Tesis y Trabajos de Investigación PUCP
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Ítem Texto completo enlazado Reaction front propagation with thermal driven convection(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-08-13) Guzman Ramirez, Roberto Antonio; Vasquez Rodriguez, Desiderio AugustoEstudiamos la propagación de frentes químicos acoplados a efectos de convección debido a gradientes térmicos. Los frentes de reacción separan fluidos de diferentes densidades debido a gradientes térmicos y de composición. Estas diferencias de densidad pueden causar convección. Los frentes pueden describirse mediante una aproximación de frente delgado que separa producto y reactivo en el fluido. Para describir inestabilidades difusivas, el frente evoluciona según la ecuación de Kuramoto-Sivashinsky. Encontramos que el calor producido por la reacción genera convección en frentes exotérmicos que se propagan hacia arriba. Si el fluido de mayor densidad se encuentra encima del fluido de menor densidad, las fuerzas de flotación pueden generar convección. Encontramos que puede aparecer convección si el frente se propaga hacia abajo. Este caso describe fluido de menor densidad en la parte superior. También estudiamos la evolución no lineal de la ecuación de Kuramoto-Sivashinsky acoplada a hidrodinámica. Observamos aumento de velocidad para frentes que se propagan en canales estrechos debido a la convección. Analizamos el efecto de las pérdidas de calor en la propagación de frentes de reacción. La pérdida de calor depende del número de Biot, que representa la cantidad de flujo de calor a través de las fronteras. Para frentes que se propagan verticalmente, encontramos transiciones entre frentes axisimétricos y no axisimétricos, además de regiones de bistabilidad entre ellos. Para frentes que se propagan horizontalmente, la velocidad del frente aumenta a medida que aumentamos el ancho del canal, pero la razón de aumento es más rápida para números de Biot bajos.Ítem Texto completo enlazado Modelamiento numérico de la formación de hollín en llamas laminares difusivas(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-02-07) Ruiz Gallardo, Sebastián; Celis Pérez, CésarLas reacciones químicas que ocurren en procesos de pirólisis y combustión de hidrocarburos originan la formación de material particulado, comúnmente conocido como hollín. El estudio de las especies químicas críticas que controlan la formación de hollín, así como de los principios físicos y químicos asociados, es de gran importancia para disminuir los impactos negativos de este contaminante en la salud y en el medio ambiente, y para la mejora de la eficiencia de los sistemas de combustión. En ese sentido, el objetivo principal de este trabajo es el estudio de las especies químicas precursoras que controlan la formación de hollín. Para ello, por medio de modelamiento numérico basado en dinámica de fluidos computacional (CFD), una llama laminar difusiva de etileno/aire en coflujo, que tiene como característica principal la producción de cantidades relativamente grandes de hollín, es evaluada. Más específicamente, diferentes modelos de formación de hollín en llamas laminares difusivas son implementados, y luego los resultados obtenidos con estos modelos son comparados entre sí y con datos experimentales. En particular, diferentes mecanismos de cinética química son comparados en base a las concentraciones de las principales especies químicas que intervienen en la formación de hollín. Además, los modelos de formación de hollín son evaluados considerando un caso de estudio estudiado experimentalmente en el pasado, el cual cuenta con mediciones de temperatura y fracción volumétrica de hollín. Adicionalmente, a fin de observar los efectos sobre la formación de hollín, un análisis de sensibilidad de los parámetros empíricos empleados en uno de los modelos de hollín estudiados es también realizado. Los resultados obtenidos enfatizan que aún queda un largo camino por recorrer antes de tener un modelo de hollín capaz de describir adecuadamente la formación de este contaminante crítico en situaciones de interés practico.Ítem Texto completo enlazado Reaction fronts in inclined tubes under a Poiseuille flow(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-02-02) Rivadeneira Vizcardo, Rodrigo Miguel; Vasquez Rodriguez, Desiderio AugustoReaction fronts of chemical activity propagate with velocities that depend on the angle of inclination of the container. Buoyancy forces due to changes in chemical composition across the front will affect the velocity and shape of the front. If an external Poiseuille flow is imposed, the conditions of propagation would also change depending on the strength of this flow. Fronts in vertical tubes can change from flat to nonaxisymmetric, and then to axisymmetric as the density gradient is increased. Imposing a Poiseuille flow or tilting the tube changes how this sequence takes place. In this paper, we study the combined effects of convection and forced Poiseuille flow in inclined tubes, solving numerically the reaction-diffusion equations coupled to the Navier- Stokes equations.Ítem Texto completo enlazado Modelamiento hidrodinámico e hidrogeoquímico del pit lake Maqui Maqui(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-11-27) Hawkins Tacchino, Robert Jhon; Guzmán Córdova, Maribel GiovanaTras el cese del minado en el tajo Maqui Maqui Sur se darán naturalmente las condiciones para la formación de un pit lake, proceso que requiere ser entendido desde la perspectiva hidrodinámica e hidrogeoquímica, a través de modelamientos conceptuales y numéricos, para definir principalmente el volumen y calidad del agua en el mismo, respectivamente; de modo que, se puedan tomar decisiones de gestión ambiental y social más efectivas. El balance de agua indica que el pit lake se formará principalmente por los aportes de flujo subterráneo y alcanzará su equilibrio en aproximadamente 6 años, bajo una condición de descarga solo de agua subterránea (flowthrough condition). Durante su formación y en el largo plazo, el pit lake recibirá aportes de solutos por los mecanismos de wall-rock runoff y wall-rock leaching, además de la carga contenida en los propios flujos de entrada. El modelamiento hidrogeoquímico señala que el pit lake será ácido y tendrá cargas altas de sulfatos y metales, no obstante, las condiciones modeladas para el primer estrato (epilimnion) muestran una calidad con mayor potencial de ser aprovechable; más aún si se diera una condición meromítica. El modelamiento con PHREEQC da resultados más precisos, al permitir simular el efecto de determinadas reacciones químicas que influyen en la calidad del agua, lo que finalmente repercute, por ejemplo, en la eficiencia de los costos de las medidas de tratamiento para el agua que se podrían implementar o incluso en la determinación de su necesidad.Ítem Texto completo enlazado Estudio del avance de la reacción de geopolimerización del residuo de catalizador de craqueo catalítico de petróleo(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-11-12) Castañeda Estremadoyro, Álvaro Alejandro; Nakamatsu Kuniyoshi, JavierLos geopolímeros son materiales de construcción preparados a partir de residuos industriales ricos en aluminio y silicio mediante su activación con una solución compuesta de silicato sódico e hidróxido de sodio. Estos materiales tienen un gran potencial debido a que pueden cumplir las mismas funciones que el cemento Portland ordinario (OPC por sus siglas en inglés), pero emitiendo menor cantidad de gases de efecto invernadero durante su producción. Se ha estudiado bastante la reacción de geopolimerización y las propiedades mecánicas de geopolímeros sintetizados a partir de fly ash, sin embargo, no se ha expandido esta investigación a otra clase de residuos ricos en silicio y aluminio, tal como el producido durante la refinación del petróleo: el residuo de catalizador de craqueo catalítico (SFCC por sus siglas en inglés). En el presente trabajo se estudiaron los geopolímeros preparados a partir de este material, se desarrolló un método para detener la reacción de geopolimerización, mediante la liofilización de geopolímeros, se desarrolló un estándar interno para facilitar el seguimiento de la reacción de geopolimerización utilizando espectroscopía ATR-IR y, además, se estudió el efecto de la cantidad de agua y silicato soluble en la reacción de geopolimerización mediante difracción de rayos X y espectroscopía infrarroja de reflectancia total atenuada. Durante este estudio se observó que una mayor cantidad de agua apoya las etapas iniciales de la reacción, pero ralentiza las etapas finales. La cantidad de Si en el medio también juega un rol fundamental: en este trabajo se observó que cantidades muy altas y muy bajas del mismo pueden afectar negativamente la reacción de formación de geopolímero.Ítem Texto completo enlazado Análisis de estabilidad de frentes químicos en reacciones exotérmicas(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-02-16) Quenta Raygada, Johann Sebastián; Vásquez Rodríguez, Desiderio AugustoBuoyancy-driven convection is a phenomenon that appears in a wide range of natural processes, from atmospheric and oceanic flows to the Earth’s core inner dynamics. In particular, convective flows are ubiquitous in systems of chemical substances reacting at an interface known as a reaction front. Autocatalytic reaction fronts allow for different types of instabilities due to gradients in chemical composition and the exothermicity of the reaction. In order to study the effects of thermal gradients in such systems, we develop a model for thin-front propagation in two-dimensional tubes. Temperature and front evolution are coupled to two different descriptions of the system’s hydrodynamics: Darcy’s law and the Navier-Stokes equations for viscous flows. We study the stability of the convectionless flat front by carrying out a linear stability analysis. The regimes for which convection arises will depend on a control parameter, called the thermal Rayleigh number, which measures the strength of thermal gradients in the system. We vary this parameter between positive and negative values and analyze its effects on the stability of the fronts.Ítem Texto completo enlazado Generación de patrones químicos mediante flujos cortantes(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-10-26) Ledesma Araujo, Angelo Isaac; Vásquez Rodríguez, Desiderio AugustoLos sistemas de reacción-difusión permiten la formación de estructuras debido a las distintas difusividades de substancias químicas. Uno de estos sistemas es el de activador-inhibidor presentado en el modelo del Brusselador. En el caso en que este sistema se encuentre en un fluido, requerirá de términos de advección que representan el fenómeno de transporte ocasionado por la velocidad del fluido. Cuando el flujo presenta un esfuerzo de corte, las difusividades efectivas de cada substancia son modificadas, permitiendo invertir las condiciones de estabilidad que permiten la formación de patrones (Vásquez, 2004). En este trabajo se analiza la formación de patrones debido a la advección de un flujo cortante. A través de un flujo de Poiseuille, donde la velocidad tiene dependencia espacial transversal (forma parabólica), se pude violar la condición de formación de patrones de Turing (Vásquez, 2004). Para poder expandir esta investigación y analizar el efecto de un flujo generado por un vórtice, primero se analizará el movimiento caótico generado por vórtices y se caracterizarán diferentes patrones generados por distintos flujos cortantesÍtem Texto completo enlazado Estudio químico de la reacción de geopolimerización en medio alcalino(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-04-07) Castañeda Estremadoyro, Álvaro Alejandro; Nakamatsu Kuniyoshi, JavierLos geopolímeros son materiales de construcción alternativos al concreto común, los cuales pueden cumplir la misma función, pero sin generar grandes cantidades de gases de efecto invernadero. Estos son preparados a partir de una materia prima rica en aluminio y silicio, la cual es activada mediante la adición de una solución acuosa de hidróxido de sodio y silicato soluble. La materia prima utilizada puede ser un residuo de alguna industria o proceso, por ejemplo, el generado de la producción de silicio elemental, la producción de energía mediante el consumo de combustibles fósiles y de la producción de acero. También se pueden utilizar derivados de minerales como materias primas para la preparación de geopolímeros, siendo el metacaolín la materia prima más utilizada de esta categoría. El presente trabajo describe los estudios realizados con el fin de elucidar el rol de cada uno de los componentes de la solución activadora y la materia prima en la formación y características del geopolímero. Se ha estudiado el efecto del silicato y del hidróxido de sodio en la disolución de la materia prima, y se encontró que ambos cumplen un rol importante en este proceso y en la cinética de la reacción. Asimismo, se ha estudiado el efecto de la velocidad de liberación del aluminato y silicato de la materia prima, la liberación de estas especies afecta tanto a la composición final del geopolímero, como a la cinética de la reacción. Finalmente, se ha estudiado el efecto de las condiciones de curado y la cantidad de hidróxido de sodio en las propiedades mecánicas de estos materiales, se ha encontrado una relación clara entre estos parámetros y la resistencia a la compresión del geopolímero formado.Ítem Texto completo enlazado Convección generada por gradientes de densidad y tensión superficial en ondas químicas(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-05-21) Motta Zorrilla, Bryan; Vásquez Rodríguez, Desiderio Augusto; Vilela Proaño, Pablo MartinEn las reacciones químicas oscilantes se pueden observar patrones de pulsos generados por el aumento y disminución de las concentraciones de los reactivos, los cuales se desplazan a través del sistema, este conjunto de pulsos químicos se les conoce como ondas químicas. Para el caso de la reacción Belousov-Zhabotinsky se generan ondas químicas con pulsos color azul en un sistema de color rojo. La presente tesis busca caracterizar los efectos convectivos generados por los gradientes de tensión superficial y densidad que generan una variación en el campo de velocidades, afectando a la propagación de las ondas químicas en la reacción Belousov-Zhabotinsky. Para esto nos basaremos en el modelo Oregonador de dos variables para describir la evolución de la concentración de las ondas químicas. Además, para completar el modelo se agregarán los efectos hidrodinámicos relacionados al gradiente de tensión superficial y densidad mediante el uso de las ecuaciones de Navier-Stockes de forma bidimensional. El problema consiste en modelar los efectos de los gradientes de tensión superficial y de densidad sobre las ondas químicas que se propagan en una tubería extensa de forma rectangular. Para describir los efectos emplearemos un tren de pulsos que se mueven en una caja rectangular con condiciones de frontera periódicas. De tal manera que al variar el tamaño de la caja se cambie la distancia entre los pulsos. Debido a la dirección que puede tomar la convección generada por los gradientes de tensión superficial y densidad se espera que las velocidades de propagación de los pulsos, la forma y la energía cinética dependa de que tan fuerte sean dichas convecciones. Además, se espera que existan diferentes efectos considerando si ambas convecciones están en la misma dirección o en dirección contraria, tales como el aumento de velocidad u oscilaciones en los pulsos.Ítem Texto completo enlazado Convección de Marangoni en ondas químicas: efectos del inhibidor y activador(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-05-02) Tupayachi Latorre, Rubén Alfredo; Vásquez Rodríguez, Desiderio Augusto; Vilela Proaño, Pablo MartinSe estudian los efectos de la convección de Marangoni en los frentes de onda de la reacción de Belousov-Zhabotinsky (BZ) en una región bidimensional rectangular con condiciones periódicas para diferentes dimensiones de dicha región rectangular. El modelo matemático utilizado en la descripción de BZ es el del Oregonador de dos variables [2], que describe la evolución de la concentración de las sustancias químicas involucradas, referidas como inhibidor y activador. Sin embargo, este modelo no toma en cuenta los cambios en las propiedades del fluido a causa de la propagación de la onda química, como es el caso de la densidad de masa o la tensión superficial. Es necesario incorporar al Oregonador las ecuaciones hidrodinámicas que describen el movimiento del fluido. En la presente tesis nos enfocaremos en los cambios referidos a la tensión superficial durante la reacción BZ. La convección de Marangoni depende del gradiente de tensión superficial. Esta puede ocurrir a favor o en contra del movimiento de la onda química, por lo que en la presente tesis se estudiarán ambos casos para diferentes dimensiones del dominio rectangular. Se espera que la tensión superficial generada por las diferentes contribuciones de las concentraciones del inhibidor y el activador de lugar a la convección de Marangoni. Esto se verá reflejado en la forma de los pulsos, la velocidad de propagación y la energía cinética.