Orientadora: Profª Drª Graziella Colato Antonio / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia, 2016. / As crescentes preocupações socioambientais têm incentivado discussões acerca de alternativas que aliem um incremento da participação de fontes renováveis na matriz energética e a redução dos impactos ambientais negativos decorrentes da atividade humana. Nesse sentido, o correto manejo e destinação dos resíduos sólidos urbanos ocupa uma posição importante, pois tratamentos adequados para esses resíduos podem contribuir em ambas as frentes. Uma solução que tem sido largamente utilizada por países desenvolvidos e em desenvolvimento para a destinação dos resíduos sólidos é a sua recuperação energética por processo de conversão termoquímica de incineração. Essa solução tanto contribui para o aumento da oferta de energia, quanto diminui consideravelmente o volume dos resíduos a serem depositados em aterros, e ainda mitiga sua toxicidade. Como parte de um adequado planejamento, implantação e operação de uma planta de conversão energética de resíduos é imprescindível que se conheça seu poder calorífico, e muitos modelos têm sido desenvolvidos, principalmente com a utilização de regressão linear múltipla, técnica matemática que gera modelos de previsão lineares. Este trabalho teve o objetivo de propor uma metodologia de construção de modelos de predição de poder calorífico de resíduos sólidos urbanos, a partir da análise elementar, porém com uma abordagem computacional, utilizando uma técnica de inteligência computacional denominada redes neurais artificiais. Redes neurais podem representar tanto funções lineares quanto funções não lineares, e é através dessa característica que se pretendeu promover um incremento na acurácia das predições de poder calorífico de resíduos. Para tanto, foram testadas 432 configurações distintas de redes neurais, com a variação de 5 parâmetros de arquitetura da rede. Como resultado do trabalho, foi observado que, dentre essas 432 configurações, 80 (18,5%) obtiveram um índice de previsão considerado excelente, e a rede de melhor desempenho (rna-771-bfg-lp) atingiu um índice de erro médio percentual absoluto de 2,9%, na previsão de poder calorífico de 10 amostras. No comparativo com modelos matemáticos da literatura, a rna-771-bfg-lp foi melhor do que todos os modelos considerados, cujo melhor resultado foi 3,9% pelo índice MAPE. Esses resultados indicam que redes neurais se constituem uma técnica de construção de modelos de predição bastante promissora, e que a metodologia aqui proposta é capaz de gerar modelos de predição de poder calorífico de resíduos baseado em redes neurais bastante eficazes para esse tipo de tarefa. / In Brazil, the focus on offshore oil spills accidents is increasing its importance, given the increase in oil production in the country, as in the pre salt fields, which proportionally will increase the risk of accidents. The main consequences of an oil spill are financial losses to the local economy, as well as to the exploitation company, and mainly the serious environmental consequences. Due to the serious impacts of oil spills accidents, not only monitoring, and acting in real time are needed to reduce the impacts of the spread of the oil on the sea surface. Also the simulation of the spatial and time behavior of the oil on the sea surface are important tools on predicting the environmental impacts and evaluation in order to evaluate the influence areas. In addition, it is needed to the Brazilian Environmental Impact Report (RIMA) based on CONAMA's nº01 1986 resolution. The main purpose of this work was to implement an internationally consolidated methodology to model oil spill accidents using the MOHID CFD code. In order to validate the methodology, the MOHID code was used to simulate real and hypothetical accidents in the terminal waterway of São Sebastião city and Santos¿ estuary by using a two-dimensional hydrodynamic transport model and a Lagrangian approach using MOHID code. The hydrodynamic fields were validated by real tide data and the results show how the wind direction is significant to the oil stain¿s trajectory. Therefore, from the results obtained, which agree with the real accident simulated, we concluded that MOHID is an useful tool for future modeling of oil spill accidents and used for future works at UFABC.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6651.pdf: 7342156 bytes, checksum: 24286846097025ed263bb2f4e4b6dfb6 (MD5) Previous issue date: 2015-02-19 / Universidade Federal de Sao Carlos / Distillation is one of the most important industrial separation techniques. It requires high quantity of energy, corresponding to around 40% of the total energy consumption of chemical industries. As such, the optimization of a distillation column is indispensable, and it is only possible from the knowledge of the fluid dynamics phenomena occurring within the column. Some of models used for this, such as the models based on equilibrium and non-equilibrium stage concepts, usually provide useful results, but consider empirically many of the fluid dynamics phenomena by assuming a perfect mixture in each phase. In recent years, the advent of the high-speed computers combined with the development of accurate numerical methods for solving physical problems has revolutionized the way we deal with fluid dynamics phenomena. Computational fluid dynamics (CFD) techniques allow a microscopic description of the physical characteristics of the fluid motion. The main purpose of this study was develop a computational fluid dynamics model for gas-liquid flows that was able to predict the hydrodynamics and mass transfer on a sieve tray. A two-phase, three-dimensional and transient model, in an Eulerian-Eulerian framework was proposed for air/water (25°C) and ethanol/water systems at 1 atm. The continuity, momentum and mass equations were used to describe the gas and liquid phases. The sieve tray geometry simulated was based on experimental work of Solari e Bell (1986). The variables predicted were the velocity profiles, volume fraction of each phase, clear liquid height, recirculation areas, mass fraction and efficiency. The hydrodynamic and mass transfer model predictions were compared with experimental and numerical data from some authors and presented good agreement. This study shows that CFD can be used as a powerful tool for sieve tray simulation. / Destilação é uma das técnicas industriais de separação mais importante. Este processo requer grande quantidade de energia, correspondendo a aproximadamente 40% do consumo total de energia de indústrias químicas. Dessa forma, a otimização de colunas de destilação é indispensável, e para isso é necessário o conhecimento dos fenômenos fluidodinâmicos que ocorrem dentro da coluna. Alguns modelos utilizados nesses equipamentos, tais como os modelos baseados em conceitos de estágios de equilíbrio e não-equilíbrio, geralmente fornecem resultados úteis, mas consideram empiricamente muitos fenômenos fluidodinâmicos e assumem uma mistura perfeita em cada fase. Nos anos recentes, com o advento de computadores mais potentes combinado ao desenvolvimento de métodos numéricos precisos para a resolução dos problemas físicos, houve uma revolução no modo como lidamos com os fenômenos de fluidodinâmica. As técnicas de fluidodinâmica computacional permitem uma descrição microscópica das características físicas do escoamento dos fluidos. O principal objetivo deste estudo foi desenvolver um modelo de fluidodinâmica computacional para escoamentos líquido-vapor que fosse capaz de predizer a hidrodinâmica e a transferência de massa em pratos perfurados. Um modelo bifásico, tridimensional e transiente, numa abordagem Euleriana-Eulariana, foi proposto para os sistemas ar/água (25ºC e 1atm) e etanol/água a 1atm. As equações da continuidade, de momento e da transferência de espécies químicas foram utilizadas para descrever as fases líquida e gasosa. A geometria do prato perfurado simulado foi baseada no trabalho experimental de Solari e Bell (1986). As variáveis preditas foram o perfil de velocidades, a fração volumétrica de cada fase, a altura de líquido claro, áreas de recirculação, frações mássicas e eficiência. As predições do modelo para a hidrodinâmica e transferência de massa foram comparadas com dados experimentais e numéricos de alguns autores e apresentaram boa concordância. Este estudo mostra que o CFD pode ser utilizado como uma ferramenta poderosa para a simulação de pratos perfurados.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:00:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissHCS.pdf: 4511102 bytes, checksum: 84bb283da6e13fbfe8cb44f55ab48ca7 (MD5) Previous issue date: 2004-12-16 / Nowadays, the quest for solutions to urban problems that affect population quality of life cannot ignore the concepts of inundation and flood in urban areas, which are frequently seen in a number of cities within the country and, whenever reaching crowded areas, bring considerable damage that is, on its turn, irreparable due to the loss of human lives. The proposed methodology was reached with the objective of providing a computational tool to outline areas with higher or lower risk of flood for planning a draining system and urban use. The hydrodynamic propagation model has been developed by using the MacCormack explicit scheme, making it possible to be applied to urban channels. In the case of inundations, corresponding plates and sections are recorded for further generating the inundation preliminary map with the aid of a topographic software. Tests focused on hydrodynamic propagation in a real channel, stream of the Retiro Saudoso, in the city of Ribeirão Preto, state of São Paulo, having a map representing a estimative flooding area. The final outcome of this work might be used as part of a decision-making support system for authorities to estimate and to map flood along a channel. / A busca de soluções para os problemas urbanos que afetam a qualidade de vida das populações não pode prescindir, atualmente, dos conceitos de inundações e enchentes em áreas urbanas, que são freqüentes em várias cidades do país, que quando atingem áreas densamente ocupadas, provocam prejuízos consideráveis, os quais em muitos casos são irreparáveis através da perda de vidas humanas. Com o objetivo de fornecer uma ferramenta computacional para delimitar áreas de maior ou menor risco de ocorrência de enchentes, para uso urbano e planejamento do sistema de drenagem chegou-se a metodologia proposta. Desenvolveuse o modelo de propagação hidrodinâmica utilizando o esquema explicito MacCormack, possibilitando sua aplicação a canais urbanos. Na ocorrência de inundações as lâminas e as seções correspondentes são registradas para posteriormente, gerar-se o mapa preliminar de inundação com o auxílio de um software topográfico. Os testes tiveram como ênfase a propagação hidrodinamica em um canal real, córrego do Retiro Saudoso, na cidade de Ribeirão Preto SP, tendo como produto um mapa representando uma área estimada de inundação. O resultado final deste trabalho pode ser utilizado como parte de um sistema de apoio de decisões para as autoridades no que se refere à inundação, uma vez que o programa pode ser aplicado para estimar e mapear a inundação ao longo de um canal.

Made available in DSpace on 2015-06-17T19:34:28Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2014-03-31. Added 1 bitstream(s) on 2015-06-18T12:48:47Z : No. of bitstreams: 1 000829075.pdf: 2247606 bytes, checksum: bd8a92d06a971ea0775a381f27b0fa24 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Apresentamos resultados de um estudo sistemático do papel das equações de estado no modelo hidrodinâmico. Simulamos colisões Au+Au para duas energias do Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), 130 e 200 GeV por nucleon, para compararmos os nossos resultados aos dados experimentais desse acelerador. Utilizando as mesmas condições iniciais e mecanismo de desacoplamento, analisamos os efeitos de diferentes equações de estado sobre alguns observáveis físicos através dos resultados de suas respectivas evoluções hidrodinâmicas. Os observáveis de interesse nesse trabalho são o espectro de partículas, o fluxo elíptico, usado para estudar o impacto das equações de estado nas anisotropias do estado final, e os parâmetros de raio estimados através do efeito Hambury-Brown-Twiss (HBT). São estudadas três diferentes equações de estado, cada uma enfocando diferentes características do sistema formado, tais como a natureza da transição de fase, densidades de estranheza e bariônica. Essas diferentes equações de estado implicam em diferentes respostas hidrodinâmicas sobre os observáveis. Embora as três equações de estado utilizadas no cálculo descrevam razoavelmente bem os dados experimentais, as diferenças observadas são pequenas, demonstrando pouca sensibilidade dos resultados finais a cada escolha particular de equação de estado / We present results of a systematic study of the role of the equation of state in the hydrodynamic model. We simulate Au+Au collisions for two energies of the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), 130 and 200 GeV per nucleon, in order to compare our results to the collider data. By using the same initial conditions and freeze-out scenario, we analysed the effects of different equations of state on some physical observables trough the results of their respective hydrodynamical evolution. The observables of interest investigate here are particle spectra, elliptic flow, used to study the impact of the equations of state on final state anisotropies, and radii parameters estimated by the Hambury-Brown-Twiss effect (HBT). Three different types of equation of state are studied, each focusing on different features of the system, such as the nature of the phase transition, strangeness and baryon densities. These different equations of state imply different hydrodynamic responses on the observables. Although the three equations of state used in the calculations describe the data reasonably well, some small differences are observed, showing weak sensitivity of the results on the particular choice of equation of state / CAPES: 33015015001P7

Groundwater is a natural resource of great importance for humanity, which abundance varies according to the local geology. In spite of its importance, it is also vulnerable to the contamination provoked by man himself. This study has as main objective to evaluate the vulnerability index of the Guarani Aquifer system in the urban perimeter of the city of Sant'Ana do Livramento, South Brazil. It was used data from 145 wells and three springs of that city classified in its majority by CPRM/1995, based on the GOD methodology developed by Foster and Hirata (1993) and Foster et al. (2003). From the 145 wells and three springs were obtained 15 samples that were later submitted to complete chemical analysis: 10 of the samples were obtained from a study performed by CPRM/1995, four from a study by the Laboratory of Industrial and Environmental Chemistry at UFSM (LAQIA) for the Guarani Aquifer Project, and one from hydrogeological field work, geological mapping of an area around 49km², measurements of static levels, water samples collecting and data bank of the head points of contamination. The results obtained will work as subsidies for an integrated management of the underground hydric resources for public and private managers. As final products were elaborated three maps of the studied area: a geological one, a slope classes and a map of the vulnerability index, in which variability degree was classified as vulnerability classes obtained described in the mentioned methodology. The map of the area was digitalized from topographical letters in the Spring 4.1 software, and later put upon by the cartogram of vulnerability obtained with Surfer 8 software, through the use of kriging interpolator to spatialize the static levels, the wells' depth, the flows, the electric conductivity and the vulnerability index, as well as the potentiometric surface. After this process, the cartograms were then re-edited in Corel Draw 11 software. As results were obtained the classification of the area in classes according to its vulnerability levels, whose most part of the area was inserted in the high and extreme classes. Those results are worrying due to the occupation of the referred areas by enterprises that are potentially pollutants, such as three cemeteries and 22 gas stations. / A água subterrânea é um recurso natural de grande importância para a humanidade, cuja abundância varia conforme a geologia local. Apesar de ser tão importante para a humanidade, também é um meio vulnerável à contaminação provocada pelo próprio homem que tanto dela necessita. Assim, este estudo tem como objetivo principal avaliar o índice de vulnerabilidade do Sistema Aqüífero Guarani no perímetro urbano do município de Sant Ana do Livramento - RS, utilizando para isso, dados de 145 poços e 3 nascentes daquela cidade, catalogados em sua maioria pela CPRM/1995, tendo como base a metodologia GOD , desenvolvida por Foster e Hirata (1993) e Foster et al. (2003). Desses 145 poços e das três nascentes obtevese 15 amostras com análises químicas completas, sendo 10 provenientes do estudo feito pela CPRM/1995, quatro realizados pelo Laboratório de Química Industrial e Ambiental da UFSM/LAQIA para o Projeto do Aqüífero Guarani e uma proveniente de trabalhos hidrogeológicos de campo, mapeamento geológico de uma área de 49 km2, medições de níveis estáticos, coletas de águas para análises e cadastramento dos principais pontos de contaminação. Esses resultados servirão de subsídios à gestão integrada dos recursos hídricos subterrâneos pelos órgãos gestores. Como produtos finais foram elaborados três mapas da área de estudo: um geológico, um clinográfico e um mapa da vulnerabilidade cujo grau de variabilidade classificado conforme as classes de vulnerabilidades descritas na metodologia citada. O mapa da área foi digitalizado a partir de cartas topográficas no programa Spring 4.1 e este foi sobreposto pelo cartograma da vulnerabilidade obtido no programa Surfer 8 com o uso do interpolador krigagem para simular: os níveis estáticos, as vazões, a condutividade elétrica, o índice de vulnerabilidade e a superfície potenciométrica. Depois deste processo, os cartogramas foram re-editados no software Corel Draw 11. Como resultados obteve-se a classificação da área quanto à vulnerabilidade espacializada em classes, cuja maior parte da área ficou inserida nas classes alta e extrema. Esses resultados são preocupantes devido à ocupação das referidas áreas por empreendimentos potencialmente contaminantes como três cemitérios e 22 postos de combustíveis.

Neste trabalho desenvolvemos a modelagem computacional dos fenômenos inerentes ao acoplamento hidromecânico que governam o escoamento de dois fluidos imiscíveis em uma matriz porosa heterogênea e deformável. As equações do modelo na escala de Darcy são decompostas em dois subsistemas associados a poromecânica e ao transporte dos fluidos. Neste contexto novos métodos numéricos são propostos para a computação da velocidade de Darcy baseados em técnicas de pós-processamento de Petrov-Galerkin em conjunção com métodos localmente conservativos para a equação hiperbólica de transporte da saturação aliados à técnica de decomposição de operadores para a computação dos efeitos da evolução temporal da porosidade induzidos pela deformação da matriz porosa sobre o transporte. As simulações numéricas do modelo resultante nos permite identificar diferentes regimes do acoplamento hidromecânico durante o processo de extração secundária de petróleo. Em particular analisamos a influência da razão de viscosidade entre os fluidos e da heterogeneidade da matriz porosa sobre os diferentes regimes de acoplamento. Dentre os vários fenômenos capturados no modelo damos particular ênfase ao surgimento de um processo de compactação retardada do reservatório devido à inundação de água onde, em particular, ilustramos seu efeito sobre as curvas de produção de petróleo. No contexto da modelagem estocástica analisamos também os efeitos das heterogeneidades e incertezas presentes nos coeficientes de permeabilidade e das constantes elásticas do meio poroso sobre os diferentes regimes do acoplamento geomecânico. A caracterização destes regimes governados pela razão de viscosidade e pelo coeficiente de variação das heterogeneidades é ilustrada por meio de simulações numéricas do processo de extração secundária de um reservatório sujeito ao peso das camadas superiores. / In this work we develop the computational modeling of the hydromechanical couplings which govern two-phase flow in a heterogeneous poroelastic media. At the Darcy scale the governing equations are decomposed in two subsystems associated with the poromechanics and hydrodynamics. In this context new numerical methods are proposed for the computation of the Darcy velocity based on Petrov-Galerkin post processing techiniques in conjunction with locally conservative methods for the hyperbolic transport equation and for water saturation together with an operator splitting technique for the computation of the transient porosity effect upon the transport equation. Numerical simulations allow us to identify different regimes of hydromechanics coupling during the secondary of petroleum withdrawal.In particular, we analyze the influence of the viscosity ratio and strength of heterogeneity upon the various coupling regimes. Among the many phenomena captured by the model we give particular emphasis on the delayed compaction of the reservoir due to the water flooding illustrating its effects upon the oil production curves. Within the framework of the stochastic modelinf, we analyze the effects of the heterogeneity and the uncertainty in permeability and elastic coeddicientsupon the hydromechanical coupling regimes. The characterization of these regimes governed by yhe viscosity ratio and by the strength of heterogeneity is illustrated in numerical simulations of secondary oil withdrawal from a reservoir subject to the overburden due the weight of the overlaying formations.

Este trabalho aborda a influência da hidrodinâmica da Lagoa dos Patos (RS) no comportamento de variáveis indicadoras da qualidade da água, como o material em suspensão, o oxigênio dissolvido, os nutrientes inorgânicos dissolvidos e a clorofila-a. Adicionalmente, o trabalho apresenta uma avaliação do efeito do lançamento de efluentes na magnitude das concentrações destas variáveis e nas suas inter-relações. Para o desenvolvimento deste estudo aplicou-se o modelo numérico MOHID 2D, utilizado com êxito na gestão ambiental de regiões costeiras. Os resultados indicam que a Lagoa dos Patos é um corpo lagunar heterogêneo no qual sua hidrodinâmica é regida principalmente pela atuação dos ventos e da vazão fluvial. Esses fatores influenciam diretamente o comportamento das variáveis estudadas. A presença de efluentes altera significativamente a magnitude das concentrações dos nutrientes e da clorofila-a no ambiente, principalmente nas regiões próximas aos locais de lançamento. A modelagem numérica é uma importante ferramenta para a gestão ambiental de sistemas dinâmicos e que variáveis ecológicas são condicionadas pelas suas inter-relações e pela circulação do sistema. / This work assesses the influence of Patos Lagoon- RS hydrodynamics in the behavior of water quality indicator variables as like suspended material, dissolved oxygen, dissolved inorganic nutrients and chlorophyll-a. Also gives an assessment of the effect of effluent discharge in the magnitude of the concentrations of these variables and in their interrelationships. To develop this study we applied the numerical model MOHID 2D, successfully applied in environmental management of coastal areas. The results indicate that Patos Lagoon is a heterogeneous system in which its hydrodynamic is governed mainly by the action of wind and river flow, which directly influence the behavior of water quality variables. Furthermore, the presence of effluent significantly changes the magnitude of the nutrients and chlorophyll-a concentration, particularly in areas close to the sewage launch sites. We concluded that the numerical modeling is an important tool for the dynamics systems management and that ecological variables are not only conditioned by their interrelations, but also by system circulation.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:28:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseCMMGR.pdf: 13855035 bytes, checksum: 126968558415c6ee1c203a853f6b12cd (MD5) Previous issue date: 2003-11-06 / Environmental pulses occur very often in warm polymitic reservoirs and, together with shifts in the operational rules, lead to large internal temporal variability. The focus of this work was: (i) to evaluate the main characteristics and the complexity of physical processes during short-time events in a warm polymitic water body, Lobo (Broa) reservoir, and; (ii) to examine the potential of a hydrostatic three-dimensional (3D) numerical model at a coarse grid resolution to simulate correctly mixing and transport during short-time events in a warm polymitic reservoir. In this study we conducted two field experiments. In March-April 2001 a first collaborative field experiment, with intensive measurements that included both biological and physical processes, was realized in Lobo reservoir. During the 16 days experiment, a large spectrum of environmental conditions occurred: a storm, calm weather with moderate winds and the passage of a cold front. In May 2003 we conducted a second field experiment, also with intensive measurements, however focusing on the spatial variability of temperature and other variables in Lobo reservoir. A diurnal variation study was performed in both experiments. The 3D Estuary and Lake Computer Model was applied to modeling Lobo reservoir, S ao Paulo - Brazil, and was compared with data from both experiments. The reservoir spatial heterogeneity and rapid response to various pulses and diel patterns of heating and cooling were well reproduced by the numerical model. Thus, this can be a valuable tool for understanding evolution of the thermodynamics in a warm polymitic reservoir. Finally, in this work we highlight few inherent characteristics of polymitic reservoirs, which were found to be very important for the establishment of monitoring plans and the reservoir management. / As forçantes ambientais em reservatórios tropicais polimíticos apresentam grande variabilidade temporal em termos de intensidade e frequência dos eventos o que, juntamente com mudanças nas regras operacionais, conduz também a grande variabilidade temporal na estrutura térmica desses ambientes. O foco desta pesquisa foi: (i) avaliar a variedade e a complexidade dos processos físicos que ocorrem em curtas escalas temporais em um reservatório tropical polimítico, a represa do Lobo (Broa), localizada no Estado de S ao Paulo, Brasil, e; (ii) avaliar o potencial de um modelo numérico 3D para simular adequadamente e em curtas escalas de tempo o transporte e a mistura nesse reservatório. Para tanto, dois experimentos de campo foram conduzidos nesta pesquisa. Em março/abril de 2001 realizou-se um experimento de 16 dias de duração, com medições intensivas, durante os quais ocorreu uma grande variedade de eventos: uma tempestade, uma queda brusca de temperatura, dias calmos com ventos moderados e uma frente fria associada a ventos fortes e persistentes. Em maio de 2003 conduziu-se um segundo experimento de campo com duração de sete dias, no qual foi dada ênfase à variabilidade espacial da estrutura térmica no reservatório. Em ambos os experimentos realizou-se um estudo de variação nictemeral. O modelo tridimensional ELCOM (Estuary and Lake Computer Model) foi aplicado à represa do Lobo. Pelos resultados obtidos pode-se concluir que o modelo constitui uma excelente ferramenta para estudar a evolução da estrutura térmica em um reservatório tropical polimítico, reproduzindo bem a heterogeneidade espacial e as rápidas respostas às forçantes ambientais. Finalmente, ao discutir as observações de campo e as simulações numéricas, este trabalho ressalta algumas características inerentes aos reservatórios polimíticos, as quais são muito importantes para o estabelecimento de planos de monitoramento e para o gerenciamento desse tipo de reservatório.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2378.pdf: 2097970 bytes, checksum: 8d3821784c3492880401bb105fe5be96 (MD5) Previous issue date: 2009-03-12 / Financiadora de Estudos e Projetos / Internal-loop airlift reactors (ALR) are a special class of pneumatic reactors. The use of this type of reactor has been attractive for chemical and biological reactions because of their simple construction without moving parts and low energy costs when compared with stirred tank reactors. In the present work, a study related to hydrodynamic and oxygen transfer in three geometrically similar scales of internal tube airlift bioreactors (2, 5, and 10 L) was conducted. The aim was to obtain useful information for further studies related to the scale-up of such reactor configuration. The gas hold-up, circulation time, mixing time, volumetric oxygen transfer coefficient, average shear rate, and mean bubble diameter of the air bubbles were evaluated in order to achieve a better comprehension of the hydrodynamic and mass transfer in airlift bioreactors. Values of gas hold-up and oxygen transfer were obtained for the three scales of ALR utilizing eight Newtonian and five non-Newtonian fluids. The superficial gas velocity and liquid viscosity had opposite effects with same order of magnitude. General correlations based on the dimensional analysis were proposed to relate global gas hold-up (ε) and volumetric oxygen transfer coefficient (kLa) to the geometrical parameters of the system, physical properties of the Newtonian and Non-Newtonian fluids, and superficial gas velocity. The correlations presented excellent fittings to the experimental data obtained for the three scales of ALR. The influence of the reactor internal diameter on the volumetric oxygen transfer coefficient was considered positive showing that in largerscale reactors an appropriate oxygen transfer can be reached under smaller aeration conditions. New methodologies to estimate the mean bubble size (dB) and average shear rate ( m γ& ) in the three scales of ALR were proposed. The semi-theoretical method to estimate dB was based on Higbie´s penetration theory using experimental data of ε and kLa. The methodology for evaluating the m γ& in ALRs was developed for non-Newtonian systems. The volumetric oxygen transfer coefficient was chosen as the appropriate characteristic parameter. The results of dB and m γ& obtained by the proposed methods are in agreement with the experimental values found in the literature. The effect of shear rate on clavulanic acid (CA) production by Streptomyces clavuligerus was examined both in a stirred tank bioreactor (STR) of 4 L and in an ALR of 6 L working volume, respectively, based on experimental data of the literature. Results showed that CA production was positively affected by shear conditions. In addition, the ALR presented values of m γ& higher than those found in a STR operated under the same oxygen transfer conditions. / Os biorreatores pneumáticos têm mostrado um grande potencial para os processos biotecnológicos, pois não utilizam partes móveis em sua construção e operação e há um menor consumo de energia quando comparado com os biorreatores convencionais tipo tanque agitado. No presente trabalho foi realizado um estudo hidrodinâmico e de transferência de oxigênio em três escalas biorreatores airlift de tubos concêntricos geometricamente semelhantes (2, 5 e 10 L) com objetivo de obter informações úteis para aplicação na variação de escala deste modelo de biorreator. Foram avaliados parâmetros importantes como retenção gasosa, tempo de mistura, tempo de circulação, coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio, velocidade de cisalhamento e diâmetro médio de bolhas para o melhor entendimento de aspectos relacionados à hidrodinâmica e à transferência de massa. A retenção gasosa e a transferência de oxigênio foram estimadas nos três biorreatores airlift utilizando oito tipos de fluidos Newtonianos e cinco fluidos não-Newtonianos. A velocidade superficial de gás e a viscosidade do líquido tiveram efeitos contrários e com mesma ordem de magnitude no coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio. Foram obtidas correlações baseadas em análise dimensional para expressar a retenção gasosa (ε) e o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa) em função dos parâmetros geométricos dos sistemas, propriedades físicas dos fluidos e da velocidade superficial de alimentação de ar. Tais correlações apresentaram excelentes ajustes aos dados experimentais obtidos nas três escalas de biorreatores. A influência do diâmetro interno do reator no kLa foi considerada positiva, mostrando que em escalas de reatores maiores, a transferência de oxigênio pode ser alcançada sob menores condições de aeração. Metodologias para estimativas do diâmetro médio das bolhas (dB) e da velocidade média de cisalhamento ( m γ& ) em biorreatores airlift de tubos concêntricos foram propostas. A metodologia para estimativa de dB foi desenvolvida com base na teoria de penetração de Higbie utilizando resultados experimentais de ε e de kLa. A metodologia de estimativa m γ& , desenvolvida para fluidos não- Newtonianos, utilizou o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa) como parâmetro característico. Resultados estimados de dB e de m γ& apresentaram boa concordância com resultados experimentais de literatura. Foi também avaliada e comparada a influência das condições cisalhamento previstas pela metodologia proposta na produção de ácido clavulânico (AC) por Streptomyces clavuligerus em cultivos realizados em biorreatores airlift de 6 L e convencional tipo tanque agitado e aerado de 4 L. Os resultados mostraram que a produção de AC foi afetada positivamente pelo cisalhamento, bem como a velocidade média de cisalhamento ( m γ& ) foi superior em biorreator airlift em relação ao convencional sob mesmas condições de transferência de oxigênio.

Submitted by maria angelica Varella (angelica@sibi.ufrj.br) on 2018-02-26T16:53:48Z No. of bitstreams: 1 154743.pdf: 1752246 bytes, checksum: 7bafe9693a0599b6a6b2760bd3eb46e9 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-26T16:53:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 154743.pdf: 1752246 bytes, checksum: 7bafe9693a0599b6a6b2760bd3eb46e9 (MD5) Previous issue date: 1980-12 / Apresenta o desenvolvimento de um modelo matemático bidimensional para avaliação do desempenho hidrodinâmico de quebra-mar flutuante rígido, de geometria uniforme, operando sob condições de mar regular. Na solução do modelo matemático é empregado o método de distribuição de fontes no contorno submerso do corpo. O trabalho desenvolvido permite determinar os principais parâmetros de interesse na análise do comportamento hidra dinâmico de dispositivos de atenuação de ondas. Assim, podem ser obtidos o coeficiente de transmissão ou a eficiência do quebra-mar flutuante, as cargas hidrodinâmicas atuantes no corpo e os movimentos do dispositivo. Os resultados obtidos para o coeficiente de transmissão e as amplitudes dos movimentos de um corpo de seção transversal retangular são comparadas com dados experimentais provenientes de testes com modelos reduzidos, tendo sido boa correspondência entre ambos observada Também são apresentados resultados teóricos para modelo de quebra-mar tipo catamaran e analisado o problema de frequências irregulares quando se emprega o método de distribuição de fontes. / Present two-dimensional mathematical model to study the performance of a rigid floating break water with uniform geometry and operating under regular wave conditions. To solve the hydrodynamic problem one distributes sources on the body contour and then formulates an integral equation which is solved numerically. Our goal is to obtain the most important parameters in the analysis of a wavebreaker, that are the transmission coefficient, the hydrodynamic loads and the motions of the body. The numerical results for the transmission coefficient and the motions of a body with retangular cross section were compared with available test data and they showed a good agreement. The numerical results for a catamaran cross section and the irregular frequency phenomenum are presented too.