Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The settling vessels are equipment destined to solid-liquid separation; usually have continuous operation, with a circular section, presenting one conic and one cylindrical part. The solid particle splitting with small granular becomes difficult through the operation of conventional sedimentation. An expedient very used in the industry is the flocculant substance addition, whose objective is to promote the precipitation of particles, in which decantation speed is upper than the single one. The present work aim the study of the burst operational conditions that influence the formation and the stability of these aggregates, the flake and the effect of pH and the concentration of flocculant in the capacity of conventional settling vessel, which area of the transversal remains constant, considering this operational conditions. The experiments were made using a kaolin suspension, with pH adjustment and iron sulfate as flocculant. It was made batch sedimentation tests to find great points of pH and flocculant concentration on sedimentation and calculate the maxim rate of sedimentation by Kynch (1952) method. The experimental design results in a great pH of 7,5 and flocculant concentration of 0,0031mL/g of kaulim; using the flocculation process the diameter particle raised of 5,06 to 311_m; the batch sedimentation experiments were very efficient in spite of simplicity, obtaining a good adjustment of experimental data by constitutive equations of TILLER e LEU (1980) for pression and permeability; the area of transversal section had an influence in sedimentation velocity, the biggest one provide a bigger velocity, indicating a wall effect in the process; calculating the settling vessel capacity by Kynch (1952) method, a great performance was showed up with flocculation process, showing its importance in sedimentation of very small particles, and this study ended in a suggestion of a procedure to a continuous operation of a conventional settling vessel with suspensions previously flocculated. / A sedimentação é uma das operações unitárias mais utilizadas na indústria química. Nela, as fases sólida e líquida são separadas devido à diferença de peso. Para o caso de partículas sólidas muito pequenas, a eficiência de separação diminui drasticamente, inviabilizando a separação com padrões aceitáveis, tornando-se então necessária a pesquisa de métodos para otimização da eficiência de separação. Uma maneira de contornar tal situação consiste na adição de agentes floculantes, cuja ação consiste em produzir estruturas complexas (flocos) com os quais as partículas sólidas interagem e podem ser adsorvidas. Tais estruturas possuem peso suficientemente alto para promover a separação de forma adequada. Os objetivos desse trabalho foram estudar as variáveis que afetam o desempenho de sedimentadores convencionais operando com suspensões previamente floculadas, tais como o pH e a massa de material floculante e apresentar um procedimento para sedimentação contínua com floculação utilizando o sedimentador convencional. Os experimentos foram conduzidos utilizando-se suspensões aquosas de caulim, com ajuste de pH, floculada com sulfato férrico. Foram feitos experimentos em batelada em proveta para encontrar os pontos ótimos de pH e concentração de floculante na sedimentação; experimentos em batelada em proveta e no sedimentador para determinação da taxa máxima de sedimentação pelos métodos de Kynch (1952) e Tiller e Chen (1988). O planejamento experimental resultou em um pH ótimo de operação de 7,5 e concentração ótima de floculante de 0,0031mL/g de caulim; utilizando o processo de floculação conseguiu-se um aumento do diâmetro médio da partícula de 2,9 para 311_m; os ensaios de proveta se mostraram muito eficientes apesar da simplicidade, pois obteve-se um bom ajuste dos resultados experimentais pelas equações constitutivas de TILLER e LEU (1980) para pressão e permeabilidade; houve uma influência da área da seção transversal na velocidade de sedimentação, as provetas de maiores diâmetros proporcionaram as maiores velocidades, indicando que o efeito de parede interfere no processo; o calculo da capacidade do sedimentador pelos métodos de Kynch e Tiller e Chen forneceram um melhor desempenho utilizando-se o processo de floculação, mostrando assim a importância de se utilizar este processo nos casos de sedimentação de partículas muito finas.O estudo da sedimentação com floculação proporcionou a sugestão de um procedimento para a operação contínua do sedimentador convencional operando com suspensões previamente floculadas. / Mestre em Engenharia Química

In this work the crystallization of citric acid using Tahiti lemon juice was studied. The experiments were carried out in a batch crystallizer, with agitation and temperature control. The influences of three variables according to a composite experimental design on the production of citric acid were analyzed: super saturation, crystal number (seeding) and speed stirred. The effects of these variables and their interactions were analyzed by the response surface methodology. The biggest influences were exerted by supersaturation and by speed stirred. Through a canonic analysis of the adjusted response surface, the optimal variables values that led to the biggest production of citric acid were determined: R = 356 rpm (speed stirred); S = 1.26 super saturation and N = 27 seeding. In these conditions, the relations of the crystal mass and seed mass for citric acid (y) reached 2.2700. A kinetic study into the growth from the crystal of citric acid showed that the average increase of the mass of crystals was 1.375x10-6 kg (102% of the initial mass) and it showed presented an average increase of the characteristic dimensions of 0.48x10-3 m after two hours of crystallization. The calculated growth rate decreases throughout the time, probably because of the reduction of the driving force and for the dependence that the growth rate of crystals has in related to the size of the same ones. Being that lesser crystals possess bigger growth rate that the crystals biggest not following. The smaller crystals show a larger growth rate than the bigger crystals and crystallization didn t follow the McCabe ΔL law. The kinetic study of the growth rate showed that KG changed through the experiments, probably because of hydrodynamic influence in the agitation, that is, bigger particles behave in a different way from smaller particles on the crystallizer in a certain agitation. / Neste trabalho estudou-se a cristalização do ácido cítrico, que foi extraído do suco do limão Tahiti. Os experimentos foram realizados em um cristalizador operando em batelada, com controles de agitação e temperatura. Foram analisadas as influências de três variáveis sobre a produção do ácido cítrico: grau de supersaturação, número de partículas de ácido cítrico compondo a semeadura (sementes) e velocidade de agitação. Os efeitos dessas variáveis e de suas interações foram analisados pela metodologia da superfície de resposta. As maiores influências foram exercidas pela supersaturação e pela velocidade de agitação. Realizando uma análise canônica da superfície de resposta ajustada, determinaram-se os valores ótimos das variáveis que levaram à máxima produção de ácido cítrico: de 356 rpm e supersaturação S= 1,26; utilizando 27 sementes. Nestas condições, a relação massa de cristais pela massa de sementes (y) para o ácido cítrico alcança o valor de 2,2700. Um estudo cinético do crescimento dos cristais de ácido cítrico revelou que o aumento médio da massa dos cristais foi de 1,375x10-6 kg e o aumento médio das dimensões características de 0,48x10-3 m, para o tempo de 2,5 horas de cristalização. A taxa de crescimento calculada diminui ao longo do tempo de cristalização, provavelmente, pela diminuição da força motriz e pela dependência que a taxa de crescimento dos cristais tem em relação ao tamanho dos mesmos. Os cristais menores apresentam taxas de crescimento maiores que os cristais maiores e a cristalização não seguiu a lei ΔL de McCabe. O estudo cinético da taxa crescimento mostrou que KG variou ao longo dos experimentos, provavelmente pela influência hidrodinâmica na agitação, ou seja, partículas maiores se comportam de maneira diferente das partículas menores no leito de cristalização numa dada agitação. / Mestre em Engenharia Química

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / When the controller s performance is reduced along the time and the control efficiency is no longer satisfactory, then it is necessary to develop certain techniques for continuously monitor control systems such as it can keep track of process changes maintaining the characteristics of efficiency of the original controller design. The divergences between controlled variables and the desired setpoint can be quantified by a single number that is known as performance index. In the present work, a novel way of evaluating the control process performance is introduced and applied as a new measure of performance for a control structure. For doing that, the knowledge of the invariants of the process under feedback and factorization tools of linear local models were applied for designing a new reference model. The proposed techniques were used as a reference of what can or cannot be achieved by a particular system operating under the action of a feedback control law: minimum variance control (MVC), proportional-integral (PI), and model predictive control (MPC). Hence, the proposed performance indexes are the tools for the evaluation of the behavior of the control system during regular industrial operation, not only based upon the physical point of view, in which the reference is treated as a realizable system, but also from a theoretical point of view, in which the model factorization procedure takes place, and therefore allowing the extraction of the invariant part of a system, changing the system to its easiest controlled form description, and then serving as a reference model for the calculation of the performance index, with a low computing cost and preserving the importance of interactions and high frequency effects for balancing the reference behavior. In this work was investigated, with success, the effect of coupling, interactions and quality degradation of the control for SISO (Single-Input and Signle-Output) and MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output) processes. The results show that the proposed technique are effective and a viable tool for process monitoring and controlled systems performance evaluation. / Quando o desempenho de um controlador se reduz ao longo do tempo e a eficiência de controle já não é mais satisfatória, tem-se que o controle em vigor ficou obsoleto devido às mudanças ocorridas no processo. Dessa forma, surge a necessidade de se desenvolver técnicas de monitoramento contínuo de sistemas de controle para que o mesmo possa acompanhar as mudanças ocorridas no processo, mantendo as características de eficiência do projeto original do controlador. As divergências entre variáveis controladas e os valores desejados (setpoint) podem ser quantificadas por um número que ´e conhecido como ´índice de desempenho. Neste trabalho, investiga-se o desempenho de sistemas de controle através de novas medidas de desempenho para estruturas de controle. As medidas propostas utilizam o conhecimento dos invariantes do processo obtidos através de ferramentas de fatoração de modelos locais lineares e da definição de um padrão de referencia `a ação possível de controle para plantas operando com controladores feedback para casos de controladores com variância mínima (MVC), proporcional-integral (PI) e controlador preditivo baseado em modelos (MPC). Desta forma, a técnica proposta neste trabalho serve como uma ferramenta para a avaliação do comportamento do sistema de controle durante a operação industrial, pois, tanto do ponto de vista físico, por se tratar de uma referencia realizável, quanto do ponto de vista teórico, que ao realizar a fatoração, as informações dos invariantes dos modelos são extraídos, fazendo com que os mesmos se tornem mais fáceis de serem controlados, então, servindo como referencia para o cálculo do ´índice de desempenho para o sistema. As técnicas propostas possuem baixo custo computacional e preservam a importância de interações e efeitos de elevadas freqüências no compromisso entre a atenuação da sensibilidade das perturbações e a velocidade de resposta da malha de controle avaliada. Investigou-se então, com sucesso, o efeito de acoplamentos, interações e degradação da qualidade do controle para processos com uma entrada e uma saída (SISO) e sistemas com múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO), comprovando então a eficácia da técnica proposta como uma ferramenta viável para o monitoramento e avaliação de sistemas de controle. / Mestre em Engenharia Química

The flotation made by dissolved air (DFA) is an effective technology on the removal of the phosphorus during the treatment of the sewage system. The city of Uberlândia, nowadays, treats the whole domestic sewage, through three stations equipped with anaerobic reactors followed by the units of flotation. The sewage systems normally present between 4 and 15 mg / L of phosphate (METCALF; EDDY,1991). The phosphorus that is found in the sewage system under the format of phosphate is the most important limiting factor of the productivity in the most of the continental waters, being responsible for the artificial eutrophication . It s necessary to promote the chemical coagulation and the flocculation of the scattered particles in the water so that the flotation of the sewage system becomes successful. The hydrophobicity, the presence of micro air bubbles, and the chemical products added to the tributary, are also essential factors in the flotation process. The operation of flotation unit involves many variables, and the most important are the outflow of the air, the velocity of the dredging machine, the concentration of coagulant and polymer. This way, the planning and analysis of the experiments are more trustworthy, when statistic techniques are used. The determination of a relationship between the variables of the process and the removal of phosphorus provides a better evaluation of the efficiency of the flotation unit. From this perspective, a central compound planning was made to determine the equation of the removal of the phosphorus because of the outflow of the air, the velocity of the dredging machine, the concentration of coagulant and polymer. According to the main experimental results the average of the efficiency was 85% on the flotation unit, which provided an improvement of the environmental quality of the hydric body that receives the treated effluents. The variables of the concentration of coagulant and the outflow of the air influence significantly on the removal of the phosphorus. The cationic polymer used through this work did not prove efficient on the treatment of the pos reactor effluent. The best operational conditions for ETEIpanema were determined on the intermediary level of the experimental range used ( the concentration of coagulant of 80 ppm, the polymer concentration of 2,5 ppm, the velocity of the dredging machine of 1,15 RPM and the outflow of the air of 20 L/s), since high values of phosphorus removal was reached together with a decrease of the use of inputs and a lesser wearing of the unit of flotation. / A flotação por ar dissolvido (FAD) é uma tecnologia eficaz na remoção do fósforo durante o tratamento de esgoto sanitário. A cidade de Uberlândia, atualmente, trata todo o esgoto doméstico, através de três estações equipadas com reatores anaeróbios seguidos de unidade de flotação. Os esgotos sanitários geralmente apresentam entre 4 e 15 mg/L de fósforo (METCALF; EDDY, 1991). O fósforo, que se encontra no esgoto sob a forma de fosfato, é o principal fator limitante da produtividade na maioria das águas continentais, sendo responsável pela eutrofização artificial. É necessário que se promova a coagulação química e a floculação das partículas dispersas na água para que a flotação de esgotos sanitários tenha sucesso. A hidrofobicidade, a presença de micro bolhas de ar, e os produtos químicos adicionados ao afluente, também são fatores indispensáveis no processo de flotação. A operação da unidade de flotação envolve diversas variáveis, sendo as principais vazão de ar, velocidade da roda de dragagem, concentração de coagulante e polímero. Assim, a análise e planejamento dos experimentos são mais confiáveis, quando se utiliza técnicas estatísticas. A determinação de uma relação entre as variáveis do processo e a remoção de fósforo proporciona uma melhor avaliação da eficiência da unidade de flotação. Dentro desta visão, realizou-se um planejamento composto central para determinar a equação de remoção de fósforo em função da vazão de ar, da velocidade da roda de dragagem, concentração de coagulante e polímero. De acordo com os principais resultados experimentais a eficiência média obtida foi de 85% na unidade de flotação, o que possibilitou uma melhoria na qualidade ambiental do corpo hídrico receptor destes efluentes tratados. As variáveis de concentração de coagulante e da vazão de ar influenciam significativamente na remoção de fósforo. O polímero catiônico utilizado durante o decorrer deste trabalho não se mostrou eficiente no tratamento do efluente pós-reator. As melhores condições operacionais para a ETE-Ipanema foram determinadas no nível intermediário da faixa experimental utilizada (concentração de coagulante de 80 ppm, concentração de polímero de 2,5 ppm, velocidade da roda de dragagem de 1,15 RPM e vazão de ar de 20 L/s), pois foram alcançados altos valores de remoção de fósforo aliados a uma diminuição do uso de insumos e menor desgaste da unidade de flotação. / Mestre em Engenharia Química

The dimensioning, the modeling and the simulation of the rotary dryers constitutes a big challenge. The drying involves mass and heat transfer, and fluid dynamics processes of the most different forms. Great part of the dryers projects are done according to empiricism and based on the experience of engineers and on the scale-up of prototypes. The purpose of this piece of work was: to analyze the equations, the models and the project proposals on drying found in the literature about rotary dryers, using for this analysis experimental dada obtained by drying granulated fertilizers GTSP in a conventional industrial cocurrent rotary dryer (3m in diameter x 30m in length). Having collected the operational data (variables of the process) and obtained the results, it is carried out an analysis of the project proposals of the rotary dryers and of the drying models evaluated according to other pieces of work of the same kind (ARRUDA, 2008 and CRISTO, 2004). Besides it is also identified the prediction parameters of residence time, the coefficient of heat transfer and others fluid dynamics information. In the presence of the fact that experimental tests were accomplished in an industrial equipment, there were limitations regarding the parameter variation. The equipment dimensions are fixed (industrial unit) and other parameters are variables that guarantee the quality and the productivity of the industrial unity. Hence, the equipment rotation is a parameter able to be analyzed once there is, exceptionally in the equipment in which the tests were accomplished, a rotation control that enables, according to the structural limitations of the equipment, a variation of 20% of its nominal rotation. The tests were accomplished using dryer rotations of 3.5 and 4.2 rpm. The results which were obtained according to the behavior of the fluid dynamics of the material in the interior of the dryer, presented good concurrence with the models shown in the literature. To determine the flight holdup distribution and the behavior of the material cascading in the inner part of the dryer (time, height and average angle of the fall), the methodology REVOL et al. (2001) presented quite consistent information concerning the prediction, using the friction coefficient determined experimentally of 0.746 for the GTSP. In order to determine the residence time, the equation that fitted best to the experimental results was FRIEDMAN and MARSHALL S (1949) Equation with parameters estimated by ARRUDA (2008). The results that were obtained for the mass balance and energy were quite consistent and they made clear a quite pertinent situation related to the project considerations that deal with the premises of false air entrances. In order to determine the global coefficients of heat transfer, the equation that best foresaw this parameter is the one presented by MILLER et al. (1942), pondering the reduction of the temperature of the gases in the beginning of the dryer which was caused by the false air entrances. The modeling proposed by ARRRUDA (2008) presented significative deflections according to the experimental results. They were possibly caused by imprecision while measuring, by premises of false air entrances (loses) and/or by possible differences related to the behavior of the materials used in ARRUDA S tests (2008) and the ones used in the experiments. The application of the Methodology I (VAN T LAND, 1991) presented inconsistencies in the project opposing the approach of false air entrances mentioned before. The Methodology II (NONHEBEL and MOSS, 1971) does not presume the knowledge of the drying curve of the material. Thus, the results obtained in ARRUDA (2008) were used. As it happened to Methodology I, inconsistencies in the project were found. However, the profiles of the coefficients of mass and heat transfer traced with the results that were obtained in ARRUDA (2008) presented a kind of behavior with physically expected tendencies. / O dimensionamento, modelagem e simulação de secadores rotatórios constituem em um grande desafio. A secagem envolve transferências de calor e massa, e processos fluidodinâmicos das mais diferentes formas. A maior parte dos projetos de secadores é feita por empirismo, com base na experiência de engenheiros e scale-up de protótipos. O objetivo do trabalho foi analisar os equacionamentos, modelagens e propostas de projetos de secagem encontrados na literatura para secadores rotatórios utilizando-se para esta análise dados experimentais obtidos com a secagem de fertilizantes granulados (GTSP) em um secador rotatório concorrente industrial convencional (3 m de diâmetro x 30 m de comprimento). Com os dados operacionais coletados (variáveis de processo) e os resultados obtidos, é feita uma análise das propostas de projetos de secadores rotatórios e modelagens de secagem avaliadas em outros trabalhos desta mesma natureza (ARRUDA, 2008 e CRISTO, 2004), além de identificar parâmetros de predição de tempo de residência, coeficientes de trocas térmicas e informações fluidodinâmicas. Diante o fato dos testes experimentais serem realizados num equipamento industrial, houve limitações quanto a variação de parâmetros. As dimensões do equipamento são fixas (unidade industrial) e outros parâmetros são variáveis que garantem a qualidade e produtividade da unidade industrial, ficando, portanto, a rotação do equipamento como um parâmetro possível de ser analisado, uma vez que excepcionalmente no equipamento onde foram realizados os testes, há um inversor de freqüência que possibilita, dentro das limitações estruturais do equipamento, uma variação de 20 % da rotação nominal do mesmo. Os testes foram realizados com rotações do secador de 3,5 e 4,2 rpm. Os resultados obtidos quanto ao comportamento fluidodinâmico do material no interior do secador apresentaram boa concordância com as modelagens apresentadas na literatura. Para a determinação da distribuição de carga nos suspensores e o comportamento do cascateamento de material no interior do secador (tempo, altura e ângulo médio de queda) a metodologia REVOL et al. (2001) apresentou informações bastante consistentes de predição com a utilização do coeficiente de fricção determinado experimentalmente de 0,746 para o GTSP. Na determinação do tempo de residência a equação que melhor se ajustou aos resultados experimentais é a equação de FRIEDMAN e MARSHALL (1949) com parâmetros estimados por ARRUDA (2008). Os resultados obtidos para os balanços de massa e energia foram bastante consistentes e evidenciaram uma situação bastante pertinente em considerações de projeto que trata-se das premissas de entradas de ar falso. Na determinação dos coeficientes globais de transferência de energia, ponderando-se a redução de temperatura dos gases no início do secador provocada pelas entradas de ar falso, a equação que melhor previu este parâmetro é a apresentada por MILLER et al. (1942). A modelagem proposta por ARRUDA (2008) apresentou desvios significativos com os resultados experimentais; possivelmente provocados por imprecisões de medidas, premissas de ar falso (perdas) e/ou possíveis diferenças no comportamento dos materiais utilizados nos ensaios de ARRUDA (2008) e os utilizados nos experimentos. A aplicação da Metodologia I (VAN T LAND, 1991) apresentou inconsistências de projeto em contraponto à abordagem de entradas de ar falso citada anteriormente. A metodologia II (NONHEBEL e MOSS, 1971) não presume o conhecimento da curva de secagem do material. Utilizou-se, portanto, resultados obtidos em ARRUDA (2008). Da mesma maneira que para a Metodologia I verifica-se inconsistências de projeto, no entanto, os perfis dos coeficientes de transferência de calor e massa traçados com os resultados obtidos em ARRUDA (2008) apresentam comportamento com tendências esperadas fisicamente. / Mestre em Engenharia Química

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / The industry's need to improve aspects of production such as quality and eciency meant that techniques and devices for more ecient control were adopted in view of the dierences that occur in systems. most systems are not only characterized by the continuous dynamics usually applied to describe this behavior but an association with this dynamic elements with discrete characteristics (logical). For this systems relates to the expression hybrid systems whose dynamics processes characterize the behavior continuous real-time system associated with a discrete event. The control of hybrid systems requires answers in accordance with the presence of discrete event and continuous interacting that makes control strategies increasingly sophisticated are developed. In this work, was adopted the hybrid MLD formalism (Mixed Logical Dynamical ) for the representation of hybrid systems using dynamic logical propositions that express such a system in the form of linear constraints of binary variables interacting with the continuous behavior of dierential equations. In this context, the predictive controller based on an optimal model developed from the selected formalism is suggested as an option for the control of hybrid systems. In this work, the qualitative modeling of discrete systems using the MLD formalism is presented for which it is developed to check these systems to evaluate the hybrid modeling. These techniques were applied to simple problems in chemical engineering as systems of three tanks connected in series and a CSTR reactor with heating. In each of the systems were made simulations coupled to qualitative models in various scenarios and compared to the continuous model of dierential equations and their discretized version. The action of the MPC controller for hybrid systems was studied also, developing it from the MLD model and presenting several simulation scenarios to investigate the eects of control over the system. Such control is developed to the l1 and l2 norms, enabling a comparison between the two control options and the comparison between these controllers with classics like PI. The results for the model in the MLD formalism are satisfactory and consistent with the real behavior of the system. The control problems developed show intervention MPC controller more ecient than the classical PI controller associated with the control on/o mainly by the choice of variables to be manipulated. The comparison between controllers l1-MPC and l2-MPC gives results that indicate similar control actions for each of these controllers depending on the location of the optimal point found in solving the optimization model for the controlled system. / A necessidade da indústria de aprimorar aspectos da produção como qualidade e eficiência fizeram com que técnicas e dispositivos de controle mais eficientes fossem adotados atendendo às diversidades que ocorrem nos sistemas. Porém, a maioria dos sistemas não caracteriza-se apenas pela dinâmica contínua geralmente aplicada a descrição de seu comportamento mas por uma associação desta dinâmica com elementos com características discretas (lógicas). A este tipo de sistemas relaciona-se a expressão sistemas híbridos que caracteriza processos cuja dinâmica associa o comportamento contínuo em tempo real de um sistema com eventos discretos. O controle de sistemas híbridos exige respostas condizentes com a presença de eventos discretos e contínuos interagindo entre si, o que faz com que estratégias de controle cada vez mais sofisticadas sejam desenvolvidas. Neste trabalho, adotou-se o formalismo híbrido MLD Mixed Logical Dynamical para a representação de sistemas híbridos dinâmicos utilizando proposições lógicas que expressam tal sistema sob a forma de restrições lineares de variáveis binárias interagindo com o comportamento contínuo de equações diferenciais. Neste contexto, o controlador preditivo baseado em um modelo desenvolvido a partir do formalismo selecionado é sugerido como uma opção para o controle de sistemas híbridos. Nesta dissertação, a modelagem qualitativa dos sistemas discretos utilizando o formalismo MLD é apresentada para a qual desenvolve-se a verificação para tais sistemas com o objetivo de avaliar a modelagem híbrida. Essas técnicas foram aplicadas em problemas da Engenharia Química como sistemas de três tanques conectados em série e um reator CSTR com aquecimento. Em cada um dos processos estudados foram feitas as simulações acopladas aos modelos qualitativos em diversos cenários e comparados ao modelo contínuo de equações diferenciais e sua versão discretizada. Estudou-se ainda a ação do controlador MPC para sistemas híbridos, desenvolvendo-o a partir do modelo MLD e apresentando diversos cenários de simulação para investigação dos efeitos do controle sobre o sistema. Tal controle é desenvolvido para as normas l 1 e l 2, possibilitando uma comparação entre as duas opções de controle além da comparação entre estes com controladores clássicos como o PI. Os resultados para o modelo no formalismo MLD são satisfatórios e condizem com o comportamento real do sistema. Os problemas de controle desenvolvidos apresentam a intervenção do controlador MPC mais eficiente que o controlador clássico PI associado ao controle liga/desliga principalmente pela possibilidade de escolha das variáveis a ser manipulada. A comparação com entre os controladores l 1-MPC e l 2- MPC permite resultados que indicam ações de controle semelhantes para cada um destes controladores em função da localização do ponto ótimo encontrado na resolução do modelo de otimização para o sistema de controlados / Mestre em Engenharia Química

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Environmental problems and climate changes due to global heating have happened by the emission of carbon dioxide, the gradual decrease of fossil fuels and the energy increasing demand have generated some interest by the development of a fuel safe source; thus the interest by sustainable and renewable energy sources has been growing. The main purpose of this present project has been a fluidized bed reactor conception and development to the fast pyrolysis of lignocellulosic biomass. In this project it has been presented and discussed the projects construction concepts, in addition to experimental tests conducted at the experimental unit aiming the fluidized bed reactor stable operation. The tests have enabled to identify the main problems, to analyze the causes and to propose solutions related to the reactor operation. These experiments have provided a better comprehension about the pyrolysis process, since the operational parameters control, equipment projects with considerable effectiveness until the overcoming of some important challenges to the conception of a new elaborated unit. The second unit has been in an initial tests phase and with some important parameters adjustments to the obtainment of bio-oil larger yield and improvement of the vapor condensing system. The experiments at the two prototypes have been conducted to 550 °C, to investigate the products composition obtained at the process, however only the bio-oil from the first prototype has been analyzed. The specific goals of this project have been to compare the composition of the vapor generated at the soybean hull analytic pyrolysis, using a commercial micropyrolyzer, with the bio-oil composition produced by an experimental unit in a fast pyrolysis fluidized bed reactor. The analytical pyrolysis experimental tests have been performed to the soybean hull at 450, 500, 650 and 750 °C. The pyrolytic vapors have presented more expressive contents of acetic acid, carbonic acid, limonene and hexadecane (450 °C); acetic acid, cyclohexane and tetradecane (550 °C); 1,3-pentadiene, limonene, hexadecane, tetradecane and oleanitrile (650 °C); 1,3-pentadiene, toluene, tetradecane and ethanedial (750 °C). The performance of acetic acid has decreased with the temperature increase. This fact is understood by the reaction of the acetic acid formation, which is less competitive under high temperature. The main bio-oil components have been analyzed at GC/MS and the results have indicated that this bio-oil may be used as an alternative source of chemical products with added value, because it is abounding in phenolic composts, which are used in the resin synthesis and in the pharmaceutical industry. Considering the products of prime pyrolysis reactions obtained at the analytical pyrolysis and the bio-oil which involves the vapor condensation and long length stays, an investigation about the extension of minor reactions may be held. The fast pyrolysis in bed reactors is subject to the occurrence of minor reactions. These reactions mainly occur due to important factors in the operation of these reactors, as the time of vapor retention, partial pressure, presence of minerals in the biomass and reaction temperature. Different temperature gradients in the fluidized bed reactor may also have contributed to the minor reactions events. / Problemas ambientais e alterações climáticas decorrentes do aquecimento global ocasionados pelas emissões de dióxido de carbono, a redução gradativa dos combustíveis fósseis e a demanda crescente de energia, despertou um interesse pelo desenvolvimento de uma fonte segura de combustíveis; com isso o interesse por fontes renováveis e sustentáveis de energia é crescente. O objetivo principal do presente trabalho foi à concepção e o desenvolvimento de um reator de leito fluidizado para a pirólise rápida de biomassas lignocelulósicas. Neste trabalho são apresentados e discutidos conceitos de construção e projetos, além de testes experimentais conduzidos na unidade experimental visando a operação estável do reator de leito fluidizado. Os testes permitiram identificar os principais problemas, analisar as causas e propor soluções associadas à operação do reator. Estas experiências proporcionaram uma melhor compreensão sobre o processo de pirólise, desde o controle de parâmetros operacionais, projetos de equipamentos com considerável eficiência até a superação de alguns desafios importantes para a concepção de uma nova unidade mais elaborada. A segunda unidade encontra-se em fase de testes iniciais e ajustes de alguns parâmetros importantes para a obtenção de rendimentos maiores de bio-óleo e melhoria do sistema de condensação dos vapores. Os experimentos nos dois protótipos foram conduzidos a 550 °C, de modo a investigar a composição dos produtos obtidos no processo, porém apenas o bio-óleo do 1° protótipo foi analisado. Os objetivos específicos deste trabalho foram comparar a composição dos vapores gerados na pirólise analítica da casca de soja, utilizando um micropirolisador comercial, com a composição do bioóleo produzido em uma unidade experimental, em um reator de leito fluidizado de pirólise rápida. Os testes experimentais de pirólise analítica foram realizados para a casca de soja a 450, 550, 650 e 750 °C. Os vapores pirolíticos apresentaram conteúdos mais expressivos de ácido acético, ácido carbônico, limoneno e hexadecano (450 °C); ácido acético, ciclohexano e tetradecano (550 °C); 1,3-pentadieno, limoneno, hexadecano, tetradecano e a oleonitrila (650°C); 1,3-pentadieno, tolueno, tetradecano e etanodial (750 °C). O rendimento de ácido acético diminuiu com o aumento da temperatura. Este fato é compreendido pela reação de formação do ácido acético, que é menos competitiva sob alta temperatura. Os principais componentes do bio-óleo foram analisados no GC/MS e, os resultados indicaram que esse bioóleo pode ser usado como uma fonte alternativa de produtos químicos de valor agregado, pois é rico em compostos fenólicos, que são utilizados na síntese de resinas e na indústria farmacêutica. Considerando-se os produtos das reações de pirólise primários obtidos na pirólise analítica e o bio-óleo que envolve a condensação do vapor e tempos de permanência mais longos, uma investigação sobre a extensão das reações secundárias pode ser realizada. A pirólise rápida em reatores de leito fluidizados está sujeita a ocorrência de reações secundárias. Essas reações ocorrem principalmente devido a fatores importantes na operação destes reatores, como tempo de retenção dos vapores, pressão parcial, presença de minerais na biomassa e temperatura de reação. Diferentes gradientes de temperatura no reator de leito fluidizado pode também ter contribuído para a ocorrência de reações secundárias. / Doutor em Engenharia Química

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / The phosphate industry moves in the world, billion of dollars. In Brazil, about 80% of the natural deposit of phosphate is from igneous source, with low grade of P2O5. The economical exploited of these deposits leads to losses of mineral values, demanding like this, more and more, improviments in the concentration process, in order to obtain a better use of the phosphorus sources. Among the major developments attained in the search to satisfy the strict market specifications, column flotation proved to be a proper technique for processing low grade ores, presenting a high liberation degree only at fine size ranges. Particle size is an important parameter on flotation process performance. Most of the observed results show, that for a given flotation system, there is an optimum flotation size range. Fine and coarse particles can lead difficulties in the recovery and/or grade of mineral values. Besides, in a conventional flotation machine there is an enormous difficulty of finding appropriate conditions for obtaining satisfactory recovery and grade in different particle size ranges. In such case, the aim of this work is to study the influence of the particle size on apatite flotation in column. For in such a way, multi-factor experimental designs was carried through, for all size fractions studied. Collector and depressant dosages was the variables analyzed. Ahead of the obtained results, it was made an analysis overall statistics and a canonical analysis in order to optimize the operational conditions. In accordance with the main experimental results, it was possible to find favorable conditions for recoverey and grade of P2O5 in the concentrate for different fractions. Reagents and particle size conditions were determined for better individually results of grade, recovery and selectivity as well as those conditions that lead to recovery values desired and apatite content above of 60 and 33 %, respectively. Particle size range from 37 to 105 µm attained of simultaneous way to satisfactory resulted of the answers apatite grade and recovery. For the analysis of the response surfaces it was observed that the conditions that increase the recovery are, high collector levels and low values for depressant dosage and particle size. For the canonical analysis, it was verified for the P2O5 grade that the conditions that maximize this answer are dosage of collector of 50 g/t, dosage of depressant of 220 g/t and average particle size equal to 269 µm. / A indústria do fosfato movimenta no mundo, bilhões de dólares por ano. No Brasil, cerca de 80% das jazidas de fosfato são de origem ígnea, de baixo teor de P2O5. A exploração econômica dessas reservas leva a perdas de fósforo, exigindo assim, cada vez mais, aprimoramentos no processo de concentração, para se obter um melhor aproveitamento das reservas fosfáticas. Entre os avanços alcançados na busca para atender as restritas especificações de mercado, a coluna de flotação tem-se mostrado adequada para o beneficiamento de minérios complexos, com baixos teores e granulometria mais fina. O tamanho de partícula é uma variável importante para o desempenho do processo de flotação. A maioria dos resultados observados na literatura mostra que para um determinado sistema de flotação, há uma faixa de tamanho de partícula ótima para o processo. Partículas muito finas ou muito grossas podem acarretar em dificuldades na recuperação do minério de interesse. Além disso, em um equipamento de flotação convencional, existe uma enorme dificuldade de encontrar condições adequadas para a obtenção de recuperação e teor satisfatórios em faixas de tamanhos muito distintos. Sendo assim, o objetivo deste trabalho é estudar a influência do tamanho da partícula na flotação da apatita em coluna. Para tanto, foram realizados, para as diferentes faixas de tamanho analisadas, planejamentos fatoriais tendo como variáveis as dosagens de coletor e depressor. Diante dos resultados obtidos, foi feita uma análise estatística global e uma análise canônica a fim de otimizar as condições operacionais. Através destes resultados foi possível encontrar as condições que favorecem a recuperação e o teor de P2O5 no concentrado obtido nas diversas frações granulométricas. Determinou-se as condições de granulometria e reagentes que levam aos melhores resultados das respostas teor, recuperação e seletividade de forma isolada, assim como aquelas condições que levam a resultados de teor e recuperação de P2O5 de forma simultânea acima dos valores desejados na indústria, ou seja, teor e recuperação acima de 33 e 60 %, respectivamente. A faixa de tamanho de 37 a 105 µm levou ao mesmo tempo a resultados satisfatórios das respostas teor e recuperação de apatita. Pela análise das superfícies de resposta observou-se que as condições que aumentam a recuperação são, altos níveis de coletor e baixos valores para dosagem de depressor e tamanho de partícula. Pela análise canônica, verificou-se, para o teor, que as condições que maximizam esta resposta são dosagem de coletor de 50 g/t, dosagem de depressor de 220 g/t e tamanho de partícula médio igual a 269 µm. / Mestre em Engenharia Química

Universidade Federal de Goiás - Goiânia / Drying is an important process that a lot of products were submitted. However, this process is usually very energy-intense and has a large commercial impact on the cost of the final product. The conventional direct rotary dryer consists of equipment widely used in industrial area due to advantages such as, a high processing capacity of a wide variety of materials. This dryer is commonly used to dry and process granular materials, and has application across a wide range of industries like the fertilizer industry. The dryer consists of a rotating cylindrical shell rotated about its axis at a constant speed and slightly inclined to the horizontal. This type of equipment is characterized by the high consumption of energy required to heat the drying air at high temperatures. This work aims to study the aspects of fluid dynamics and fertilizer drying of super-phosphate fertilizer in concurrent direct rotary dryers and compare the performance of the same for other configurations that have been studied by the research group of systems particulated at FEQUI / UFU. The results of this study have values of loading, residence time, drying rate, and the difference between concurrent and countercurrent rotary dryers, working under the same operating conditions, enabling the evaluation of new versions of rotary dryers because of detailed study of conventional configurations. This study also describe a mathematic model to predict the air and solid temperature profiles and the solid moisture profile in a concurrent rotary dryer and compared the simulation results with the experimental data. / A secagem consiste em uma importante operação na qual se submetem diversos produtos industrializados. Porém, este processo é concebido como uma operação unitária que demanda uma intensa quantidade de energia o que implica em um grande impacto comercial no custo do produto final. O secador rotatório convencional de contato direto consiste em um equipamento amplamente difundido na área industrial por apresentar vantagens como, por exemplo, alta capacidade de processamento de uma grande variedade de materiais. Este tipo de secador é destinado principalmente para secagem de materiais granulados de escoamento livre, sendo vastamente empregado na indústria de fertilizantes. O secador rotatório consiste de um casco cilíndrico levemente inclinado em relação à horizontal, que gira em baixa velocidade em torno do próprio eixo. Esse tipo de equipamento é caracterizado pelo alto consumo energético necessário para aquecer o ar de secagem a elevadas temperaturas. O presente trabalho tem como objetivo estudar os aspectos fluidodinâmicos e de secagem do fertilizante super-fosfato simples granulado em secadores rotatórios convencionais com fluxo de ar concorrente e aquecimento direto, bem como comparar o desempenho do mesmo em relação a outras configurações já estudadas anteriormente pelo grupo de pesquisa em sistemas particulados da FEQUI/UFU. Como resultados deste trabalho foram obtidos valores de carregamento, tempo de residência, taxa de secagem, além da quantificação da diferença entre as configurações concorrente e contracorrente do secador rotatório, operando nas mesmas condições operacionais, viabilizando a avaliação de novas versões de secadores rotatórios a partir do estudo detalhado das configurações convencionais operando nas condições ótimas. Além dos estudos experimentais, também foi possível realizar a modelagem matemática do secador concorrente, a fim de se obter a predição dos perfis de umidade e temperatura do ar e do sólido, sendo os resultados da simulação comparados com os dados obtidos experimentalmente para a secagem de fertilizante. / Mestre em Engenharia Química

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Hydrocyclones are equipments destined to solid-liquid separation broadly used in industry due to its advantages, including compact geometry, high separation efficiency, simple maintenance and low cost. Depending on the user desired finality (concentration or classification), it is possible to potentiate the hydrocyclones performance by the simultaneous use of new unit operations to hydrocycloning, for example, the filtration. The filtering hydrocyclone was an equipment developed and improved by FEQUI/UFU researchers. In this way the objective of this work was to experimentally study the effect of incorporating a porous cylinder and cone, together or separately, to the optimized geometry conventional hydrocyclone (H11). Experiments were done with aqueous suspension of phosphate rock in three different permeability values for the porous media and three underflow diameters. According to the main results, the hydrocyclones HCiF, HCoF and HCiCoF showed mean decrease in the energetic consume of 13, 32 and 35% respectively, in comparison to conventional hydrocyclone (HCon), in the lowest permeability used for the filtering medium. However the underflow-to-throughput ratio of the hydrocyclones HCiF, HCoF and HCiCoF increased in relation to the conventional hydrocyclone (HCon), regardless the permeability or the underflow diameter used. About the total efficiency of the filtering equipments, little differences in relation to the conventional separator were observed, and can be said that this variable remained practically constant for the same operational condition. From the experimental data it was possible to obtain the project equations and the total efficiency curves even for distinct granulometries of each hydrocyclone studied. In summary can be concluded that in the case of filtering hydrocyclones, it is not advisable to use filtering medium with permeability higher than 2,0.10-6 m2 because, in energetic terms, they will consume more energy than the conventional hydrocyclone, and in terms of separation they will be practically equal to the conventional separator. / Hidrociclones são equipamentos destinados à separação sólido-líquido amplamente utilizados na indústria devido a suas vantagens, incluindo geometria compacta, alta eficiência de separação, manutenção simples e baixo custo. Dependendo da finalidade almejada pelo usuário (concentração ou classificação), é possível potencializar o desempenho dos hidrociclones mediante o uso simultâneo de novas operações unitárias à hidrociclonagem como, por exemplo, a filtração. O hidrociclone filtrante foi um equipamento desenvolvido e aperfeiçoado por pesquisadores da FEQUI/UFU. Dessa maneira, o intuito deste trabalho foi estudar, experimentalmente, o efeito da incorporação do cilindro e cone porosos, conjunta ou separadamente, ao Hidrociclone Convencional de geometria otimizada (H11). Para tanto, os ensaios foram conduzidos com suspensão aquosa de rocha fosfática em três valores de permeabilidade para os meios porosos e três diâmetros de underflow. De acordo com os principais resultados, os hidrociclones HCiF, HCoF e HCiCoF apresentaram decréscimos médios no consumo energético de 13, 32 e 35% respectivamente, em comparação ao Hidrociclone Convencional (HCon), na menor permeabilidade utilizada para o meio filtrante. No entanto, a Razão de Líquido dos hidrociclones HCiF, HCoF e HCiCoF aumentou em relação à do Hidrociclone Convencional, independente da permeabilidade ou do diâmetro de underflow utilizados. Em se tratando da Eficiência Total dos equipamentos filtrantes foram observadas pequenas diferenças em relação ao separador convencional, podendo dizer que essa variável permaneceu praticamente constante para a mesma condição operacional. A partir dos dados experimentais, foi possível obter as equações de projeto, bem como as curvas de Eficiência Total para granulometrias distintas da utilizada para cada hidrociclone estudado. Em suma, pôde-se concluir que, em se tratando de hidrociclones filtrantes, não é aconselhável empregar meios filtrantes com o valor de permeabilidade maior do que aproximadamente 2,0.10-16 m2, já que, em termos energéticos, consumiriam mais energia do que a utilizada pelo Hidrociclone Convencional e em termos de separação, seriam praticamente idênticos ao separador convencional. / Mestre em Engenharia Química