Diseño de un Equipo de Recuperación de Líquidos de Gas Natural Empleando CFD

En el proceso convencional para el tratamiento de gas natural se emplean tres etapas: endulzamiento, deshidratación y control de punto de rocío (HDP: Hydrocarbon Dew Point). Este proceso permite llevar el gas natural a especificaciones según las entidades de regulación locales [11]. Desarrollos recientes muestran que es posible implementar un solo equipo capaz de realizar la deshidratación y el control de Dew Point en una misma unidad de proceso, disminuyendo así la cantidad de equipos requeridos y el consumo energético asociado a la operación. La compañía holandesa Twister Bv [20] ha desarrollado equipos supersónicos compactos de tratamiento de gas natural pero se desconoce toda la información relacionada con la geometría de sus internos. Con el fin de diseñar uno de estos equipos y mejorar su rendimiento, en este trabajo y en asocio con la compañía colombiana HNA ingeniería Ltda, se empleó la Dinámica Computacional de Fluidos (CFD) para diseñar un equipo de Recuperación de Líquidos de Gas Natural (LGN) y en especial determinar la geometría de los internos. Se empleó la información disponible para definir la geometría del equipo, a pesar de que esta es muy limitada. Se evaluaron varias geometrías posibles para este equipo considerando todos los detalles de sus internos, los resultados fueron comparados con la información experimental disponible correspondiente al perfil de presión del equipo [20]. La modelación CFD se desarrolló en estado transitorio, incluyó el comportamiento multifásico de los fluidos, la turbulencia, y la termodinámica. Para el desarrollo de estas simulaciones se utilizó un computador con 128 Gb de RAM y 2 procesadores Intel Xeon 16 core 2.0 GHz. Uno de los fenómenos más complejos de modelar en CFD es la turbulencia. La literatura recomienda emplear el modelo de turbulencia RSM para simular la turbulencia en este tipo de flujos. Pero este modelo demanda grandes recursos computacionales. Una alternativa es emplear el modelo k-ԑ RNG modificado, sin embargo este modelo no ha sido probado. Los resultados de este trabajo indican que el modelo k-ԑ RNG modificado produce prácticamente los mismos resultados que el modelo RSM pero con una reducción de hasta un 25% en el tiempo de computo. Adicionalmente, se determinó el valor adecuado del Factor de giro (Swirl Factor) con el cual se obtienen resultados más precisos con el modelo k-ԑ RNG modificado. Se plantearon geometrías adicionales con el fin de mejorar la eficiencia del equipo en términos de la separación de LGN. El diseño final es un equipo para la recuperación de LGN con una eficiencia de remoción de líquidos de gas natural de 75%, la cual es un 11% más alta que la reportada por Twister BV [17] Una de las mayores preocupaciones cuando se trabaja con este tipo de equipos en los cuales las velocidades de los fluidos son muy altas, es la pérdida de material debida a la erosión. Por tanto, en este trabajo también se evaluaron las regiones de mayor daño al equipo por erosión, se estimó la pérdida de material media debida a este fenómeno natural de la operación. Finalmente, se concluye que es posible diseñar y mejorar el desempeño de este tipo de equipos empleando la tecnología CFD. Esto abre las puertas a procesos más eficientes, y por lo tanto ambientalmente más amigables, a la vez que representa oportunidades de desarrollo como temas de investigaciones futuras en áreas como procesos, mecánica, materiales y recubrimientos y control y automatización de procesos. La implementación de este tipo de procesos permitirá obtener ventajas competitivas frente a otras tecnologías de tratamiento de gas natural.Abstract. The conventional natural gas treatment process has three stages: sweetening, dehydration and dew point control. This process allows the natural gas to meet specifications according with the local regulation entities [11]. Recent developments show that is possible to design an equipment able to dehydrate and adjust the natural gas dew point in one single process unit, reducing the equipment and energy consumption. The company Twister BV [20] has developed supersonic compact equipment designs but the geometrical details are unknown. Aiming to design one of these devices and improve their performance in this project and with the collaboration of the colombian company HNA Engineering, CFD was implemented for the NGL recovery process modeling and in special aiming to determine the internals geometry of the equipment. Available information was used to define the possible geometries. Possible equipment geometries were evaluated considering all the internal details, the results were compared with the experimental information available about the hydraulic profile in the equipment [20]. The CFD modeling was developed in transient state and the multiphase behavior of the fluids, the turbulence and thermodynamics were included. For the development of these simulations high computation capacity was used: 128 Gb RAM and 2 Intel Xeon 16 core 2.0 GHz processors. One of the most complex phenomena to model using CFD is the turbulence. The literature [17] recommends the use of RSM to simulate the turbulence in this kind of flows. But this model requires a big computational capacity. One alternative is to implement the turbulence model k-ԑ RNG modified for swirl Flow, however this model have not been probed. The results obtained in this work indicate that the model model k-ԑ RNG modified allows obtaining the almost the same results than RSM but with a computational time reduction of about 25%. Furthermore, the suitable value of swirl factor was determined to obtain more accurate results with the model k-ԑ RNG modified for swirl flow. Further geometries were developed aiming to improve the performance of the equipment relating the separation efficiency of NGL, an efficiency of 75% was obtained, 11% higher than the value reported by Twister Bv [17]. One of the main concerns about the operation of this kind of high velocity flow equipment is the surface damage due to the erosion. For that reason in this document is presented an evaluation of the regions with more possibilities to be damaged considering the erosion effect, and was also evaluated the mean losses of material due to this phenomena of the operation of the equipment simulation. Finally is concluded that is possible design and improve the performance of this kind of process equipment using CFD technology. This opens the doors to more efficient and environmentally friendly processes, at the same time it represents opportunities for future researches to be developed in fields as processes, mechanics, materials and coatings, automation and control of processes. The implementation of this kind of processes allows getting competitive advantages in comparison with other technologies for gas treatment.Maestrí

CFD Modeling of Particulate Matter PM2.5 inside BRT public transport buses

High pollution levels have been detected by local air quality monitoring network in Bogotá. Vehicle emissions are an important and direct source of pollution, heavy traffic roads are places where particulate matter pollution presents high concentrations and population exposure. Assessment of the exposure levels of passengers inside the massive transport system is an important case of study in megacities such as Bogotá due to the long residence time of the passengers. Bus Rapid Transit BRT has been implemented at the beginnings of the years 2000’s in the city of Bogotá. This is one of the most representative cases worldwide and it has spread the model around cities like Cali, Bucaramanga and Cartagena. The aim of this study is to perform a CFD modeling evaluation to provide detailed information regarding the passenger exposure in massive public transport system. CFD modeling of particulate matter dispersion inside bus can help identifying “hot-spots” of pollution. The developed modeling considers the conditions of the bus when there is low passenger traffic, windows open and cruise speed of 60 km/h. Data-set obtained for particulate matter was measured in real time and used for model validation, pre-processing and post-processing stages. A BRT transport system is characterized by the existence of an exclusive lane for the articulated buses, which operate normally using diesel fuel. This public transport model results attractive for third world countries thanks to its low costs in respect of subway systems. Pollution levels in the cities where it is implemented the BRT model usually present unfavorable Air Quality Indexes, which implies that the users of the system are exposed to contaminants presents in the air, like particulate matter PM2.5, associated directly with diesel burn and with cardiovascular illnesses and lung cancer. With the aim of knowing the PM2.5 levels inside of public transport buses, in a spatially and temporally detailed form, a CFD model was implemented and validated with data obtained from a measuring campaign. This allows analyzing the pollution levels at which are exposed every day the passengers of the public transport system BRT in the city of Bogotá

Evaluación espacial y temporal de PM10 y PM2.5 con datos de CAMS, MODIS-AOD y mediciones de superficie en de calidad del aire de Colombia

La estimación de los niveles de material particulado PM10 y PM2.5 es parte importante de la evaluación de la calidad del aire.  En zonas en las que no se tiene monitoreo de calidad del aire en superficie, el uso de datos satelitales y reanálisis es una alternativa viable y de bajo costo aplicable en cualquier lugar del mundo. El paquete de datos “Copernicus Atmosphere Monitoring Service” (CAMS) cubre todo el globo con una resolución espacial de 0.1° (11 km), una resolución temporal de 1 hora y reporta información de la composición atmosférica y los procesos que tienen lugar en la misma, en tiempo real y predicciones de 4 días en el futuro para muchos contaminantes. Estas características hacen de CAMS un paquete de datos con posibilidad de ser aplicado para analizar la calidad del aire en países en vía de desarrollo. Por otra parte, la profundidad óptica de aerosol (AOD) de 550 nm tomada de los satélites “Moderate Resolution Imaging Spectroraiometer” (MODIS) de la NASA, tiene una resolución espacial de 1° (111 km), resolución temporal de 1 hora, sujeta a disponibilidad de datos por trayectorias polares de los satélites Terra-Aqua, y nubosidad. AOD de MODIS es una variable que ha sido utilizada en estudios previos para predecir niveles de PM10 en Colombia. El objetivo de este estudio es evaluar la calidad del aire en Colombia para PM2.5 y PM10 utilizando los datos de CAMS y MODIS durante el periodo de tiempo de 2003 a 2015.  En este estudio se comparan los datos de MODIS y CAMS con datos obtenidos de las redes de monitoreo de calidad del aire de 3 ciudades de Colombia: Bogotá, Bucaramanga y Medellín. Se evaluaron los coeficientes de correlación (R) y el índice de correspondencia (IA) con el fin de evaluar el desempeño de los dos paquetes de datos (MODIS y CAMS). El análisis indica que hay una correlación estadisticamente significativa entre MODIS, CAMS y mediciones en superficie. Estos paquetes de datos pueden ser usados para analizar la calidad del aire en Colombia y en otros paises en via de desarrollo

Empleo de datos satelitales para estimación de contaminación atmosférica por material particulado en La Habana.

Las mediciones de material particulado son importantes en calidad del aire, salud pública, estudios epidemiológicos y toma de decisiones para mediciones a corto y largo plazo. En Cuba no existen redes de monitoreo de calidad del aire. Solo en algunos puntos están instaladas estaciones de calidad de aire que miden la concentración de PM (Material Particulado). Las mediciones satelitales sirven como un enfoque alternativo para estudiar la calidad del aire. El objetivo del estudio es evaluar el empleo de datos satelitales para la estimación de contaminación atmosférica por material particulado en La Habana. La profundidad óptica del aerosol (AOD) recuperada por el sensor MODIS de los satélites TERRA y AQUA, y PM2.5 en la superficie del producto satelital MERRA-2 se usaron para comparar con las mediciones de superficie de PM10 y PM2.5 durante una campaña realizada en 2012 en tres lugares de La Habana. Se determinó la correlación lineal entre datos de satélite y de superficie, así como tres estadígrafos para evaluar correspondencia de los valores entre ambas muestras. La relación de datos del satélite con mediciones in situ concluye que: Los datos de concentración de PM2.5 en superficie del producto satelital MERRA-2 no son óptimos para la estimación de contaminación atmosférica por PM2.5, ya que se comporta de manera opuesta, la concentración de PM10 puede estimarse tanto por MODIS-TERRA como por AQUA, aunque los resultados de MODIS-AQUA son más precisos, la correlación de PM10 con MODIS-AQUA (rp = 0.60) dio un valor más alto que TERRA (rp = 0.53) y para la estimación de PM2.5, la información MODIS-TERRA puede usarse ya que la correlación calculada es rp = 0.42

Capitulo 5. Clima local y calidad de aire

La relación que existe entre las variables meteorológicas y la calidad del aire ha sido estudiada históricamente en todo el mundo. Esfuerzos por comprender la relación que existe entre estas, y como se interrelacionan para reproducir escenarios futuros y así mitigar impactos, son el objeto del estudio moderno de las ciencias ambientales aplicadas al aire como recurso vital (González et al., 2018).Todo esto centrado en describir cuantitativamente, y con precisión, la afectación del clima, frente a un momento actual cercano al punto de no retorno en términos de variabilidad y cambio climático. La regulación de la calidad del aire, junto con temáticas coyunturales como la conservación del suelo, el control de las inundaciones o avenidas torrenciales derivadas de las altas precipitaciones, agentes generadores de enfermedades, y la polinización de cultivos, representan solo algunos de los múltiples servicios a los que se les denominan “servicios de regulación”. Aunque estos servicios no se aprecian de manera tangible, o son poco perceptibles en las personas, son sensibles al desarrollo sostenible de una sociedad y su ausencia a través de procesos de deterioro o agotamiento representan un riesgo alto para los ecosistemas locales (Maass, 2016).La falta de regulación en la afectación de la calidad del aire trae como consecuencias no solo problemas propios del ambiente, también implicaciones en la salud pública que han sido identificadas por estudios en todo el mundo (WHO, 2006). Adicionalmente el deterioro de la calidad del aire afecta negativamente los sistemas productivos que sustentan la economía para algunos grupos tales como los dedicados a la agricultura, la silvicultura y la pesca (TEEB, 2017).Cabe destacar que una gran parte de las impurezas que se encuentran en el aire de los grandes centros urbanos obedecen a los gases producidos por los vehículos automotores (Madrazo & Clappier 2017). Los residuos que provienen de los gases de escape en forma de polvo y el aerosol son nocivos, además porque logran captar la radiación ultravioleta proveniente del sol haciendo que aumente la temperatura. (Tunarroza, 2002).Cada uno de los elementos que conforman un ecosistema influyen de manera directa e indirecta en el clima local y en la calidad del aire, ya sea positiva o negativamente, ejemplo de ello son los árboles quienes juegan un papel esencial gracias a su estructura y sistema biológico, permitiendo que sean capaces de generar un efecto de sombra lo que permite mantener la humedad y de esta manera regular la temperatura, además de los efectos de su proceso de fotosíntesis (Daily, 1997). Son los árboles y las plantas en general, los que se encargan de regular el aire mediante la eliminación y remoción de contaminantes presentes en la atmosfera y que además son los precursores del calentamiento global y que se denominan gases de efecto invernadero (GEI).Este capítulo deja de lado la complejidad numérica de las relaciones y modelos matemáticos que la ciencia ha planteado para describir la atmosfera y sus propiedades, por el contrario, se centra en una descripción conceptual y cualitativa de los fenómenos que se involucran en la dinámica atmosférica local, en este caso orientada a la zona centro-occidente de Colombia

Capitulo 7. Moderación de fenómenos extremos

Dentro de los servicios ecosistémicos y específicamente en aquellos denominados como los servicios de regulación se pueden apreciar los relacionados con la moderación de fenómenos extremos, estos últimos constituidos por ecosistemas y organismos que actúan como amortiguadores reduciendo los daños frente a eventos naturales adversos tales como catástrofes naturales, causantes de avalanchas, desertificación de suelos, inundaciones, movimiento y desprendimientos de tierras, sequías, tormentas, tsunamis y vórtices, entre otros.La alta variabilidad de los valores climatológicos estudiados en un fenómeno natural, hace necesario un monitoreo y por ende un pronóstico meteorológico constante para mitigar la repercusión y contribuir con la resiliencia, entendiéndose esta como la capacidad de un ecosistema de recuperarse tras fenómenos de perturbación importantes (Gunderson, 2000). La resiliencia se encuentra ligada estrechamente a la vulnerabilidad y a la exposición y constituyen lo que en el país se ha denominado como la gestión del riesgo.Actualmente existen varias organizaciones a nivel mundial con programas, plataformas y aplicaciones que muestran mapas a escala global, relacionados consistemas de información web, con distintas capas y modos para visualizar el comportamientoclimatológico de manera didáctica, revisar datos históricos, hacer pronósticos, así como evaluar y reducir riesgos y pronosticar fenómenos extremos que pudiesen materializarse en catástrofes naturales.El presente capítulo tiene como objetivo realizar una investigación sobre los sistemas de monitoreo de fenómenos meteorológicos extremos a nivel global, relacionados con sistemas de información web, y concluye con el diseño, programación e implementación de un sistema de información de datos abiertos para uso de la comunidad científica

Air pollution analysis in Northwestern South America: A new Lagrangian framework

This study examines the spatiotemporal variations of PM2.5, PM10, SO2, O3, NO, and NO2 concentrations in Northwestern South America (NWSA). We assess the efficacy of existing policies, identify underlying phenomena, and highlight areas for further research. Significant findings have emerged by analyzing reanalysis and in-situ data, employing the WRF-Chem model, and utilizing a new Lagrangian framework designed to overcome some drawbacks common to analysis of pollution Long-Range Transport. Wildfires in the first half of the year and volcanic activity (for SO2) in July–August contribute to over 90 % of the pollutant's advection, leading to high pollution levels in urban areas. SO2 volcanic emissions contribute to secondary PM, explaining the peak in PM concentrations in Cali in July. In the second half of the year, pollutant behavior varies based on factors such as city characteristics, vehicular-volume, air temperature, wind speed, and boundary layer height, and O3 is influenced by solar radiation and the NO/NO2 ratio. Diurnal variations of PM and NOx correlate with vehicular density, SO2 with industrial activity, and O3 depends on solar radiation. Trend analysis reveals decreasing PM10 levels except in three Cundinamarca cities and Cali suggesting the need to implement/evaluate control plans in those locations. Although data is limited, NO and NO2 levels show an increasing trend due to the rising number of vehicles. SO2 levels are decreasing, except in Cali, potentially influenced by the nearby industrial and polluted city of Yumbo. O3 displays a downward trend in most cities, except Bogotá, due to the NO/NO2 ratio favoring O3 increase. These findings provide a starting point for further research to deepen our understanding of NWSA air pollution. Such investigations are essential before modifying existing policies or enacting new ones. Collaborative efforts at the international, regional, and inter-city levels are crucial for effective air quality management

Servicios ecosistémicos: un enfoque introductorio con experiencias del occidente colombiano

Con el interés de transmitir y apropiar diversas comunidades en temáticas asociadas a los servicios ecosistémicos, el presente libro entrega 15 capítulos que aproximarán al lector hacia la conceptualización y apropiación de conocimientos básicos,  asociados a los diversos servicios ecosistémicos brindados generosamente por la naturaleza. El capítulo 1, Introducción al estado del arte de los servicios ecosistémicos en la región occidental colombiana, introduce al lector hacia la apropiación conceptual de los servicios ecosistémicos, contando experiencias relevantes del contexto colombiano. Los 14 capítulos posteriores también tendrán una fase introductoria, estudios de caso basados en experiencias del occidente colombiano y resultados de investigaciones realizadas por los autores. En estos capítulos, el lector encontrará información relevante sobre cuatro grupos de servicios ecosistémicos: abastecimiento, regulación, apoyo y culturales. Este libro es el resultado del arduo trabajo consolidado por un equipo interdisciplinario que, a partir de la integración de saberes y resultados de investigación, logró construir un material de lenguaje sencillo que se espera sea de gran utilidad para diversos lectores interesados en apropiarse del conocimiento básico, orientado hacia la familiarización y el compromiso con la protección de los ecosistemas y sus servicios