Estudamos as propriedades estruturais e eletrônicas da molécula emodina (EM), em diferentes condições, do ponto de vista experimental e teórico. Numa primeira parte, realizamos medidas do espectro eletrônico de absorção da EM, em meio solvente (água, clorofórmio e metanol). Nessa parte, obtivemos que o solvente provoca pouco efeito nos deslocamentos das bandas. Numa segunda parte, estudamos a EM, isoladamente e nos três solventes, através de cálculos quânticos com funcional de densidade (B3LYP), conjunto de função base de Pople (6-31G*) e modelo contínuo polariz ável (PCM). Como principais resultados obtivemos que a EM é rígida a menos da orientação relativa das 3 hidroxilas. A mudança orientacional nessas hidroxilas pode provocar formação de até 2 ligações de hidrogênio intramolecular (o que estabiliza sua geometria) e conseqüente uma diminuição no momento dipolo de 5.5 a 1.7D (o que desestabiliza sua interação com a água). Numa terceira parte, realizamos simulações com método Monte Carlo e Dinâmica Molecular em solução. Nessa parte, obtivemos que as ligações de hidrogênio intramoleculares são raramente quebradas devido as interações com o solvente e isso atribui a EM um caráter hidrofóbico. Adicionalmente, utilizando Teoria de Perturbação Termodinâmica nas simulações, calculamos a variação de energia livre de solvatação da EM em partição água/clorofórmio e água/- metanol e obtivemos -2.6 e -4.9 kcal/mol, respectivamente. Esse resultado está em boa concordância com o resultado experimental de -5.6 kcal/mol para partição de água/octanol. Por último, realizamos cálculos do espectro eletrônico de absorção da EM, isoladamente e nos três solventes, considerando as moléculas através do modelo, contínuo de solvente (SCRF) e explícito de solvente, com o método INDO/CIS. Nessa parte, obtivemos que o efeito do solvente é bem descrito teoricamente. / We study the structural and electronic properties of the emodin (EM) in different solvents of experimental and theoretical the point of view. We started performing measurements of the UV-Vis absorption spectrum of the EM in solution (water, chloroform and methanol). Our main result is that the solvent causes little effect on shifts the bands. In the second part of this work, we performing quantum calculations of isolated EM and in the three solutions using density functional (B3LYP), a set of Pople basis function (6-31G*) and the polarizable continuum model (PCM). In this part, our result is that EM presents a rigid conformation unless the orientation of its 3 hydroxyls. The change in these hydroxyls orientation can form up to 2 intramolecular H-bonds (which stabilizes its geometry) and causes a decrease in the dipole moment from 5.5 to 1.7D (which destabilizes its interaction with water). In the third part of this work, we performing Monte Carlo and Molecular Dynamics simulations in solution. Our main result is that the intramolecular H-bonds are rarely broken, even in aqueous solution, and these give to EM a hydrophobic character. Additionally, using Thermodynamics Perturbation Theory in the simulations, we calculate variations of free energy of solvation of EM in partition of water/chloroform and water/methanol and obtained -2.6 and -4.9kcal/mol, respectively. This last result is in good agreement with the experimental result[3] of -5.6kcal/mol for partition of water/octanol. Finally, we performing calculations of UV-Vis absorption spectrum of isolated EM and in the three solutions. In this calculations, we considering the molecules through the continuum solvent (SCRF) and explicit solvent model with the method INDO/CIS. In this part, we obtaining that effect of solvent is well described theoretically.

The peridynamic theory is a generalization of classical continuum mechanics and takes into account the interaction between material points separated by a finite distance within a peridynamic horizon δ. The parameter δ corresponds to a length scale and is treated as a material property related to the microstructure of the body. Since the balance of linear momentum is written in terms of an integral equation that remains valid in the presence of discontinuities, the peridynamic theory is suitable for studying the material behavior in regions with singularities. The first part of this work concerns the evaluation of the properties of a linear elastic peridynamic material in the context of a three-dimensional state-based peridynamic theory, which uses the difference displacement quotient field in the neighborhood of a material point and considers both length and relative angle changes. This material model is based upon a free energy function that contains four material constants, being, therefore, different from other peridynamic models found in the literature, which contain only two material constants. Using convergence results of the peridynamic theory to the classical linear elasticity theory in the limit of small horizons and a correspondence argument between the free energy function and the strain energy density function from the classical theory, expressions were obtained previously relating three peridynamic constants to the classical elastic constants of an isotropic linear elastic material. To calculate the fourth peridynamic material constant, which couples both bond length and relative angle changes, the correspondence argument is used once again together with the strain field of a linearly elastic beam subjected to pure bending. The expression for the fourth constant is obtained in terms of the Poisson\'s ratio and the shear elastic modulus of the classical theory. The validity of this expression is confirmed through the consideration of other experiments in mechanics, such as bending of a beam by terminal loads and anti-plane shear of a circular cylinder. In particular, numerical results indicate that the expressions for the constants are independent of the experiment chosen. The second part of this work concerns an investigation of the behavior of a one-dimensional linearly elastic bar of length L in the context of the peridynamic theory; especially, near the ends of the bar, where it is expected that the behavior of the peridynamic bar may be very different from the behavior of a classical linear elastic bar. The bar is in equilibrium without body force, is fixed at one end, and is subjected to an imposed displacement at the other end. The bar has micromodulus C, which is related to the Young\'s modulus E in the classical theory through different expressions found in the literature. Depending on the expression for C, the displacement field may be singular near the ends, which is in contrast to the linear behavior of the displacement field observed in classical linear elasticity. In spite of the above, it is also shown that the peridynamic displacement field converges to its classical counterpart as the peridynamic horizon tends to zero. / A teoria peridinâmica é uma generalização da teoria clássica da mecânica do contínuo e considera a interação de pontos materiais devido a forças que agem a uma distância finita entre si, além da qual considera-se nula a força de interação. Por ter o balanço de momento linear formulado como uma equação integral que permanece válida na presença de descontinuidades, a teoria peridinâmica é adequada para o estudo do comportamento de materiais em regiões com singularidades. A primeira parte deste trabalho consiste no cálculo das propriedades de um material peridinâmico elástico linear no contexto de uma teoria peridinâmica de estado, linearmente elástica e tridimensional, que utiliza o campo quociente de deslocamento relativo na vizinhança de um ponto material e leva em conta mudanças relativas angulares e de comprimento. Esse modelo utiliza uma função energia livre que apresenta quatro constantes materiais, sendo, portanto, diferente de outros modelos peridinâmicos investigados na literatura, os quais contêm somente duas constantes materiais. Utilizando resultados de convergência da teoria peridinâmica para a teoria de elasticidade linear clássica no limite de pequenos horizontes e um argumento de correspondência entre as funções energia livre proposta e densidade de energia de deformação da teoria clássica, expressões para três constantes peridinâmicas foram obtidas em função das constantes de um material elástico e isotrópico da teoria clássica. O argumento de correspondêmcia, em conjunto com o campo de deformações de uma viga submetida à flexão pura, é utilizado para calcular a quarta constante peridinâmica do material, que relaciona mudanças angulares relativas e de comprimentos das ligações entre as partículas. Obtem-se uma expressão para a quarta constante em termos do coeficiente de Poisson e do módulo de elasticidade ao cisalhamento da teoria clássica. A validade dessa expressão é confirmada por meio da consideração de outros experimentos da mecânica, tais como flexão de um viga por cargas terminais e cisalhamento anti-plano de um eixo cilíndrico. Em particular, os resultados numéricos indicam que as expressões para as constantes são independentes do experimento escolhido. A segunda parte deste trabalho consiste em uma investigação do comportamento de uma barra unidimensional linearmente elástica de comprimento L no contexto da teoria peridinâmica; especialmente, próximo às extremidades da barra, onde espera-se que o comportamento da barra peridinâmica possa ser muito diferente do comportamento de uma barra elástica linear clássica. A barra está em equilíbrio e sem força de corpo, fixa em uma extremidade, e sujeita a deslocamento imposto na outra extremidade. A barra possui micromódulo C, o qual está relacionado ao módulo de Young E da teoria clássica por meio de diferentes expressões encontradas na literatura. Dependendo da expressão para C, o campo de deslocamento pode ser singular próximo às extremidades, o que contrasta com o comportamento linear do campo de deslocamento observado na elasticidade linear clássica. Apesar disso, é mostrado também que o campo de deslocamento peridinâmico converge para o campo de deslocamento da teoria clássica quando o horizonte peridinâmico tende a zero.

Orientador: Reginaldo Guirardello / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-10T21:52:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rocha_StellaAlonso_M.pdf: 1447122 bytes, checksum: 284050671a884fad6a344a1b77527d60 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Esse trabalho é de caráter teórico e computacional e tem como objetivo o estudo e aplicação de técnicas de otimização para cálculo do equilíbrio sólido-líquido de misturas graxas binárias de origem natural, utilizando dois métodos: um problema de Programação Não-linear, implementado no software GAMS e o outro, uma análise de equações fazendo uso das condições de Kuhn-Tucker. O cálculo do equilíbrio de fases baseia-se na minimização da energia livre de Gibbs do sistema. Para a representação termodinâmica das misturas são utilizados modelos termodinâmicos capazes de representar as fases líquida e sólida. As misturas estudadas são compostas por ácidos graxos e triglicerídeos, as quais foram divididas conforme as características dos compostos utilizados: ácidos graxos saturados, insaturados e triglicerídeos, com diferentes combinações de compostos. A modelagem das fases foi desenvolvida gradativamente, inicialmente consideraram-se as fases ideais, posteriormente a fase líquida foi modelada pela equação de Margules 2-sufixos, com a fase sólida permanacendo ideal, e por fim a fase sólida foi descrita pela equação de SLAUGHTER & DOHERTY e a líquida continou a ser modelada por Margules 2-sufixos. Os modelos desenvolvidos nesse trabalho são classificados como modelos de programação não-linear convexa, o que garante a busca pelo mínimo global. Assim, quando aplicados à linguagem de programação GAMS, utilizando o solver CONOPT, ou quando utilizando as equações encontradas analiticamente, através de microcomputadores, os resultados obtidos garantem que a mínima energia livre de Gibbs foi encontrada e que a mistura está em equilíbrio. Os resultados encontrados foram comparados com os dados medidos por ROLEMBERG (2002), pela técnica DSC, apresentando uma satisfatória proximidade entre eles / Abstract: This work has a theorical and computational character which objective is the study and aplication of optimization technique for the solid-liquid equilibria calculation of binary fat mixtures with natural origin. Two methods was used: One Nonlienar Program problem,an algorithm using the software GAMS and the other, analysis of equations that use the Kuhn-Tucker constrains applied in softwares which can execute conventionals calculation, like Microsoft Excel. The calculation of phasee equilibria is based on the minimization of Gibbs free energy of the sistem. The termodynamic representation of mixtures use models which can represent liquid and solid phases. The mixtures are composed for fat acids and triglycerides which are divided on three characteristics: saturated fatty acids, unsatureted fatty acids and trigycerides with differents combination among themselves. The phases¿ modeling was developed starting for phases on ideal state. In the second step, the solid phase was considered ideal and the liquid phase was modeled using the Margules Model. At the end, it was used the Slaughter & Doherty equation to modeling the solid phase and the Margules Model continued to be used for the liquid phase. The models developed in this work are nonliner programming and convex equations, these characteristics are the proof that the optimal point found is the global optimum. So using the methods propoused in this work, the results, certainly are the minim Gibbs free energy and the compound are in equilibrium. The results founded were compared with experimental data for ROLEMBERG (2002), that were obtained with DSC technique, with satisfactory proximity among them / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Submitted by Cláudia Bueno (claudiamoura18@gmail.com) on 2016-01-15T17:20:21Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Andrés Medina Herrera - 2015.pdf: 11967625 bytes, checksum: 5b7e3f00af20766f822172f92649bc98 (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2016-01-18T09:13:56Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Andrés Medina Herrera - 2015.pdf: 11967625 bytes, checksum: 5b7e3f00af20766f822172f92649bc98 (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-01-18T09:13:56Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Andrés Medina Herrera - 2015.pdf: 11967625 bytes, checksum: 5b7e3f00af20766f822172f92649bc98 (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Previous issue date: 2015-11-06 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this research we studied the structural and electronic properties of the ground state of molecules amino-benzonitrile (ABN) and dimethylamino-benzonitrile (DMABN), isolated and in different solvents.We performed computer simulations of those molecules in different solvents as cyclohexane, dichloromethane, acetonitrile and water. The structure electronic method MP2 (second order perturbation Møller-Plesset) was used to perform quantum calculations. To study the molecules in solvent we used the hybrid sequential QM/MM method combined with the free energy gradient method. The dual fluorescence to this type of molecules is a process that has been much studied but it is not well clarified that is the cause of the process. We performed the optimization of the molecules in an isolated state and in different solvents to determine the ground state structure. In the case of the DMABN molecule the optimization was performed both at room temperature and at low temperature, near the melting point of the solvent. We studied minimum energy point and some transition states of this molecules associated with the pyramidalization or the rotation of the amino group. The results showed that the molecules are pyramidal when they are isolated, and that in polar solvent they became less pyramidal. The rotation of amino group is unfavored in both molecules, increasing this effect in polar solvents. / Neste trabalho foram estudadas as propriedades estruturais e eletrônicas do estado fundamental das moléculas amino-benzonitrila (ABN) e dimetilamino-benzonitrila (DMABN), isoladas e em diferentes meios solventes. Foram realizadas simulações computacionais das moléculas em diferentes meios como, ciclohexano, diclorometano, acetonitrila e água. O método de estrutura eletrônica MP2 (Møller-Plesset em segunda ordem de perturbação) foi usado para fazer os cálculos quânticos. Para o estudo das moléculas em meio foi utilizado o método hibrido QM/MM sequencial combinado com o método de gradiente de energia livre. A dupla fluorescência para este tipo de moléculas é um processo que tem sido bastante estudado, mas ainda não está bem esclarecido qual é o causador do processo. Foram realizadas as otimizações das moléculas em estado isolado e nos diferentes meios, para determinar a estrutura do estado fundamental. No caso da molécula de DMABN a otimização foi feita tanto em temperatura ambiente como em baixas temperaturas, próximas do ponto de fusão dos solventes. Foram estudados pontos de mínimo e alguns estados de transição dessas moléculas associados à piramidalização ou à rotação do grupo amino. Os resultados mostram que essas moléculas são piramidais quando isoladas, e que em meio polar elas se tornam menos piramidais. A rotação do grupo amino é desfavorável em ambas as moléculas, aumentando esse efeito em meios polares.

Uma das propriedades fundamentais de soluções de micelas aquosas é sua capacidade de solubililizar uma ampla faixa de solutos orgânicos com diferentes graus de polaridade e hidrofobicidade. Recentemente Quina et. aI., estudaram as interações químicas específicas que governam a solubilidade para um ampla faixa de solutos orgânicos em micelas usando relações lineares de energia livre de solvatação (LSERs), baseado nos parâmetros empíricos do soluto desenvolvido por Abraham. O presente trabalho trata a solubilização de solutos orgânicos em micelas baseado em parâmetros obtidos unicamente da estrutura molecular do soluto através de cálculos de química quântica. Nossos resultados mostram que valores experimentais de Ks para solubilização de solutos orgânicos em detergentes aniônicos (micelas de SDS, dodecil sulfato de sódio e agregados de SDS com PEG-polietilenoglicol) podem ser reproduzidos usando parâmetros teóricos. A relação linear teórica de energia livre de solvatação resultante é quimicamente condizente com LSERs baseados em parâmetros empíricos do soluto. No caso de detergentes catiônicos e não iônicos, a metodologia apresenta limitações, por que o método de cálculo de cargas formais usando a definição de análise populacional de Mulliken não descreve de maneira apropriada o caráter ácido e básico das pontes de hidrogênio entre os solutos e a água. Alternativas para resolver o problema da limitação imposta pelos parâmetros teóricos, mantendo a aproximação linear de energia livre, são discutidas. / One of the most fundamental properties of aqueous micelar solutions is their ability to solubilize a wide variety of organic solutes with quite distinct polarities and degree of hydrophobicity. Recently Quina et al., studied the specific chemical interactions governing the solubilities of a wide range of solutes in micelles using linear solvation energy relationships (LSERs) based on empirical solute parameters developed by Abraham. This work reports an investigation of the solubilization of organic solutes in micelles based on the use of theoretical solute parameters derived from quantum chemical calculations Our results show that the experimental Ks values for solubilization of organic solutes in anionic detergents (micelles of SDS-sodium dodecyl sulfate and aggregate formed between SDS and PEG-poly(ethylene glycol)) can be reproduced using theoretical parameters. The resultant theoretical linear solvation energy relationships are chemically consistent with LSERs based on empirical solute parameters. In the case of cationic and nonionic detergents, the theoretical parameters used to describe hydrogen bonding fail because methods of calculating formal charges using the concept of Mulliken populational analysis cannot describe hydrogen bonding donor and acceptor character in an appropriate way. Possible strategies to solve the theoretical descriptor problem in the context of the linear free energy approximation are discussed.

Absorção e Emissão de radiação eletromagnética por moléculas na região do UV-Vis fornece informações sobre os estados eletrônicos excitados, sendo propriedades de grande interesse devido a sua relação com processos biológicos, bem como suas possíveis aplicações em diagnósticos e tecnologia. Essas propriedades são sensíveis ao meio em que as moléculas se encontram, tornando-se assim natural a busca por métodos teóricos que possibilitam descrever essas interações. Neste trabalho, nós usamos a metodologia Sequential-Quantum Mechanics/Molecular Mechanics para estudar o espectro de absorção e de emissão de moléculas de relevância biológica, quando em solução. Simulações clássicas Monte Carlo foram usadas pra construir uma configuração eletrostática média do líquido para posterior cálculo das propriedades, feito através dos métodos multiconfiguracionais CASSCF e CASPT2. Cuidados especiais foram tomados para incluir a polarização eletrônica que o soluto sofre devido à presença do solvente. Nossa contribuição é a adaptação do método do Gradiente de Energia Livre para permitir a obtenção de geometrias de estados excitados do soluto em solução. A técnica foi implementada em um programa e aplicada com sucesso nos sistemas estudados. As perspectivas agora se abrem para a obtenção de intersecções cônicas em meio solvente, permitindo assim o estudo de decaimentos não-radiativos em sistemas solvatados. / Absorption and emission of electromagnetic radiation by molecules in the UV-Vis region yields information about the electronic excited states, being properties of great interest due its relation with biological process, as well as its possible applications in diagnostics and technology. These properties are sensible to the environment in which the molecules are, making natural the search for theoretical methods that describe these interactions. In this work, we have used the Sequential-Quantum Mechanics/Molecular Mechanics methodology to study the spectrum of absorption and emission of molecules of biological relevance, when in solution. Classical Monte Carlo simulations were carried out to construct an average solvent electrostatic configuration and used to represent the liquid in posterior quantum mechanics calculation of the properties, performed by using the multiconfigurational methods CASSCF and CASPT2. Special cares were taken to include the electronic polarization of the solute due the solvent. Our contribution is the adaptation of the Free Energy Gradient method to allow the determination of the solute excited states geometries in solution. The method was implemented in a computer program and successfully applied in the systems studied. The perspectives are now open to the calculation of conical intersection in solvent environment, enabling the study of nonradioactive decays in solvated systems.

Orientador: Reginaldo Guirardello / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-19T03:13:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rocha_StellaAlonso_D.pdf: 2102940 bytes, checksum: d1db5bc412c8ae0218252291126c501e (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: O trabalho desenvolvido é de caráter teórico e computacional e tem como objetivo o estudo e aplicação de técnicas de otimização juntamente com análise de convexidade para cálculo do equilíbrio sólido-líquido, utilizando um problema de Programação Não-linear, implementado no software GAMS em conjunto com o software Microsoft Excel, aplicado a misturas graxas binárias e ternárias, de origem natural, compostas por ácidos graxos, triacilgliceróis, ésteres de etila e metila, baseando-se na minimização da energia de Gibbs do sistema. A modelagem das fases foi desenvolvida com dois modelos termodinâmicos, em que a fase sólida foi descrita por uma modificação da equação de Slaughter e Doherty e a líquida, modelada por Margules 2-sufixos. Assim esse trabalho trata da utilização de novas aplicações para a fase líquida, com o Modelo de Margules - 2 sufixos, que passa e ser usado e desenvolvido de dois modos: o primeiro, nomeado Margules Assimétrico, em que os parâmetros de interação de Margules são diferentes, e o outro, chamado Margules Simétrico, neste, os parâmetros são considerados equivalentes; e ainda com aplicação do Modelo de Wilson. Para tal desenvolvimento, a proposta é utilizar dados experimentais de equilíbrio, disponíveis da literatura, em caráter comparativo; e fazer o próprio cálculo dos dados da curva de equilíbrio, com os respectivos ajustes dos parâmetros nos modelos utilizados. Os resultados obtidos são apresentados na forma de diagrama de fases e ajustes de parâmetros dos modelos envolvidos, calculados e comparados pela técnica de minimização dos quadrados dos erros, que por sua vez apresentam-se satisfatória proximidade dos dados experimentais. Os resultados ainda foram comparados entre si e puderam apresentar algumas características de comportamento, para algumas classes de compostos / Abstract: This work has theorical and computational character which objectives are the study and application of optimization technique with convexity analysis to calculate solid-liquid equilibrium. This problem was a non-linear program, that was implemented in software GAMS and software Microsoft Excel, which the case studies are binary and ternary mixtures of fatty acids, triglycerides, ethyl and methyl esters using the minimization of Gibbs energy free of the systems. The description of phases was done based in two thermodynamics models, the solid phase was characterized using a modified Slaughter and Doherty model and liquid phase with Margules 2 - suffixes. In this work the on liquid phase, the Margules model assume two forms: Margules Asymmetric, where the Margules parameters are different and Margules Symmetric, with equal Margules parameters, after was used Wilson Model too. Experimental data was used in comparative mode and new equilibrium dates was obtained and the parameters model also was discovery. The results are described in form of phase diagrams, where the equilibrium data and the parameters model was calculated based in the square errors, that are nearly of the experimental data. Comparing the results with each other, in some classes of compounds, there are some similar ways / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Reginaldo Guirardello, Edson Antonio da Silva / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-19T12:35:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TrindadeJunior_ValterNunes_M.pdf: 1919393 bytes, checksum: 3d6999675b8995d4420ac44773a78c43 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Em diversas aplicações industriais são utilizadas misturas contendo diferentes solutos, muitas vezes estes são solutos não voláteis, como por exemplo, os eletrólitos. O equilíbrio químico e de fases ocorrem nas diversas operações unitárias contidas nessas aplicações. As próprias etapas de produção, bem como as etapas de separação e purificação, são fundamentais para a qualidade dos produtos. Com isso, o cálculo do comportamento do equilíbrio de sais em solventes é de grande importância para o projeto e a otimização desses equipamentos. Desta forma, o objetivo principal deste trabalho foi o desenvolvimento de uma metodologia confiável e robusta para o cálculo do equilíbrio químico e de fases combinado, em soluções eletrolíticas. O estudo do comportamento do equilíbrio foi feito com a variação da pressão e/ou a temperatura nos sistemas estudados. Este trabalho propôs uma modelagem considerando uma fase vapor, n fases liquidas e uma fase sólida, por meio da metodologia de minimização da energia de Gibbs. A fase vapor foi considerada ideal e a fase solida foi considerada como sólido puro. Para representação da não idealidade da fase líquida foi utilizado o modelo NRTL eletrolítico, esta formulação matemática resulta em um problema que deve ser tratado como um problema de otimização não-linear. Os resultados obtidos foram comparados com dados experimentais extraídos da literatura em sistemas contendo um sal em solução com um solvente ou misturas de solventes no equilíbrio sólido-líquido e no equilíbrio líquido-vapor. A vantagem desta abordagem é não ter que estabelecer previamente quais fases se formarão, o processo de minimização da energia de Gibbs estabelece o número de fases formadas nos sistema automaticamente. Para a resolução do problema de otimização foi utilizado o software GAMS® (General Algebraic Modeling Systems), versão 23.2.1, com o solver CONOPT que utiliza o algoritmo do Gradiente Generalizado Reduzido / Abstract: In several industrial applications are used mixtures containing different solutes, often these solutes are non-volatile, such as electrolytes. The phase and chemical equilibrium in these processes occur in the various unit operations. The stages of production, as well as the separation and purification steps are critical to product quality. Thus, the calculation of the behavior of the equilibrium of salts in solvents is of great importance for the design and optimization of this type of equipment. The main objective of this work was to develop a methodology for calculation of the combined phase and chemical equilibrium in electrolytic solutions. In this study, the behavior of the equilibrium was done by varying the pressure and the temperature in the systems studied. In the model were made the following considerations: a vapor phase, n liquid phase and a solid phase, using the methodology of minimizing the Gibbs energy. The vapor phase was considered ideal and phase solida was considered as pure solid. To represent the nonideality of the liquid phase we used the electrolyte NRTL model (e-NRTL), in this way, the problem should be treated as a nonlinear optimization problem. The results were compared with literature data with solutions containing an electrolyte in solvent or solvents mixtures for Solid-Liquid and vapor-Liquid equilibrium. The modeling was written as a nonlinear programming. The advantage of this program is not having to know in advance what phases will be formed, the process of minimization of Gibbs energy determines the phases automatically. The program was solved in GAMS® software (General Algebraic Modeling System), version 23.2.1, with CONOPT solver that uses the Generalized Reduced Gradient algorithm / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Reginaldo Guirardello / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-20T08:37:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Freitas_AntonioCarlosDaltrode_M.pdf: 4674734 bytes, checksum: a2869576ee45e8734ab4fa69a217f9ef (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: As reações de reforma de hidrocarbonetos leves, especialmente o gás natural, são reações químicas de elevada importância e representam etapas chave para a produção em larga escala de hidrogênio, para uso em reações de hidrogenação ou em células a combustível, ou de gás de síntese para aplicação na produção de amônia, metanol ou ainda para a síntese de Fischer-Tropsch (FT). A síntese de Fischer-Tropsch e o principal processo de conversao de hidrocarbonetos leves, como o metano, em hidrocarbonetos maiores, de maior valor agregado, assim a determinação das condições termodinamicamente favoráveis para a operação deste tipo de processos se torna cada vez mais necessária. Dentro desse contexto, as reações de reforma a vapor, reforma oxidativa, reforma autotérmica, reforma seca, reforma seca autotérmica e reforma seca combinada com reforma a vapor foram termodinamicamente avaliadas com o objetivo de determinar as melhores condições de reação para a produção de gás de síntese e de hidrogênio. Posteriormente, o gás de síntese produzido foi utilizado para a produção de metanol, etanol e hidrocarbonetos lineares, sendo avaliadas as melhores estratégias para a produção de cada um desses compostos. Para isso foram utilizadas as metodologias de minimização da energia de Gibbs a pressão e temperatura constantes e de maximização da entropia a pressão e entalpia constantes. Ambos os casos foram formulados como problemas de otimização na forma de programação não-linear, e resolvidas com o solver CONOPT2 do software GAMS 23.1'MARCA REGISTRADA'. A partir dos resultados obtidos com a aplicação da metodologia de minimização da energia de Gibbs, verificou-se que todos os processos de reforma avaliados se mostraram favoráveis para a produção de hidrogênio e/ou de gás de síntese do ponto de vista termodinâmico. Tendo a reação de reforma a vapor se destacado para a produção de hidrogênio devido a elevada razao molar H2/CO obtida no produto. A reação de oxidação parcial mostrou bons resultados para a produção de gás de síntese, devido a razão molar H2/CO próxima de 2 no produto. A comparação com dados experimentais permitiu verificar que a metodologia de minimização da energia de Gibbs apresentou boa capacidade de predição e pela comparação com dados simulados obtidos na literatura, pode-se verificar que a metodologia utilizada pelo presente trabalho esta de acordo com os dados publicados. Os resultados obtidos com a aplicação da metodologia de maximização da entropia pode-se verificar que as reações de reforma oxidativa, reforma autotérmica e reforma seca autotérmica, apresentaram comportamento autotérmico, tanto para o uso de O2 como para o uso de ar como agente oxidante. O ar mostrou capacidade de diminuir a elevação da temperatura final do sistema, sendo seu uso promissor para evitar pontos quentes no reator. A comparação com dados de perfil térmico de reatores, para as reações de reforma oxidativa e reforma autotérmica, únicas obtidas na literatura, demonstraram a boa capacidade de predição da metodologia de maximização da entropia para determinação das temperaturas de equilíbrio das reações. As analises realizadas pela aplicação da metodologia de minimização da energia de Gibbs para as reações de síntese de metanol, etanol e hidrocarbonetos lineares, demonstraram a viabilidade da produção desses compostos. Todas reações de síntese avaliadas apresentaram grande dependência da influencia do catalisador (efeito cinético) para promover a produção dos produtos de interesse. Aplicando-se a metodologia de maximização da entropia foi possível determinar que todas as reações de síntese apresentaram comportamento exotérmico. As metodologias empregadas, bem como o solver CONOPT2 aplicado no software GAMS® 23.1 se mostraram rápidos e eficazes para a solução dos problemas propostos, com baixos tempos computacionais para todos os casos analisados / Abstract: The reactions of reforming of light hydrocarbons, especially natural gas, are chemical reactions of great importance and represent key steps for large scale production of hydrogen for use in hydrogenation reactions or fuel cells, or synthesis gas production, for application in the ammonia or methanol production, or to Fischer-Tropsch (FT) synthesis. The Fischer- Tropsch synthesis is the main process of converting light hydrocarbons such as methane, in hydrocarbons of higher value added. The determination of the thermodynamically favorable conditions for the operation for this type of process is required. Within this context, the reactions of steam reforming, oxidative reforming, autothermal reforming, dry reforming, dry autothermal reforming and dry reforming combined with steam reforming were thermodynamically evaluated to determine the best reaction conditions for the production of synthesis gas and hydrogen. For this, we used the methods of Gibbs energy minimization, at constant pressure and temperature, and the Entropy maximization, at constant pressure and enthalpy. Both cases were formulated as optimization problems in the form of non-linear programming and solved with the software GAMS 2.5® with the solver CONOPT2. The results obtained by the method of minimization of Gibbs energy, for all the reform processes evaluated, proved able to produce hydrogen and syngas. Since the reaction of steam reforming showed greater ability to hydrogen production, due to high H2/CO molar ratio obtained in the product. The partial oxidation reaction showed good results for the syngas production, due to H2/CO molar ratio close to 2 in the product. The comparison with experimental data has shown that the Gibbs energy minimization method showed good predictive ability. By comparison with simulated data from the literature we can see that the methodology of minimization of Gibbs energy, used in this work is in agreement with data obtained in the literature for the same methodology. The results obtained using the methodology of entropy maximization allowed us to verify that the reactions of partial oxidation, autothermal reforming and dry autothermal reforming had autothermal behavior, both for the use of O2 as for the use of air as oxidizing agent. The air has shown ability to reduce the final temperature rise of the system, and its use has proved interesting to avoid hot spots in the reactor. A comparison with data from the reactor's thermal profile, for the reactions of partial oxidation and autothermal reforming, only found in the literature, showed good predictive ability of the methodology of entropy maximization to determine the final temperature of the reaction. The analysis realized using the methodology of Gibbs energy minimization for the synthesis reactions of methanol, ethanol and linear hydrocarbons, demonstrated the feasibility of producing these compounds. All synthesis reactions evaluated were greatly dependent on the influence of the catalyst (kinetic effect) to promote the production of products of interest. Trough the entropy maximization method was determined that all synthesis reactions analyzed presents exothermic behavior, but in the reaction conditions evaluated here, these systems can be considered safe. The methodologies used and applied in the software GAMS ® 23.1, and solved with the solver CONOPT2 proved to be fast and effective for solving the proposed problems with low computational time in all cases analyzed / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Alex Antonelli / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-20T22:54:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Brito_BraulioGabrielAlencar_D.pdf: 3210920 bytes, checksum: 1140e372f96bf86f5f06d96119eeb8e7 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Neste trabalho apresentaremos a extensão dos métodos adiabatic switching (AS), reversible scaling (RS) e integração dinâmica de Clausius-Clapeyron (d-CCI) para o formalismo de integral de tragetória. Desenvolvemos programas de Monte Carlo de integrais de trajetória (PIMC) para implementar esses métodos a fim de incluir efeitos quânticos nos cálculos das energias livres e na determinação das curvas de coexistência de fase de sistemas a baixa temperatura. Aplicamos as aproximações primitivas e Li-broughton para a ação para escrever as matrizes densidade de alta temperatura dos sistemas estudados. Calculamos a curva de fusão do neônio utilizando o método de integração dinâmica de Clausius-Clapeyron quantico (q-dCCI) e comparamos nossos resultados com resultados encontrados na literatura. Determinamos a curva de coexistência diamante-grafite utilizando o potencial AIREBO e os métodos AS, RS e q-dCCI. Estudamos os efeitos da pressão sobre algumas propriedades termodinâmicas do grafite e do grafeno e a diversas temperaturas aplicando método PIMC juntamente dos métodos AS e RS / Abstract: In this work we present the extension of the methods adiabatic switching (AS), reversible scaling (RS), dynamical Clausius-Clapeyron integration (d-CCI) within the path integral formalism. We developed Path Integral Monte Carlo computer codes to implement these methods in order to include quantum effects in the calculation of free energies and in the determination of the phase coexistence curves of systems at low temperature. We applied the primitive and Li-Broughton approximations to the action to write the high temperature density matrices of the systems we studied. We calculated the melting curve of the neon using the quantum dynamical Clausius-Clapeyron (q-dCCI) and compare our results with results found at the literature. We determined the diamond-graphite coexistence curve using the AIREBO inter-atomic potential and the AS, RS e q-dCCI methods. We studied the pressure effects on some thermodynamic properties of the graphite and graphene at several temperatures using the method PIMC together with the AS and RS methods / Doutorado / Física / Doutor em Ciências