Revista Facultad de Ingeniería

Residuos urbanos, agrícolas y pecuarios en el contexto de las biorrefinerías

Resumen La generación de residuos se está incrementando a nivel global y su deficiente aprovechamiento provoca serios problemas ambientales, económicos y sociales. El objetivo del presente trabajo fue analizar el estado del arte de los residuos sólidos urbanos, agrícolas y pecuarios en cuanto a cantidad y composición, así como analizar el concepto de biorrefinerías desde su diseño como una alternativa sostenible para el aprovechamiento de materias primas residuales. La consulta de la información se realizó en diferentes bases de datos como Web of Science, Scopus y Google Scholar. El análisis de la información permitió identificar que los residuos se producen en cantidades considerables y poseen compuestos orgánicos de valor, que son aprovechados en mayor o menor proporción de acuerdo con factores tecnológicos, culturales y socio-económicos en cada región particular. Son necesarias nuevas políticas para la gestión integral de los residuos sólidos que integren el concepto de biorrefinerías desde la generación y separación en la fuente hasta su aprovechamiento y disposición final. La implementación adecuada de procesos físicos, termoquímicos, químicos y biológicos bajo el concepto de biorrefinerías puede recuperar o transformar de forma integral las materias primas residuales para la obtención de productos como biocombustibles, alimentos y energía. Se hace necesario diseñar biorrefinerías para determinar su viabilidad en el aprovechamiento de los residuos. Explorar este tipo de alternativas evaluando diferentes factores (tecno-económico, ambiental y social), puede apoyar la toma de decisiones de inversión e investigación en tecnologías de aprovechamiento para ser implementadas a pequeña o gran escala en regiones de Colombia y el mundo con gran disponibilidad de residuos.

Abstract The generation of waste is increasing globally and its poor utilization causes serious environmental, economic and social issues. The aim of this work was to analyze the state of the art on urban, agricultural and livestock solid waste in terms of quantity and composition, as well as to analyze the concept of biorefineries from the viewpoint of their design as a sustainable alternative for the use of residual raw materials. The information was consulted in different databases such as Web of Science, Scopus, and Google Scholar. The analysis of the information identified that the residues are produced in considerable amounts and have valuable organic compounds, which are used to a greater or lesser extent according to technological, cultural, and socio-economic factors in each specific region. New policies are needed for the integral management of solid waste that integrates the concept of biorefineries from the generation and separation at the source to its utilization and final disposal. The proper implementation of physical, thermochemical, chemical, and biological processes under the concept of biorefineries can recover or transform in an integral way the residual raw materials to obtain products such as biofuels, food, and energy. Designing biorefineries to determine their viability for waste utilization is required. Exploring this type of alternatives by evaluating different factors (techno-economic, environmental, and social) may support the decision making of investment and research in utilization technologies to be implemented on a small or large scale in regions of Colombia and the world with great waste availability.

Resumo A geração de resíduos está incrementando-se a nível global e seu deficiente aproveitamento provoca sérios problemas ambientais, econômicos e sociais. O objetivo do presente trabalho foi analisar o estado da arte dos resíduos sólidos urbanos, agrícolas e pecuários referente a quantidade e composição, assim como analisar o conceito de biorrefinarias desde seu desenho como uma alternativa sustentável para o aproveitamento de matérias primas residuais. A consulta da informação realizou-se em diferentes bases de dados como Web of Science, Scopus e Google Scholar. A análise da informação permitiu identificar que os resíduos se produzem em quantidades consideráveis e possuem compostos orgânicos de valor, que são aproveitados em maior ou menor proporção de acordo com fatores tecnológicos, culturais e socioeconômicos em cada região particular. São necessárias novas políticas para a gestão integral dos resíduos sólidos que integrem o conceito de biorrefinarias desde a geração e separação na fonte até seu aproveitamento e disposição final. A implementação adequada de processos físicos, termoquímicos, químicos e biológicos sob o conceito de biorrefinarias pode recuperar ou transformar de forma integral as matérias primas residuais para a obtenção de produtos como biocombustíveis, alimentos e energia. É conveniente desenhar biorrefinarias para determinar sua viabilidade no aproveitamento dos resíduos. Explorar este tipo de alternativas avaliando diferentes fatores (tecno-econômico, ambiental e social), pode apoiar a tomada de decisões de investimento e pesquisa em tecnologias de aproveitamento para serem implementadas a pequena ou grande escala em regiões da Colômbia e do mundo com grande disponibilidade de resíduos.

Modelamiento estadístico y optimización del proceso de cianuración de un mineral aurífero

Resumen En este trabajo se buscó identificar las condiciones y variables óptimas de operación para el procesamiento de un mineral de oro, de tal forma que se alcanzara una alta eficiencia en la recuperación del metal precioso. Inicialmente se llevó a cabo una caracterización del mineral en estudio con la realización de diferentes ensayos de laboratorio. Igualmente se ejecutó un ensayo de moliendabilidad. A la vez, una muestra de mineral fue clasificada mediante una serie de tamices Tyler. Después, el material fue sometido a concentración gravimétrica en mesa Wilfley. Los finos, producto de la concentración, con una granulometría 100 % pasante 170 mallas Tyler, fueron sometidos a pruebas de flotación convencional. De esta forma, con el fin de optimizar la recuperación del oro del mineral aurífero en estudio, se aplicó un diseño experimental de análisis factorial 2k con punto central, tres variables y el método de superficie de respuesta para determinar los parámetros óptimos con el fin de lograr una recuperación eficiente durante la cianuración. Los resultados obtenidos mostraron que el mineral presenta un alto grado de lixiviabilidad en cianuro, lográndose una recuperación del oro del 89.35 %. De acuerdo con esto, se corroboró que el diseño experimental estadístico es una herramienta valiosa para el procesamiento eficiente de los minerales, dado que permite encontrar los parámetros óptimos del proceso de cianuración, como son el tiempo de lixiviación, la granulometría del mineral y la concentración de NaCN. Los resultados conseguidos con la aplicación del diseño estadístico en las pruebas de cianuración posibilitaron determinar las condiciones óptimas de operación para una máxima recuperación de oro.

Abstract In this paper, we have sought to identify the conditions and optimal operating variables for the processing of a gold ore, in such a way to achieve high efficiency in the recovery of the precious metal. Initially a characterization of the mineral under study was carried out with the performance of different laboratory tests. Likewise, a grinding test was made. In the same way, a sample of ore was classified using a series of Tyler sieves. Next, the material was subjected to gravimetric concentration on a Wilfley concentrator table. The fines, product of the concentration, with a 100 % granulometry through 170 Tyler meshes, were subjected to conventional flotation tests. In this way, to optimize the recovery of gold from the gold ore under study, an experimental design of 2k factorial analysis with central point, three variables and the response surface method was applied to determine the optimal parameters to achieve an efficient recovery during cyanidation. The results obtained show that the mineral has a high degree of cyanide leachability, obtaining a gold recovery of 89.35 %. The research demonstrated that the statistical experimental design is a valuable tool for the efficient processing of the minerals, since it allows finding the optimal parameters of the cyanidation process such as the leaching time, the granulometry of the mineral and the concentration of NaCN. The results obtained with the application of the statistical design in the cyanidation tests allowed determining the optimal operating conditions for a maximum gold recovery.

Resumo Neste trabalho buscou-se identificar as condições e variáveis ótimas de operação para o processamento de um mineral de ouro, de tal forma que se alcançará uma alta eficiência na recuperação do metal precioso. Inicialmente foi realizada uma caracterização do mineral em estudo com a realização de diferentes ensaios de laboratório. Igualmente executou-se um ensaio de moagem. Ao mesmo tempo, uma amostra de mineral foi classificada mediante uma série de crivos Tyler. Depois, o material foi submetido a concentração gravimétrica em mesa Wilfley. Os finos, produto da concentração, com uma granulometria 100 % passante 170 malhas Tyler, foram submetidos a provas de flotação convencional. Desta forma, com o fim de otimizar a recuperação do ouro do mineral aurífero em estudo, aplicou-se um desenho experimental de análise fatorial 2k com ponto central, três variáveis e o método de superfície de resposta para determinar os parâmetros ótimos com o fim de lograr uma recuperação eficiente durante a cianetação. Os resultados obtidos mostraram que o mineral apresenta um alto grau de lixiviabilidade em cianeto, logrando-se uma recuperação do ouro de 89.35 %. De acordo com isto, corroborou-se que o desenho experimental estatístico é uma ferramenta valiosa para o processamento eficiente dos minerais, dado que permite encontrar os parâmetros ótimos do processo de cianetação, como são o tempo de lixiviação, a granulometria do mineral e a concentração de NaCN. Os resultados conseguidos com a aplicação do desenho estatístico nas provas de cianetação possibilitaram determinar as condições ótimas de operação para uma máxima recuperação do ouro.

Gasificación de carbón, biomasa de Chenopodium album, y cogasificación de una mezcla de carbón y biomasa mediante análisis termogavimétrico de gases

Abstract Gasification studies were performed on sub-bituminous coal of the province Centro in Boyacá state of Colombia, vegetable biomass Chenopodium album (cenizo) and co-gasification of coal-biomass mixtures agglomerated with paraffin in a thermogravimetric analyzer. Biomass synergistically promoted thermochemical transformation of the coal was observed. Experimental results were compared to equilibrium composition simulations. Ash fusibility tests of the coal-biomass mixture were carried out, which allowed to clarify its behavior, such as dry or fluid ash according to own chemical composition, during the gasification process. The experimental tests allowed determining the differences in thermal decomposition, between coal, cenizo and coal-biomass blend, which are attributable to the physicochemical properties of each one solid fuel. During the tests, gas chromatography analyses were performed to establish the compositions of the syngas. The syngas obtained from biomass had the highest concentration of CO and the lowest H2; the coal and the coal-biomass mixture were slightly minor respectively. Concentrations of CH4, CO2 and C2H4 were similar between coal and biomass. This result is consistent with the higher calorific value of the coal syngas. The production of syngas from the coal-biomass mixture had the lowest contents of H2 and CO due to synergistic phenomena that occur with the fuel mixture. The co-gasification of the mixture gave the highest syngas production, carbon conversion, and thermal efficiency. These results indicate the viability of co-gasification of coal-Chenopodium album agglomerated mixtures. In gasification of non-agglomerated mixtures of coal-cenizo, the biomass can be burned directly without producing syngas.

Resumen Se llevaron a cabo estudios de gasificación con carbón subituminoso de la provincia Centro del departamento de Boyacá (Colombia), biomasa vegetal de Chenopodium album (cenizo) y de cogasificación de mezclas de carbón-biomasa, aglomerada con parafina en un analizador termogravimétrico. Se observó que la biomasa promovió sinergéticamente la transformación termoquímica del carbón. Los resultados experimentales fueron comparados con simulaciones de la composición de equilibrio. Se realizaron pruebas de fusibilidad de cenizas de la mezcla carbón-biomasa, que permitieron determinar si se comportarían como cenizas secas o fluidas durante el proceso de gasificación, de acuerdo con la composición química. A partir de la experimentación fue posible establecer diferencias entre la descomposición térmica del carbón, el cenizo y la mezcla de carbón-biomasa, las cuales son atribuibles a las propiedades fisicoquímicas de cada combustible sólido. Para precisar la composición del syngas producido durante las pruebas, se hicieron análisis de cromatografía de gases. El syngas obtenido a partir de la biomasa tuvo la concentración más alta de CO y la más baja de H2; el carbón y la mezcla carbón-biomasa tuvieron concentraciones ligeramente menores. Las concentraciones de CH4, CO2 y C2H4 fueron similares entre el carbón y la biomasa. Este resultado es consistente con el valor calorífico alto del syngas obtenido a partir del carbón. La producción del syngas de la mezcla carbón-biomasa presentó los valores más bajos en los contenidos de H2 y CO, debido al fenómeno sinergético que ocurre con la mezcla del combustible. La cogasificación de la mezcla carbón-biomasa dio la mayor producción de gas, de eficiencia en la conversión de carbón y de eficiencia térmica. Estos resultados indican la viabilidad del proceso de cogasificación de mezclas aglomeradas de carbón con Chenopodium album. En gasificación de mezclas no aglomeradas de carbón-cenizo, la biomasa puede quemarse directamente sin producir syngas.

Resumo Realizaram-se estudos de gaseificação com carvão sub-betuminoso da província Centro do departamento de Boyacá (Colômbia), biomassa vegetal de Chenopodium album (caçador) e de cogaseificação de misturas de carvão-biomassa, aglomerada com parafina em um analisador termogravimétrico. Observou-se que a biomassa promoveu sinergeticamente a transformação termoquímica do carvão. Os resultados experimentais foram comparados com simulações da composição de equilíbrio. Realizaram provas de fusibilidade de cinzas da mistura carvão-biomassa, que permitiram determinar se comportar-se-iam como cinzas secas ou fluídas durante o processo de gaseificação, de acordo com a composição química. A partir da experimentação foi possível estabelecer diferenças entre a decomposição térmica do carvão, o caçador e a mistura de carvão-biomassa, as quais são atribuíveis às propriedades físico-químicas de cada combustível sólido. Para precisar a composição do syngas produzido durante as provas, realizaram-se análises de cromatografia de gases. O syngas obtido a partir da biomassa teve a concentração mais alta de CO e a mais baixa de H2; o carvão e a mistura carvão-biomassa tiveram concentrações ligeiramente menores. As concentrações de CH4, CO2 e C2H4 foram similares entre o carvão e a biomassa. Este resultado é consistente com o valor calorífico alto do syngas obtido a partir do carvão. A produção do syngas da mistura carvão-biomassa apresentou os valores mais baixos nos conteúdos de H2 e CO, devido ao fenômeno sinergético que ocorre com a mistura do combustível. A cogaseificação da mistura carvão-biomassa deu a maior produção de gás, de eficiência na conversão de carvão e de eficiência térmica. Estes resultados indicam a viabilidade do processo de cogaseificação de misturas aglomeradas de carvão com Chenopodium album. Em gaseificação de misturas não aglomeradas de carvão-caçador, a biomassa pode queimar-se diretamente sem produzir syngas.

Ecosistema para el despliegue y manejo de laboratorios virtuales basado en el estándar IMS LTI

Abstract The advancement of information and communication technologies occurs due to the evolutionary capacity of computer equipment as well as the existence of increasingly sophisticated tools and applications. Virtual laboratories, a flexible tool which allows to design, simulate, model and test through experimentation real-life processes, are an example. Virtual laboratories have a great impact on engineering as they improve accessibility to experiments, facilitating the development of strategies in the field of education; they include interactive ways to observe, illustrate, demonstrate and investigate, aside from support system users in the elaboration and exchange of results. For this reason, the experience reflected in this article highlights the design and implementation of an ecosystem for the deployment and management of virtual laboratories, based on the IMS Learning Tools Interoperability standard. In this process, the methods and technologies applicable to the development of virtual laboratories are characterized with an instructional model for experimental environments that identifies the scope of the procedure and the technical criteria, taking into account LabManager, WebLabDeusto and LMS Sakai, and finally the installation and configuration of the cloud platform and the laboratory prototype that responds to the proposed ecosystem.

Resumen El avance de las tecnologías de la información y la comunicación se debe a la capacidad evolutiva de los equipos informáticos, así como a la existencia de herramientas y aplicaciones cada vez más sofisticadas. Un ejemplo son los laboratorios virtuales, herramienta flexible que permite diseñar, simular, modelar y probar a través de procesos de experimentación de la vida real. Los laboratorios virtuales tienen gran impacto en la ingeniería, ya que mejoran la accesibilidad a los experimentos, facilitando el desarrollo de estrategias en el campo de la educación; incluyen formas interactivas para observar, ilustrar, demostrar e investigar, además de apoyar a los usuarios del sistema en la elaboración y el intercambio de resultados. Por este motivo, la experiencia reflejada en este artículo destaca el diseño y la implementación de un ecosistema para el despliegue y la gestión de laboratorios virtuales, basado en el estándar de interoperabilidad de herramientas de aprendizaje IMS. En este proceso, los métodos y tecnologías aplicables al desarrollo de laboratorios virtuales se caracterizan con un modelo de instrucción para entornos experimentales, que identifica el alcance del procedimiento y los criterios técnicos, teniendo en cuenta LabManager, WebLabDeusto y LMS Sakai, y, finalmente, la instalación y configuración de la plataforma en la nube y el prototipo de laboratorio que responde al ecosistema propuesto.

Resumo O avanço das tecnologias da informação e a comunicação deve-se à capacidade evolutiva dos equipamentos informáticos, assim como à existência de ferramentas e aplicações cada vez mais sofisticadas. Um exemplo são os laboratórios virtuais, ferramenta flexível que permite desenhar, simular, modelar e provar através de processos de experimentação da vida real. Os laboratórios virtuais têm grande impacto na engenharia, já que melhoram a acessibilidade aos experimentos, facilitando o desenvolvimento de estratégias no campo da educação; incluem formas interativas para observar, ilustrar, demonstrar e pesquisar, além de apoiar aos usuários do sistema na elaboração e no intercâmbio de resultados. Por este motivo, a experiência refletida neste artigo destaca o desenho e a implementação de um ecossistema para a implantação e a gestão de laboratórios virtuais, baseado no estândar de interoperabilidade de ferramentas de aprendizagem IMS. Neste processo, os métodos e tecnologias aplicáveis ao desenvolvimento de laboratórios virtuais caracterizam-se com um modelo de instrução para entornos experimentais, que identifica o alcance do procedimento e os critérios técnicos, considerando LabManager, WebLabDeusto e LMS Sakai, e, finalmente, a instalação e configuração da plataforma na nuvem e o protótipo de laboratório que responde ao ecossistema proposto.

Estudio numérico y comparativo del efecto de turbulencia en codos y dobleces para distribución de agua sanitaria

Resumen En este artículo se presenta el estudio numérico y comparativo del efecto de turbulencia en codos y dobleces para diámetros de una pulgada, mediante CFD y bajo las mismas condiciones de trabajo (velocidad, presión y temperatura), para determinar la fluctuación en la turbulencia de energía cinética entre estos dos accesorios variando los modelos de turbulencia. Se emplearon dos metodologías para esta investigación, kappa-épsilon (k- ε) y kappa-omega (k-ω). El método (k- ε) se divide en tres modelos: estándar, RNG y realizable, en los cuales se genera turbulencia de energía cinética y de disipación. El método (k-ω) también posee tres variantes: estándar, SST, BSL. El trabajo presenta una mayor turbulencia para el método de (k- ε) en energía cinética y de disipación bajo el modelo estándar tanto para codo como doblez, mientras que en el método (k-ω) se produce una mayor turbulencia de energía cinética en el modelo BSL para ambos accesorios, al igual que en el método (k- ε), el modelo estándar de (k-ω) representa una mayor turbulencia de frecuencia.

Abstract This article presents the numerical and comparative study of the effect of turbulence on elbows and bends for the parameters of an inch, by means of CFD and under the same working conditions (velocity, pressure and temperature), to determine the fluctuation in turbulence of kinetic energy between these two accessories varying the turbulence models. Two methodologies were used for this investigation, kappa-epsilon (k-ε) and kappa-omega (k-ω). The method (k- ε) is divided into three models: standard, RNG and realizable, in which turbulence of kinetic energy and of dissipation is transformed. The method (k-ω) also has three variants: standard, SST, BSL. The work presents a greater turbulence for the method of (k- ε) in kinetic energy and dissipation under the standard model for both elbow and bend, while in the method (k-ω) there is a greater turbulence of kinetic energy in the BSL model for both accessories, as in the method (k-ε) the standard model of (k-ω) represents a greater frequency turbulence.

Resumo Neste artigo apresenta-se o estudo numérico e comparativo do efeito de turbulência em joelhos e dobras para diâmetros de uma polegada, mediante CFD e sob as mesmas condições de trabalho (velocidade, pressão e temperatura), para determinar a flutuação na turbulência de energia cinética entre estes dois acessórios variando os modelos de turbulência. Foram empregadas duas metodologias para esta pesquisa, kappa-épsilon (k- ε) e kappa-ômega (k-ω). O método (k- ε) divide-se em três modelos: estândar, RNG e realizável, nos quais se gera turbulência de energia cinética e de dissipação. O método (k-ω) também possui três variantes: estândar, SST, BSL. O trabalho apresenta uma maior turbulência para o método de (k- ε) em energia cinética e de dissipação sob o modelo estândar tanto para joelho como dobra, enquanto que no método (k-ω) se produz uma maior turbulência de energia cinética no modelo BSL para ambos os acessórios, ao igual que no método (k- ε), o modelo estândar de (k-ω) representa uma maior turbulência de frequência.

Estrategia anti-windup por recálculo y seguimiento en controladores PID difusos directos

Resumen Recientemente, los controladores PID difusos directos han venido adquiriendo importancia en aplicaciones de procesos continuos con orientación industrial, debido a que pueden reemplazar directamente el PID convencional dentro del lazo de control y a que su comportamiento no lineal presenta un adecuado desempeño en tareas de control aplicadas a procesos no lineales. Sin embargo, todos los controladores PID son afectados por el fenómeno denominado windup, el cual degrada el desempeño del controlador debido a la saturación de los actuadores a causa de la acumulación de error en la componente integral. En este artículo se presenta una propuesta de esquema anti-windup basado en recálculo y seguimiento, para el cual se calcula la constante de seguimiento a través de los parámetros de sintonización del controlador PID difuso. El método de sintonización empleado para este documento consiste en el ajuste de la superficie de control por medio de las ganancias de escala de las arquitecturas consideradas. Adicionalmente, la validación del desempeño del método anti-windup propuesto se realiza por medio de un análisis comparativo con otras técnicas clásicas que permiten evitar este fenómeno. La estrategia planteada muestra un desempeño adecuado frente a cambios en la referencia y rechazo a perturbaciones sin ajustar parámetros adicionales a las ganancias de escala; así mismo, el análisis del esfuerzo de control indica que la estrategia sugerida produce acciones de control menores que en los otros casos considerados. Por lo tanto, debido a la creciente popularidad de los sistemas difusos en la industria y a la simplicidad de algunos métodos de diseño, la estrategia propuesta puede ser fácilmente implementable en diferentes reguladores industriales.

Abstract Recently, direct fuzzy PID controllers have been used more frequently in industrial continuous process applications, because they can replace the conventional PID within the control loop, since its non-linear behavior, presents an adequate performance in control tasks applied to processes nonlinear. However, PID controllers are affected by the phenomenon called windup which degrades the performance of the controller to the accumulation of error in the integral component. This article presents a proposal of an anti-windup scheme based on back calculation and tracking, for which the tracking constant is obtained through the tuning parameters of the fuzzy PID controller. The tuning method used for this document consists in the adjustment of the control surface by means of the scale gains of the architectures considered. In addition, the validation of the proposed anti-windup method performance is carried out through a comparative analysis against other classic techniques. The proposed strategy shows an adequate performance against changes in the reference and rejection of disturbances without tuning additional parameters. An analysis of the control effort shows the proposed strategy produces control actions smaller than the other cases considered. Therefore, due to the increasing popularity of fuzzy systems in the industry and the simplicity of some design methods, the proposed strategy can be easily implemented in different industrial regulators.

Resumo Recentemente, os controladores PID difusos diretos têm adquirido importância em aplicações de processos contínuos com orientação industrial, devido a que podem substituir diretamente o PID convencional dentro do laço de controle e a que seu comportamento não lineal apresenta um adequado desempenho em tarefas de controle aplicadas a processos não lineares. Porém, todos os controladores PID são afetados pelo fenômeno denominado windup, o qual degrada o desempenho do controlador devido à saturação dos atuadores a causa da acumulação de erro na componente integral. Neste artigo apresenta-se uma proposta de esquema anti-windup baseado em recálculo e seguimento, para o qual se calcula a constante de seguimento através dos parâmetros de sintonização do controlador PID difuso. O método de sintonização empregado para este documento consiste no ajuste da superfície de controle por meio dos ganhos de escala das arquiteturas consideradas. Adicionalmente, a validação do desempenho do método anti-windup proposto realiza-se por meio de uma análise comparativa com outras técnicas clássicas que permitem evitar este fenômeno. A estratégia proposta mostra um desempenho adequado frente a mudanças na referência e rejeição a perturbações sem ajustar parâmetros adicionais aos ganhos de escala; assim mesmo, a análise do esforço de controle indica que a estratégia sugerida produz ações de controle menores que nos outros casos considerados. Portanto, devido à crescente popularidade dos sistemas difusos na indústria e à simplicidade de alguns métodos de desenho, a estratégia proposta pode ser facilmente implementável em diferentes reguladores industriais.