis adimensional es realizado mediante la variación de los números de Stefan, Reynolds, Rayleigh y Relación de difusividades térmicas. Esto demostró que el número de Reynolds y la Relación de difusividades térmicas no tienen una influencia significativa sobre el tiempo del proceso de fusión del PCM. Sin embargo, el número de Stefan y de Rayleigh causan la mayor influencia sobre el tiempo de fusión del PCM. Adicionalmente, el análisis adimensional permitió desarrollar y expresar una correlación matemática como, γ=10^(-7.54893)*Ste^(-0.99876)*Re^(-0.00098)*Ra^0.77970*φ^0.00325*Fo^0.53233. Además, esta variación adimensional permite recomendar unas mejoras para la transferencia de calor en un equipo a escala planta. Estas recomendaciones consisten en una temperatura de entrada de 95 °C, una velocidad de entrada de 1 l/min y un material de tubería de acero inoxidable con un paso de vuelta corto.
Development of a simulation model for the analysis of decarbonization scenarios applied to an integrated oil and gas supply chain in the Colombian context
(Universidad Industrial de Santander, 2024-10-20) Caicedo Avellaneda, Julián Antonio; Martínez Rey, Ramiro; Uribe Rodríguez, Ariel; Yáñez Angarita, Édgar Eduardo; Ariza León, Emiliano; Montes Páez, Erik Giovany
La planeación energética del sector energético a mediados de siglo se ha enfocado en cumplir con las metas de mitigación y discutir la transición energética desde los combustibles fósiles. Una de las herramientas que han permitido evaluar el impacto de diversas estrategias de descarbonización, como las energías renovables o el hidrógeno, en el sector energético son los modelos de sistemas energéticos. Sin embargo, las aplicaciones de estos modelos incluyen el alcance global, regional o nacional, mientras que la revisión de la literatura no encontró ninguna aplicación para una organización o empresa del sector de petróleo y gas (O&G). Este trabajo propone construir un modelo de sistemas energéticos, específicamente un modelo TIMES, que permita representar las actividades típicas de una empresa conceptual dedicada al sector O&G, de manera que se pueda examinar cómo este tipo de empresas se alinean en la visión energética de un país como Colombia, las implicaciones para el negocio tradicional de hidrocarburos y el papel en la transición energética. El modelo TIMES-O&G fue desarrollado para este propósito y captura aproximadamente el 80% de la producción total de Colombia y el 55% de la producción de las compañías petroleras nacionales (NOC). Se analizaron cuatro escenarios, que corresponden a los planteados en el Plan Nacional de Energía de Colombia, explorando la integración de tecnologías de descarbonización como energías renovables, generación eléctrica a partir de combustibles fósiles con y sin captura de carbono, producción de hidrógeno; también se exploran las implicaciones de la regulación ambiental de manera directa como la tasa de carbono e indirectamente como el cambio en el consumo de combustibles fósiles que es resultado de otras regulaciones. En los escenarios evaluados, la autosuficiencia en materia de petróleo y gas se verá afectada a partir de 2030 para 2030 y 2040, las importaciones de gas natural y petróleo crudo superarán la producción nacional, respectivamente; además, se identifica a las refinerías como el sector primario que debe descarbonizarse en el corto y largo plazo, considerando su importancia en la cadena de valor que representan.
Análisis de alternativas para la descarbonización de procesos de refinación de crudo por medio de programación matemática
(Universidad Industrial de Santander, 2024-09-09) Ballesteros Rodríguez, Clara Cecilia; Nabarlatz, Débora Alcida; Uribe Rodríguez, Ariel; Calderón Vergara, Andrés Joaquín; Morales Medina, Giovanni; Kafarov, Viatcheslav Victorovich
En esta investigación, se abordó el problema de optimización de la planificación de una refinería para evaluar diferentes puntos de inserción de biocombustibles mediante alternativas de coprocesamiento y blending en una refinería convencional. El objetivo de la optimización es seleccionar la alternativa que logre el mayor Valor Presente Neto (VPN), así como evaluar la reducción de CO2 obtenida. El análisis de alternativas de inserción de biocombustibles se formuló como un problema de síntesis de proceso, por el cual se estableció una superestructura que encapsula la planificación de una refinería convencional integrando tres rutas de proceso de coprocesamiento: aceite refinado de palma (AFP) tanto en FCC como en DHT y aceite de girasol (AG) en HC, así como blending de biodiésel con diésel y de bioetanol con gasolina. Se formuló un modelo MINLP para maximizar el VPN de todo el proceso por escenario de evaluación, los cuales se resolvieron exitosamente con GUROBI obteniendo soluciones óptimas. Se evaluaron las tres alternativas de coprocesamiento individualmente y se consideró la combinación de estos escenarios con el fin de evaluar la posibilidad de coprocesamiento en simultáneo. El blending únicamente se evaluó de forma individual. De los ocho escenarios evaluados en este trabajo las vías de inserción de biocombustibles que cumplieron con la demanda de producción fueron el Caso 1: Blending, Caso 2: FCC y Caso 3 DHT. De estas tres alternativas el Caso 1: Blending se destacó como la alternativa óptima, pues es la que desplaza mayor flujo de crudo (22.27 kbpd) con respecto al caso base y la que presenta la mayor disminución de emisiones en comparación con los otros escenarios, con un costo por disminución de 1 kton de CO2 de $0.76 MMUSD/día.
Evaluación de la prefactibilidad técnico-económica y ambiental para la producción de hidrógeno azul mediante procesos de gasificación a partir de biomasa residual
(Universidad Industrial de Santander, 2024-07-29) Carrillo Cárdenas, Emilio José; Kafarov, Viatcheslav Victorovich; Uribe Rodríguez, Ariel; Rodríguez Vallejo, Daniel; Avellaneda Vargas, Fredy Augusto; Mercado Ojeda, Ronald Alfonso
Con el objetivo de mitigar el impacto ambiental derivado de los combustibles fósiles y alcanzar la sostenibilidad energética promoviendo una economía circular, por consiguiente, disminuir emisiones de gases de efecto invernadero, se propone el acoplamiento de un sistema de gasificación de biomasa con captura de CO_2 para producir hidrógeno de bajo carbono como vector de energético. Utilizando Aspen Plus V12.1 para la simulación, el proceso comienza con el pretratamiento de raquis de palma el cual pasa a través de los siguientes procesos: molienda, secado, torrefacción y peletización. Se diseña un gasificador dual de pellets de EFB seguido de un craqueo catalítico del alquitrán y una reacción de reformado con vapor de agua con el objetivo de aumentar la proporción de H_2 a CO en el gas de síntesis. Posteriormente, se estudian dos alternativas de captura (DEPG y MEA) con el objetivo de obtener hidrogeno azul y eliminar el CO_2 de la corriente de gas de síntesis. Finalmente, se modela un sistema de PSA para obtener H_2 con una pureza del 99.9%. La etapa de pretratamiento y densificación la biomasa parte desde una composición inicial C:46.47%,H:6.22%,O 42.25% a (C 54.10,H 6.09,O 28.67). Además, el Poder Calorífico Superior (HHV) del pellet de EFB es de 20.8 MJ/Kg en comparación con 18.5 con la biomasa sin tratar. Utilizamos vapor como agente gasificante y los gasificadores operan a 800°C. El gas de síntesis resultante tiene una concentración porcentual volumétrica de (CO 20.0,CO_2 28.2,H_2 44.2,〖CH〗_4 5.9). Estimamos un costo nivelado del hidrógeno (LCOH) de 3.04 USD/Kg, el costo nivelado de captura de carbono para MEA y DEPG de tal forma que se obtuvo (LCOC) y el CO_2 evitado (LCCA) de 92 USD/t CO_2 y 183 USD/t CO_2 y para MEA y (LCCA) son de 59 USD/t 〖CO〗_2 y 119 USD/t CO2 para DEPG. Al final, estimamos las emisiones de Kg CO_2 por Kg H_2 producido por medio de la metodología del Potencial de Calentamiento Global y comparamos con el reformado de metano de origen fósil con la planta estudiada.
Evaluación de un proceso fed-batch para la producción de ficocianina (c-pc) de grado industrial a partir de biomasa de Potamosiphon sp.
(Universidad Industrial de Santander, 2024-04-17) Contreras Ropero, Jefferson Eduardo; Barajas Ferreira, Crisóstomo; Barajas Solano, Andrés Fernando; González Delgado, Ángel Darío; Avellaneda Vargas, Fredy Augusto
Las cianobacterias de entornos acuáticos termales son una alternativa prometedora para la síntesis de metabolitos industriales, como la ficocianina (C-PC). Este estudio investiga el impacto de condiciones ambientales, como el espectro lumínico (incluyendo Rojo:Azul 3:1), intensidad lumínica (50-200 μmol m-2 s-1), ciclo de luz (5-20 horas) y limitación nutricional (No2, Po4), en la producción de C-PC por Potamosiphon sp. Los resultados destacan la influencia significativa de la longitud de onda, fotoperiodo e intensidad lumínica en la producción de C-PC, con mejores resultados bajo luz roja-azul (3:1), 283 µmol m-2 s-1 y hasta 17.8 horas de fotoperiodo. Se desarrolla un modelo matemático del proceso y se simula una planta de producción de C-PC, considerando aspectos upstream y downstream, junto con la evaluación de costos. Estos hallazgos resaltan la importancia de las condiciones lumínicas para la producción de ficocianinas, subrayando la necesidad de considerarlas para maximizar la producción. La simulación y optimización de procesos emergen como herramientas clave para mejorar la eficiencia y rentabilidad de la producción, con implicaciones para investigaciones futuras.
Evaluación de la influencia ambiental, técnica y económica del uso de biogás como materia prima en los procesos de reformado de metano con vapor y en seco para la producción de hidrógeno
(Universidad Industrial de Santander, 2024-03-01) Rodríguez Cortés, Paula Yulieth; Baldovino Medrano, Víctor Gabriel; Uribe, Ariel; Morales Medina, Giovanni; Karelovic Burotto, Alejandro
En esta investigación, se lleva a cabo un estudio comparativo entre cuatro tecnologías ampliamente empleadas en la producción de hidrógeno mediante el reformado de metano: 1) Reformado de metano con vapor de agua a partir de gas natural (SMR con gas natural) a escala industrial, 2) Reformado de metano con vapor de agua a partir de biogás (SMR con biogás) a escala piloto, 3) Reformado de metano en seco a partir de gas natural (DMR con gas natural) a escala industrial y 4) Reformado de metano en seco a partir de biogás (DMR con biogás) a escala piloto. La comparación se llevó a cabo mediante estudios técnico, económico y ambiental utilizando simulaciones en Aspen Plus y Aspen Energy Analyzer. Los resultados indican que la tecnología SMR con gas natural exhibe una mayor viabilidad técnica, económica y ambiental en comparación con las otras opciones. Además, se implementó una integración energética en esta tecnología, resultando en un diseño óptimo de red de intercambio, y se incorporó una etapa de Captura de Carbono con monoetanolamina (MEA).

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