Orientador: Rubens Maciel Filho / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-15T12:56:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mallmann_EvandroStoffels_M.pdf: 5927500 bytes, checksum: 1142d105683d77d9dfbe069513e8abce (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: O Petróleo obtido nas bacias brasileiras é do tipo pesado e ultra pesado, apresentando alta viscosidade, que dificulta sua exploração (retirada do petróleo dos campos submarinos) e também as operações de refino para obtenção de combustíveis outros derivados. Os processos de refino atualmente em atividade nas refinarias não permitem a operação de óleos pesados e ultra pesados, de forma que estes são misturados a óleos leves para seu processamento. Este procedimento leva à dependência do Brasil em importação de petróleo, assim como a não completa valoração do óleo encontrado no país. Dentro deste contexto, a utilização da Destilação Molecular se apresenta como alternativa à operação inicial de óleos pesados e ultra pesados. Experimentos realizados nos Laboratórios de Desenvolvimento de Processos Separação (LDPS) e de Otimização, Projeto e Controle Avançado (LOPCA) mostraram a viabilidade de seu emprego. Porém, é necessária uma ampla investigação para desenvolvimento de políticas operacionais que levem a operação de destiladores moleculares com alto desempenho para refino de petróleo. Para tanto, é necessário o desenvolvimento de simulações que permitam um extensivo estudo cobrindo as possíveis faixas operacionais, que são funções das características do petróleo. Propõe-se assim, neste trabalho, o desenvolvimento de simulações para a destilação molecular tipo filme descendente fazendo-se uso do simulador comercial Aspen Plus®, que possui facilidades de pacotes termodinâmicos para a realização da tarefa. Dados experimentais já disponíveis foram usados para a análise e avaliação das simulações. / Abstract: The petroleum gotten in the Brazilian basins is of the types heavy and ultra-heavy, presenting high viscosities that make difficult its exploration (remove of the oil from submarine fields) and also the operations of refining for fuel attainment and other derivatives. The processes of refining, currently in activity, in the refineries, do not allow the heavy and ultra-heavy oil operation, so that these are mixed with light oils for its processing. This procedure leads to the dependence of Brazil in importation of oil, as well as not complete valuation of the oil found in the country. Inside this context, the use of molecular distillation is presented as an alternative to initial operation of heavy and ultra-heavy oil. Experiments carried through in the Laboratories of Development of Processes of Separation (LDPS) and Optimization, Project and Advanced Control (LOPCA) had shown the viability of this operation. However, is necessary an ample inquiry for development of operational politics that take the operation of molecular distillers with high performance for oil refining. For this purpose, the development of simulations that allow an extensive study covering the possible operational bands, that are functions of the characteristics of the oil, is necessary. It is considered thus, in this work, the development of a descendant filmed distiller simulations using the commercial simulator Aspen Plus®, that possess easiness of thermodynamic packages for the accomplishment of the task. Available experimental data were used for the analysis and evaluation of the simulations. / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Maria Regina Wolf Maciel / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-11T21:00:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lopes_MelinaSavioli_M.pdf: 732672 bytes, checksum: e13f0234f0e921262e228532b60abd4f (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: O etanol perdido por evaporacao durante o processo de producao por fermentação pode ser recuperado por uma coluna de absorcao, a qual requer um sistema de controle robusto de acordo com sua complexidade. Este equipamento tambem e utilizado no tratamento do CO2, um co-produto deste processo. Neste sentido, no presente trabalho foi proposto e testado, o emprego de controladores feedforward-feedback, baseados em modelo inverso de redes neurais, os quais manipulam as vazoes de solvente que sao alimentados as colunas, para controlar a concentracao de etanol na corrente gasosa a saida da primeira coluna, e a concentracao de agua residual no efluente gasoso da segunda. Simulacoes foram feitas, sendo abordado tanto o problema regulatorio quanto o problema servo para as duas colunas de absorcao do processo estudado. O desempenho do controlador neural foi superior ao apresentado por um controlador convencional PID, para ambas as colunas de absorcao estudadas, pois o tempo de resposta, assim como o overshoot foi menor. A superioridade do controlador neural foi comprovada pelos valores obtidos para os parametros ITAE (integral do erro absoluto ponderada pelo tempo), IAE (integral do erro absoluto) e ISE (integral do quadrado do erro). Outro objetivo deste trabalho foi avaliar a influencia das incertezas nos sensores sobre o desempenho do sistema de controle. Foram testados tres niveis: 5, 10 e 15%, sendo as incertezas inseridas nas variaveis de entrada do tipo concentracao de etanol/agua residual na corrente gasosa. Para a coluna de recuperacao de etanol, tanto para o problema regulatorio quanto servo, nenhum controlador conseguiu estabilizar a variavel controlada no set point, no entanto, quando empregado o controlador neural a amplitude da faixa de oscilacao da variavel controlada foi menor para todos os niveis de incerteza testados. Já para a coluna de tratamento de CO2, os controladores encontraram dificuldades em manter a estabilidade do sistema. Neste sentido, o controlador neural apresentou um desempenho satisfatorio para incertezas de 5 e 10%, enquanto que o PID nao conseguiu manter o sistema estavel para incertezas superiores a 5%. Com base nos testes realizados foi constatado que o controlador neural proposto constitui uma opcao atrativa para o controle das colunas de absorcao do processo deproducao de etanol por fermentacao, principalmente quando os niveis de incerteza forem de ate 10%. / Abstract: Some of ethanol lost by evaporation during its fermentation production process may be recovered using an absorption column, which requires a robust control system. This equipment also is used on carbonic gas treatment, a by-product of this process. In the present work, the development of nonlinear feedforward-feedback controllers, based on a neural network inverse model, was proposed and tested to manipulate the absorbent flow rates in order to control the residual ethanol concentration in the effluent gas phase at the first absorption column, and the residual water at the second one. Simulation studies were carried out for the regulator and servo problem, for both absorption columns studied. The neural controller proposed outperformed a conventional PID, because the response time, and also the overshoot were smaller when the neural controller was applied. The results were confirmed by the ITAE (integral of time multiplied by the absolute error), IAE (integral of absolute error) and ISE (integral of square error) parameters. The measurement uncertainties influence on control system performance was tested for three levels: 5, 10 and 15%. The uncertainties were introduced on ethanol/residual water concentration on gas phase. For the ethanol recovery column, neither PID nor the neural controller drove the controlled variable exactly to the set point, however, the neural controller provided a smaller oscillation for all uncertainty levels tested, for regulator and servo problem. The neural controller also outperformed PID in CO2 treatment column. For the regulator and servo problems the neural controller successfully proceeded when the uncertainty level was 5% or 10%, while the PID did not deal adequately with uncertainties above 5%. Therefore, the proposed neural controller proved be an attractive control solution for the absorption columns of ethanol production process by fermentation, especially when the input variables carry small uncertainties ( less than 10%) from the sensors. / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Luiz Felipe Mendes de Moura / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-16T05:56:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Biazussi_JorgeLuiz_M.pdf: 4897786 bytes, checksum: 407214ced9492976cb44ade6e24f677e (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Diferentes métodos para exploração dos óleos pesados surgiram nestes últimos anos. Um método que chamou a atenção da indústria foi o método que adiciona água ao escoamento, formando uma película lubrificante que facilita o escoamento deste óleo que pode escoar em diferentes padrões. O padrão considerado mais eficiente em relação à potencia requerida por vazão de óleo injetado é o padrão Core-Flow. Para a aplicação na indústria torna-se necessário o desenvolvimento de técnicas capazes de monitorar as condições do escoamento e a vazão de óleo. Somando técnicas de medida de fração volumétrica com técnicas de determinação da velocidade do fluido, pode-se desenvolver um método indireto capaz de estimar, entre outras coisas, a vazão de óleo. Sondas capacitivas utilizadas para medição de fração volumétrica apresentam potencial para determinação da espessura da película lubrificante de água em Core-Flow, bem como técnicas de visualização de escoamento com câmeras de filmagem rápida. Calculou-se a espessura da camada de água através de um programa desenvolvido em LabVIEW que analisa as imagens do escoamento. Realizou-se uma estimativa da velocidade média do óleo através da medição da velocidade da interface. A velocidade da interface foi calculada aplicando a técnica de correlação cruzada entre as imagens adquiridas do escoamento. Com estes parâmetros calculados, foi possível estimar o coeficiente de escorregamento entre as fases e calcular a vazão de óleo / Abstract: Different methods for exploitation of heavy oils have emerged in recent years. One method that caught the attention of industry was the method that adds water to form a lubricating film which facilitates the flow of oil. The flow pattern considered the most efficient in terms of frictional pressure gradient reduction factors is the core annular flow. For application in industry it is necessary to develop techniques to assess the flow conditions and the oil flow rate. Merging techniques for measuring volume fraction with those for determining the fluid velocity, it can be developed an indirect method to estimate, among other things, the oil flow rate. Capacitive probes used for measuring volume fraction have a great potential for determining the thickness of the lubricating film of water in core-annular flow, as well as visualization techniques with fast video cameras. We calculated the thickness of the water film through a program developed in LabVIEW that analyzes the images of the flow. The average velocity of the oil was estimated by measuring the speed of the interface. The speed of the interface was calculated using the cross-correlation technique. With these parameters calculated, it was possible to estimate the slip ratio between the phases and calculate the oil flow rate / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Rubens Maciel Filho / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-11T05:06:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DiazMateus_FabianAndrey_M.pdf: 2380896 bytes, checksum: be3b7c2cb01810009ddbc674d0b696e6 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Neste trabalho é desenvolvida a modelagem matemática e a simulação computacional de um forno para processos de conversão térmica de frações pesadas de petróleo. O modelo cinético das reações de conversão é tomada de Sugaya (1993) a qual consta de uma reação irreversível de primeira ordem com 9 lumps reacionais e 24 pseudocomponentes. Os 24 pseudocomponentes são caracterizados e suas propriedades são calculadas mediante diferentes correlações e métodos encontrados na literatura. À medida que a carga avança pela tubulação do forno, a reação ocorre gerando quantidades maiores de componentes leves alterando as condições de fluxo como decorrência de alterações físico-químicas. Estes efeitos são levados em consideração na modelagem desenvolvida. O estado da mistura é verificado para cada passo de integração mediante a equação Soave Redlich Kwong. No caso de escoamento bifásico, as propriedades do líquido e do vapor são calculadas para determinar o regime de escoamento e calcular o Holdup. Este parâmetro permite estimar as propriedades de transporte, os coeficientes de transferência e a perda de carga. Inicialmente é simulada uma unidade piloto de craqueamento térmico. Esta unidade consta de uma serpentina aquecida isotermicamente, fato pelo qual só balanço de massa é integrado. O programa encontra as constantes cinéticas mediante um algoritmo Newton ¿ Raphson, cuja função objetivo é a diferença entre a conversão calculada e a conversão medida. Finalmente o forno industrial é simulado. Balanços de massa, momento, energia e temperatura de parede são integrados. Os resultados obtidos apresentam boa concordância com os dados do forno 23H ¿ 1 (Refinaria Presidente Bernardes, Cubatão) para craqueamento térmico. Deposição de coque na tubulação é avaliada para analisar o comportamento do processo. O programa desenvolvido permite o estudo do processo de craqueamento térmico para processos de conversão térmica como o coqueamento retardado e visco-redução. Novos parâmetros operacionais podem ser estudados, diferentes cargas e estratégias de controle podem ser simuladas e avaliadas com o software desenvolvido / Abstract: The mathematical modeling and the computational simulation of a process furnace for thermal conversion of heavy oil fractions is developed in this work. Kinetics of conversion reactions is from Sugaya (1993). It is based in a first order irreversible reaction with 9 lumps and 24 pseudocomponents. The 24 pseudocomponents are characterized and their properties calculated by different correlations and methods available in the literature. As walks through the furnace tubes, the feed, initially liquid, reacts generating light fractions and gas. The state of the mixture is checked for each integration step by a subroutine based on the Soave Redlich Kwong equation. When two phases are flowing, properties of the liquid and vapor are calculated to determine the flow regime and the holdup. This parameter allows to calculate the transport properties and the heat transfer and pressure drop coefficients. Initially, a thermal cracking pilot plant is simulated. This unit is formed by a reactor coil that is isothermally quenched; consequently, only mass balance is integrated. The program finds the kinetic constants by a Newton ¿ Raphson algorithm whose objective function is the difference between the calculated and measured conversion. Finally, an industrial furnace is simulated. Mass, momentum, wall temperature and energy balances are integrated. Results show good agreement whit the data reported from the industrial furnace 23-H-1 (Refinery Presidente Bernardes, Cubatão) for thermal cracking. Coke deposition in tubes is tested to analyze the performance of the process. The program developed in this work allows an insight study of thermal cracking processes such as delayed coking and visbreaking. New operational parameters, different feeds, control strategies and many other parameters can be studied. / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Osvair Vidal Trevisan / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica e Instituto de Geociencias / Made available in DSpace on 2018-08-14T23:36:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Chicuta_AndreaMaiumi_M.pdf: 9556550 bytes, checksum: 8000d9d7bdfe26ea2ecd6564777de501 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Este trabalho foca a recuperação melhorada de petróleo através da técnica conhecida como combustão in-situ. Ensaios experimentais foram realizados com óleo pesado de 12,8ºAPI procedente de um campo onshore no Brasil a fim de avaliar a influência da argila no meio poroso com saturações iniciais de óleo variando de 25 a 50%. O aparato experimental utilizado consiste em: sistema de injeção de fluido, tubo de combustão, sistema de produção de fluidos, sistema de análise gasosa e gasômetro, e sistema de aquisição e análise de dados. Os resultados experimentais obtidos mostram que o fenômeno da combustão é possível para o óleo e a rocha testados. Além disto, estes testes fornecem parâmetros importantes que indicam a ocorrência de reações de oxidação. A argila tem um papel fundamental na deposição de combustível e conseqüentemente na propagação da frente de combustão. Na ausência de argila no meio poroso a frente não foi sustentada, enquanto que na sua presença foi obtido um comportamento da frente de combustão estável. Já o aumento da saturação de óleo ocasionou um maior depósito de combustível. Temperaturas entre 457 à 501ºC foram obtidas na frente de combustão e fator de recuperação de óleo acima de 84%. Verificou-se que as velocidades da frente de combustão variaram entre 14,1 a 18,3 cm/h. Além disto, uma melhora na qualidade do óleo entre 3,2º a 8,4ºAPI foi observada no óleo produzido. Os parâmetros básicos da combustão - consumo de combustível, ar requerido, razão ar/combustível, razão atômica de H/C, utilização de O2 - obtidos durante os experimentos são favoráveis à implantação do método de combustão in-situ e devem servir de guia para o projeto piloto de campo. / Abstract: The present work refers to an experimental study on oil recovery by in-situ combustion. Experimental tests were performed with a heavy oil of 12.8ºAPI from a Brazilian onshore field with the main purpose to survey the influence of clay content in the reservoir rock with initial oil saturations ranging from 25 to 50%. A specific apparatus used can be described in: gas injection system, combustion tube, fluid production system, gas analysis system and control and data recording system. The results indicate that the in-situ combustion method is technically applicable to the rock-fluid system tested. Moreover, the tests were useful in providing the proper range of parameters for the oxidation reactions to occur. Clay has proved to play a key role on fuel deposition and, consequently, on propagation of the combustion front. In a clean sand rock medium, the combustion front was not self-sustained, while with its presence sustainable combustion reactions were achieved. And the increase in oil saturation resulted in a greater fuel deposition. Front peak temperatures were recorded in the range of 457 - 501 ºC for oil recovery factors greater than 84%. Results show combustion front velocities to span between 14.1 to 18.3 cm/h. Worth mentioning, upgradings of 3.2º to 8.4º API were observed in the produced oil. The basic combustion parameters - fuel consumption, air requirement, air-fuel ratio, atomic H/C ratio, oxygen utilization - obtained during the experiments are favorable to the implementation of insitu combustion and shall be used as a guide to the pilot project planned for the field. / Mestrado / Reservatórios e Gestão / Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo