Elaboració de materials docents interactius en enginyeria química: bescanviadors de calor

Peer Reviewe

Elaboració de materials docents interactius aplicats a l'experimentació en enginyeria química

Peer Reviewe

Contribuición al estudio de la operación de destilación discontinua mediante simulación

El treball presentat en aquesta tesi pretén contribuir a l'estudi mediambiental de la limitació de les emissions de components orgànics volàtils (VOCs), degudes a l'ús de dissolvents orgànics en determinades activitats i instal·lacions industrials, mitjançant la tècnica de la destil·lació discontinua o batch. Amb aquest objectiu s'ha treballat amb un model matemàtic senzill, basat en els balanços de matèria i en les relacions d'equilibri líquid-vapor, que permeti d'una forma ràpida predir la separació per destil·lació batch de mescles líquides de VOCs. El llenguatge de programació utilitzat ha estat el Fortran 77. Per a poder comprovar la bondat del model en diversos escenaris i la seva eventual millora i validació, s'ha realitzat el muntatge i la posta a punt d' una planta pilot de destil·lació batch.El model s'ha aplicat en primer lloc a la simulació d'una mescla binària (metanol-aigua), per a poder estudiar el seu comportament en la predicció de la separació per destil·lació batch dels components. Les simulacions realitzades amb el model s'han comparat amb els experiments realitzats en la planta pilot i amb el simulador comercial Batchsim de Pro/II. La mescla metanol-aigua s'ha escollit especialment per a realitzar la posta a punt de la planta pilot, on la mescla citada és la primera que s'experimenta en la planta. Després d'estudiar la mescla binària, el model s'ha aplicat a una mescla ternària (ciclohexà toluè-clorobenzè). Els resultats obtinguts mitjançant la simulació del model s'han comparat amb els experiments realitzats en la planta pilot i amb el simulador Batchsim de Pro/II, per poder estudiar la capacitat de predicció del model a escala industrial.Una vegada estudiat el model i la seva validació per a mescles reals sense azeòtrop, el següent pas ha estat estudiar si el model és capaç de predir el comportament de mescles azeotròpiques binàries. Així, el model s'ha aplicat a un azeòtrop binari de mínim punt d' ebullició (toluè-n-butanol). A l'igual que en les mescles anteriors estudiades, els resultats obtinguts per simulació amb la mescla azeotròpica s'han comparat amb els resultats experimentals obtinguts en la planta pilot i amb el simulador Batchsim de Pro/II.En l'última part del treball s'estudia la resolució de l'azeòtrop toluè-n-butanol mitjançant l' addició d' n-octanol. Els resultats obtinguts per simulació es comparen amb els obtinguts experimentalment i amb el simulador Batchsim de Pro/II.Després d'estudiar l'aplicació del model senzill a les diferents mescles, es pot concloure que el model utilitzat és una eina útil i vàlida que permet estudiar la separació de mescles binàries i multicomponents per destil·lació batch, així como mescles azeotròpiques binàries. Permet col·laborar en la reutilització de compostos orgànics volàtils, com els dissolvents, i en l'estudi de descàrrega zero en les indústries químiques de procés discontinu, en especial en el sector de la química fina. Aquestes indústries han de disposar de models senzills i de resposta ràpida, com el presentat en aquesta tesi, per poder fer front a les normatives ambientals cada vegada més estrictes.Per altra banda, les característiques del model el fan apropiat per al càlcul del temps d' operació de separació per destil·lació batch, en programes de seqüenciació òptima d' operacions de processos batch. Els programes informàtics realitzats en aquesta tesi pretenen contribuir a la resolució de problemes de programació d'operacions (scheduling), dins de la planificació de la producció (planning) de plantes discontinues.El trabajo presentado en esta tesis pretende contribuir al estudio medioambiental de la limitación de las emisiones de componentes orgánicos volátiles (VOCs), debidas al uso de disolventes orgánicos, en determinadas actividades e instalaciones industriales, mediante la técnica de la destilación discontinua o batch. Para ello se ha trabajado con un modelo matemático sencillo, basado en los balances de materia y en las relaciones de equilibrio líquido-vapor, que permita de una forma rápida predecir la separación por destilación batch de mezclas líquidas de VOCs. El lenguaje de programación utilizado ha sido el Fortran 77. Para poder comprobar la bondad del modelo en diversos escenarios y su eventual mejora y validación, se ha realizado el montaje y la puesta a punto de una planta piloto de destilación batch.El modelo se ha aplicado en primer lugar a la simulación de una mezcla binaria (metanol-agua), para poder estudiar su comportamiento en la predicción de la separación por destilación batch de los componentes. Las simulaciones realizadas con el modelo se han comparado con los experimentos realizados en la planta piloto y con el simulador comercial Batchsim de Pro/II. La mezcla metanol-agua se ha escogido especialmente para realizar la puesta a punto de la planta piloto, donde dicha mezcla es la primera que se experimenta en la planta. Después de estudiar la mezcla binaria, el modelo se ha aplicado a una mezcla ternaria (ciclohexano-tolueno-clorobenceno). Los resultados obtenidos mediante la simulación del modelo se han comparado con las experiencias realizadas en la planta piloto y con el simulador Batchsim de Pro/II, para poder estudiar la capacidad de predicción del modelo a escala industrial.Una vez estudiado el modelo y su validación para mezclas reales sin azeótropo, el siguiente paso ha sido estudiar si el modelo es capaz de predecir el comportamiento de mezclas azeotrópicas binarias. Para ello, el modelo se ha aplicado a un azeótropo binario de mínimo punto de ebullición (tolueno-n-butanol). Al igual que en las mezclas anteriores estudiadas, los resultados obtenidos por simulación con la mezcla azeotrópica se han comparado con los resultados experimentales obtenidos en la planta piloto y con el simulador Batchsim de Pro/II.En la última parte del trabajo se estudia la resolución del azeótropo tolueno-n-butanol mediante la adición de n-octanol. Los resultados obtenidos por simulación se comparan con los obtenidos experimentalmente y con el simulador Batchsim de Pro/II.Después de estudiar la aplicación del modelo sencillo a las distintas mezclas, se puede concluir que el modelo utilizado es una herramienta útil y válida que permite estudiar la separación de mezclas binarias y multicomponentes por destilación batch, así como mezclas azeotrópicas binarias. Permite colaborar en la reutilización de compuestos orgánicos volátiles, como los disolventes, y en el estudio de descarga cero en las industrias químicas de proceso discontinuo, en especial en el sector de química fina. Estas industrias deben disponer de modelos sencillos y de respuesta rápida, como el presentado en esta tesis, para poder hacer frente a las normativas ambientales cada vez más estrictas.Por otro lado, las características del modelo lo hacen apropiado para el cálculo de tiempos de operación de separación por destilación batch, en programas de secuenciación óptima de operaciones de procesos batch. Los programas informáticos realizados en esta tesis pretenden contribuir a la resolución de problemas de programación de operaciones (scheduling), dentro de la planificación de la producción (planning) de plantas discontinuas.The work presented in this thesis pretends to be a contribution to the environmental study of the limitation of the emissions from volatile organic compounds (VOCs), due to the use of organic solvents, in certain activities and industrial installations, by discontinuous or batch distillation.A simplified mathematic model based on mass balances and vapor-liquid equilibrium has been used to predict the separation of liquid mixtures of VOCs by batch distillation. The model has been implemented in Fortran 77. A pilot plant of batch distillation has been constructed in order to validate the results obtained by simulation with the model.First the model has been applied to the simulation of a binary mixture (methanol-water), in order to study the degree of separation of the components in the mixture. The results obtained with the model have been compared with those obtained in the pilot plant and with the commercial simulator Batchsim of Pro/II. The methanol-water mixture is the first mixture that has been experimented in the pilot plant and has served for the start-up of the pilot plant.After the binary mixture has been successfully studied, the model has been applied to a ternary mixture (cyclohexane-toluene-chlorobenzene). The results obtained by simulation have been compared with the experiences in the pilot plant and with the simulator Batchsim of Pro/II, in order to study the capacity of the model to describe industrial situations.Once the model has been validated for real mixtures without azeotrope, the model has been applied to a binary azeotropic mixture with a minimum boiling point (toluene-n-butanol) in order to study if the model can predict the behavior of this kind of mixtures. Also, the results obtained with the model have been compared with those obtained in the pilot plant and with those obtained with the simulator Batchsim of Pro/II.In the last part of the thesis, the resolution of the binary azeotrope toluene-n-butanol has been studied with the simplified model, by adding n-octanol. The results obtained by simulation have been compared with those obtained in the pilot plant and those obtained with the simulator Batchsim of Pro/II. It can be concluded that the simplified model is a useful and valid tool that permits the study of the separation of binary and multicomponent mixtures by batch distillation, and also binary azeotropic mixtures. The model permits to contribute to the reuse of volatile organic compounds, like solvents, and to study zero discharge in the batch chemical industries, specially in the industry of fine chemicals. These kind of industries need simplified and quick models, like the model presented in this thesis, in order to accomplish environmental restrictions.The simplified model is also interesting for being applied to calculate operation times in batch process scheduling and in this way to contribute to a better planning of industrial plants.Postprint (published version

Optimization of oxygen transfer through venturi-based systems applied to the biological sweetening of biogas

Peer ReviewedPostprint (published version

Optimization of SO2 and NOx sequential wet absorption in a two-stage bioscrubber for elemental sulfur valorisation

Removal of SO2 and NOX from flue gases has become an important issue in air pollution control. A two-stage bioscrubber based on a sequential wet absorption of SO2 and NOx followed by a two-stage biological process has been proposed in order to valorise SO2 and NOx by elemental sulphur production. Biological process characterization established a maximum sulfate loading rate (5 kg S·m-3·d-1) and an optimal COD/S ratio (5.4 g O2·g S-1) in order to maximize elemental sulfur production and to avoid biological process limitations. Absorption of SO2 and NOx species is highly dependent on the absorption effluents compositions. In this sense, the success of the two-stage bioscrubber process lies in an optimal sequential transfer of pollutants to the liquid. Differences in the solubility of pollutants enable the individual absorption of pollutants in two in-series scrubbers operated under different pH and residence time conditions. In addition, the use of secondary effluents from the reduction-oxidation biological process as absorbent was demonstrated as a key parameter to improve the efficiency and reduce operating costs.Peer ReviewedPostprint (published version

Effect of biomass density on oxygen diffusivity measured inside biofilms with a MEA Sensor

The optimization of biofiltration technologies can be addressed improving the knowledge of the process taking place within biofilms, mainly biokinetics and mass transport. Biokinetics are usually defined using different methodologies, such as respirometric and titrimetric tests. Mass transport within biofilms is usually described as diffusion through a homogeneous phase, despite it is accepted that biofilms are very heterogeneous. Thus, a quantitative understanding of how biofilm structure is linked to mass transport is essential to develop reliable models. For this purpose different works have collected the results of various diffusion studies, proposing correlations between biofilm density and mass transport. However the reliability of these correlations, widely used in modeling works, is under suspect because data used in their construction are highly dependent on the experimental conditions where they were obtained. The goal of this paper was to experimentally quantify the effective diffusivity inside biofilms, using a specific microsensor, as function of biomass density, for a specific microbial population and substrate. In addition, biofilm diffusivity was measured at different hydrodynamic conditions. Combining both studies, an equation for the calculation of biofilm diffusivity, considering biomass density and liquid phase velocity, was proposed.Peer ReviewedPostprint (published version

Evaluation of mass transfer coefficients in biotrickling filters: experimental determination and comparison to correlations

This is the pre-peer reviewed version of the following article: Dorado, A.D. [et al.]. Evaluation of mass transfer coefficients in biotrickling filters: experimental determination and comparison to correlations. "Chemical engineering and technology", Setembre 2009, vol. 32, núm. 12, p. 1941-1950, which has been published in final form at https://doi.org/10.1002/ceat.200900275. This article may be used for non-commercial purposes in accordance with Wiley Terms and Conditions for Use of Self-Archived Versions.Overall mass transfer coefficients (KGa and KLa) were determined experimentally for four different-nature packing materials used in gas-phase biotrickling filters. A simple methodology based on overall mass balances and following a standard procedure allowed to calculate the mass transfer coefficients under different operating conditions corresponding to usual biotrickling filtration situations. Results showed an increase of mass transfer resistance when increasing the empty bed residence time (EBRT) of the reactor for all packing materials. Experimental results were fitted to existing and well-accepted correlations used in conventional biofilter or biotrickling filter modeling. The comparison of experimental and theoretical data showed huge discrepancies. Simple correlations for the experimental data obtained in this study were also suggested.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Evaporación

Postprint (author’s final draft

Dynamic characterization of external and internal mass transport in heterotrophic biofilms from microsensors measurements

Peer ReviewedPreprin

Elaboració de materials docents interactius aplicats a l’experimentació en bioenginyeria

En aquest projecte s’han elaborat pràctiques interactives de bioenginyeria a través de dues pàgines web, on hi ha continguts, fotos i vídeos del desenvolupament de cada pràctica, així com tests d’autoavaluació. Aquest material ha de facilitar la formació de l’estudiantat abans que entri en el laboratori. L’objectiu de la pàgina web de “Transferència de matèria” és facilitar a l’estudiantat l’estudi experimental d’un equip en planta pilot associat a la biofiltració, que és una tècnica de bioenginyeria innovadora. Es determina experimentalment la concentració d'oxigen dissolt en l'aigua, mitjançant un ejector Jet Venturi i un difusor de membrana, per veure l'efecte que tenen en la transferència de matèria. La planta pilot ha estat utilitzada recentment en l’àmbit de la recerca, cosa que permetrà a l’estudiantat l’apropament entre la recerca i la docència. L’objectiu de la pàgina web del “Fermentador” és facilitar a l’estudiantat l’estudi experimental d’un fermentador en planta pilot, equip bàsic en qualsevol procés biotecnològic industrial. S’hi experimenta el creixement d’una soca bacteriana en cultiu discontinu, i se’n determinen els paràmetres cinètics. En cadascuna de les pàgines web hi trobarem els apartats següents: Introducció, Fonaments teòrics, Descripció de la planta, Procediment experimental amb diferents vídeos incorporats, Test d’autoavaluació per tal que l’estudiantat pugui seguir el seu aprenentatge, i finalment Nomenclatura i Referències.Peer Reviewe