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78 páginas. Maestría en Ingeniería de Procesos. En la actualidad los procesos de conversión, donde se ven implicados sistemas que presentan fenómenos de transferencia de masa y reacción son numerosos, desde procesos como la destilación reactiva, absorción reactiva, bioprocesos hasta procesos novedosos que implican el uso de membranas. Con base en sus múltiples aplicaciones, en donde se destaca la búsqueda de procesos sustentables; así como procesos para el control y mitigación de contaminantes, se ha presentado un auge en el desarrollo de nuevas tecnologías, dentro de los cuales resulta de singular interés aquellos enfocados al control y mitigación de gases efecto invernadero, haciendo particular énfasis en el CO2, al ser el componente mayoritario de los gases de combustión. Entre los procesos habitualmente empleados para la reducción de las emisiones de CO2 se encuentra la absorción en una fase líquida. Sin embargo, el desarrollo de procesos alternos o el desarrollo de mejoras al proceso de absorción convencional obligan a un estudio más riguroso y a la introducción de herramientas matemáticas que coadyuven al entendimiento de los fenómenos de transporte poco convencionales implicados en dichos procesos. Tradicionalmente el estudio de la transferencia de masa, se basa en descripciones propuestas mediante la Ley de Fick, no obstante, propuestas recientes indican que para una mejor descripción de sistemas complejos, resulta conveniente el uso de modelos generalizados, como los modelos fraccionales. En este sentido, en este trabajo se propone el estudio de sistemas de reacción-transporte donde se ve implicado CO2, mediante la descripción por modelos generalizados con la consideración de dos dimensiones espaciales. En este trabajo se considera sistemas bajo de una y múltiples fases bajo la propuesta de dos casos de estudio distintos. Se desarrollan los esquemas numéricos para la simulación de los modelos propuestos mediante esquemas de diferencias finitas en modelos bidimensionales dinámicos, a la par que se desarrolla un estudio de sensibilidad paramétrica para los parámetros adicionados por los modelos generalizados, donde se aprecia que en los modelos generalizados el orden de la derivada fraccional es el parámetro de mayor relevancia definiendo el comportamiento del sistema, siendo de importancia el estudio de estos parámetros y el sentido físico del fenómeno. Los modelos propuestos pueden dar indicios a fenómenos observados mediante experimentación, donde se presentan un incremento de la reacción en geometrías porosas o mejores conversiones de los sistemas en donde la geometría es irregular, a la par de conjeturas importantes en el estudio de la fase transitoria de los procesos. Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (México).

62 páginas. Maestría en Ingeniería de Procesos. En la actualidad las industrias química y petroquímica tienen características de desarrollo tecnológico propias de haber alcanzado la madurez, disponiendo de la infraestructura y de los equipos idóneos para generar grandes cantidades de productos de interés comercial a partir de un conjunto de materias primas mediante procesos químicos o conjunto de operaciones que permiten dicha transformación y así satisfacer una gama por demás variada de condiciones y necesidades. A propósito de los equipos, el reactor se considera como el núcleo de la mayoría de los procesos químicos y petroquímicos. Se calcula que el 75% de los productos químicos se obtienen con la ayuda de catalizadores, de los cuales el 90% corresponden a reacciones catalizadas por un sólido. De los reactores que usan un catalizador sólido, los de lecho empacado son los de mayor espectro de aplicación. El lecho está conformado de pastillas catalíticas porosas, las cuales podrían presentar la mayor resistencia al transporte debido a sus características estructurales. Pero, para que se lleve a cabo la transformación química, se deben de cumplir dos etapas, a saber, difusión externa donde la fase fluida pasa a través de los espacios huecos entre pastillas catalíticas, dominando el proceso de convección, y la segunda, difusión interna, donde el reactivo se transporta desde la superficie del catalizador al interior de los poros hasta alcanzar un sitio activo, presentándose en serie procesos de transporte de masa con transformaciones químicas, es decir, interacciones reacción-transporte (RT). Por la estructura compleja del lecho y principalmente de las pastillas catalíticas, resulta virtualmente imposible realizar una descripción matemática exacta, sin embargo, se han desarrollado metodologías para tratar de explicar estos fenómenos de manera aproximada. Las más “realistas” incluyen las interacciones RT en el interior de la partícula catalítica, introduciendo una dimensión más al problema. Pero haciendo uso del concepto de factor de efectividad (FE), introducido por Thiele, se reduce la dimensionalidad de las ecuaciones, dejándolas dependientes de un solo parámetro adimensional, además, da información del desempeño de la partícula catalítica. Para su determinación, se establecen los balances de materia y energía que se combinan con las leyes constitutivas de Fick y Fourier, respectivamente, obteniéndose modelos de transporte con propiedades constitutivas. Sin embargo, las leyes constitutivas presentan dos inconvenientes; predicen una velocidad instantánea de difusión de materia o energía a tiempos cortos y, en segundo lugar, no son válidas en sistemas heterogéneos y anisotrópicos. La alternativa más popular para solventar el problema de propagación instantánea es la propuesta desde el año 1948 por Cattaneo, el cual introduce un tiempo de relajación en la primera ley de Fick, para obtener un modelo del tipo onda amortiguada, donde ahora el flujo tendrá una velocidad de difusión finita, nombrándose como ecuación de difusión de Cattaneo (EDC). Por otro lado, una manera de abordar las interacciones RT en sistemas heterogéneos, es a través de la difusión anómala la cual puede ser descrita por medio de operadores fraccionarios, los cuales son esencialmente no locales y conservan los efectos de memoria. Por lo anterior, este trabajo se propone el desarrollo de un modelo matemático a partir de la EDC mediante el reemplazo de los operadores de orden entero por los correspondientes de orden fraccional, para llegar a una generalización. Con dicho modelo de realizará el análisis de las interacciones RT en pastillas catalíticas y se cuantificará el FE, contrastando los resultados con los obtenidos de los modelos de transporte clásicos.

74 páginas. Maestría en Ingeniería de Procesos. En este trabajo se propone el uso de esquemas numéricos basados en las formulaciones de ecuaciones integrales (FEI) para la simulación de modelos de pruebas de trazadores. Las formulaciones integrales son generadas a partir de la inversión analítica de los operadores diferenciales que describen las pruebas de trazadores, lo cual conduce a esquemas numéricos con mejores propiedades numéricas que los esquemas tradicionales. Además, dada la estructura matemática de las FEI, es posible identificar las contribuciones individuales de las interacciones individuales del sistema reacción-transporte, esto es, por separado a los fenómenos de transporte, las reacciones químicas, las condiciones de frontera y los efectos de acumulación dinámica. Para ilustrar las ventajas de las FEI, se consideran dos casos de estudio generales de modelos de pruebas de trazadores en yacimientos naturalmente fracturados, donde intervienen interacciones de tipo reacción-difusión y reacción-difusión-convección. Los resultados obtenidos indican que los esquemas numéricos basados en las FEI son sistemáticos y de fácil aplicación en los modelos de pruebas de trazadores, mejoran las aproximaciones numéricas hasta 4 órdenes de magnitud comparados con los esquemas de DF y reducen los tiempos de cómputo significativamente.