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Integración de energía
Los altos costos de energía han promovido el uso eficiente de este recurso básico. En este campo se tratan de desarrollar métodos que aprovechen los contenidos de energía de corrientes de proceso que pueden ceder energía para integrarse con corrientes que requieren calor dentro de un proceso, en vez de satisfacer sus requerimientos energéticos mediante el uso de servicios externos, tales como vapor y agua de enfriamiento. Nuestros esfuerzos de investigación han estado basados tanto en el uso de los principios del punto de pliegue como en la generación de redes de integración de energía mediante el uso de métodos formales de optimización.
Publicaciones representativas:
Serna, M. and A. Jiménez, “An Area Targeting Algorithm for the Synthesis of Heat Exchanger Networks”, Chemical Engineering Science, 59, 12, 2517-2520 (2004)
Serna-González, M., J.M. Ponce-Ortega and A. Jiménez-Gutiérrez, “Two-Level Optimization Algorithm for Heat Exchanger Networks Including Pressure Drop Considerations”, Industrial and Engineering Chemistry Research, 43, 6766-6773 (2004)
Serna-González, M., A. Jiménez-Gutiérrez and J.M. Ponce-Ortega, “Targets for Heat Exchanger Network Synthesis with Different Heat Transfer Coefficients and Non-uniform Exchanger Specifications”, Chemical Engineering Research and Design, 85, A10, 1447-1457 (2007)
Ponce-Ortega, J.M., M. Serna-González and A. Jiménez-Gutiérrez, “Heat Exchanger Network Synthesis Including Detailed Heat Exchanger Design Using Genetic Algorithms”. Industrial and Engineering Chemistry Research, 46, 25, 8767-8780 (2007)
Ponce-Ortega, J.M., A. Jiménez-Gutiérrez and I.E. Grossmann, “Optimal Synthesis of Heat Exchanger Networks Involving Isothermal Process Streams”. Computers and Chemical Engineering, 32, 8, 1918-1942 (2008)
Ponce-Ortega, J.M., A. Jiménez-Gutiérrez and I.E. Grossmann, “Simultaneous Retrofit and Heat Integration of Chemical Processes”. Industrial and Engineering Chemistry Research, 47, 15, 5512-5528 (2008)
Jiménez-Gutiérrez, A., J.M. Ponce-Ortega and M. Serna-González, “Synthesis of Heat Exchanger Networks Including Pressure Drop Considerations and Detailed Design of Heat Exchangers: A Review”. Trends in Heat and Mass Transfer, 11, 1-16 (2009)
Ponce-Ortega, J.M., M. Serna-González and A. Jiménez-Gutiérrez, “Synthesis of Heat Exchanger Networks with Optimal Placement of Multiple Utilities”. Industrial and Engineering Chemistry Research, 49, 6, 2849-2856 (2010)
Integración de masa y propiedades
El campo de integración de masa tiene como objetivo particular la aplicación de estrategias reciclo y reuso de agua en un proceso para lograr un uso eficiente del consumo de agua fresca. Como beneficio adicional de esta aplicación, se disminuye también la cantidad de agua de desecho que se genera en el proceso. El diseño de redes de integración de agua es parte de un enfoque holístico que también contribuye a la solución ambiental relacionada con el tratamiento de contaminantes que pueden tener las corrientes del proceso. Más aún, en ocasiones no únicamente la concentración de contaminantes es importante de tratar, sino alguna propiedad que la corriente tiene y que afecta el medio ambiente, tal como toxicidad, demanda química de oxígeno y pH, entre otras. Este concepto dio origen al desarrollo de redes de integración de masa basada en propiedades. Los desarrollos que hemos logrado han sido basados primordialmente en formulaciones de modelos de programación matemática. Típicamente, se formula una superestructura que da origen a un modelo de programación mixta entera no lineal, cuya solución provee la estructura óptima de la red de integración de agua.
Publicaciones representativas:
Ponce-Ortega, J.M., C. Hortua, M. El-Halwagi and A. Jiménez-Gutiérrez. “A Property-Based Optimization of Direct Recycle Networks and Wastewater Treatment Processes”.ÂÂÂ AIChE Journal, 55, 9, 2329-2344 (2009).
Ponce-Ortega, J.M., M. El-Halwagi and A. Jiménez-Gutiérrez, “Global Optimization for the Synthesis of Property-Based Recycle and Reuse Networks Including Environmental Constraints”. Computers and Chemical Engineering, 34, 318-330 (2010)
Nápoles-Rivera, F., J.M. Ponce-Ortega, M. El-Halwagi and A. Jiménez-Gutiérrez, “Global Optimization of Mass and Property Integration Networks with In-Plant Property Interceptors”, Chemical Engineering Science, 65, 4363–4377 (2010)
Rubio-Castro, E., J.M. Ponce-Ortega, F. Nápoles-Rivera, M. El-Halwagi, M. Serna-González and A. Jiménez-Gutiérrez, “Water Integration of Eco-Industrial Parks Using a Global Optimization Approach”, Industrial and Engineering Chemistry Research, 49, 20, 9945-9960 (2010)
Ponce-Ortega, J.M., F.W. Mosqueda-Jiménez, M. Serna-González, A. Jiménez-Gutiérrez and M. El-Halwagi, “A Property-Based Approach to the Synthesis of Material Conservation Networks with Economic and Environmental Objectives”, AIChE Journal, 57, 9, 2369-2387 (2011)
Rubio-Castro, E., J.M. Ponce-Ortega, M. Serna-González, A. Jiménez-Gutiérrez and M. El-Halwagi, “A Global Optimal Formulation for the Water Integration in Eco-Industrial Parks Considering Multiple Pollutants”, Computers and Chemical Engineering, 35, 8, 1558-1574 (2011)
Ponce-Ortega, J.M., F. Nápoles-Rivera, M. El-Halwagi and A. Jiménez-Gutiérrez, “An Optimization Approach for the Synthesis of Recycle and Reuse Water Integration Networks”, Clean Technologies and Environmental Policy, 14, 1, 133-151 (2012)
Atilhan, S., A. Bin Mahfouz, B. Batchelor, P. Linke, A. Abdel-Wahab, F. Nápoles-Rivera, A. Jiménez-Gutiérrez and M. El-Halwagi, “A Systems-Integration Approach to the Optimization of Macroscopic Water Desalination and Distribution Networks: A General Framework Applied to Qatar’s Water Resources”, Clean Technology and Environmental Policy, 14, 2, 161-171 (2012)
Nápoles-Rivera, F., J.M. Ponce-Ortega, M. El-Halwagi and A. Jiménez-Gutiérrez, “Global Optimization of Wastewater Integration Networks for Processes with Multiple Contaminants”, Environmental Progress and Sustainable Energy, 31, 1, 449-458 (2012)
Sandate-Trejo, C., A. Jiménez-Gutiérrez and M. El-Halwagi, “Property Integration Models with Interdependence Mixing Operators”, Chemical Engineering Research and Design, in press (2014)
Jiménez-Gutiérrez, A., J. Lona-Ramírez, J.M. Ponce-Ortega and M. El-Halwagi, “An MINLP Model for the Simultaneous Integration of Energy, Mass and Properties in Water Networks”, Computers and Chemical Engineering, 71, 52-66 (2014)
A. Jiménez-Gutiérrez, M.C. Sandate-Trejo and M. El-Halwagi, “An MINLP Model that Includes the Effect of Temperature and Composition on Property Balances for Mass Integration Networks”, Processes, 2, 675-693 (2014)
Destilación térmicamente acoplada
La destilación es un método de separación muy efectivo, de marcado uso industrial, pero requiere altos consumos de energía que afectan la economía de procesos químicos. Dentro de los enfoques que se han considerado para disminuir el consumo de energía en sistemas de destilación, nos hemos enfocado principalmente al uso de esquemas de destilación térmicamente acoplada. En estos esquemas, la interacción de corrientes de líquido y de vapor entre dos columnas sustituye el uso de un hervidor o un condensador en el sistema de destilación. El resultado es un sistema de separación que puede ser muy eficiente en el uso de energía. Hemos desarrollado métodos que proporcionan diseños para este tipo de sistemas con un máximo ahorro de energía con respecto a las secuencias de destilación convencionales. Los estudios de control que hemos llevado a cabo han mostrado que, contrario a las expectativas que se tenían originalmente, las propiedades dinámicas y de control de las secuencias térmicamente acopladas pueden serÂÂÂ similares, e inclusive mejores, que las de los esquemas convencionales de destilación.
Publicaciones representativas:
Hernández, S. and A. Jiménez, “Design of Energy-Efficient Petlyuk Systems”, Computers and Chemical Engineering, 23, 8, 1005-1010 (1999)
Hernández, S. and A. Jiménez, “Controllability Analysis of Thermally Coupled Distillation Systems”, Industrial and Engineering Chemistry Research, 38, 10, 3957-3963 (1999)
Jiménez, A., S. Hernández, A. Montoy and M. Zavala, “Control Properties of Conventional and Nonconventional Destillation Sequences”, Industrial and Engineering Chemistry Research, 40, 3757-3761 (2001)
Segovia-Hernández, J.G., S. Hernández and A. Jiménez, “Control Behaviour of Thermally Coupled Distillation Sequences”, Transactions of the Institution of Chemical Engineers, Part A, 80, 7, 783-789 (2002)
Jiménez, A., N. Ramírez, A. Castro and S. Hernández, “Design and Energy Performance of Alternative Schemes to the Petlyuk Distillation System”, Chemical Engineering Research and Design, 81, 518-524 (2003)
Ramírez, N. and A. Jiménez, «Two alternatives to thermally coupled distillation systems with side columns», AIChE Journal, 50, 11, 2971-2975 (2004)
Segovia-Hernández, J.G., S. Hernández and A. Jiménez, “Analysis of Dynamic Properties of Alternative Sequences to the Petlyuk Column”, Computers and Chemical Engineering, 29, 1389-1399 (2005)
Vaca, M., A. Jiménez-Gutiérrez and Rosendo Monroy-Loperena, “Design of Petlyuk Distillation Columns Aided with Collocation Techniques”. Industrial and Engineering Chemistry Research, 46, 16, 5365-5370 (2007)
Vaca, M., A. Jiménez-Gutiérrez and J. Alvarez-Ramírez. “A Note on the Controllability of Two Short-Cut Designs for a Class of Thermally Coupled Distillation Sequences”. Industrial and Engineering Chemistry Research, 48, 2283-2289 (2009)
Ruiz-Marín, L.E., N. Ramírez-Corona, A. Castro-Agüero and A. Jiménez-Gutiérrez, “Shortcut Design of Fully Thermally Coupled Distillation Systems with Postfractionator”, Industrial and Engineering Chemistry Research, 50, 6287–6296 (2011)
Gutiérrez-Antonio, C., A. Briones-Ramírez and A. Jiménez-Gutiérrez, “Optimization of Petlyuk Sequences Using a Multi Objective Genetic Algorithm with Constraints”, Computers and Chemical Engineering, 35, 236-244 (2011)
Tututi-Avila, S. and A. Jiménez-Gutiérrez, “Control of Dividing-Wall Columns via Fuzzy Logic”, Industrial and Engineering Chemistry Research, 52, 11, 7492-7503 (2013)
Tututi-Avila, S., A. Jiménez-Gutiérrez and J. Hahn, “Analysis of Multi-loop Control Structures of Divided-Wall Distillation Columns Using a Fundamental Model”, Processes, 2, 180-199 (2014)
Tututi-Avila, S., A. Jiménez-Gutiérrez and Juergen Hahn, “Control Analysis of an Extractive Dividing-Wall Column used for Ethanol Dehydration”, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification. 82, 88-100 (2014)
Sistemas complejos de destilación
Además de la destilación térmicamente acoplada, existen otros sistemas no convencionales de destilación tales como la destilación extractiva y la destilación con integración térmica, que revisten interés especial. La destilación extractiva se usa para separar mezclas con azeótropos mediante el uso de un solvente. En la destilación con integración de calor, o integración térmica, las secciones de rectificación y agotamiento de las columnas se procesan en dos columnas separadas, las cuales mediante la manipulación de presiones alteran los perfiles de temperatura para generar una sección de rectificación con mayor temperatura que la de agotamiento, y de esta manera permitir la integración de calor entre las secciones, bajando o eliminando las cargas térmicas de condensadores y hervidores. Hemos desarrollado métodos de diseño para esquemas de destilación complejos, y estudiado su conveniente aplicación y los efectos de su implementación.
Publicaciones representativas:
Gutiérrez-Antonio, C. and A. Jiménez-Gutiérrez, “Method for the Design of Azeotropic Distillation Columns”. Industrial and Engineering Chemistry Research, 46, 20, 6635-6644 (2007)
Gutiérrez-Antonio, C. and A. Jiménez-Gutiérrez, “Design of Side-Stream Azeotropic Distillation Columns”. Chemical Engineering Research and Design, 85, A10, 1384-1389 (2007)
Gutiérrez-Antonio, C., G. Iglesias-Silva and A. Jiménez-Gutiérrez, “Effect of Different Thermodynamic Models on the Design of Homogeneous Azeotropic Distillation Columns”. Chemical Engineering Communications, 195, 9, 1059-1075 (2008)
Cabrera-Ruiz, J., A. Jiménez-Gutiérrez and J.G. Segovia-Hernández, “Assessment of the Implementation of Heat-Integrated Distillation Columns for the Separation of Ternary Mixtures”, Industrial and Engineering Chemistry Research, 50, 4, 2176-2181 (2011)
Mascote-Pérez, D., A. Sánchez-Hijar, M.I. Fernández-Pastrana, N. Ramírez-Corona and A. Jiménez-Gutiérrez, “Insights on the Dynamic Behavior of Thermally Coupled Distillation Columns Implemented in Processes with Recycles”, Chemical Engineering Research and Design, in press (2014)
Ramírez-Corona, N., Natanael Ek and A. Jiménez-Gutiérrez, “A Method for the Design of Distillation Systems Aided by Ionic Liquids”, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 87, 1-8 (2015)
Diseños inherentemente seguros
La seguridad de procesos es un campo de clara importancia para la industria química y de transformación, y cuyo interés ha venido tomando mayor relevancia a la luz de incidentes desafortunados que han ocasionado accidentes industriales con pérdidas de vida y daños a la salud humana. Típicamente, los diseños de procesos se han llevado a cabo de manera independiente a este principio, tal que el análisis de riesgos y consecuencias se llevan a cabo posteriormente a la generación de diagramas de flujo y selección de equipos, especies químicas tales como solventes, y condiciones de operación. Nuestro interés en este campo es el de incluir conceptos de seguridad de manera simultánea al diseño de un proceso. Mediante la inclusión de principios de análisis de riesgo hemos desarrollado estrategias para el diseño de procesos inherentemente más seguros, que han sido aplicadas a problemas de destilación ordinaria, destilación con integración térmica, destilación extractiva y distribución de planta.
Publicaciones representativas:
El-Halwagi, A.M., C. Rosas, J.M. Ponce-Ortega, A. Jiménez-Gutiérrez, M.S. Mannan and M.M. El-Halwagi, “Multi-Objective Optimization of Biorefineries with Economic and Safety Objectives”, AIChE Journal, 59, 7, 2427-2434 (2013)
Medina-Herrera, N., A. Jiménez-Gutiérrez and M. Sam Mannan, “Development of Inherently Safer Distillation Systems”, Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 29, 225-239 (2014)
Medina-Herrera, N., A. Jiménez-Gutiérrez and I.E. Grossmann, “A Mathematical Programming Model for Optimal Layout Considering Quantitative Risk Analysis”, Computers and Chemical Engineering, 68, 165-181 (2014)
Medina-Herrera, N., I.E. Grossmann, M. Sam Mannan and A. Jiménez-Gutiérrez, “An Approach for Solvent Selection in Extractive Distillation Systems Including Safety Considerations”, Industrial and Engineering Chemistry Research, 53, 30, 12023-12031 (2014)
Sistemas de biorefinerías
Las biorefinerías se han considerado para la producción alternativa de productos que se obtienen comúnmente a partir de fuentes de recursos fósiles. Ejemplos como el bioetanol han sido sujetos a numerosos estudios buscando métodos efectivos de producción. Aunado a la etapa de conversión de los azúcares en productos como etanol, la síntesis de procesos de refinerías requiere de pasos adicionales como pretratamientos, separaciones y purificaciones. Varios puntos han atraído nuestro interés en este campo. El primero es la integración adecuada de estos componentes para diseñar un sistema efectivo de biorefinería. El segundo es su análisis económico para detectar su competitividad con sistemas de producción establecidos. El tercero es la aplicación de métodos de integración de procesos para mejorar su economía y el uso de recursos básicos. Finalmente, un punto relevante ha sido la recopilación de datos reportados para diferentes transformaciones a partir de varias materias primas de biomasa en una variedad de productos, y su formulación como una superestructura que considere todas las posibles alternativas de procesamiento. La solución de esta superestructura proporciona la estructura óptima de una industria integral de biorefinerías, que puede aplicarse para planear el desarrollo de una determinado zona geográfica.
Publicaciones representativas:
Bao, B., D.K.S. Ng, D.H.S. Tay, A. Jiménez-Gutiérrez and M. El-Halwagi, “A Shortcut Method for the Preliminary Synthesis of Process-Technology Pathways: An Optimization Approach and Application for the Conceptual Design of Integrated Biorefineries”, Computers and Chemical Engineering, 35, 8, 1374-1383 (2011)
Conde-Mejía, C., A. Jiménez-Gutiérrez and M. El-Halwagi, “A Comparison of Pretreatment Methods for Bioethanol Production from Lignocellulosic Materials”, Process Safety and Environmental Protection, 9, 3, 189-202 (2012)
Conde-Mejía, C., A. Jiménez-Gutiérrez and M.M. El-Halwagi, “Assessment of Combinations between Pretreatment and Conversion Configurations for Bioethanol Production”, ACS Sustainable Chemistry and Engineering, 1, 8, 956-965 (2013)
Usos de shale gas
Los descubrimientos recientes de shale gas, o gas rocoso, han proporcionado un panorama marcadamente diferente en cuanto a las expectativas de disponibilidad de energía fósil en el mundo. El problema actual es el establecimiento de políticas de desarrollo para este recurso, incluyendo su uso como fuente de energía y como precursor de productos de valor para la sociedad. Nuestros esfuerzos de investigación en este campo se han dirigido al diseño de procesos que transformen el shale gas en productos petroquímicos tales como metanol y etileno, entre otros. La implementación de este tipo de procesos tomará algún tiempo, por lo que las aportaciones que se puedan generar en este campo podrían tener una marcada utilidad en la selección de productos a considerar y en el desarrollo de sus respectivos procesos de transformación.
Publicaciones representativas:
Martínez, D. Y., A. Jiménez-Gutiérrez, P. Linke, K.J. Gabriel, M.M.B. Noureldin and M.M. El-Halwagi, “Water and Energy Issues in Gas-to-Liquid Processes: Assessment and Integration of Different Gas-Reforming Alternatives”, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2, 216-225 (2014)
Gabriel, K. J., M. Noureldin, M. M. El-Halwagi, P. Linke, A. Jiménez-Gutiérrez and D. Y. Martínez, “Gas-to-Liquid (GTL) Technology: Targets for Process Design and Water-Energy Nexus», Current Opinion in Chemical Engineering, 5, 49-54 (2014)
Gabriel, K., P. Linke, A. Jiménez-Gutiérrez, D. Y. Martínez, M. Noureldin and Mahmoud El-Halwagi, “Targeting on the Energy-Water Nexus in Gas-to-Liquid Processes”, Industrial and Engineering Chemistry Research, 53, 7087-7102 (2014)
Julián-Durán, L.M., A.P. Ortiz-Espinoza, M.M. El-Halwagi and A. Jiménez-Gutiérrez, “Techno-economic Assessment and Environmental Impact of Shale Gas Alternatives to Methanol”, ACS Sustainable Chemistry and Engineering, 2, 10, 2338-2344 (2014)
Intensificación de Procesos
Procesos intensificados tienen la característica de llevar a cabo varias tareas de reacción y/o de separaciones en un número reducido de equipos, o bien en equipos más compactos. Hemos estado desarrollando metodologías para transformar gradualmente un diagrama de flujo convencional, basado en equipos de reacción y separación convencionales, en un diseño con un número mínimo de equipos. Dentro de este enfoque, se han incluido factores económicos, de sustentabilidad y de seguridad inherente como parte de una evaluación integral de cada alternativa que se genera. Esto permite detectar si alguna opción parcialmente intensificada presenta alguna ventaja relevante en alguno de estos componentes con respecto a una completamente intensificada, tal que amerite seleccionarla como la mejor solución al problema de intensificación original. Esfuerzos del grupo están concentrados en diferentes aplicaciones de este enfoque y al desarrollo de conceptos que pudieran usarse para intensificar una gran variedad de procesos químicos, incluyendo diferentes tipos de reacciones y de procesos de separación.
Publicaciones representativas
Castillo-Landero, Arick, Andrea P. Ortiz-Espinoza and Arturo Jiménez-Gutiérrez, “A Process Intensification Methodology Including Economic, Sustainability and Safety Considerations”, Industrial and Engineering Chemistry Research, 58, 15, 6080-6092 (2019)
Ortiz-Espinoza, Andrea Paulina, Vasiliki Kazantzi, Fadwa Eljack, Arturo Jiménez-Gutiérrez, Mahmoud M. El-Halwagi and Nikolaos Kazantzis, “A Framework for Design Under Uncertainty Including Inherent Safety, Environmental Assessment and Economic Performance of Chemical Processes”, Industrial & Engineering Chemistry Research, 58, 13239-13248 (2019)
