Doctorado en Ingeniería - Sistemas Energéticos

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    Secado de chontaduro (Bactris gasipaes) en ventanas refractantes
    (Universidad Nacional de Colombia, 2024-08-08) Peñaloza Figueroa, Jeanine Kathleen; Chejne Janna, Farid; Rojano, Benjamín Alberto; Borda Yepes, Víctor Hugo; Peñaloza Figueroa, Jeanine Kathleen; Peñaloza Figueroa, Jeanine Kathleen [0000-0003-2934-749X]; Peñaloza Figueroa, Jeanine Kathleen; Termodinámica Aplicada y Energías Alternativas
    El chontaduro es una fruta con alto valor nutritivo que contiene bioactivos antioxidantes; sin embargo, se han desaprovechado sus bondades. Dentro de las moléculas de interés, sobresalen los carotenoides, compuestos a los que se les atribuyen propiedades relacionadas con la mejora de la salud cardiovascular y como agentes exógenos para la cura de algunos tipos de cáncer. No obstante, para extender la vida útil del producto, garantizar su funcionalidad y darle viabilidad comercial se deshidrató por ventanas refractantes, tecnología emergente de bajo consumo energético y de alta eficiencia térmica que permitió conservar el 88.5% del βcaroteno y la actividad antioxidante medida en términos de capacidad de absorción de radicales de oxígeno (ORAC), radical 2,2 Difenil-1-picrilhidrazilo (DPPH), radical ácido 2,2'- azino-bis-3-etilbenzotiazolina-6-sulfónico (ABTS) y capacidad de reducción de hierro (FRAP). Se identificaron los factores experimentales más incidentes dentro del proceso de deshidratación y se definieron las mejores condiciones con las cuales se garantiza la mayor estabilidad química de la molécula carotenoide de interés. Al mismo tiempo, se realizaron pruebas en equipos con capacidad industrial y de configuración dinámica, hallando reproducibilidad con los resultados obtenidos en ensayos de laboratorio. Finalmente, se desarrolló un modelo matemático que permitió conocer el comportamiento de la pérdida de agua durante el secado de chontaduro en ventanas refractantes convirtiéndose en una herramienta para el escalamiento del proceso en equipos industriales. (Tomado de la fuente)
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    Modelo acoplado para la cuantificación de la producción de arena usando un nuevo criterio basado en un factor de intensidad de daño plástico
    (Universidad Nacional de Colombia, Facultad de Minas, 2022) Araujo Guerrero, Edson Felipe; Osorio Gallego, José Gildardo; Alzate Espinosa, Guillermo Arturo; Araujo Guerrero, Edson Felipe [0000-0002-8382-4878]; Grupo de Investigación en Geomecánica Aplicada
    Debido a la débil relación encontrada en los modelos disponibles entre la producción de arena y el comportamiento geomecánico, en este trabajo se presenta un modelo numérico para cuantificar la producción de arena el cual parte de un criterio de arenamiento enfocado en las deformaciones plásticas por cizalla como causa base del fenómeno de producción de arena. El modelo se desarrolla bajo la hipótesis de que la producción de arena depende del nivel de deformaciones plásticas por cizalla y que el arenamiento tiene efectos geomecánicos tanto en las deformaciones como en los esfuerzos. Usando núcleos obtenidos con la tecnología de impresión 3D, se desarrolla un programa de pruebas de laboratorio para caracterizar tanto el comportamiento mecánico como la producción de arena de los mismos, resultados que se aplicaron en simulaciones numéricas a escala de laboratorio con el fin de validar el modelo. Los resultados muestran que un criterio de producción de arena basado en la deformación plástica por cizalla permite predecir correctamente el nivel de producción de arena, aunque presuntamente, a niveles altos de confinamiento efectivo, el límite de colapso de poro también tendría un aporte al nivel de arenamiento. Los resultados obtenidos se extienden a escala yacimiento, en un caso genérico, con el fin de explicar el efecto que tienen la cohesión, el estado de esfuerzos y el depletamiento en el nivel de producción de arena predicho, con lo que se concluye que, entre las variables analizadas, la cohesión es el parámetro con mayor efecto sobre el arenamiento seguido por el estado de esfuerzos en el yacimiento. (Tomado de la fuente)
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    Intensificación de la eficiencia energética para un sistema energético multidominio por intervención directa en su dinámica
    (Universidad Nacional de Colombia, 2024) Amador Soto, Gerardo José; Hernández Riveros, Jesús Antonio; Amador Soto, Gerardo Jose [0009000197374812]; Grupo de Investigación en Inteligencia Computacional
    El uso eficiente de la energía es actualmente un objetivo global para mejorar la calidad de vida y promover el progreso económico y social. Los sistemas dinámicos de múltiples dominios energéticos integran diversas formas de energía (mecánica, eléctrica, térmica, neumática y química) para satisfacer variadas necesidades de producción y consumo. Estos sistemas complejos, presentes en equipos y maquinaria de todo tipo, se caracterizan por sus múltiples componentes altamente interrelacionados. Tradicionalmente, el análisis de estos sistemas bajo un enfoque reduccionista motivado por la simplificación propendió a la omisión de sus dinámicas internas, limitando el desarrollo de nuevas estrategias operativas basadas en su naturaleza dinámica y compleja. Este trabajo propone una estrategia para intensificar la eficiencia energética de estos sistemas, considerando su manifestación física real. Mediante una estructura de control inteligente basada exclusivamente en comportamiento medible, se evalúa y proponen nuevas trayectorias de comportamiento disponibles bajo condicionantes de operación sujetas a influencias del entorno. Los resultados demuestran la efectividad del método al lograr con precisión los objetivos operativos deseados, utilizando menos energía de la fuente de inyección de potencia del sistema.
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    Modelo integrado del comportamiento de asfaltenos en condiciones de flujo
    (Universidad Nacional de Colombia, 2024-05-20) Cundar Paredes, Cristiam David; Benjumea, Pedro Nel; Cundar Paredes, Cristiam David [0000-0002-3409-7862]
    Los asfaltenos se consideran como la fracción más polar del petróleo y su estructura química es desconocida. En general se acepta que los asfaltenos poseen una estructura poli-aromática, incluidos algunos metales, oxígeno, sulfuro y nitrógeno. Este compuesto se define como la fracción de crudo insoluble en alcanos (n-pentano, heptano) y soluble en aromáticos (benceno, tolueno).(Firoozabadi, 1999) A nivel yacimiento, este fenómeno implica una reducción de la transmisibilidad y alteración de la humectabilidad en la roca afectando la productividad de pozos. La desestabilización del componente asfalteno en el fluido de yacimiento se debe a cambios en presión, temperatura, composición y/o solventes o gases externos inyectados en el yacimiento en procesos de recobro mejorado (Firoozabadi, 1999). Los asfaltenos se precipitan y pueden depositarse en el yacimiento cerca a la cara del pozo productor. Lo anterior conlleva a una reducción del flujo de fluidos en el medio poroso a través de la reducción de permeabilidad y alteración de la humectabilidad de la roca. Además, los asfaltenos pueden fluir estables en el medio poroso y desestabilizarse en la línea de producción fondo de pozo superficie, ocasionado obstrucción del flujo por depositación de asfaltenos en las paredes de la tubería de producción; e incluso causando problemas en las líneas de trasporte de crudo en superficie. El modelamiento de la precipitación y depositación de asfaltenos se establece como una herramienta primordial para entender el comportamiento termodinámico del sistema de fluidos presentes en el yacimiento, y permite la predicción de este fenómeno indeseable a diferentes condiciones de presión, temperatura y composición. Dicho modelamiento, a pesar de que ha sido objeto de estudio en las últimas décadas, aún se considera un reto en la industria debido a la naturaleza del asfalteno, el cual es diferente en cada crudo, sus diferentes afinidades asociativas y su estructura (coloidal o macromolecular) desconocida. Por dicha razón, la predicción de la precipitación y posterior depositación hace necesario el entendimiento del modelamiento termodinámico y de flujo de los fluidos presentes en la formación, y las bases de cada modelo con sus limitaciones a la hora de predecir el comportamiento de los asfaltenos en un yacimiento en particular. En el presente proyecto se plantea estudiar el comportamiento de los asfaltenos a condiciones de flujo de fluidos. Para desarrollar este estudio se considera necesario profundizar en 4 ítems: ecuaciones de estado avanzadas, cinéticas de agregación de asfaltenos, diagnóstico del daño de formación y finalmente integración de los fenómenos anteriores en una simulación numérica de yacimientos. (Tomado de la fuente)
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    Evaluación de las interacciones Biopolímero Escleroglucano (grado EOR), entrecruzador y nanopartícula basado en el comportamiento de las propiedades reológicas y desempeño en recobro mejorado
    (Universidad Nacional de Colombia, 2024) Castro García, Rubén Hernán; Cortés Correa, Farid Bernardo; Corredor Rojas, Laura Milena; Rubén Hernán Castro; RUBEN HERNAN CASTRO GARCIA, PhD(c); Ruben Hernan Castro Garcia [0000-0001-7267-4221]; Ruben Castro; Grupo de Investigación en Fenómenos de Superficie “Michael Polanyi”; Castro-García, Rubén Hernán [55932131800]
    Los biopolímeros como goma xantana (XG), goma diutan (DG), hidroxietilcelulosa (HEC), carboximetilcelulosa (CMC), esquizofilan (SPG) y escleroglucano (SG), surgen como candidatos prometedores para aplicaciones de recobro mejorado (EOR) debido a sus estructuras moleculares. Estos biopolímeros exhiben buenas propiedades reológicas y alta resistencia a la hidrólisis, el pH, los electrolitos, esfuerzos mecánicos y a la temperatura, pero son susceptibles a la oxidación y la degradación biológica. En este estudio se realizaron pruebas experimentales fluido- fluido para evaluar el efecto de la fuerza iónica, el pH, la temperatura y el esfuerzo de corte sobre la viscosidad de soluciones de SG (grado EOR). Se observó que el SG conservó sus propiedades reológicas y estabilidad en las condiciones evaluadas debido a su estructura semirrígida de triple hélice y naturaleza no iónica. Además, las soluciones de SG exhibieron una excelente filtrabilidad. En las pruebas experimentales roca-fluido realizadas a condiciones de yacimiento, el SG aumentó la eficiencia de desplazamiento de petróleo entre un 18 y un 35 % en comparación con la inyección de agua. Finalmente, el estudio experimental de biodegradación demostró que el SG es susceptible a la degradación microbiana, en ausencia o presencia del biocida, debido a que las bacterias utilizan el biopolímero como fuente de carbono. Se evaluó el efecto de nanopartículas (Nps) de diferentes tamaños y naturalezas al agregarlas a soluciones de SG, evaluando inicialmente el cambio de viscosidad y posteriormente su impacto en la degradación microbiana del biopolímero. Se utilizó el método de dos pasos para preparar los nanofluidos (las Nps primero se sintetizan y luego se dispersan en el fluido). El método de dos pasos se utiliza en las industrias para producir nanofluidos a gran escala debido a su bajo costo de producción. Sin embargo, es un desafío evitar la aglomeración de las Nps. Por esta razón, se evaluó el efecto de cuatro métodos de preparación y de nueve nanopartículas (SiO2, Al2O3 y TiO2) sobre la viscosidad y estabilidad del SG. La evaluación de estabilidad exhibió que los nanofluidos SG+Al2O3 y SG+TiO2 son altamente inestables, pero los nanofluidos SG+SiO2 son estables independiente del método de preparación. Todos los nanofluidos mostraron una filtrabilidad deficiente. Teniendo en cuenta el desempeño de los nanofluidos, se planteó la síntesis de carboximetil-escleroglucano con Nps de SiO2. Para esto, se adaptó una reacción de O-Alquilación para insertar un grupo hidrofílico (ácido monocloroacético - MCAA) en las subunidades de anhidroglucosa (AGU) del SG. De esta reacción se obtuvieron dos derivados de SG (denominados CMS) con diferentes grados de sustitución (0,22 para CMS-A y 0,44 para CMS-B), los cuales se obtuvieron al cambiar la cantidad de bicarbonato de sodio utilizado en la carboximetilación. Posteriormente, la formación del enlace amida entre la Nps de sílice aminofuncionalizadas y ambos carboximetil-escleroglucanos se realizó por medio una reacción de amidación usando una carbodiimida (DCC). Los materiales sintetizados fueron caracterizados mediante diferentes técnicas analíticas. Se evaluó la resistencia de los CMS y de los nanohíbridos (NH) a la degradación térmica, química, mecánica y microbiana para determinar la aplicabilidad de estos nuevos productos como aditivos EOR. Los resultados mostraron que los materiales tienen un comportamiento similar al SG. Sin embargo, en las pruebas de biodegradación del CMS sin biocida se observó una reducción de la viscosidad del biopolímero entre un 30 y un 38% (similar a los resultados de SG con biocida), frente a la del 92% del SG sin biocida. En las pruebas de biodegradación de NH se observó que la población de bacterias disminuyó, evidenciándose un control antimicrobiano y efecto de la viscosidad del biopolímero, incluso en ausencia de biocida. El principal objetivo de este estudio se basó en evaluar si las modificaciones físicas y químicas del sistema SG y nanopartículas mejoran la estabilidad del biopolímero en ambientes degradados (térmico, químico, mecánico y microbiano), lo que le permitirá conservar su poder viscosificante e incrementar la eficiencia de desplazamiento de petróleo a condiciones del yacimiento. Este estudio proporciona evidencia clara de nuevos nanohíbridos base celulosa y ofrece una comprensión de su resistencia a los efectos degradativos para procesos EOR. Finalmente, abre el panorama sobre el efecto antimicrobiano de la nanotecnología en la inyección de biopolímeros y EOR. (Tomado de la fuente)
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    Design and analysis of a multi-stage control for power multi-converters in a DC microgrid
    (Universidad Nacional de Colombia, 2023-11-01) Monsalve Rueda, Miguel Eduardo; Hoyos Velasco, Fredy Edimer; Candelo Becerra, John Edwin; Monsalve Rueda, Miguel Eduardo [0000-0003-2401-8822]; Candelo Becerra, John Edwin [0000-0002-9784-9494]; Grupo de Control y Procesamiento Digital de Señales
    Microgrids are designed to connect different types of ac and dc loads, which require robust power controllers to achieve efficient energy transfer. However, the effects of AC and DC disturbances on a single type of controller make achieving such stability in a microgrid a design challenge. Additionally, in multistage systems and loads where disturbances affect both upstream and downstream of the microgrid, these controllers demand greater robustness. This thesis presents an analysis of a sliding mode control (SMC) applied to a multistage microgrid with direct current (DC) and alternating current (AC) power converters. The goal was to implement sliding mode controllers for converters that supply constant power loads DC-DC and DC-AC. The controller was tested considering a unique sliding surface facing external disturbances, such as variations in the frequency of AC converters, sudden changes in upstream voltages, and constant power loads (CPL). Initially, the simple first-order controller was analyzed, then with a washout filter, and subsequently experimentally validated. Next, a second-order controller was analyzed. The influence on the response and stability of the gain values (k) of the controller's sliding surface was also studied. The results show that the controller is robust in terms of sensitivity to external disturbances and steady-state error. However, it was observed that there are limiting values for the sliding surface constant 'k,' where if 'k' is too low, deceleration occurs, and the response to disturbances is critical, and if it is too high, undesired overshoot occurs in the output voltage. This way, it was observed that it is possible to find a single controller that offers some robustness to typical disturbances in a microgrid with commercial voltages.
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    Evaluation of thermoelectric generation systems under mismatching thermal conditions
    (Universidad Nacional de Colombia, 2023-03-31) Sanin Villa, Daniel; Chejne Jana, Farid; Florez Escobar, Whady Felipe; https://scholar.google.com.co/citations?user=slUyYcwAAAAJ&hl=en; Sanin Villa, Daniel [https://scholar.google.com.co/citations?user=slUyYcwAAAAJ&hl=en]; Sanin Villa, Daniel [0000-0001-6853-340X]; Chejne, Farid [0000-0003-0445-7609]; Florez Escobar, Whady Felipe [0000-0003-3977-0371]; https://www.researchgate.net/profile/Daniel-Sanin-Villa; Sanin Villa, Daniel [https://www.researchgate.net/profile/Daniel-Sanin-Villa]; Grupo de Física Teórica; 37089330000; Sanin Villa, Daniel [37089330000]
    This document presents a methodological analysis for designing and evaluating thermal energy harvesting systems that employ thermoelectric generator (TEG) arrays under mismatching thermal conditions. The study aims to achieve three specific objectives. Firstly, a mathematical model is developed that considers the thermal dependence of thermoelectrical properties and heat losses to evaluate a thermoelectric module (TEM). This model is crucial to understanding the performance of the TEG array under varying thermal conditions. Secondly, different DC-DC converter topologies are proposed to extract the maximum power output from TEG arrays under mismatching conditions. The objective is to determine an efficient way to extract energy from the TEG arrays under different thermal conditions, thereby improving their efficiency. Finally, the study simulates and evaluates the proposed methodology using experimental data from commercial TEG arrays under different thermal conditions. This step is essential in verifying the accuracy and effectiveness of the proposed methodological analysis. By using experimental data, the study hopes to ensure that their methodology is effective in practical applications. The proposed methodology has the potential to contribute significantly to the field of renewable energy by providing an effective solution to the problem of thermal energy harvesting under mismatching conditions with TEG systems.
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    Development of multifunctional nanomaterials for the co-production of upgraded heavy crude oil and hydrogen at different pressures and temperatures
    (Universidad Nacional de Colombia, 2023-06) Medina Erazo, Oscar Enrique; Franco Ariza, Camilo Andres; Pérez Cadenas, Agustín Francisco; Oscar Enrique Medina Erazo; https://scholar.google.com/citations?user=ytNYAbEAAAAJ&hl=es&oi=ao; 0000-0002-1001-9456; https://www.researchgate.net/profile/Oscar-Medina-27?ev=hdr_xprf; Fenómenos de superficie, Michael Polanyi.
    En la presente Tesis Doctoral se recoge la síntesis de diversos nanomateriales basados en óxidos de elementos lantánidos, transición, aluminosilicatos, carbono y materiales compuestos. Algunos materiales compuestos evaluados contienen óxidos metálicos-óxidos lantánidos, óxidos metálicos-óxidos lantánidos-xerogeles de carbono. El rendimiento de los materiales fue evaluado en su capacidad para producir hidrogeno y mejorar la calidad del crudo a partir de la descomposición catalítica de macromoléculas de hidrocarburo, heteroátomos y crudos en atmosferas de oxidación, gasificación y pirolisis. Los resultados experimentales obtenidos y su discusión se presentan en esta Memoria divididos en 6 apartados principales, en los cuales se han distribuido 20 capítulos que recogen las diferentes actividades realizadas para el desarrollo de nanomateriales con propiedades catalíticas a la medida para la reevaluación y aprovechamiento de crudos pesados y extrapesados y la obtención de H2 como fuente de energía transitoria y complementaria, promovida durante la descomposición de las fracciones más pesada del petróleo crudo y el uso de diferentes subproductos para ayudar a las reacciones intermedias que aumentan la producción de H2. El primer Apartado presenta el planteamiento del problema alrededor del consumo energético, el deterioro de las reservas de crudo convencional y la necesidad que enfrenta la humanidad a migrar a energías limpias, así como el estado del arte de los nanomateriales capaces de mejorar propiedades específicas del crudo, planteados como posibles estrategias para fomentar procesos de transición energética. El segundo Apartado describe los materiales y métodos utilizados. Se exponen los métodos de caracterización de las fracciones del crudo, así como de los nanomateriales sintetizados. Además, se muestran las técnicas de evaluación del rendimiento adsorptivo y catalítico de los nanomateriales. En el tercer Apartado se recogen los Capítulos 1-6 que presentan los estudios realizados a las diferentes fracciones del crudo a condiciones de baja y alta presión en ausencia de nanomateriales, con el fin de comprender su reactividad y proponer nanomateriales capaces de asistir reacciones químicas que potencialicen la producción de hidrogeno. El Capítulo 1 está dedicado a evaluar el efecto de la presión sobre la cinética de oxidación de asfáltenos. El capítulo recoge, además, los principios básicos de diferentes variables a alta presión, tales como la temperatura y la tasa de calentamiento. Además de un estudio difusional para analizar los problemas de transferencia de masa y calor durante las pruebas. En el Capítulo 2 se recoge información sobre la oxidación de asfáltenos n-C7 extraídos de diferentes crudos pesados y extrapesados a diferentes presiones. Se descubrió que la cantidad de oxígeno quimisorbido se ve afectada por el tipo de especie de oxígeno en los asfaltenos, como COO-. Además, a medida que aumenta el grado de aromatización y disminuye el grado de alquilación, también lo hace la cantidad de átomos de oxígeno quimisorbidos. El Capítulo 3 se centra en comprender el comportamiento oxidativo de los agregados de asfaltenos n-C7 en condiciones de alta presión. En este capítulo se evalúan diferentes soluciones modelo de asfaltenos utilizando tres isómeros de xileno con el fin de representar las interacciones asfalteno-asfalteno en una matriz de crudo pesado. La evaluación se realiza a través de análisis experimental y simulaciones de dinámica molecular. Se encontró que la ubicación -CH3 en el xileno impacta sustancialmente en el estado de agregación. Los experimentos oxidativos de los agregados mostraron que la quimisorción de oxígeno disminuyó a medida que aumentaba el tamaño del agregado de asfaltenos, reduciendo su reactividad. Este estudio mejora nuestra comprensión de la relación entre la agregación y la oxidación térmica de los crudos, caracterizando el comportamiento físico para proponer alternativas que reduzcan la agregación de asfaltenos y mejoren la cinética oxidativa. En Capítulo 4 tiene como objetivo investigar el cambio en las propiedades químicas de los asfaltenos durante la región OC desde una perspectiva experimental y teórica. Los resultados validan que los sitios de quimisorción están fuertemente relacionados con las características moleculares. Para una clase de asfalteno, se formaron los grupos carboxilo o COO-, mientras que para el asfalteno E se puede esperar que se formen enlaces oxígeno- oxígeno formando oxígeno fenólico y oxígeno etérico. MD también sugiere el tamaño del núcleo aromático como la característica más relevante. En el Capítulo 5 se investiga el comportamiento termo oxidativo en función de la presión de las demás fracciones del crudo, es decir, los compuestos saturados, aromáticos y resinas. Los principales hallazgos fueron que, para presiones superiores a 3.0 MPa, los aromáticos y las resinas se describieron en las cuatro etapas (OC, DCO, FC y SC), mientras que los saturados solo se describieron en las regiones FC y SC en todas las presiones. A 6,0 MPa, los aromáticos muestran una descomposición rápida en la región FC, mientras que las resinas muestran una descomposición más lenta distribuida en las tres regiones de descomposición. Esto sugiere que los aromáticos tienen un mayor impacto en las reacciones de oxidación a altas temperaturas a medida que aumenta la presión. Las curvas de pirólisis revelaron que, para todas las presiones aplicadas, la cantidad de coque producido aumenta en el siguiente orden: saturados < aromáticos < resinas. El Capítulo 6 busca comprender el efecto de la presión en las interacciones entre las fracciones de saturados, aromáticos y resinas (S-Ar-R) durante las reacciones de termo oxidación. Para esto, se evalúa la oxidación simultanea entre saturados:aromáticos (S:Ar), saturados:resinas (S:R) y resinas:aromáticos (Ar:R). Los resultados demuestran el papel de la presión en la oxidación simultánea de las mezclas S:Ar, S:R y Ar:R. En primer lugar, FC y SC describen los perfiles termooxidativos de S:Ar a 0.084 MPa, independientemente de la relación S:Ar. Cuando la oxidación se evalúa a 3.0 y 6.0 MPa, se observan zonas OC y DCO, y la cantidad de oxígeno quimisorbido aumenta a medida que aumenta la presión. Se observó la misma tendencia para los sistemas S:R y Ar:R. Entre las mezclas de S:Ar, la quimisorción de oxígeno aumentó a medida que aumentaba la cantidad de compuestos aromáticos a 3.0 y 6.0 MPa. Las estructuras formateadas a alta presión presentan mayor reactividad; por lo tanto, el consumo total de las muestras termina a temperaturas más bajas. Durante la oxidación S:R, cuanto mayor sea el contenido de resinas, mayor será la quimisorción de oxígeno y menor la temperatura requerida para descomponer las muestras. Finalmente, la mezcla entre aromáticos y resinas muestra velocidades cinéticas más lentas que los otros sistemas. En el cuarto Apartado se recogen los Capítulos 7-12 en los cuales se presenta el diseño y evaluación de nanomateriales con propiedades catalíticas a la medida para la descomposición de la fracción más pesada del petróleo crudo que permitirá la reevaluación y aprovechamiento de crudos pesados y extrapesados mediante el mejoramiento de su calidad y la coproducción de H2. El Capítulo 7 recoge el desarrollo de nanopartículas de CeO2 amorfa y dopaje superficial con parejas de óxidos elementos de transición (Fe2O3, Co3O4, y/o NiO) y elementos nobles (PdO), con el fin de determinar su capacidad de adsorción y actividad catalítica para capturar y descomponer asfaltenos. Los resultados mostraron que al incorporar óxidos monoelementales y bielementales en nanopartículas de CeO2, tanto la adsorción como la conversión isotérmica de los asfaltenos aumentan. Cabe mencionar que las nanopartículas bielementales redujeron la temperatura de gasificación de los asfaltenos en mayor medida que las nanopartículas monoelementales. Además, las nanopartículas optimizadas con la mejor pareja (Ni-Pd) tienen el mejor rendimiento al obtener el 100% de conversión de asfaltenos en menos de 90 min a 220 °C mientras reducen un 80 % la energía de activación En el Capítulo 8, una vez seleccionada la nanopartícula con la mejor pareja de TEOs, y optimizada la carga, se aborda la evaluación de su capacidad regenerativa durante la adsorción y posterior descomposición de asfaltenos n-C7 en procesos de gasificación con vapor. La evaluación ha considerado la influencia del ciclo redox (Ce3+/Ce4+) en la auto regeneración de CeO2±δ, así como las propiedades termodinámicas y potencial del proceso de adsorción, los parámetros cinéticos del proceso catalítico, y el cambio en la química superficial del material. Dentro de los principales resultados, se obtuvo que los asfaltenos mostraron una alta afinidad por ser adsorbidos sobre la superficie de las nanopartículas durante nueve ciclos de regeneración evaluados. Además, la actividad catalítica de las nanopartículas no cambió significativamente, demostrando que descomponen el 100% de los asfaltenos n-C7 en todos los ciclos. En el Capítulo 9 se considera cambiar la morfología de las nanopartículas de CeO2, entre (C)cúbica; (O) ortorrómbica; y (S) esférica, para la termo-oxidación de asfaltenos n-C7 con el fin de potenciar algunas limitaciones del soporte sin morfología definida, evaluado en los Capítulos 7 y 8. En este estudio se consideraron los avances previos en términos de fase dopante, para lo cual se seleccionaron óxidos de Ni y Pd en fracciones de masa de 1%. La actividad catalítica de los sistemas se evaluó mediante análisis termogravimétricos no isotérmicos e isotérmicos a diferentes presiones. Los resultados termogravimétricos no isotérmicos evidenciaron un aumento en la masa de asfaltenos n-C7 a medida que la temperatura aumenta entre 100 y 230 °C para todos los sistemas y condiciones de operación. Las fases Ni y Pd aumentan la cantidad de oxígeno quimisorbido en todos los sistemas en el orden S-NiPdCe < O-NiPdCe < C-NiPdCe, y reducen la temperatura requerida para la descomposición total de asfaltenos n-C7 a temperaturas inferiores a 200 °C a 6.0 MPa en el mismo orden. El Capítulo 10 evalúa el nanomaterial con la morfología que presenta un mayor rendimiento durante la oxidación catalítica de asfaltenos para una subsecuente evaluación en reacciones de pirolisis, las cuales son fundamentales en los procesos de recobro térmico de petróleo. En este capítulo se amplía nuestro conocimiento sobre los procesos de pirólisis a baja y alta presión a través de enfoques experimentales y de simulación bajo la primicia que la presencia de vacantes de oxígeno que provocan la coexistencia y el intercambio oportuno de Ce4+ y Ce3+ en su estructura reticular es una de las principales razones de su actividad catalítica. En el Capítulo 11 se considera el fraccionamiento de las moléculas de asfalteno en A1 y A2. Analizar el comportamiento adsorbente y catalítico de las nanopartículas con ambas fracciones es de vital ayuda para desarrollar catalizadores que puedan mejorar la vía de reacción de los agregados de asfaltenos. Las simulaciones MD revelan que el tamaño de los agregados aumenta en el orden A1 < A2, lo que se explica por la mayor densidad de la fracción A1. La afinidad de adsorción de las nanopartículas A1-CeO2 fue mayor que la de las nanopartículas A2-CeO2, lo que resultó en una mayor cantidad de asfaltenos A1 adsorbidos. Los experimentos oxidativos muestran que la quimisorción de oxígeno ocurre en los asfaltenos debido a la subfracción A1; ya que no se observó quimisorción de oxígeno en A2. Finalmente, la pirólisis no catalítica de A2 exhibió mejores características termogravimétricas, incluyendo mayor pérdida de masa a temperaturas más bajas y menos coque al finalizar el calentamiento como resultado de las diferentes densidades entre los agregados A1 y A2. El Capítulo 12 resume los resultados de producción volumétrica de hidrógeno en la mezcla gaseosa liberada de la gasificación catalítica con vapor de asfaltenos n-C7 y resinas II a bajas temperaturas (< 230 °C). La producción de hidrógeno concuerda con la actividad catalítica de cada material para descomponer ambas fracciones en las condiciones evaluadas. CeNi1Pd1 mostró el rendimiento más alto entre las otras tres muestras, lo que llevó a la mayor producción de hidrógeno en el gas efluente con valores de ~44 % en volumen. Cuando las muestras se calentaron a temperaturas más altas (es decir, 230 °C), la producción de H2 aumentó hasta un 55% en volumen durante la conversión de resina y asfaltenos n-C7 catalizados, lo que indica un aumento de hasta un 70% en comparación con los sistemas no catalizados en las mismas condiciones de temperatura. El quinto Apartado contiene los Capítulos 13-16, los cuales recogen las actividades necesarias para determinar el potencial de los nanomateriales para el mejoramiento de la calidad del crudo, así como la producción de H2 y otros productos valiosos con bajas emisiones de CO2, bajo procesos de recobro térmico mejorado de petróleo, En el Capítulo 13 se diseña un nanofluido a partir de uno de los nanocatalizadores con mejor rendimiento en la descomposición de las fracciones pesadas del crudo y la producción de hidrogeno a partir de estas reacciones. Este estudio propone un método de inyección novedoso de nanofluido en el medio poroso, disperso en la corriente de vapor, con el fin de mejorar las condiciones de movilidad del crudo a presión y temperatura de yacimiento, y a su vez mejorar el facto de recobro de aceite. Para los diferentes pasos de la prueba dinámica se obtuvieron incrementos de 25 y 42% en la recuperación de aceite para la inyección dispersa del nanofluido en la corriente de vapor y luego de un tiempo de remojo de 12 h, en comparación con la curva base con solo inyección de vapor, respectivamente. El crudo mejorado alcanzó un nivel de gravedad API de 15.9°, es decir, un incremento de 9.0° unidades en comparación con el crudo extrapesado sin tratar, lo que representa un incremento del 130%. En el Capítulo 14 se presenta un análisis termodinámico de la fugacidad del hidrógeno para obtener un panorama más claro de su comportamiento in situ. La fugacidad de H2 se determinó entre la presión del yacimiento y sobrecarga y diferentes temperaturas, las cuales fueron determinadas por los perfiles térmicos en la prueba de desplazamiento. El hidrógeno adquirió un mayor potencial químico a través de la presencia de nanopartículas. Sin embargo, la diferencia de fugacidad del H2 entre ambos puntos es mucho mayor con las nanopartículas, lo que significa que el hidrógeno presenta una menor tendencia a migrar por difusión al punto de alta presión. Con base en este análisis, fue posible determinar la tendencia del hidrógeno a quedar atrapado en el reservorio y su disipación en el medio poroso. En el Capítulo 15 se investiga la factibilidad de utilizar formaciones geológicas sometidas a procesos de recobro térmico como reactores: donde ocurre tanto la adsorción y conversión de CO2 como la producción de otros subproductos de alta calidad. La adsorción de CO2 aumentó en el orden S-CeO2 < O-CeO2 < C-CeO2 < C-CeNiPd, independientemente de la temperatura. Las nanopartículas con asfaltenos adsorbidos también presentaron una alta tendencia a la adsorción de CO2. Finalmente, para la conversión de CO2 se obtiene una mezcla de gases compuesta por CO, CH2, H2 e hidrocarburos ligeros (LHC). El contenido de producción de hidrógeno sigue una tendencia que concuerda bien con la capacidad de adsorción y la actividad catalítica de cada material. Este estudio demuestra que el uso de tecnologías combinadas de inyección de CO2 y vapor asistidas por nanocatalizadores puede resultar en un camino potencial para aumentar el volumen de petróleo crudo producido, su calidad basada en la mejora in situ y, al mismo tiempo, mejorar la captura de CO2 y su conversión. El Capítulo 16 expone la metodología aplicada para llevar a cabo un aumento de un nivel de preparación tecnológica (TRL) de 3 hasta un TRL -8 para la implementación de la nanotecnología en una aplicación de campo, pasando por el diseño experimental y los resultados de la prueba de campo inicial. La aplicación se llevó a cabo una aplicación de prueba de campo en un campo colombiano a través de un proceso de estimulación de vapor cíclico. En el sexto Apartado se presentan los Capítulos 17-20 donde se proponen dos tecnologías que incluyen: i) el uso de heteroátomos presentes en las fracciones más pesadas del crudo, tales como el azufre, para el mejoramiento de la calidad del crudo y la co-producción de hidrogeno a través de procesos de adsorción/catálisis con nanomateriales diseñados a la medida, y ii) la remoción de aceite proveniente de emulsiones de crudo en agua para la producción de gases con alto poder calorífico a través de procesos de adsorción y catálisis. En los dos Capítulos siguientes (17 y 18), se propone los procesos de desulfuración como mecanismos para producir hidrogeno y mejorar la calidad del crudo. La eficiencia del proceso de adsorción de los nanomateriales se valida mediante la estimación de su capacidad de adsorción/eliminación y afinidad por las especies de azufre mediante experimentos de adsorción por lotes y continuos. La segunda parte se centró en descubrir la influencia de la atmósfera de regeneración en la adsorción de azufre, la conversión de azufre y la producción de hidrógeno. Estos estudios permitieron potenciar las propiedades químicas de un nanomaterial para extender su vida media útil con alta selectividad, adsorción y capacidad catalítica. Esto genera información valiosa sobre los procesos de reutilización de adsorbentes mientras se eliminan los compuestos de azufre de los crudos pesados. Por otro lado, la información presentada en los Capítulos 19 y 20 corresponde a una nueva aplicación, centrado en el desarrollo de compuestos monolíticos de xerogeles de carbono-metal para la eliminación de aceite mediante procesos de adsorción y regeneración a partir de emulsiones de aceite en agua salada. Los resultados de adsorción muestran que la eliminación de crudo aumentó con el aumento del contenido de metal en el material compuesto para todas las configuraciones experimentales. La actividad catalítica de tres xerogeles de carbono monolítico se corroboró con cálculos de energía de activación efectiva, que se redujo en un 24.9, 32.5 y 52.4 % desde la descomposición del crudo virgen hasta la descomposición adsorbida en las muestras X, XCe y XCeNi, respectivamente. Se consideró el análisis gaseoso de los productos involucrados en la oxidación del crudo en cada ciclo, encontrando un incremento en la producción de hidrocarburos livianos, y reduciendo las emisiones de gases como CO2, NOX y SOX en todos los reusos.
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    Evaluación de la interacción fluido – fluido y fluido - roca en procesos de inyección de agua de salinidad modificada (IASM) y su impacto en la recuperación de aceite en sistemas de areniscas
    (Universidad Nacional de Colombia, 2023) Maya, Gustavo; Cortés Correra, Farid Bernardo; https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0000182184; Maya Toro, Gustavo Adolfo [0000182184]; https://scholar.google.com.mx/citations?hl=en&pli=1&user=KmgMo2UAAAAJ; Maya Toro, Gustavo Adolfo [0000-0002-8780-3580]; Cortés Correra, Farid Bernardo [0000-0003-1207-3859]; https://www.researchgate.net/profile/Gustavo-Maya-2; Fenómenos de Superficie Michael Polanyi
    Los procesos de recobro mejorado son una familia de tecnologías que buscan obtener el mayor beneficio de los yacimientos de hidrocarburos; sin embargo, cada uno de ellos presenta dificultades de diversas índoles; técnicas, económicas y ambientales. La inyección de agua de salinidad controlada, o inyección de agua de baja salinidad como también se le conoce, ha resaltado en la industria por sus bajos impactos ambientales y beneficios económicos; sin embargo, no existe acuerdo científico en los fenómenos que lo gobiernan. Este estudio analiza los efectos en sistemas específicos de roca-crudo-salmuera al inyectar aguas de baja salinidad con diferentes composiciones, separando las interacciones fluido-fluido y roca-fluido para identificar los fenómenos hasta ahora propuestos en la literatura. Los resultados obtenidos arrojan evidencias muy claras sobre la importancia de los mecanismos fluido-fluido. Desalado (salting in / out) y posible generación de microemulsiones cobran importancia frente a otros mecanismos propuestos en la literatura, en particular los mecanismos fluido-roca. La investigación permite también evidenciar que los mecanismos presentes en el proceso de recobro mejorado bajo estudio van más allá de la reducción de la salinidad del agua de inyección, y obedecen al manejo específico del contenido iónico de la misma. Esta investigación utilizó la técnica de electroforesis capilar para medición de iones disueltos en el agua a la ejecución de pruebas de desplazamiento de crudo en medios porosos, lo cual al momento no ha sido reportado en la literatura, siendo una mejora importante para el análisis de este tipo de procesos. (Texto tomado de la fuente)
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    Study of the interaction between the oligomers from bio-oil heavy fraction and a catalyst in hydrotreatment process
    (Universidad Nacional de Colombia, 2023-06-01) Manrique Waldo, Raiza Johanna; Chejne, Farid; García Pérez, Manuel; Raiza Manrique Waldo; https://scholar.google.com/citations?user=vWdtrjUAAAAJ&hl=es&oi=ao; Chejne, Farid [0000-0003-0445-7609]; Manrique Waldo, Raiza Johanna [0000-0002-6702-5419]; https://www.researchgate.net/profile/Raiza-Manrique; Termodinámica Aplicada y Energías Alternativas; https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57195741838
    Biomass fast pyrolysis bio-oil is a promising alternative to be used as a source of fuels and chemicals. It hosts a wide variety of compounds and comes from renewable sources. Pyrolysis oil is formed by water, light organics (GC/MS detectable compounds), Oligomeric fractions derived from lignin and holocellulose. This dissertation focusses on the identification of oligomeric molecules in the pyrolytic lignin fraction and its catalytic hydrodeoxygenation. This fraction can potentially be used to produce fuels and chemicals via hydrodeoxygenation. The chemical structure of pyrolytic lignin oligomeric molecules is poorly known. In this study, quantum mechanical simulation was used to propose the structures based on calculations of the electronic structure. The DFT calculations were used to identify the thermodynamically most probable chemical structures of pyrolytic lignin molecules resulting from lignin pyrolysis followed by demethylation. The structure of new molecules of dimer, trimer and tetramer oligomers from pyrolytic lignin were proposed. The pyrolytic lignin fraction was further fractionated by solid-liquid extraction and the resulting subfraction thoroughly characterized using FTIR, UV-fluorescence and HSQC-NMR. Ethyl acetate subfractions was characterized by phenolic compounds with methoxyl substituents while acetone and isopropanol subfractions showed more aliphatic characteristics. Pyrolytic lignin fraction from BTG was hydrotreated with a sulfided NiMo/Al2O3 catalyst. Hydrotreating experiments were carried out with mixtures of pyrolytic lignin and yellow grease to obtain liquid fuels. All blends induced coke formation values between 0.7 and 2.5 wt. %, indicating that pyrolytic lignin has potential to reduce coke formation during the process. The results obtained in this thesis will allow the definition of strategies for the design of biorefineries including pyrolytic lignin to obtain products.
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    Numerical modeling of massive sand production during cold heavy oil production
    (Universidad Nacional de Colombia, 2023-05-31) Arbeláez Londoño, Alejandra; Osorio Gallego, José Gildardo; Alzate Espinosa, Guillermo Arturo; Arbeláez Londoño, Alejandra [0000-0003-0570-5125]; Alzate Espinosa, Guillermo Arturo [0000-0001-6265-274X]; Grupo de Investigación en Geomecánica Aplicada, GIGA
    Cold heavy oil production with sand (CHOPS) is a single well technology that involves the deliberate initiation and sustaining of sand inflow into the wells using progressive cavity pumps (PCP) to produce at oil high rates with a subsequent high-pressure drawdown around the wellbore and improvement in oil well productivity. CHOPS is a primary recovery method extensively used in the world as a profitable and simple technology. Foamy-oil flow and wormhole formation are the main mechanisms of CHOPS, where aggressive sand production is a consequence of geomechanical issues such as elastoplastic behavior, stress redistribution, failure criteria, pressure gradient, erosion, and sand liquefaction. The general objective of this thesis is to build a numerical model to predict and explain massive sand production during cold heavy oil production by coupling fluid flow with geomechanics and considering stress redistribution and erosional processes. This research also identifies the relevant phenomena of massive sand production and describes the interaction between geomechanical and erosional processes. A methodology is proposed to model the initiation and propagation of wormholes based on geomechanical behavior. A 3D-single well model is built to understand the cold heavy oil production with sand, considering relevant dynamics such as stress redistribution and the interaction between geomechanical and erosional processes, by coupling fluid flow with geomechanics. This model couples a three-phase fluid flow model and an elastoplastic model and integrates other models: a sand production model, a foamy-oil module, and a conceptual model for wormhole formation. This coupled model is verified and validated firstly by components and lately integrating step by step the different components using commercial software such as ABAQUS® and CMG®. Field cases are run to calibrate the parameters of the sand production model resulting in low sand levels, a case with the main characteristics of a CHOPS well is run and its results are analyzed, and a sensitive study is performed to evaluate the impact of variables such as pressure drawdown, cohesion, internal friction angle, and stress regime. Finally, a special case is built combing all variables and looking to promote sand production with successful results.
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    Modelo de valoración de contratos en Derivex
    (Universidad Nacional de Colombia, 2023-05-28) Arango londoño, Adriana; Velásquez Henao, Juan David; Arango londoño, Adriana [0000-0001-8919-7548]; Velásquez; Big Data y Data Analytics
    Desde el año 1994 el mercado eléctrico colombiano opera bajo una nueva estructura que permitió la apertura al Mercado Eléctrico Mayorista en Colombia (MEM) y la creación de la Bolsa de Energía. Esta reestructuración creó un ambiente competitivo en el que los agentes se enfrentan a nuevos desafíos por las nuevas reglas del mercado y se exponen a la incertidumbre asociada al precio futuro de la electricidad que se caracteriza por tener una alta volatilidad. Con el fin de mitigar la exposición al riesgo de los agentes del mercado se crean los mercados de derivados eléctricos que cuentan con una estructura similar a la de los mercados financieros. Colombia no es ajeno a esta situación y en el 2010 se crea el Mercado de Derivados Estandarizados de Commodities Energéticos Derivex, en el cual se pueden negociar contratos de futuros de electricidad que comprometen a las partes a cumplir sus obligaciones de compra o venta en una fecha futura a un precio establecido. Diferentes aproximaciones se han desarrollado en la teoría financiera para valorar los contratos de futuros; sin embargo, estas metodologías no pueden ser aplicadas en los mercados eléctricos por la complejidad que exhibe la serie de precios de la electricidad la cual determina la decisión de comprar o vender el contrato. En consecuencia, los agentes del mercado no cuentan con un soporte teórico para construir una estrategía de cobertura que les permita mitigar los riesgos asociados a las fluctuaciones del precio de la electricidad y maximizar sus beneficios económicos. Este trabajo presenta un modelo de valoración para los contratos de futuros de Derivex compuesto por un modelo de árboles de decisión y un modelo de simulación del precio de la electricidad en la Bolsa de Energía. Los resultados obtenidos demuestran que es posible realizar el cubrimiento del riesgo de la Bolsa de energía a partir del modelo propuesto. El modelo desarrollado permite incorporar las expectativas del analista sobre el crecimiento de la demanda y la evolución de la hidrología. (Texto tomado de la fuente)
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    Analysis of superstructures. Case study: Optimizing agro-industrial waste as precursors of chemical products, an essential element for the energy transition
    (Universidad Nacional de Colombia, 2023) Ceballos Marin, Carlos Mario; Maya López, Juan Carlos; Chejne, Farid; https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0000469670; https://scholar.google.com/citations?user=jZcaS3UAAAAJ&hl=es; Ceballos Marin, Carlos Mario [0000-0002-5345-2532]; Chejne Janna, Farid [0000-0003-0445-7609]; https://www.researchgate.net/profile/Carlos-Ceballos-7; Termodinámica Aplicada y Energías Alternativas
    Este estudio presenta una herramienta de optimización basada en análisis de superestructura para el diseño de procesos químicos y la toma de decisiones en la implementación de esquemas de poligeneración en Colombia. El programa de optimización que se desarrolló en Matlab, considera los parámetros de diferentes procesos termoquímicos y tecnologías para la transformación de tres posibles biomasas en nueve productos de alto valor agregado en el mercado nacional. Para obtener los parámetros necesarios se utilizó simulación detallada de los procesos en AspenPlus®, lo que permitió reducir el número de niveles de la superestructura y disminuir también el costo computacional del proceso de optimización en Matlab. Los resultados destacados en este estudio incluyen la generación de una herramienta de optimización, la identificación del biochar como el producto más viable para la implementación de esquemas de poligeneración en Colombia y la identificación de las posibles tecnologías para la transformación de las biomasas. Finalmente, este trabajo demuestra que el análisis de superestructura es una herramienta útil para la toma de decisiones, que puede ser de utilidad para entidades gubernamentales y posibles inversionistas en la definición de esquemas de poligeneración. (Texto tomado de la fuente)
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    Evaluación del efecto de la torrefacción y la pirólisis lenta en el desarrollo de porosidad de carbones activados especiales obtenidos a partir de biomasa lignocelulósica
    (Universidad Nacional de Colombia, 2023-05-16) Cordoba Ramirez, Marlon Fabian; Chejne, Farid; ALEAN VALLE, JADER DARIO; Gómez Gutiérrez , Carlos Andrés; CORDOBA RAMIREZ, MARLON FABIAN; Cordoba Ramirez, Marlon [0000-0003-1242-9085]; ALEAN VALLE, JADER DARIO [0000-0002-8759-5304]; Gómez Gutiérrez, Carlos Andrés [0000-0003-1961-6289]; Termodinámica Aplicada y Energías Alternativas
    En esta tesis se estudió el efecto de la torrefacción y la pirólisis lenta en el desarrollo de porosidad y cambios estructurales orientados a la obtención de carbones activados a partir de un residuo lignocelulósico (cuesco de palma). Para tal fin, se llevó a cabo un análisis del efecto de la torrefacción a diferentes temperaturas como etapa de tratamiento previo, proponiendo una ruta torrefacción – pirólisis lenta – activación. A partir de esto, se encontraron cambios en la dinámica de desvolatilización y recomposición del material, hallando que la torrefacción previa favorece las reacciones de descarbonilación reflejadas en pérdidas de compuestos y grupos funcionales vía CO2, que no son evidentes a partir de la pirólisis directa del material. Adicionalmente, Se llevó a cabo una caracterización detallada del biochar obtenido a diferentes temperaturas de pirólisis (220, 250, 280, 350, 550 y 700°C) para tener una visión completa de cómo evoluciona la estructura porosa a medida que se avanza en el proceso de pirólisis lenta. También se evaluó el efecto de las condiciones de activación, tomando en cuenta distintos tiempos de proceso (2-6 horas) y el uso de diferentes atmósferas, como CO2 y vapor de agua. A partir de este análisis, se pudo determinar que la temperatura de pirólisis tiene un gran impacto en el desarrollo de una matriz porosa previa, que se aclara y se define mejor tras la activación. Finalmente, se analizó cómo estos cambios previamente mencionados afectan el desempeño del biochar y el carbón activado como materiales adsorbentes de CO2 y H2S, encontrando importantes diferencias en su comportamiento con cada uno de estos gases, relacionadas tanto con la estructura porosa como con la química superficial. (Texto tomado de la fuente)
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    Estudio de la formación de nanoestructuras de carbono a partir de alquitrán de gasificación de biomasa
    (Universidad Nacional de Colombia, 2023) Martínez Smit, Carlos David; Chejne Janna, Farid; Bastidas Barranco, Marlon José; Martínez Smit, Carlos David; Martinez-Smit, Carlos; Martinez-Smit, Carlos; Martinez-Smit, Carlos; Termodinámica Aplicada y Energías Alternativas
    Durante la gasificación de la biomasa, se producen alquitranes junto con los gases. Estos compuestos pueden causar problemas operativos cuando se condensan, disminuyendo la eficiencia global del proceso. Se han estudiado muchos métodos para reducir o eliminar estos compuestos, siendo los más comunes las modificaciones del gasificador, los métodos de limpieza en húmedo y en seco, y el craqueo térmico o catalítico. El craqueo de estas moléculas produce más gases, pero pocos estudios se interesan por los depósitos de carbono formados, que en algunos casos pueden dar lugar a nanoestructuras de carbono. El presente trabajo propone una metodología que permite el aprovechamiento de estos compuestos para la formación de productos de valor agregado en sistemas de gasificación o pirólisis de biomasa. Se partió de un fraccionamiento para determinar el tamaño y tipo de moléculas presentes en las fracciones de los alquitranes. Asimismo, se plantea el uso de un catalizador soportado en el carbonizado que es subproducto de estos procesos termoquímicos de biomasa, para que al contacto con los volátiles o alquitranes se formen depósitos de carbono en él. Estas nuevas estructuras de carbono pueden aportar nuevas posibilidades para las tecnologías de gasificación y pirolisis de biomasa, lo que se puede traducir en un equilibrio técnico-económico y medioambiental de los procesos. (Textos tomado de la fuente)
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    Mitigación de desbalances de tensión en redes eléctricas de distribución usando sincro-convertidores como suministro de potencia de la generación distribuida
    (Universidad Nacional de Colombia, 2022-10-07) Quintero Durán, Michell Josep; Candelo Becerra, John Edwin; Posada Contreras, Johnny; Quintero Durán, Michell Josep [https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0001500105]; Quintero Durán, Michell Josep [https://scholar.google.com/citations?user=I7zEo64AAAAJ&hl=es&oi=ao]; Quintero Durán, Michell Josep [0000-0003-1406-9888]; Quintero Durán, Michell Josep [https://www.researchgate.net/profile/Michell-Quintero-Duran]; Procesamiento Digital de Señales Para Sistemas en Tiempo Real; Quintero Durán, Michell Josep [https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57191275502]
    Mediante esta tesis se desarrolla un método de control en cascada para la integración de generación distribuida a redes eléctricas, cuya tensión se encuentra desequilibrada. Estas redes son comunes en sistemas de distribución ya que, se suele encontrar desequilibrios de tensión causados por la presencia de cargas monofásicas y bifásicas, o generación monofásica fotovoltaica que, desequilibran el consumo de potencia en la red. Se propone un modelo modificado de Synchronverter (Sincro-convertidor) capaz de sincronizarse a una red desbalanceada, con el fin de entregar potencia activa y reactiva a la red, y dar soporte de tensión y frecuencia. Pasada la etapa de conexión del sincro-convertidor, se disminuye el porcentaje de desequilibrio por presencia de secuencia negativa en el punto común de conexión (PCC). Lo anterior se logra utilizando la descomposición en componentes simétricas en función del tiempo, con especial atención a las secuencias positiva y negativa. El control propuesto se enfoca en un control flexible de secuencias positiva y negativa, y entrega potencia en ambas secuencias con la finalidad de reducir la componente negativa en la tensión del PCC. Con esto se logra reducir el porcentaje de desequilibrio de tensión calculado a partir del estándar técnico IEEE 1159-2019. Las simulaciones se llevan a cabo en el Toolbox Simulink® de Matlab® versión 2022a [1], con un modelo de generador distribuido único conectado a una carga local y una red desbalanceada, representada por una fuente de tensión trifásica con diferentes valores de tensión en cada una de sus fases. Los resultados son satisfactorios, ya que se logra una disminución en el porcentaje de desbalance en el PCC. (Texto tomado de la fuente)
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    Caracterización de varistores de ZnO ante sobretensiones transitorias con tiempo de frentes muy rápidos (VFTO)
    (Universidad Nacional de Colombia, 2021-01-17) Rojo Ceballos, Clara Rosa; Chejne Janna, Farid; Pérez González, Ernesto
    Caracterización de varistores de ZnO ante sobretensiones transitorias con tiempo de frentes muy rápidos (VFTO) Este trabajo presenta la caracterización de un tipo de varistores de ZnO ante sobretensiones transitorias con tiempo de frente muy rápido (VFTO. Very Fast Transient Overvoltages), mediante un desarrollo teórico-experimental. Tradicionalmente, los varistores son analizados para transitorios un poco más lentos, del orden de los cientos de kHz, asociados principalmente a descargas eléctricas atmosféricas. Sin embargo, existen fenómenos de muy alta frecuencia, principalmente en estaciones encapsuladas o dispositivos aislados en gases, que podrían presentar transitorios muy rápidos, y este tipo de protección no está ampliamente estudiada frente a estos fenómenos. En la primera etapa, se realiza el estado del arte que comprende el estudio de los diferentes modelos de los descargadores de sobretensión ante sobretensiones con tiempos de frente muy rápido. Estos son el punto de partida para la caracterización de dichos dispositivos ante los pulsos de tensión VFTOs. Además, se presenta un análisis teórico sobre la estructura interna del varistor de ZnO, permitiendo establecer los efectos no lineales causados por los aditivos que contiene este material, del mismo modo, se estudian los mecanismos de conducción eléctrica que explican el porqué de la desviación de la ley de Ohm en estos dispositivos. Mas adelante, se planea y se lleva a cabo un diseño experimental con un solo factor, para un total de 5 unidades experimentales, a las cuales se le realizaron 20 réplicas. Este diseño experimental permitió seleccionar un solo varistor en representación de la población muestral, mediante el Análisis de Varianza (ANOVA. Analysis Of Variance). En la última parte, se presenta la forma de onda obtenida por el generador de pulsos de tensión diseñado, la cual se caracterizó por su nivel de voltaje, frecuencia y tiempo de frente (Rise Time); finalmente, se presentan las pruebas de laboratorio al varistor seleccionado, cuya respuesta en el voltaje residual y corriente de descarga permitió establecer el dominante efecto capacitivo en el comportamiento de varistor ante pulsos de tensión VFTOs. (Texto tomado de la fuente)
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    Methodology to design an optimal decision making system for the operator of a shared electric vehicle fleet providing electrical ancillary services
    (Universidad Nacional de Colombia, 2021-11) Ruiz, Semaria; Gomez-Ramirez, Danny Arlen de Jesus; Hernández-Riveros, Jesús-Antonio
    In the recent years, the use of electric vehicles for public transport and carsharing services has spread widely in response to the needs of reducing global polluting gases emissions and decreasing vehicle ownership. However, the implementation of the electric carsharing practice still have some changes that need to be overcome, such as limitations in regulations and the low-profit margins that can be achieved by the aggregator agent that operate the fleet. Wherefore this thesis proposes to address the challenge of low profitability margins for the aggregator, giving to the electric vehicles the feature of providing power to the electrical network. It contains the developing process of a a decision making tool for the optimal operation of a fleet of electric vehicles that are used to provide carsharing services by an aggregator agent. In this case the aggregator agent also has the possibility of providing ancillary services to the power network, taking into account the degradation of the batteries and the risk in the incomes due to the variation of carsharing demand and the energy expenditure during travels. The thesis have as main contributions proposal of an aggregated energy model for an agent that operates the electric carsharing fleet, which allows the integration of transport and electrical network related variables, and the inclusion of transport variables uncertainties; and, the design of a risk-aware hierarchical decision-making system based on this model and its application to a study case in the Aburrá Valley; which allows the inclusion of different system models at each level, provides a solution computed in less than 7 seconds, and has the stability conditions necessary for future proposals of stochastic control schemes.
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    Understanding bio-oil droplets microexplosions in oxyfuel combustion.
    (2021-06-21) Ordoñez Loza, Javier Alonso; Chejne Jana, Farid; Amell Arrieta, Andrés; Termodinámica Aplicada y Energías Alternativas
    Sugarcane bagasse bio-oil is a low calorific fuel produced by pyrolysis of cane bagasse in a nitrogen atmosphere and can be considered as a future alternative fuel. In this doctoral thesis, a detailed characterization of the bio-oil was developed, and the effect of carbon dioxide on char formation during thermal decomposition was evaluated. The kinetics was also analyzed, and decomposition stages were proposed. Likewise, bio-oil droplet evaporation experiments were carried out and allowed to identify the nature of the phenomenon of micro-explosions and its relationship with the formation of microbubbles, to complement the work, a novel model to predict micro-explosions were developed offering the possibility of understanding the phenomenon of micro-explosion formation from a collection of physicochemical events that begin with the nucleation, coalescence, and explosion of microbubbles within the drop.
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    Aplicación de nanopartículas para la reducción del daño de formación por fluidos de perforación y mejoramiento de la zona invadida
    (Universidad Nacional de Colombia, 2021-09) Vargas Clavijo, Johanna; Lopera Castro, Sergio H.; Cortés Correa, Farid Bernardo; Yacimientos de Hidrocarburos; Fenómenos de Superficie - Michael Polanyi
    Colloidal suspension agglomeration and filtration occur in many natural phenomena and engineering applications. The most common colloidal theory problem is stabilizing a colloidal dispersion. Agglomeration reduction through interparticle force control. If the particles agglomerate, the agglomerated sizes increase, randomly increasing the sedimentation (or deposition) rate. Drilling fluids are composed of a base fluid, water, and solid particles suspended, calcium carbonate - CaCO3.In most cases, polymers are used to disperse the solid material. However, factors such as mud contamination, size, solid concentration solids, changes in pH, etc., can alter the surface charge, affect the colloidal stability, and alter the drilling fluid properties. An alternative to the current improves the drilling fluids properties is the potential employment of nanoparticle technology. However, few fundamental studies are available in the literature or omit the interactions between particles for colloidal suspensions. Thus, the thesis focuses principally on the colloidal stability in the polymer-CaCO3 system and the solid packing in the filtration process in the presence of nanoparticles (NPs). SiO2 NPs are a common material widely used in drilling fluid improvement. The colloidal stability of the water-based drilling muds (WBM) in the presence of SiO2 NPs was evaluated by monitoring rheological and filtration properties varying the particle size, concentration, and charge surface NPs. The NPs with the smallest size, highest total acidity, and the most negative value of zeta potential had the highest capacities of filtration volume and filter cake thickness reduction. These factors favor the dispersion forces, allowing the reduction of aggregates, favoring an ordered particle deposition with superior coverage. Once they have formed the filter cake, the attractive forces predominate the system, reducing the empty spaces between particles. Also, NPs are retained in the porous surface due to the affinity between the rock silica groups and the SiO2 NPs active sites. Hence, the SiO2 NPs could interact in the following order with each item evaluated: Polymer < CaCO3 < rock. In the case of the polymer, it interacts the most with the rock, followed by NPs and then CaCO3. NPs do not generate significant changes in the rheological profiles of the WBM. However, the yield point and gel strength, which are strengthened at low shear rates, were improved with the presence of NPs, the attractive forces predominate. The lower the distance between SiO2 NPs-polymer, the greater the force of attraction between the molecules. This study provides a broader landscape of the role of SiO2 NPs in the improvement and design of drilling fluids to a field application. Strategies and methodologies for application and scaling the WBM with NPs in the drilling are proposed.