Doctorado en Ingeniería Química

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Evaluación de nanopartículas de óxido de silicio funcionalizadas con ácido poliacrílico para modificación de la permeabilidad relativa al agua en yacimientos de petróleo
(Universidad Industrial de Santander, 2024-02-27) Cárdenas Montes, José Carlos; Ariza León, Emiliano; Torres, Rodrigo Gonzalo; Brito González, Joaquín Luis; Chaves Guerrero, Arlex; Betancur Márquez, Stefanía; Ramírez Caballero, Gustavo Emilio
El problema de la alta producción de agua en pozos de petróleo es importante debido a la inversión que se debe asociar a costos de levantamiento, separación y tratamiento y por otra parte el impacto ambiental que se genera en el vertimiento a cuerpos de agua naturales afectando los ecosistemas por la cantidad de contaminantes que permite la flexibilidad de la norma de vertimiento. La alternativa más atractiva para atacar este tipo de problemas son los modificadores de permeabilidad relativa que buscan bloquear el paso de agua en el medio poroso de los yacimientos y dejar libre el flujo al petróleo. Sin embargo, la eficiencia de estos tratamientos que se usan polímeros con grupos alquilos desde los años 70, no han tenido el mejor diseño porque tienden en muchas ocasiones a detener el flujo de crudo también. A partir de los conceptos, estado del arte y antecedentes revisados, se infiere que la propuesta debe plantearse como un nuevo desarrollo de materiales que pudieran generar resultados muy atractivos para la disminución de la producción de agua. Inicialmente las nanopartículas de silicio (Sheshdeh, 2015) tienen una aplicación comprobada en yacimientos de petróleo donde se encuentran gargantas del medio poroso de hasta 300 y 600 micras. Por otra parte, los polímeros con grupos funcionales hidrolizables, en este caso el ácido poliacrílico, son ideales para llevar a cabo el propósito de retener agua en el yacimiento y disminuir su movilidad y productividad (Alfarge et al., 2018). Con lo anterior, además de realizar la síntesis de materiales y su caracterización, se debe realizar la evaluación de estos materiales para determinar su capacidad como RPM y bajo cuales condiciones pueden funcionar.
Digestión anaeróbica: alternativa tecnológica para el desarrollo sostenible de la agroindustria panelera
(Universidad Industrial de Santander, 2021) Mendieta Menjura, Oscar Andrés; Escalante Hernández, Humberto; Castro Molano, Liliana del Pilar; Rodríguez Cortina, Jader
La agroindustria panelera se caracteriza por su bajo nivel tecnológico y su estancamiento en procesos artesanales. Por un lado, el proceso de elaboración de panela requiere energía, mientras que, por el otro lado, el cultivo de caña de azúcar demanda fertilizantes, que en la mayoría de los casos deben ser proveídos por diversas fuentes externas. Esto se relaciona con la disminución de los ingresos de los productores y la protección del medio ambiente, que a su vez influye en el desarrollo social. En este sentido, la presente investigación propone contribuir a la sostenibilidad de la cadena productiva de la panela, haciendo uso racional y eficiente de los residuos que se generan en el proceso de producción, vía digestión anaeróbica (DA). Sin embargo, existen retos que se relacionan con la composición de los residuos, debido a que son materiales de naturaleza lignocelulósica ácida, y se desconoce su potencial para la producción de biogás en una configuración de digestor que pueda ser adoptada por el sector, temas que deben ser estudiados para el desarrollo de un proceso de DA. El siguiente reto lo constituye la integración de la tecnología de DA en el proceso de producción de panela, abordando los ejes económico, ambiental y social. Esta tesis doctoral contribuye al conocimiento al investigar una nueva alternativa tecnológica que constituya una respuesta al desarrollo sostenible de dicha agroindustria por medio de la gestión y valorización de sus residuos
Study of the supercritical extraction of flavonoids from distillation residues of phenylpropanoid-producing plants
(Universidad Industrial de Santander, 2021) Arias Velandia, Anderson Julián; Stashenko, Elena E.; Martínez Morales, Jairo René
Las plantas productoras de fenilpropanoides son materia prima de condimentos y aceites esenciales (AE) útiles en aplicaciones industriales. La Lippia origanoides y L. graveolens son las especies americanas de mayor interés comercial. El proceso deobtención de sus AEs deja compuestos bioactivos retenidos en el sustrato; porque las plantas, además de los AEs, contienenen sus estructuras celulares flavonoides como la pinocembrina (Pn). La Pn es un compuesto activo para el tratamiento de lahemorragia cerebral y la fibrosis pulmonar. Por lo tanto, existe una clara oportunidad con los subproductos de la destilación deestas plantas para aumentar las ganancias; esto si además de los AEs, se extraen y comercializan oleorresinas ricas en flavonoides. Para valorizar el proceso se requiere caracterizar el sustrato y describir matemáticamente las operaciones unitariascomplementarias necesarias para lograr el aprovechamiento integral del material vegetal. De todas las operaciones unitariasviables para complementar el proceso, este trabajo se enfocó en el estudio de la extracción con CO» supercrítico modificadocon EtOH, debido a la capacidad de la técnica para controlar la solvatación y la selectividad del CO2. Determinar el potencialde valorización de los residuos posdestilados en la producción conjunta de AE y flavonoides; determinar los límites impuestospor los equilibrios de fase entre la interacción soluto, matriz y solvente, y determinar la cinética de extracción supercrítica deflavonoides y oleorresina son temas que el lector encontrará desarrollados en los capítulos de este libro. El trabajo buscócontribuir a incrementar la competitividad de la industria de AEs proporcionando elementos de decisión relevantes sobre la viabilidad técnica de la extracción supercrítica para complementar el proceso de extracción de AEs.
Systematic design of defect engineered zr-mofs and their applications in liquid- phase esterification reactions
(Universidad Industrial de Santander, 2020) Ardila Suárez, Carolina; Ramírez Caballero, Gustavo Emilio; Baldovino Medrano, Víctor Gabriel
La MOF-808 es un material prometedor de la familia de MOFs a base zirconio, debido a su alta área superficial. Sin embargo, el carácter microporoso de este material es una desventaja para aplicaciones prácticas debido a limitaciones de transporte causadas por el acceso restringido de moléculas dentro de la estructura. En este trabajo se desarrolló tanto el diseño sistemático de la MOF-808 como su subsecuente modificación con el fin de obtener materiales ácidos, ordenados e interconectados con porosidad multimodal y su evaluación en la esterificación del glicerol con ácido acético en fase líquida. Se realizaron simultáneamente cálculos teóricos y mediciones experimentales con el fin de correlacionar la acidez del material con su actividad catalítica. Además, la adición de surfactantes y moduladores permite la síntesis de materiales micro/macroporosos ordenados y cristalinos. La adición de CTAB no parece alterar la composición química superficial ni las propiedades ácidas de las MOFs en comparación con los materiales sintetizados sin surfactante. Asimismo, las mediciones catalíticas reflejan que la porosidad interconectada de los materiales sintetizados con surfactantes favorece la difusión y accesibilidad de las moléculas, lo que conlleva a un mejoramiento del comportamiento del catalizador en la reacción de esterificación de glicerol en fase líquida. En cuanto a la sulfatación de las MOFs, esta modificación postsintética no afecta la interconectividad de los materiales y sí aumenta el número y fuerza de los sitios ácidos de los catalizadores y por consiguiente su actividad catalítica. Finalmente, la caracterización superficial refleja que los grupos sulfatados se encuentran unidos y bien distribuidos sobre la superficie del catalizador.
New surfactants base on nanocellulose
(Universidad Industrial de Santander, 2020) González Bernal, María Mercedes; Blanco Tirado, Cristian; Combariza Montañez, Marianny Yajaira
Durante los procesos de obtención de crudos, es común que se formen emulsiones de agua en aceite (W/O), las cuales traen inconvenientes en los sistemas de transporte, entre ellas: corrosión, depósito de sales en tuberías y viscosidades altas. Por ello en la industria petrolera es necesario disminuir la cantidad de agua presente en las emulsiones hasta un 0,5%, para lograrlo se utilizan surfactantes, generalmente sintéticos. En nuestro trabajo nos enfocamos en el diseño y creación de surfactantes ambientalmente amigables para aplicarlos en la solución del problema de las emulsiones W/O. Para ello realizamos dos enfoques diferentes, inicialmente, obtuvimos nanofibrillas y nanocristales de celulosa y usamos suspensiones acuosas de estas nanopartículas para inhibir la formación de las emulsiones. Encontramos que la aplicación de estas suspensiones acuosas de nanocelulosas puras permte disminuir la cantidad de agua emulsionada, inhibiendo la formación de emulsiones agua en aceite hasta en un 75%. Por otro lado, realizamos tres modificaciones superficiales a los nanocristales de celulosa con el fin de modular su hidrofobicidad y permitir su dispersión en solventes orgánicos, lo cual nos realizar pruebas de estas nanopartículas como rompedores de emulsiones, obteniendo una recuperación del 70 % del agua presente. Se realizaron tres procesos de funcionalización: transesterificación en fase sólida, amidación con aminas de 12 y 18 carbonos y esterificación con fosfonato de palmitoilo. Las nanopartículas de celulosa fueron caracterizadas antes y después de la funcionalización, mediante FTIR, NMR, difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de barrido (SEM) y análisis termogravimétrico (TGA).
Nickel exsolution effect on the catalytic behavior of ruddlesden-popper manganities in sofc condition using colombian natural gas
(Universidad Industrial de Santander, 2020) Vecino Mantilla, Juan Sebastián; Maradei García, María Paola; Gauthier, Gilles Henri; Serra Alfaro, José Manuel
La presente tesis doctoral se enfocó en la síntesis, caracterización y estudio catalítico en el reformado con vapor en condiciones de ánodo de celdas SOFC (bajo contenido de vapor) de una nueva manganita de tipo RP (La1.5Sr1.5Mn1.5Ni0.5O7±δ), la cual, en atmósfera reductora y a elevadas temperaturas de operación, promueven a través del mecanismo de exsolución la formación de dos fases: una manganita tipo RP de composición LaSrMnO4±δ decorada con nanopartículas metálicas y activas de Ni incrustadas en la superficie; dicha estrategia puede ser vista como una manera muy original de mejorar las propiedades (electro)catalíticas de los materiales de ánodo y por lo tanto ser consideradas como una opción prometedora para sistemas SOFC operados con gas natural colombiano. El primer capítulo trata sobre la síntesis de la fase RP n= 2 La1.5Sr1.5Mn1.5Ni0.5O7±δ y la exsolución del Ni en atmósfera reductora a diferentes temperaturas y tiempos de reducción, confirmada a través de análisis de DRX, MET-EDS. El segundo capítulo presenta el comportamiento catalítico del material exsuelto en la reacción de reformado de metano y de la mezcla de alcanos ligeros (CH4 -C2H6, y CH4 -C3H8) aplicando el concepto de reformado interno gradual (GIR por sus siglas en inglés) adaptado a celdas SOFC. El último capítulo, la posible formación y depósito de carbón y el envenenamiento con sulfuros son presentados.
Modelamiento, integración y evaluación energética de producción conjunta de bioetanol de primera, segunda y tercera generación a partir de caña de azúcar y biomasa de microalgas
(Universidad Industrial de Santander, 2018) Quintero Dallos, Viviana; Kafarov, Viatcheslav Victorovich; Hernández Bello, Liliana Cristina
Actualmente, la industria azucarera en Colombia representa un eslabon importante en la economía nacional debido a los avances en innovación y eficiencia dentro del sector alimentario y energético; en éste último siendo pionero en la producción de biocombustibles denominados de primera generación. En este contexto, los esfuerzos tecnológicos se enfocan hacia la diversificación de materia prima y el bagazo de caña resulta una opción prometedora. Sin embargo, los esquemas propuestos por varios investigadores implican un alto consumo de agua, así como altos costos de producción, lo que no hace que esta ruta de procesamiento sea competitiva con respecto al esquema de primera generación. Por otro lado, las microalgas han sido identificadas como una materia prima prometedora en la producción de biocombustibles, lo que abre el camino a la definición de esquemas de producción de tercera generación (Naik, Goud, Rout y Dalai, 2010). Se ha considerado la producción de bioetanol, teniendo en cuenta que algunas especies como C. vulgaris son capaces de acumular grandes cantidades de carbohidratos (alrededor de 37-55% m / m en base seca). En este trabajo actual se estableció una nueva topología que integra los procesos de producción de bioetanol de primera, segunda y tercera generación bajo un esquema de bio-refinería. El esquema integrado se definió considerando las etapas comunes de los procesos individuales (fermentación, destilación) y utilizando corrientes intermedias y residuales tales como bagazo de caña, vinaza y CO2. En este esquema, se llevó a cabo una integración de energía y masa a través de la programación matemática.
Reconstrucción molecular de fondos de vacío de las fracciones de destilación molecular (dm), en condiciones de craqueo térmico y adición de hidrógeno por medio ft-icr-ms y analítica complementaria
(Universidad Industrial de Santander, 2018) Ramírez Novoa, Claudia Ximena; Kafarov, Viatcheslav Victorovich; Guzmán Monsalve, Alexander
Es reportada una metodología para representar estructuralmente las moléculas de tres fondos de vacío colombianos (538+ °C) y un residuo atmosférico mexicano (300+°C) modo uni-carga y multi-carga. Información obtenida por Espectrometría de masas de resonancia ion-ciclotrón con transformada de Fourier (FT-ICR-MS) acoplado a fuentes de ionización por electrospray modo positivo y negativo (ESI(+), ESI(-)), foto ionización a presión atmosférica modo positivo (APPI(+)) y resultados de métodos analíticos convencionales estandarizados fueron empleados en la reconstrucción moléculas de las cargas pesadas estudiadas. La generación de moléculas se realizó mediante la técnica Monte Carlo, obteniendo un conjunto de estructuras representativas para la representación global a través de atributos. Cada atributo en las muestras pudo ser representado mediante una función de distribución de probabilidad (PDF), la cual es optimizada con el propósito de ajustar las estructuras de las muestras y su composición a los datos experimentales. Las PDF para compuestos aromáticos, nitrogenados y azufrados fueron obtenidos por espectrometría de masas de ultra-alta resolución. Como resultado, 150 moléculas por cada residuo fueron obtenidas, en el modo de representación uni-carga y 200 moléculas en el modo multi-carga. La representación fue aplicada al desarrollo de modelos composicionales de conversión de procesos de mejoramiento de cargas (hidrocraqueo y craqueo térmico) basados en moléculas modelo obtenidas por reconstrucción molecular. Para el desarrollo de los modelos fue necesario obtener el porcentaje de conversión de un conjunto de reacciones planteadas a partir de las moléculas modelo generadas en la reconstrucción molecular. Los valores de conversión son obtenidos a partir del ajuste del porcentaje de conversión correspondiente al conjunto de reacción definido para cada proceso, de los rendimientos y de propiedades experimentales de los productos de reacción (gases y líquidos / TBP, densidad). Los fondos estudiados representados con 150 moléculas modelo generaron alrededor 400 moléculas producto (moléculas iniciales, nuevas y repetidas).
A study of the inhibition of second stage hydrocraking catalysts by weakly basic nitrogen-containing compounds
(Universidad Industrial de Santander, 2018) Celis Cornejo, Carlos Mauricio; Baldovino Medrano, Víctor Gabriel; Pérez Martínez, David de Jesús
El procesamiento de crudos cada vez más pesados plantea un reto enorme en las refinerías modernas, respecto a la eliminación de los heterocompuestos y mejoramiento de estas cargas mediante hidroprocesos. En esta contribución, se identifican las especies químicas más refractarias al hidrotratamiento en un gasóleo de vacío Colombiano, empleando espectrometría de masas de alta resolución. Estos análisis permitieron evidenciar una alta abundancia relativa de las especies parcialmente hidrogenadas de los compuestos nitrogenados tipo pirrólicos, cuyo carácter es levemente básico. El efecto de estos compuestos débilmente básicos sobre el desempeño de un catalizador convencional de hidrocraqueo se evaluó a diferentes niveles de nitrogenados, variando no solo la cantidad, sino la fracción entre las especies seleccionadas. Los ensayos catalíticos se efectuaron siguiendo la reacción de fenantreno, a temperaturas entre 623, 638 y 653 K, velocidades espaciales entre 1.3 y 2.2 h-1, y nitrógeno total entre 0, 1 y 5 ppm en la carga. El análisis estadístico de este diseño experimental permitió obtener una correlación entre las variables operacionales y establecer que el efecto de los nitrogenados es evidente en la selectividad hacia los productos tipo naftaleno y tetralina. Para dar una explicación factible a las observaciones experimentales, se llevaron a cabo simulaciones con DFT en mordenita, para modelar un sitio de Brønsted y evaluar la adsorción de distintos compuestos nitrogenados y poliaromáticos. Los nitrogenados débilmente básicos mostraron una tendencia a protonarse cuando interaccionan con los sitios ácidos, igual que los más básicos. Para validar esta predicción hecha por los cálculos, se desarrolló una metodología para seguir la adsorción de compuestos nitrogenados pirrólicos en fase líquida, sobre una zeolita protonada, mediante ATR-IR. Los resultados de este trabajo permiten concluir que los compuestos débilmente básicos pueden causar efectos inhibitorios significativos, incluso en pequeñas concentraciones (<5 ppm de N) en la carga.
Encapsulation of antioxidants from theobroma cacao l. for food applications: in vitro bioaccessibility and kinetics release profile
(Universidad Industrial de Santander, 2018) Toro Uribe, Said; López Giraldo, Luis Javier; Perea Villamil, Janeth Aide; Ibañez Ezequiel, Elena; Decker, Eric Andrew
El objetivo de este estudio es la encapsulación en liposomas de los metabolitos secundarios del cacao para mejorar su bioaccesibilidad in-vitro. Así, las condiciones más favorables para inhibir la acción de las enzimas fueron 70 mM de solución inhibitoria a 96 °C durante 6.4min, alcanzando 93.3% de reducción. Las condiciones optimizadas de extracción permitieron una alta recuperación de flavonoides totales (88.9 ± 0.8 mg ECEg-1 ), así como establecer una nueva estrategia para evitar el desengrasado (tamaño de partícula < 0.2 mm y ultrasonicación por 20 min). La caracterización del extracto de cacao por medio de las fases HILIC, RP-LC, así como total online-modulación HILIC×RP acoplado a masas confirmó que el extracto es conformado hasta tetradecameros, siendo teobromina, (-)-epicatequina, y trimeros los más abundantes. Adicionalmente, purificación del extracto de cacao se logró usando una columna Diol. Formulación efectiva de nano-liposomas fue obtenida por sonicación a 75% amplitud por 7 min. Los resultados muestran que la actividad antioxidante en los liposomas es dependiente de la concentración y del pH, y la habilidad de inhibir la oxidación lipídica incrementa con el grado de polimerización. La estabilidad bajo la digestión in-vitro de los compuestos del cacao demostró una liberación controlada, dependencia de la estructura del polifenol, alta bioaccesibilidad y actividad antioxidante para los polifenoles encapsulados que no encapsulados. Análisis por UHPLC-DAD-QTOF-MS confirmó que el mecanismo de digestión de las procianidinas consistió principalmente de depolimerización y transformación. Imágenes por TEM muestra cambios significativos en la bicapa lipídica durante la fase gástrica y duodenal, efectos como hinchamiento, reducción de lamelaridad, complejos con proteínas, cambios en la permeabilidad, tamaño de partícula, y ruptura de la bicapa lipídica. Está tesis doctoral contribuye a un mejor conocimiento del potencial uso de procianidinas como aditivo alimentario, así como las aplicaciones de implementar liposomas como transportador de los polifenoles del cacao.
Diseño y aplicación de una metodología basada en lógica difusa para la selección de alternativas sostenibles de generación eléctrica en zonas no interconectadas de Colombia
(Universidad Industrial de Santander, 2017) Rosso Cerón, Ana María; Kafarov, Viatcheslav Victorovich; Latorre Bayona, Gerardo; Quijano Hurtado, Ricardo
En este trabajo ha sido propuesto un nuevo marco metodológico híbrido para seleccionar alternativas sostenibles de generación de energía eléctrica en zonas no interconectadas de Colombia a partir de criterios sociales, tecnológicos, ambientales y económicos. Se contribuyó con la identificaron de las barreras de penetración de sistemas de energía renovable en Colombia y con la determinación de los sistemas de mayor aceptación. La aplicación del marco metodológico se llevó a cabo en cuatro casos de estudio. En donde se estimó el potencial energético solar, eólico, hídrico y de la biomasa residual agrícola para establecer los recursos propios de las zonas. Se propuso un modelo de análisis multiobjetivo de decisión difuso con programación lineal entera mixta a partir de criterios económicos, ambientales y tecnológicos que a su vez permitió del tratamiento de parámetros inciertos, claves en la temática de planificación energética. Fueron incorporadas herramientas de análisis de procesos y termodinámica para la estimación de parámetros inciertos asociados a sistemas energéticos (solar fotovoltaico, aerogeneradores eólicos, plantas diésel, gasificadores de biomasa residual y la extensión de redes de transmisión). El modelo desarrollado permitió determinar alternativas de Pareto eficientes, para todos los casos de estudio. Las emisiones de CO2 y los costos totales actuales que conformaron las alternativas de Pareto, obtenidas con esta fase, fueron utilizados en la siguiente fase, en la que se adicionaron criterios sociales, tecnológicos y ambientales evaluados por expertos en el área de energías renovables. Para tratar la información incierta o imprecisa asociada a estos criterios, se construyó un segundo modelo novedoso de análisis multiatributo de decisión difuso que involucró todos los criterios asociados a la sostenibilidad evaluados anteriormente. El modelo permitió clasificar cada una de las alternativas de Pareto y seleccionar la mejor. Los resultados de uno de los casos se validaron en el Software HOMER Energy.
Experimental study of the aromatics productions from thepyrolysis of crap tire rubber using heteropolyacids-based catalysts
(Universidad Industrial de Santander, 2017) Tavera Ruiz, Claudia Patricia; Gauthier Maradei, María Paola; Capron, Mickael
Uno de los desechos que tiene la mayor producción anual casi en todas partes del mundo, son las llantas usadas. Debido a su composición no biodegradable, su tratamiento al final de su vida es difícil, causando problemas ambientales y de salud pública, debido a la acumulación e implementación de técnicas de tratamiento inapropiadas, como el almacenamiento en pozos abiertos o vertederos e incendios incontrolados. A partir de esta problemática, se propone la valorización de este residuo a través del proceso de pirólisis. El objetivo principal de este trabajo fue evaluar experimentalmente la pirólisis del caucho de llantas usadas (STR) para mejorar los compuestos aromáticos de anillo simple, que son los compuestos con mayor valor industrial en el aceite obtenido en la pirólisis de STR. Para este propósito, se realizó un estudio experimental de pirólisis de STR sin catalizador y se determinaron las condiciones más favorables de temperatura y flujo de nitrógeno. Además, se evaluó la transformación de D-L limoneno en compuestos aromáticos utilizando diferentes combinaciones heteropoliácido/soporte en diferentes condiciones y se seleccionaron las más selectivas hacia aromáticos. Los resultados mostraron una conversión de limoneno en p-cimeno, monoterpenos y mentenos principalmente, y se constató que la producción de p-cimeno es favorecida por la acidez de Lewis. Finalmente, los catalizadores encontrados como más selectivos en la transformación del D,L limoneno, fueron validados en la pirólisis de STR. Los resultados muestran que el rendimiento de compuestos aromáticos aumentó desde 8,05 %p hasta un máximo de15,06 %, y la concentración alcanzó un máximo de 37 %p, utilizando el catalizador a base de molibdeno, donde predominan los sitios ácidos de Lewis.
Reactividad de fondos de vacío y sus fracciones obtenidas por la técnica de extracción supercrítica en los procesos de craqueo térmico e hidrocraqueo catalítico
(Universidad Industrial de Santander, 2017) León Bermúdez, Adan Yovani; Laverde Cataño, Dionisio Antonio; Guzmán Monsalve, Alexander
En este trabajo se desarrolló una metodología para el estudio de reactividad de fondos de vacío y sus fracciones en un microreactor batch, bajo condiciones reales de operación de craqueo térmico e hidrocraqueo catalítico en presencia de naftenato de molibdeno. Los fondos de vacío de crudos típicos de Colombia fueron fraccionados con n-hexano en condiciones supercríticas a 265 °C en el intervalo de presión de 650 a 1100 psi. Es importante destacar que con la técnica de fraccionamiento las fracciones obtenidas se hacen más pesadas con el incremento de la presión de extracción a temperatura constante. Por otra parte, las temperaturas de reacción para las pruebas de reactividad se ajustaron con la técnica de termogravimétria. Dentro de los análisis se determinó que los fondos de vacío y sus fracciones extraíbles presentaron pérdidas significativas de masa entre 430 y 460 °C. Los parámetros moleculares promedio obtenidos por RMN y los resultados de espectrometría de masas APPI(+) FTICR-MS demostraron que las fracciones con mayor contenido de cadenas alquílicas y sustitución de cadenas alquílicas promueven la formación de insolubles en tolueno. Por otra parte, el naftenato de molibdeno mostró desempeño satisfactorio en la inhibición de formación de insolubles en tolueno, y mayores rendimientos de líquidos y gases. Asimismo, se determinó que las especies representativas en los fondos de vacío corresponden a las clases HC, S1, N1 y O1. Además, la distribución de estas especies afecta la reactividad de los fondos de vacío y la calidad de los productos. Finalmente, con la información simplificada por grupos de DBE de las clases seleccionadas y el uso de análisis multivariable con mínimos cuadrados parciales, se desarrollaron correlaciones predictivas del rendimiento y la calidad de los productos obtenidos en los procesos de conversión, los cuales pueden ser usados con respuestas confiables en cortos periodos de tiempo.
Estudio cinético de la corrosión por ácidos nafténicos
(Universidad Industrial de Santander, 2017) Mejía Miranda, Carlos Augusto; Laverde Cataño, Dionisio Antonio; Quiroga Becerra, Haydee
El contenido de ácidos nafténicos en los crudos causa problemas de corrosión en las unidades de destilación de las refinerías. La heterogeneidad en la concentración y reactividad de los ácidos nafténicos presentes en los crudos dificulta la predicción de la corrosión por estos compuestos. En esta tesis se consideraron los ácidos nafténicos como mezclas complejas con diferentes estructuras moleculares y reactividad. Se desarrolló una metodología para el fraccionamiento de mezclas complejas de ácidos nafténicos extraídos de crudos y cortes de destilación. A partir del fraccionamiento se obtuvo dos fracciones con diferentes parámetros moleculares promedio y reactividad. Se propuso un modelo cinético para predicción de la corrosión por ácidos nafténicos de reacciones paralelas e independientes que predice aceptablemente la reactividad de mezclas de dos fracciones de ácidos con diferentes parámetros moleculares promedio. Se desarrolló una correlación estadística para predicción de la reactividad a partir de parámetros moleculares promedio de las mezclas complejas de ácidos nafténicos. Se evaluó el uso de quimiométria usando RMN-1H para el desarrollo de una correlación de predicción de la corrosividad de crudos. A partir de información contenida en los ASSAYS de los crudos se determinó una correlación para predicción de la corrosividad de crudos utiliza información sobre la concentración y la distribución de los compuestos corrosivos en los cortes de destilación. Finalmente, la línea de transferencia entre los hornos de calentamiento y las unidades de destilación fue simulada usando ASPEN HYSYS para determinar el porcentaje de reducción del TAN del crudo, evidenciando una reducción del TAN hasta del 35% a las condiciones de operación.
Study of ruddlesden-popper manganites rexa2-xmno4 (re: la nd and a:sr ca) with potencial application as electrode materials in solid oxide fuel cells (sofc)
(Universidad Industrial de Santander, 2017) Sandoval Rincón, Mónica Viviana; Gauthier, Gilles Henri; Roussel, Pascal; Pirovano, Caroline
Las manganitas Ruddlesden Popper RExA2-xMnO4 (RE: La, Nd y A: Sr, Ca) han sido estudiadas como posibles materiales de electrodo para Celdas de Combustible de Óxido Sólido simétricas. Tres series de compuestos LaxSr2-xMnO (x=0.25, 0.4, 0.5 y 0.6), NdxSr2-xMnO (x=0.4 y 0.5) y NdxCa2-xMnO (x=0.25, 0.4 and 0.5) fueron sintetizadas satisfactoriamente. Los materiales LaxSr2-xMnO con RE: La, Nd son estables en atmósfera reductora. El material La0.5Sr1.5MnO (L5S15M) presentó la más alta conductividad eléctrica entre los materiales estudiados. Las propiedades electroquímicas fueron investigadas por Espectroscopía de Impedancia Electroquímica (EIS). La influencia tanto de la temperatura de sinterización como de la composición del electrodo sobre el rendimiento electroquímico fue estudiada en atmósfera oxidante y reductora. Para la reducción de oxígeno, la transferencia de electrones entre el electrodo y el oxígeno, y la incorporación de iones oxígeno, son los principales pasos limitantes de la velocidad para los electrodos sinterizados a 1150 y 1200 °C. El incremento de la temperatura de sinterizado hasta 1250 °C condujo a la acumulación de Sr en la interfase GDC/YSZ. El electrodo composite no presenta ninguna mejora del rendimiento. Para la oxidación de hidrógeno, se identificaron tres pasos limitantes: transferencia de carga a la interfase electrodo/electrolito, adsorción disociativa de hidrógeno y difusión superficial. Para todos los electrodos, la difusión superficial representa la mayor contribución a la resistencia de polarización total. La mejor relación entre la temperatura de sinterizado y la composición fue lograda para el electrodo puro L5S15M sinterizado a 1150 °C. Finalmente, los resultados extraídos desde las medidas de EIS, permitieron entender la naturaleza de los procesos que tienen lugar dentro del electrodo, proponiendo que el comportamiento electroquímico de L5S15M podría ser mejorado con la modificación de la superficie del electrodo
Effect of physicochemical heterogeneity on adhesion phenomenon between bitumen and aggregates in asphalt mixtures
(Universidad Industrial de Santander, 2017) López Contreras, Yuly Fernanda; Chaves Guerrero, Arlex; Viejo Abrante, Fernando; Hoyos Marín, Luis Javier
Esta tesis doctoral contribuyó a avanzar en el entendimiento de la influencia de las propiedades fisicoquímicas de los materiales a nanoescala sobre el fenómeno de adhesión entre asfalto y agregados minerales en mezclas asfálticas. Diferentes técnicas a escala macroscopica, y a escala nanométrica se emplearon para el estudio de la mojabilidad, adsorción y adhesión de sistemas asfalto-agregado. Los resultados obtenidos fueron analizados para identificar sus posibles efectos sobre las propiedades de las mezclas asfálticas, y la correlación entre escala macroscópica y nanométrica fue evaluada. Una metodología para monitorear en tiempo real la adsorción de las moléculas de asfalto sobre la superficie de minerales haciendo uso de la QCM fue desarrollada, esto teniendo en cuenta que no se dispone en la literatura de aplicaciones de la QCM para la evaluación de las propiedades del sistema asfalto-agregado. A partir de los datos de obtenidos con la QCM es posible construir isotermas de adsorción para estudiar de una manera más confiable y precisa las propiedades fisicoquímicas del sistema. Se observó una buena correlación entre los resultados obtenidos a escala macroscópica de energía superficial libre y la medición de adhesión por tracción. Los resultados para el análisis de adhesión con AFM indican una mayor fuerza adhesiva entre los asfaltos con superficies de SiO2 que con CaCO3. Los datos de adsorción obtenidos con QCM siguieron la misma tendencia observada a escala macroscópica. Los datos de adsorción obtenidos con QCM mostraron la formación de una película viscoelástica sobre la superficie de los minerales empleados, que corresponde a la naturaleza viscoelástica del asfalto. El fenómeno de adsorción fue satisfactoriamente descrito por la isoterma de Freundlich para sistemas heterogéneos, lo cual confirma la influencia de la heterogeneidad fisicoquímica en el fenómeno de adhesión entre asfalto-agregado.
Desarrollo de un método de pretratamiento termomecánico continuo con ácido sulfúrico diluido para la producción de etanol lignocelulósico a partir de bagazo de caña de azúcar
(Universidad Industrial de Santander, 2017) Mantilla Barbosa, Neila Milena; Kafarov, Viatcheslav Victorovich; Castillo Monroy, Edgar Fernando; Garzón Fuentes, Laura Liliana
La biomasa lignocelulósica es una fuente atractiva de materia prima para producción de azúcares, que pueden ser convertidos en etanol a través de la fermentación de los azúcares hidrolizados de la celulosa y hemicelulosa contenida en la biomasa, para lo cual, es necesaria una etapa de pretratamiento que aumente la accesibilidad enzimática de la biomasa y no degrade los azúcares solubilizados. En busca de una alternativa eficiente y viable económicamente se desarrolló un método y un reactor de pretratamiento que en conjunto con la hidrólisis enzimática permiten solubilizar altas cantidades de glucosa y xilosa, sin degradarlas. El pretratamiento desarrollado logra combinar efectos físicos (térmicos y mecánicos) y químicos (ácido sulfúrico diluido) con operación en continuo en una sola etapa a baja severidad. En primer lugar, se investigó acerca del mejor tipo de refinación mecánica, utilizando molinos de discos y diferentes configuraciones de elementos de cizallamiento en un compounder, combinando estos pretratamientos mecánicos con el pretratamiento con ácido sulfúrico diluido a baja severidad en etapas separadas, seguidamente se elaboró el diseño del equipo de pretratamiento en base al tipo de molienda con mejores resultados en discontinuo. Una vez el equipo de pretratamiento fue fabricado, se realizó el comisionado y puesta en marcha del equipo donde se varió el flujo másico y la concentración de ácido sulfúrico diluido, se determinó el tiempo de residencia y se evaluaron los resultados de las etapas conjuntas de pretratamiento e hidrólisis enzimática. Con los datos obtenidos experimentalmente, se realizó una estimación tecno-económica del proceso global de producción de etanol, comparando el pretratamiento termomecánico desarrollado con un pretratamiento con ácido sulfúrico diluido con operación en continuo, como herramienta para la toma de decisiones con respecto a la optimización futura del pretratamiento desarrollado.
Caracterización del crecimiento de biopelículas soportadas en un sistema de lecho de fijo utilizado para la digestión anaerobia de la fracción orgánica de residuos sólidos urbanos
(Universidad Industrial de Santander, 2017) Vergara Mendoza, Marisol; Torres Sáez, Rodrigo Gonzalo
En esta trabajo, se evaluaron reactores metanogénicos de biopelícula adherida para el tratamiento del efluente generado por un reactor Hidrolítico/acidogénico con Fracción orgánica (FO) de Residuos Sólidos Urbanos (RSU) como sustrato. En la selección del inóculo se utilizó, lodo porcícola, lodo PTAR y lodo mezcla (MEZC). Los resultados de la Actividad Metanogénica Específica (AME) en unidades de g DQO/ g SSV*d fue de 0.1233 para el lodo PTAR, 0.0454 para el porcícola y 0.1803 para MEZC. Los soportes evaluados para la inmovilización de los microorganismos fueron tusa de mazorca, luffa cilíndrica, ladrillo cerámico y espuma de poliuretano. La producción de biogás de los biorreactores fue de 0.232 (m3 CH4/kg DQOremovido) para el reactor con ladrillo cerámico como soporte, seguido por la tusa de mazorca con 0.211 m3 CH4/kg DQOremovido y la espuma de poliuretano 0.154 (m3 CH4/kg DQOremovido), por último la luffa cilíndrica con 0.111 (m3 CH4/kg DQOremovido), En la evaluación del reactor de biopelícula se utilizó como soporte el ladrillo cerámico. La producción de metano obtenida por el reactor fue de 0.27 (m3 CH4/kg DQOremovido/d). En el conteo e identificación de los microorganismos metanogénicos se observó la presencia de metanógenos acetoclásticos pertenecientes al género Methanotrix sp. y Methanosarcina sp., estos microorganismos utilizan el acetato como principal ruta metabólica para la producción de metano. Por otro lado, se identificó también la presencia de población metanogénica hidrogenofílica (Methanoccocus sp. y Methanobacterium sp.) que utilizan el formato para la producción de metano. Finalmente, el modelo matemático del reactor de película adherida fue validado por los resultados experimentales para la concentración de sustrato (Sb). Las predicciones del modelo con relación a la concentración de biomasa activa y la producción de metano presentaron diferencias entre los datos experimentales y el modelo, observándose una marcada diferencia al alcanzar el estado estacionario
Evaluación de la sostenibilidad de tecnologías emergentes de producción de biocombustibles en Colombia aplicando críterios técnicos, ambientales y económicos
(Universidad Industrial de Santander, 2017) Martínez Merlano, Diego Armando; Kafarov, Viatcheslav Victorovich
La inexistencia de indicadores cuantitativos de sostenibilidad es actualmente una barrera que no permite comparar de manera efectiva dos o más procesos productivos, incluyendo las tecnologías emergentes de producción de biocombustibles. En esta tesis se plantean diferentes diseños conceptuales de procesos emergentes de producción de biocombustibles relacionados directamente con la cadena productiva de la palma africana y se plantea el uso de un indicador monetario de sostenibilidad. Los procesos fueron agrupados en tres grupos: procesos de producción de biodiesel (catálisis heterogénea y homogénea), procesos termoquímicos (metanol, hidrógeno, combustibles por la ruta Fischer-Tropsch) y procesos bioquímicos de producción de etanol (pretratamiento ácido/base, organosolv y explosión de vapor), los cuales fueron simulados en Aspen Hysys para calcular su eficiencia energética y exergética. La sostenibilidad económica de los procesos bajo estudio fue analizada a través del Valor Presente Neto (VPN) y la Tasa Interna de Retorno (TIR). La sostenibilidad ambiental fue evaluada a través de la aplicación de la metodología del Analisis de Ciclo de Vida (ACV), cuantificando seis categorías de impacto ambiental con el método EPD® (Environmental Product Declarations) en Simapro 7.1®. Las categorías de impacto ambiental evaluadas fueron cambio climático, acidificación, formación de oxidantes fotoquímicos, deterioro de la capa de ozono, eutrofización y uso de energía no renovable. El desarrollo del indicador de sostenibilidad se basó en el cálculo de las externalidades ambientales y su inclusión en la evaluación económica, lo cual produce una variación de la rentabilidad de los procesos, generando un Valor Presente Neto Extendido (VPNex). Entre los procesos evaluados solo los procesos de producción de hidrógeno y combustibles líquidos por la ruta Fischer-Tropsch presentaron valores VPNex positivos.
Redes poliméricas interpenetradas simultáneamente de poliuretano y poliestireno. Cinética, morfología y propiedades mecánicas
(Universidad Industrial de Santander, 2017) Fuentes Perea, Luis Enrique; Ramírez Caballero, Gustavo Emilio; Ramírez García, Álvaro
Se estudió la velocidad de formación, la morfología y propiedades mecánicas del IPN simultáneo formado por poliuretano de aceite de ricino modificado con pentaeritritol y poliestireno entrecruzado con divinilbenceno. Se evaluó la hipótesis “la morfología y el comportamiento dinámico mecánico de un material IPN formado simultáneamente depende de las velocidades relativas de formación de las redes que los conforman”, mediante la correlación de los resultados de velocidad de reacción, morfología y propiedades viscoelásticas. La determinación de las ecuaciones de velocidad de reacción se hizo mediante ajuste de datos experimentales de Calorimetría Diferencial de Barrido DSC. La morfología se estudió mediante Microscopía Electrónica de Barrido SEM. El comportamiento viscoelástico fue estudiado mediante Análisis Dinámico Mecánico Térmico DMTA. Las ecuaciones de velocidad de reacción ajustadas a los datos experimentales indican que el componente de la red con mayor proporción másica en la masa reaccionante presenta mayor velocidad relativa de reacción. Del análisis de la relación entre las velocidades de formación de cada red por separado y del IPN se encontró que la velocidad de reacción del IPN es una combinación lineal de la velocidad de formación de cada red, lo cual es indicativo de ausencia de efectos de inhibición o de promoción de las reacciones. De la correlación de los resultados de velocidad de reacción, morfología y propiedades mecánicas se concluyó que la composición másica global determina tres agrupaciones, cada una con velocidad relativa de formación de las redes, morfología (morfología va desde un sistema bifásico de fase continua flexible y fase dispersa rígida a un sistema bifásico bi-continuo flexible y rígido) y comportamientos dinámicos mecánico (comportamiento dinámico mecánico va de un sistema flexible con refuerzo rígido a un sistema bifásico rígido con capacidad de disipación de energía) diferentes.

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