Modelamiento del proceso de adsorcion y desorcion de metanol en un lecho de carbón activado para la aplicación en sistemas de refrigeración solar por adsorción intermitente

Resumen: Los sistemas de refrigeración por adsorción permiten aprovechar fuentes térmicas no convencionales como la energía solar y desechos de calor residual generados por el proceso industrial. En estos sistemas, no se utilizan equipos altamente consumidores de energía eléctrica como los compresores; sino que son remplazados por otros “generadores”, que cumplen la misma función pero realizan procesos diferentes: desorción (generación de gases) y Adsorción. El generador es el equipo clave de un equipo de refrigeración de esta naturaleza, en él se realizan las operaciones físicas de adsorción y desorción de gases, la cual permite la generación de frío en el evaporador. También se presentan fenómenos de transporte y de transferencia de materia, energía y momentum simultáneos que le agregan complejidad en el momento de desarrollar un modelo matemático confiable. En este proyecto se desarrollo un modelo matemático para dar cuenta del comportamiento del generador durante su etapa de adsorción y desorción la cual se realizan en condiciones no estacionarias en un medio no uniforme. Por lo tanto el modelo matemático planteado unidimensional, dependiente del tiempo, bifásico de carácter fenomenológico en el cual se encuentran acopladas las ecuaciones de balance de materia, energía y cantidad de movimiento en coordenadas cilíndricas variando la presión para el lecho de carbón activado contenido en el generador. El modelo matemático de adsorción y desorción de metanol en carbón activado se discretizó en el espacio por el método de volúmenes finitos, utilizando la aproximación de un esquema de diferencia central para representar la conducción térmica del gas y del sólido, y para los términos convectivos masicos y energéticos se utilizó el esquema upwind de primer orden bajo la plataforma de Fortran 90, teniendo la ventaja de poder ser usado para diferentes parejas adsorbato/adsorbente, usando la misma estructura matemática y algorítmica. Los resultados obtenidos de la simulación fueron validados satisfactoriamente con información experimental obtenida de datos de pruebas de campo y con datos reportados en la literatura. El modelo permite obtener los perfiles de temperatura, presión, densidad y velocidad del gas en dirección radial como también la temperatura del sólido y la cantidad adsorbida (o desorbida) de metanol en el lecho de carbón activado, durante las etapas de adsorción / evaporación y desorción / condensación. Una de las cosas relevantes del trabajo se relaciona con la inclusión de términos adicionales en las ecuaciones de balance las cuales no han sido tenidas en cuenta por los modelos existentes en la literatura. Esto le da un carácter innovador y explicativo a la hora de analizar los comportamientos observados a partir de las pruebas experimentales en equipos de esta naturaleza. Otro aspecto innovador del modelo desarrollado es que se puede construir el diagrama de Clapeyron real, en el cual se puede observar la variación de la presión y la temperatura del lecho, además prever y facilitar el entendimiento de los fenómenos adsortivos, de transporte y de transferencia que se presenta fidedignamente mediante los datos experimentales. El Diagrama Clapeyron real (variando la presión dentro del lecho) se construyo con los datos de simulación para las etapas de adsorción y desorción, el cual se valido con datos de campo reportados en la literatura, y se completa con el cálculo de COP para un ciclo de refrigeración ideal (presión constante). El diagrama Clapeyron construido es el pionero a nivel mundial según el estado del arte.Abstract: Adsorption refrigeration systems are able to use non conventional termal sources, such as solar energy and industrial waste heat. In this systems, high energy consume equipment are not used, as compressors are, indeed they are replaced for “generators” ensuring the same functionality but based on other processes: desorption (gas gereration) and adsorption. The generator is the key component of a refrigeration system of this kind, where physical gas adsorption and desorption are carried out, allowing the cold generation in the evaporator; also simultaneous transport phenomena and mass, energy and momentum transfer are presents, making a more complex task to develop a confident mathematical model. In this project, a time dependent mathematical model for describing the generator behavior during the adsorption and desorption stages in a non uniform medium was developed. The mathematical model is one dimensional (cylindrical coordinates), transient, two phases involved and phenomenological based on mass, energy and momentum balances equations, taking into account the pressure variation on the activated carbon bed in the generator. The adsorption and desorption mathematical model of methanol in activated carbon was space discretized by the finite volume method, using the central differencing scheme for the gas and solid thermal conduction and the fist order upwind scheme for mass and energy convection. The model was programmed on Fortran 90, which can be used for different adsorbate/adsorbent couples using the same mathematical structure and algorithm. The simulation results shows good agreement with experimental data obtained from field measurements and reported data in the literature. The model allow to obtain the temperature, pressure, density and gas velocity radial profiles, also the solid temperature and the amount of methanol adsorbed – desorbed, during the adsorption/evaporation and desorption/condensation stages. A significant contribution in the present investigation is related to the inclusion of additional terms in the balance equations which has not been considered in other models in literature. This gives an innovating and explanatory character when an analysis of experimental results is required in this kind of processes. Another novel aspect of the developed model is the capability of construct the real Clapeyron diagram, in which can be observed the bed pressure and temperature behavior, also anticipate and facilitate the understanding of the adsorption, transport and transfer phenomena trustworthily represented by experimental data. The real Clapeyron diagram (with pressure variation inside the bed) was constructed with simulation data for adsorption and desorption stages, which has been validated with field data found in literature, and is completed with the COP calculation for an ideal refrigeration cycle (constant pressure). Based on the sate of the art, this is the first work in developing the Clapeyron diagram based on a mathematical model.Maestrí

Mejoramiento de los fluidos de perforación usando nanopartículas funcionalizadas: reducción de las pérdidas de filtrado y del espesor de la retorta

El uso de los fluidos de perforación (FP) en las operaciones de campo, ocasiona diversos problemas entre los que se encuentran daños a la formación, pérdidas por circulación y formación de una retorta que en caso de ser permeable y gruesa, puede ocasionar inestabilidad en las paredes del pozo, atascamiento de tubería e hinchamiento de formaciones de arcillas en el caso de fluidos del tipo base agua (WBM, por sus siglas en inglés). Con el objetivo de minimizar los problemas asociados a la inyección de FP, se propuso la evaluación de una modificación del FP convencional base agua que incluye el uso de nanopartículas funcionalizadas a diferentes concentraciones. La funcionalización de las nanopartículas se realizó mediante la técnica de impregnación incipiente. Las nanopartículas vírgenes fueron caracterizadas por adsorción de nitrógeno a 77 K y difracción de rayos X (DRX). Los FP se evaluaron a partir del estudio reológico, la medición de propiedades físico-químicas (densidad y pH), y mediante la prueba de filtrado API (American Petroleum Institute: API, por sus siglas en inglés) que sigue la norma API 13B-1. Los fluidos de perforación presentaron un comportamiento reológico no newtoniano independiente del tiempo, al igual que los FP modificados con el uso de nanopartículas. La densidad (8.5 lbm/gal) y el pH se mantuvieron constantes después de la adición de nanopartículas. Las nanopartículas de sílice funcionalizadas con carboximetilcelulosa (CMC) fueron las que mostraron los mejores resultados basados en las pérdidas de filtrado y en la reducción del espesor de la retorta. Los resultados obtenidos con CMC en sílice fueron los siguientes: reducciones en las pérdidas de filtrado y en la retorta de 23 y 70%, respectivamente. En los resultados también se observó que las nanopartículas de sílice no generan efectos adversos sobre las propiedades del FP, tales como densidad, viscosidad y pH. Otra característica importante de las nanopartículas de sílice son los grupos silanol (SiOH) que actúan como centros de adsorción, lo que permite su funcionalización con CMC y favorece el desarrollo de sus propiedades viscosificantes en los FP

Unsteady numerical simulation of dynamic reactor - evaporator interaction in thermochemical refrigeration systems

E xiste uma interação entre as taxas de reação/evaporação em ciclos de refrigeração gás-sólido, promovendo um comportamento dinâmico da pressão nas interfaces gás-líquido e gás-sólido no evaporador e reator. Simultaneamente, a pressão modifica tanto a velocidade de reação no reator como as taxas de transferência de matéria/energia no evaporador e reator. O objetivo deste trabalho é moldar a interação evaporador-reator baseado em uma aproximação fenomenológica. Esta interação é estudada mediante um novo modelo matemático do reator e evaporador durante a etapa de síntese/evaporação. O modelo do reator gás-sólido está baseado em equações 2-D de transporte de matéria, momentum e energia. O modelo do evaporador considera a interação dinâmica entre as taxas de evaporação/reação dadas pela transferência de matéria nas interfaces heterogêneas e de energia com outros componentes. O comportamento termodinâmico do refrigerante é estimado mediante a equação de Patel-Teja. Os resultados da simulação são validados satisfatoriamente com dados experimentais. As simulações mostraram um comportamento não-linear da pressão como consequência da interação entre o reator-evaporador-refrigerador. Os resultados sugerem que, se as dinâmicas do evaporador-refrigerador são desprezadas, o coeficiente de rendimento (COP, por sua sigla em inglês) é superestimado em 32% para o sistema avaliado neste trabalho.E xiste una interacción entre las tasas de reacción/evaporación en ciclos de refrigeración gas-sólido, promoviendo un comportamiento dinámico de la presión en las interfaces gas-líquido y gas-sólido en el evaporador y reactor. Simultáneamente, la presión modifica tanto la velocidad de reacción en el reactor como las tasas de transferencia de materia/energía en el evaporador y reactor. El objetivo de éste trabajo es modelar la interacción evaporador-reactor basado en una aproximación fenomenológica. Ésta interacción es estudiada mediante un nuevo modelo matemático del reactor y evaporador durante la etapa de síntesis/evaporación. El modelo del reactor gas-sólido está basado en ecuaciones 2-D de transporte de materia, momentum y energía. El modelo del evaporador considera la interacción dinámica entre las tasas de evaporación/reacción dadas por la transferencia de materia en las interfaces heterogéneas y de energía con otros componentes. El comportamiento termodinámico del refrigerante es estimado mediante la ecuación de Patel-Teja. Los resultados de la simulación son validados satisfactoriamente con datos experimentales. Las simulaciones mostraron un comportamiento no-lineal de la presión como consecuencia de la interacción entre el reactor-evaporador-refrigerador. Los resultados sugieren que, si las dinámicas del evaporador-refrigerador son despreciadas, el coeficiente de rendimiento (COP, por sus siglas en inglés) es sobreestimado en 32% para el sistema evaluado en éste trabajo.Close interaction between evaporation/reaction rates in gas-solid refrigeration cycles promotes the dynamic behavior of gas pressure in gas-liquid and gas-solid interfaces in evaporators and reactor diffusers. Simultaneously, gas pressure modifies both reaction rates in reactors and mass and energy transfer rates in reactors and evaporators. The objective of this work is to model the complex interaction between reactor and evaporator using a phenomenological approach. The coupled interaction is studied by a novel mathematical model of the reactor and evaporator at the synthesis/evaporation step. The model of the gas-solid reactor is based on unsteady 2-D mass, momentum and energy transport equations. The evaporator model considers the interaction between evaporation/reaction rates given by the unsteady mass and energy transfer at heterogeneous interfaces and with other components. The thermodynamic properties of the refrigerant are calculated by the Patel-Teja equation-of-state. Simulation results predicted by the model were satisfactorily validated with experimental data. Predicted interaction between reactor, evaporator and cooling space showed non-linear behavior of gas pressure. The simulation results showed that, if the dynamics of the evaporator and cooling space are neglected, coefficient of performance (COP) is overestimated by 32% for the configuration evaluated in this work

Advantages and thermodynamic limitations of the experimental sorption isosteric method

A review of advantages and thermodynamic limitations present in the sorption isosteric method (SIM) showed that SIM does not guarantee a constant adsorbed amount. Isosteres computed considering ideal gas behavior show that in SIM the mass of gas in the system dead volume increases as equilibrium pressure increases due to desorbed materials. SIM is useful and effective in obtaining highly accurate thermodynamic data for sorption of gases by microporous and nanoporous materials at low temperatures and pressures. At high temperatures and pressures desorption is not negligible, therefore SIM can not be applied. The errors in the calculation of the isosteric heat using SIM can be reduced using traditional experimental procedures such as adsorption isobars and isotherms to generate isosteres at high temperatures and pressures. Alternatively, corrections by pressure and temperature or an experiment that, after each temperature increase, allows gas dosage to compensate for the amount of mass desorbed would guarantee a constant adsorbed amount and, therefore, isosteric behavior by direct measurementsUna revisión de las ventajas y las limitaciones termodinámicas presentes en el método experimental sorción isostérica (SIM) muestra que el SIM no garantiza una cantidad adsorbida constante. Las isósteras calculadas que consideran comportamiento de gas ideal muestran que en el SIM la masa de gas en el volumen muerto del sistema al incrementar la presión de equilibrio debido a los materiales desorbidos. El SIM es útil y efectivo para obtener datos termodinámicos de alta precisión para la sorción de gases en materiales micro y nanoporosos a bajas presiones y temperaturas. Por el contrario, cuando la presión y la temperatura son altas la desorción no es despreciable, por lo tanto el SIM no es aplicable. Los errores en los cálculos del calor isostérico usando SIM pueden ser reducidos usando procedimientos experimentales tradicionales como las isobaras e isotermas de adsorción para generar las isósteras a altas presiones y temperaturas. Como alternativa, correcciones por presión y temperatura, o un experimento que, después de cada incremento de temperatura permita a la dosis de gas compensar la masa desorbida, garantizaría una cantidad adsorbida constante y, por consiguiente, un comportamiento isostérico mediante medidas directa

Emulsions with heavy crude oil in presence of nanoparticles

A study about the use of silica nanoparticles in crude oils from the Castilla field and the effects on stability, drop size and emulsion viscosity was carried out. The interest in the use of this type of nanoparticles is created by the inversion effect that these produce in the W/O emulsion at high water cuts upper than 48%. The emulsion is transformed in W/O/W being the latter the least viscous due to the water is the external phase and it allows to the crude oil slides easily on any surface. In this study, two types of naturally emulsified crude oil with different water cuts and a synthetic emulsion were used. This kind of behavior created by nanoparticles over the emulsion could be an alternative solution to the viscosity, fluidity and mobility problems that affect the extraction and transportation in heavy crude oil.Se realizó un estudio sobre el uso de nanopartículas de sílice en crudos provenientes del campo Castilla y su efecto en la estabilidad, de gota y viscosidad de la emulsión. El interés por el uso de este tipo de nanopartículas se crea a partir del efecto de inversión que éstas producen en la emulsión W/O cuando se tienen altos cortes de agua superiores a 48% en peso. La emulsión se trasforma en W/O/W siendo esta última menos viscosa debido a que el agua es la fase externa y permite al crudo deslizarse fácilmente sobre cualquier superficie. Para este estudio se utilizaron dos tipos de crudo emulsionados naturalmente con diferente corte de agua y una emulsión sintética. Este tipo de comportamiento creado por las nanopartículas sobre la emulsión podría ser una solución alternativa a los problemas de viscosidad, fluidez y movilidad que afectan la extracción y transporte en crudo pesado

Advantages and thermodynamic limitations of the experimental sorption isosteric method

A review of advantages and thermodynamic limitations present in the sorption isosteric method (SIM) showed that SIM does not guarantee a constant adsorbed amount. Isosteres computed considering ideal gas behavior show that in SIM the mass of gas in the system dead volume increases as equilibrium pressure increases due to desorbed materials. SIM is useful and effective in obtaining highly accurate thermodynamic data for sorption of gases by microporous and nanoporous materials at low temperatures and pressures. At high temperatures and pressures desorption is not negligible, therefore SIM can not be applied. The errors in the calculation of the isosteric heat using SIM can be reduced using traditional experimental procedures such as adsorption isobars and isotherms to generate isosteres at high temperatures and pressures. Alternatively, corrections by pressure and temperature or an experiment that, after each temperature increase, allows gas dosage to compensate for the amount of mass desorbed would guarantee a constant adsorbed amount and, therefore, isosteric behavior by direct measurements.A review of advantages and thermodynamic limitations present in the sorption isosteric method (SIM) showed that SIM does not guarantee a constant adsorbed amount. Isosteres computed considering ideal gas behavior show that in SIM the mass of gas in the system’s dead volume increases as equilibrium pressure increases due to desorbed materials. SIM is useful and effective in obtaining highly accurate thermodynamic data for sorption of gases by microporous and nanoporous materials at low temperatures and pressures. At high temperatures and pressures desorption is not negligible, therefore SIM can not be applied. The errors in the calculation of the isosteric heat using SIM can be reduced using traditional experimental procedures such as adsorption isobars and isotherms to generate isosteres at high temperatures and pressures. Alternatively, corrections by pressure and temperature or an experiment that, after each temperature increase, allows gas dosage to compensate for the amount of mass desorbed would guarantee a constant adsorbed amount and, therefore, isosteric behavior by direct measurements

Isotermas de sorción de agua en residuos de extracción de jugo de naranja

Los residuos de extracción de jugo de naranja, tales como, hollejos, casca¬ras y semillas, son conocidos como citropulpa, su uso puede generar dosgrandes impactos, ser una fuente potencial de materia prima en la industriade alimentos concentrados para animales; y reducir el problema generadoal ambiente, con el uso innecesario de los rellenos sanitarios. El propósitode este trabajo es obtener experimentalmente la isoterma de sorción deagua en la citropulpa, a una temperatura de trabajo de 20 °C en un ampliorango de actividad de agua (0,33 -0,97) a partir de dos productores dejugo de naranja, denominados Túnez y Pomelo. El proceso utilizado paradeterminarlas curvas isotérmicas de sorción, es el método recomendadopor el Proyecto COST 90, el cual consistió en colocar una cantidad demuestra conocida en un recipiente hermético con una humedad relativadeterminada, hasta gue su peso no varíe o alcance el equilibrio. Además serealizó un ajuste con el modelo propuesto porSmith obteniéndose erroresmedios de 8.56 % y 1.51 % para Túnez y Pomelo, respectivamente

Tratamiento de agua basado en la adsorción de crudo en nanopartículas polares y no polares

An important oil production impact is the increase of environmental pollution due to discharge of water formation. This paper presents a study of oil adsorption onto hydrophobic silica, i.e., silica nanoparticles impregnated with Colombian vacuum residue (VR) at 2 and 4 wt% and onto zeolite and impregnated zeolite nanoparticles (2 and 4wt% of VR) to reduce the amount of O/W emulsion. The Langmuir and Freundlich adsorption models were used to fit the experimental information of the adsorption isotherms. Initial crude oil concentration ranges from 200 to 2000 mg/l. Oil concentration, after adsorption, was determined by using an UV-vis spectrophotometer. The highest oil removal was obtained  with impregnated silica nanoparticles, yielding values of 200 mg/g, with 100% oil removal, 9 mg/g more than the value obtained by modified zeolite of 191 mg/g at the same initial concentration. Pseudo-first-order and  pseudo-second-order  models  were  used  to  fit  the experimental data of the adsorption kinetics, with better  results for the pseudo-second order model.Uno de los impactos de la producción de petróleo es el aumento de la contaminación debido a la descarga de aguas de formación. Este documento  presenta el estudio de la adsorción de crudo en nanopartículas de sílice funcionalizada con residuos de refinería (VR) al 2 y al 4 %wt. Además de zeolita y zeolita modificada (2 y 4%wt de VR) para reducir la cantidad de crudo en las emulsiones crudo/agua (W/O). Los modelos de Langmuir y Freundlich se usaron para ajustar las isotermas de adsorción a los datos experimentales. El rango de la concentración de crudo inicial fue desde 200 hasta 2000 mg/l. El cambio en la concentración después de la adsorción se determinó utilizando un espectrofotómetro UV visible. La cantidad máxima de adsorción se obtuvo con nanopartículas de sílice modificada al 4% para una concentración inicial de 200 mg/g con una eliminación de crudo del 100%, 9 mg/g más que la obtenida con zeolita modificada de 191 mg/g a la misma concentración. Los modelos de pseudo primer y pseudo segundo orden se usaron para ajustar los datos experimentales de la cinética de adsorción obtenidos a diferentes concentraciones de crudo, con mejores resultados para el modelo de pseudo segundo orden