Simulación y optimización de hidrodinámica de reactores electroquímicos (CFD)
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EJECUTIVO

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OTRI – Área de Relaciones con la Empresa
Universidad de Alicante
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RESUMEN

El Departamento de Química Física (grupo de Nuevos desarrollos tecnológicos en electroquímica: Sonoelectroquímica y Bioelectroquímica) de la Universidad de Alicante, tiene gran experiencia en caracterización y optimización de reactores electroquímicos por diferentes métodos. Se han usado métodos clásicos para caracterizar y estudiar sistemas (estudio RTD de las curvas, estudio de los tiempos de residencia, visualización de trazadores en los compartimentos electroquímicos, así como otras técnicas clásicas como los estudios de transporte de materia mediante procedimientos electroquímicos). Ahora, los sistemas se han optimizado con técnicas más potentes basadas en la simulación computerizada de los sistemas hidrodinámicos. Esa técnica se llama método CFD (Dinámica Computacional de Fluidos).

Hay disponible un laboratorio y una planta piloto totalmente equipada con la infraestructura necesaria para desarrollar estudios de caracterización de sistemas, así como una estación de cálculo para simulaciones y optimizaciones de sistemas mediante técnicas de CFD.

Esta tecnología puede ser interesante para varias industrias: química, tratamiento de aguas, curtidos, procesado de metales, etc.

DESCRIPCIÓN TÉCNICA

Se entiende como CFD (Dinámica Computacional de Fluidos) al análisis computacional de sistemas donde hay implicados flujos de fluidos, transferencia de calor y otros fenómenos asociados como las reacciones químicas. Es una técnica relativamente nueva e incluye un amplio rango de aplicaciones, desde las industriales hasta las académicas.

Algunos ejemplos de las aplicaciones de esta técnica son:

• Estudio de aviones y vehículos.

• Hidrodinámica de buques.

• Plantas energéticas: combustiones en motores IC y turbinas de gas.

• Turbomaquinaria: flujos rotacionales internos, difusores, etc.

• Ingeniería eléctrica y electrónica: refrigeración de equipos, incluidos los microcircuitos.

• Ingeniería de procesos químicos: mezcla y separación, moldeo de polímeros, etc.

• Entorno externo e interno de edificios: ventilación, calefacción, refrigeración, etc.

• Ingeniería marina: cargas en las estructuras costeras, etc.

• Ingeniería medioambiental: distribución de contaminantes y efluentes.

• Oceanografía e Hidrología: flujos en ríos, estuarios, océanos.

• Meteorología: predicción del tiempo.

• Ingeniería Biomédica: flujos sanguíneos a través de arterias y venas.

• Ingeniería Electroquímica: optimización de células de combustible y reactores electroquímicos.

La principal razón por la que los métodos CFD se han retrasado respecto a otras técnicas de optimización, es por la tremenda complejidad del comportamiento subyacente. La disponibilidad de una ejecución altamente asequible se debe al hardware y a la introducción de interfaces amigables que han conducido a un aumento reciente del interés, y la metodología CFD está preparada para entrar en la amplia comunidad industrial a partir de los 90.

Hay varias ventajas únicas de CFD sobre otras experimentales dirigidas al diseño de sistemas de fluidos:

• Reducción sustancial de tiempos de permanencia y costes de los nuevos diseños.

• Capacidad para estudiar sistemas donde los controles experimentales son difíciles o imposibles de llevar a cabo (por ejemplo, en sistemas muy grandes).

• Capacidad para estudiar sistemas bajo condiciones peligrosas y más allá de sus límites normales de detección (por ejemplo, estudios de seguridad y escenarios de accidentes).

• Nivel de detalle de los resultados prácticamente ilimitado.

El coste variable de un experimento, en términos de facilidad para contratar y/o coste hombre-hora, es proporcional al número de valores y al número de configuraciones probadas. Por otra parte, los códigos CFD pueden producir volúmenes extremadamente largos de resultados y es muy barato ejecutar estudios paramétricos, por ejemplo, para optimizar equipos.

En este sentido, es lógico usar esta herramienta para optimizar cualquier sistema. Primero de todo, podemos estudiar el sistema en su actual situación y después hacer los cambios apropiados para optimizarlo. Y todo ello sin la necesidad de construir un prototipo físico para probar nuestros cambios hasta que estemos seguros que la hidrodinámica de nuestro sistema funciona como queremos. Entonces, podemos probar configuraciones más rápido que mediante los otros métodos clásicos y conseguir el diseño óptimo en un tiempo más corto.

LABORATORIOS

El Departamento de Química Física tiene laboratorios totalmente equipados para probar las configuraciones de los reactores electroquímicos en su primer escalado.




PLANTA PILOTO

El Departamento de Química Física también tiene una planta piloto totalmente equipada con la infraestructura necesaria para desarrollar la fase pre-industrial y el escalado de los procesos. La planta piloto ha desarrollado varios reactores electroquímicos para producir productos a nivel pre-industrial y/o industrial.







SISTEMA DE CÁLCULO

En este momento, se dispone de un sistema de cálculo construido con seis Pentium IV 2GHz PCs, con 2 Gb de memoria RAM cada uno. Este sistema permite la optimización de reactores electroquímicos prensa-filtro hechos en la Universidad de Alicante.

Se han obtenido muy buenos resultados en los experimentos de simulación, que han sido validados mediante otros métodos clásicos o electroquímicos ya establecidos.

Todo ese know-how se ha reflejado en 6 publicaciones, 7 comunicaciones en congresos nacionales, 6 comunicaciones en congresos internacionales y una conferencia invitada.







VENTAJAS Y ASPECTOS INNOVADORES DE LA TECNOLOGÍA

· Es una nueva y potente herramienta para optimizar sistemas.

· Es una tecnología de bajo coste con un amplio rango de aplicaciones

ESTADO ACTUAL DE LA TECNOLOGÍA

La tecnología ya ha sido probada a nivel laboratorio. Además, el grupo de investigación tiene dos años de experiencia en este campo.

El procedimiento ha sido probado con éxito en reactores electroquímicos filtro-prensa. Todos los técnicos y responsables de la plantilla tienen la experiencia necesaria para garantizar el éxito de los proyectos.

APLICACIONES DE LA OFERTA

Algunos ejemplos de las aplicaciones de esta técnica son:

· Estudio de aviones y vehículos.

· Hidrodinámica de buques.

· Plantas energéticas: combustiones en motores IC y turbinas de gas.

· Turbomaquinaria: flujos rotacionales internos, difusores, etc.

· Ingeniería eléctrica y electrónica: refrigeración de equipos, incluidos los microcircuitos.

· Ingeniería de procesos químicos: mezcla y separación, moldeo de polímeros, etc.

· Entorno externo e interno de edificios: ventilación, calefacción, refrigeración, etc.

· Ingeniería marina: cargas en las estructuras costeras, etc.

· Ingeniería medioambiental: distribución de contaminantes y efluentes.

· Oceanografía e Hidrología: flujos en ríos, estuarios, océanos.

· Meteorología: predicción del tiempo.

· Ingeniería Biomédica: flujos sanguíneos a través de arterias y venas.

· Ingeniería Electroquímica: optimización de células de combustible y reactores electroquímicos.

Además, esta tecnología puede ser interesante para varias industrias: química, tratamiento de aguas, curtidos, procesado de metales, etc.

COLABORACIÓN BUSCADA
El Departamento de Química Física de la Universidad de Alicante tiene el know-how y las infraestructuras necesarias para desarrollar la optimización de sistemas electroquímicos sin descartar la opción de estudiar otro tipo de sistemas químicos.

Se buscan socios interesados en establecer acuerdos de know-how o proyectos técnicos con este objetivo.
DERECHOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL
Respecto al uso de equipos, desarrollo y escalado de procesos, procesos de viabilidad, etc. toda la información está protegida bajo know-how.
PERFIL DEL GRUPO DE INVESTIGACIÓN

El Departamento de Química-Física de la Universidad de Alicante fue creado en 1983. Actualmente, cuenta con un catedrático, dos profesores titulares, tres profesores asociados, dos especialistas electroquímicos en planta piloto, un ingeniero electrónico y varios estudiantes pre y post-doctorales.

La investigación llevada a cabo por el grupo comprende: electrocatálisis y electroquímica aplicada (baterías, electrosíntesis orgánicas e inorgánicas, tratamientos electroquímicos de aguas residuales, preparación y caracterización de nanopartículas, diseño y caracterización de reactores electroquímicos e ingeniería de procesos sonoelectroquímicos).

El propósito de este grupo consiste en desarrollar procedimientos electroquímicos para satisfacer las necesidades de las industrias. De esta manera, la investigación en este campo abarca distintas áreas. El grupo ha trabajado en el desarrollo de baterías redox y han construido un acumulador 2 kW / 20 kWh basado en los pares Fe (III)/Fe (II) y Cr (III)/Cr (II).

Otro ámbito de investigación es la síntesis electroorgánica de compuestos de química fina y de productos farmacéuticos, además de la electroquímica aplicada al medioambiente. Resultado de nuestro trabajo en el ámbito farmacéutico, se han conseguido varias patentes para sintetizar derivados de L-cisteína y citiolona (una de ellas es una patente que se ha extendido a nivel mundial). Para llevar a cabo los procesos electroquímicos a escala industrial, se ha diseñado y construido una planta piloto electroquímica en la Universidad donde, en colaboración con una empresa española, ha sido posible sintetizar 14 toneladas de L-carboximetil-L-cisteína, un producto farmacéutico ampliamente utilizado. También se ha ejecutado un proyecto para recuperar plomo a partir de óxidos de plomo secundarios usados en baterías de plomo (proyecto BRITE-EURAM). En este proyecto el grupo se encargó del estudio y desarrollo del proceso catódico, de la deposición de plomo, del escalado pre-industrial, de la recuperación de NaCl mediante electrodiálisis y de la eliminación de plomo de aguas residuales por medios electroquímicos. El objetivo era demostrar la viabilidad del proceso a escala industrial. Actualmente, se está desarrollando un prototipo pre-industrial para el tratamiento electroquímico de aguas residuales para la industria textil.

Para hacer todo este trabajo, no sólo se ha adquirido un profundo conocimiento en Electroquímica (tanto básica como aplicada), sino también la habilidad para desarrollar diferentes tipos de electrodos (monocristal, DSA, electrodos de difusión de gas, etc.), y de diferentes reactores electroquímicos. Todo ello ha contribuido a ampliar la experiencia en el desarrollo de procesos electroquímicos a escala pre-industrial.

El Departamento de Química Física ha colaborado con distintas empresas nacionales e internacionales. La mayoría de ellas han firmado acuerdos de confidencialidad, pero se puede hacer referencia a Almu S.A., Vita-Invest, Prodesfarma, Intersuero, Salinas Bras de Port, Técnicas Reunidas, Ercros, Iberdrola, Bateig Laboral, Zambon, etc.

SECTORES DE APLICACIÓN (7)
Contaminación e Impacto Ambiental
Estudios Geológicos y Geofísicos
Estudios Marinos
Medicina y Salud
Recursos Hídricos
Tecnología Química
Transporte y Automoción

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