A microfluídica juntamente com a intensificação de processos são duas áreas de pesquisa interessadas no estudo e desenvolvimento de processos em escala micrométrica capazes de manipular diminutas quantidades de reagentes. Para tanto, estes devem contar com dispositivos de pequena escala de tamanho e ao mesmo tempo serem tão confiáveis e eficientes quanto os de escala industrial. Uma das operações unitárias envolvidas nesses processos é a agitação. Em função da ordem de grandeza dos equipamentos e dos materiais em que são fabricados, grandes diferenciais de pressão não podem ser aplicados nos mesmos e como conseqüência no interior dos micromisturadores, como são conhecidos tais equipamentos, o escoamento se dá em regime laminar, sob está condição o processo de mistura é controlado pela difusão entre os componentes. Uma maneira de superar esta dificuldade é gerar no interior do micromisturador o aparecimento de um escoamento caótico. Para tal, podem-se utilizar fontes de energia externa (micromisturadores ativos) ou a própria energia do escoamento (micromisturadores passivos) através da construção de geometrias especiais. O desenvolvimento em laboratório destes equipamentos demanda tempo e geralmente é oneroso. A principal alternativa para este trabalho é a dinâmica dos fluidos computacional (CFD), ferramenta aplicada no presente estudo para analisar três geometrias diferentes propostas e analisadas experimentalmente no trabalho de Cunha (2007). Para caracterizar o funcionamento dos mesmos foram testadas quatro vazões distintas, com as quais foi possível levantar os perfis de pressão, velocidade e fração mássica de dois componentes que eram misturados. Com o intuito de demonstrar a eficiência dos equipamentos dois parâmetros foram analisados: o avanço da qualidade da mistura e a perda de carga para as diferentes condições operacionais. Apesar da limitação da malha e de não ter-se obtido resultados independentes da malha, foi possível se fazer uma comparação entre as três geometrias e identificouse que os micromisturadores M2 e M3 são os que apresentam o melhor desempenho para a faixa de vazão simulada (120 < Re < 1200). / Microfluidics and process intensification are two research areas interested in the study and development of new micrometric-scale devices capable of manipulating and processing small quantities of reagents. These processes have to deal with small scale equipment and at the same time be as reliable and efficient as the large-scale one. Because of the scale of this equipment and the material it is made of, large pressure differential is not possible, as a consequence in the interior of the micromixers, as they are known; a laminar flow develops, under those circumstances the mixing process is controlled by the diffusion mechanism between the two components. One way to suppress this deficiency is to generate a chaotic flow on the micromixer, which can be done by using external energy (active micromixer) or its own flow energy (passive micromixer) through special geometry construction. The experimental development of such microdevices demands time and, generally, is very expensive. The main alternative for this activity is the use of computational fluid dynamics; this tool was employed on this work with the aim of studying three geometries proposed by Cunha (2007). To characterize their working process, four different volumetric flows were simulated and analyzed the pressure, velocity and mass fraction profiles. Two parameters were calculated in order to characterize their efficiency: the mixture quality along the micromixers cross sections and the pressure drop for different operational conditions. Although we have mesh size limitations and a mesh independent results were not obtained it was possible to compare the three micromixers geometries and it was found out that both M2 and M3 micromixers had the best performance under operational conditions tested (120 < Re < 1200).

A microfluídica juntamente com a intensificação de processos são duas áreas de pesquisa interessadas no estudo e desenvolvimento de processos em escala micrométrica capazes de manipular diminutas quantidades de reagentes. Para tanto, estes devem contar com dispositivos de pequena escala de tamanho e ao mesmo tempo serem tão confiáveis e eficientes quanto os de escala industrial. Uma das operações unitárias envolvidas nesses processos é a agitação. Em função da ordem de grandeza dos equipamentos e dos materiais em que são fabricados, grandes diferenciais de pressão não podem ser aplicados nos mesmos e como conseqüência no interior dos micromisturadores, como são conhecidos tais equipamentos, o escoamento se dá em regime laminar, sob está condição o processo de mistura é controlado pela difusão entre os componentes. Uma maneira de superar esta dificuldade é gerar no interior do micromisturador o aparecimento de um escoamento caótico. Para tal, podem-se utilizar fontes de energia externa (micromisturadores ativos) ou a própria energia do escoamento (micromisturadores passivos) através da construção de geometrias especiais. O desenvolvimento em laboratório destes equipamentos demanda tempo e geralmente é oneroso. A principal alternativa para este trabalho é a dinâmica dos fluidos computacional (CFD), ferramenta aplicada no presente estudo para analisar três geometrias diferentes propostas e analisadas experimentalmente no trabalho de Cunha (2007). Para caracterizar o funcionamento dos mesmos foram testadas quatro vazões distintas, com as quais foi possível levantar os perfis de pressão, velocidade e fração mássica de dois componentes que eram misturados. Com o intuito de demonstrar a eficiência dos equipamentos dois parâmetros foram analisados: o avanço da qualidade da mistura e a perda de carga para as diferentes condições operacionais. Apesar da limitação da malha e de não ter-se obtido resultados independentes da malha, foi possível se fazer uma comparação entre as três geometrias e identificouse que os micromisturadores M2 e M3 são os que apresentam o melhor desempenho para a faixa de vazão simulada (120 < Re < 1200). / Microfluidics and process intensification are two research areas interested in the study and development of new micrometric-scale devices capable of manipulating and processing small quantities of reagents. These processes have to deal with small scale equipment and at the same time be as reliable and efficient as the large-scale one. Because of the scale of this equipment and the material it is made of, large pressure differential is not possible, as a consequence in the interior of the micromixers, as they are known; a laminar flow develops, under those circumstances the mixing process is controlled by the diffusion mechanism between the two components. One way to suppress this deficiency is to generate a chaotic flow on the micromixer, which can be done by using external energy (active micromixer) or its own flow energy (passive micromixer) through special geometry construction. The experimental development of such microdevices demands time and, generally, is very expensive. The main alternative for this activity is the use of computational fluid dynamics; this tool was employed on this work with the aim of studying three geometries proposed by Cunha (2007). To characterize their working process, four different volumetric flows were simulated and analyzed the pressure, velocity and mass fraction profiles. Two parameters were calculated in order to characterize their efficiency: the mixture quality along the micromixers cross sections and the pressure drop for different operational conditions. Although we have mesh size limitations and a mesh independent results were not obtained it was possible to compare the three micromixers geometries and it was found out that both M2 and M3 micromixers had the best performance under operational conditions tested (120 < Re < 1200).

Made available in DSpace on 2015-09-17T15:24:59Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2015-01-27. Added 1 bitstream(s) on 2015-09-17T15:46:52Z : No. of bitstreams: 1 000844615.pdf: 4665311 bytes, checksum: 68b6a3b7fcdf583d21b089fc4c4dd247 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / A hidrólise do material lignocelulósico por processos não térmicos como o ultrassom de potência, oferece uma alternativa não poluente e uma oportunidade de aumentar a produção de açúcares redutores e totais na etapa de pré-tratamento, para posterior aplicação de agentes biológicos ou químicos. No entanto, as principais desvantagens desse processo são os poucos estudos documentados na literatura sobre sua aplicação na indústria de etanol e a dificuldade de estudar seu mecanismo de ação no material. Assim, o objetivo principal deste trabalho foi estudar a aplicação do ultrassom de potência no pré-tratamento do material lignocelulósico de resíduos da bananeira (pedúnculo). Primeiramente, a composição química do pedúnculo seco foi determinada através dos métodos oficiais. Análises experimentais foram realizadas para determinar o calor específico (c p, kJ/kg oC) e a densidade (ρ, kg/m3) de soluções aquosas acidificadas de pedúnculo em pó, através de calorimetria diferencial analítica (DSC) e picnometria, respectivamente. Modelos de primeira ordem em função do pH, temperatura e concentração de biomassa foram obtidos para o calor específico e a densidade, através do método stepwise regression. Uma vez obtidos os modelos para c p e ρ, foi possível calcular os campos acústicos nas soluções aquosas de pedúnculo em pó empregando o método calorimétrico, encontrando-se uma relação inversamente proporcional entre a potência acústica e intensidade acústica transmitida ao sistema com a concentração de biomassa. Além disso, foi realizado um planejamento experimental para determinar o efeito dos fatores: concentração de biomassa (x, g/mL), potência nominal de ultrassom (U, W), pH e tempo (t, min) sobre as respostas: produção de açúcares totais (S T, mg/g) e açúcares redutores (S R, mg/g). Para isto, foi usado um processador ultrassônico que o opera a uma frequência de 24 kHz e... / The hydrolysis of lignocellulosic material by non-thermal process as the high-intensity ultrasound provides a non-polluting method and the opportunity to increase the production of total and reducing sugars in the pretreatment process, for further use by biological or chemical agents. However, the major disadvantages of these methodologies are the little documentation about the application in the ethanol industry and the difficulty to study the action mechanism in the material. Thus, the aim of this work was to study of power ultrasound effects on the pretreatment of lignocellulosic material of banana waste (flower stalk). First, a chemical composition of dried flower stalk was determined by official methods. Experimental analyses were realized to determine the specific heat capacity (c p, kJ/kg oC) and the density (ρ, kg/m3) of the acidified aqueous solutions of flower-stalk powder, by differential scanning calorimetric (DSC) and pycnometry methods, respectively. First order models as a function of pH, temperature and biomass concentration were obtained for the properties specific heat capacity and density, using the stepwise regression method. Once obtained the models for the c p and ρ, a determination of the acoustic fields in the aqueous solutions of flower-stalk powder by the calorimetric method was carried out, being found an indirect relationship between the power transferred and acoustic intensities in the system with the biomass concentration. Moreover, an experimental design was carried out to determine the effects of the factors: biomass concentration (x, g/mL) nominal power ultrasound (U, W), pH and time (t, min) under the responses: total sugars yield (S T, mg/g) and reducing sugars yield (S R, mg/g). For this, an ultrasonic processor with frequency of 24 kHz and nominal power of 1500 W was employed. Experimental results showed that the factors biomass concentration and nominal ...

Este estudo foca a gestão de estoques em cadeias de suprimentos. São construídos modelos de simulação para investigar diferentes estratégias de reposição de estoques em uma cadeia de suprimentos com dois estágios. São utilizadas técnicas de simulação por dinâmica de sistemas para o desenvolvimento dos modelos. Para tanto, analisa-se uma cadeia de suprimentos formada por dois agentes, um varejista e um fornecedor. Estes agentes devem tomar as decisões de reposição de estoques, definindo quantidades e momentos em que os materiais são adquiridos. Os objetivos principais do trabalho são: levantar na literatura quais são as principais estratégias para a gestão de estoques na cadeia de suprimentos, desenvolver modelos de simulação para as estratégias mais significativas, identificar qual das estratégias analisadas é a mais atraente para o fabricante, para o varejista e para a cadeia de suprimentos como um todo e ilustrar como a metodologia de simulação pode ser utilizada no estudo de estratégias de gestão de estoques. Três estratégias principais são identificadas na literatura e modeladas. Na primeira estratégia, os agentes tomam decisões independentemente e não compartilham informações. Na segunda estratégia, os agentes compartilham informações, mas as decisões continuam a ser tomadas independentemente. Na terceira estratégia, as decisões de reposição de estoques são tomadas pelo fornecedor, que tem acesso a todas as informações sobre venda e estoque no varejista. Observa-se que a amplificação na variação dos pedidos de um estágio para outro se reduz com o compartilhamento de informações e a centralização das decisões, sendo que esta última estratégia se mostra como a mais eficiente. O método utilizado demonstra-se bastante eficaz e pode ser usado para simular outras estratégias de reposição de estoque que não estão sendo analisadas no presente estudo. / This study focuses in the inventory management in supply chains. Simulation models are developed in order to investigate different inventory replenishment strategies in a two-echelon supply chain. Systems dynamics techniques are used to develop the models. Its analyzed a supply chain formed by two agents, a retailer and a supplier. These agents take inventory replenishment decisions, defining quantities and moments in which materials must be acquired. The main objectives of this work are: research in the literature the main inventory replenishment strategies for supply chains, develop simulation models for the main strategies, identify what strategy is more attractive for the supplier, the retailer and for the whole supply chain and illustrate how the simulation methodology can be used in the study of inventory management strategies. Three main strategies are identified in the literature and modeled. In the first strategy, the agents take decisions independently and dont share information. In the second strategy, the agents share information, but continue to take decisions independently. In the third strategy, the inventory replenishment decisions are taken by the supplier, which has access to all information about selling and inventory in the retailer. It is observed that the amplification in the supplier orders variation compared with the demand variation at the retailer are reduced with information share and decisions centralization, this last strategy being the more effective. It is demonstrated that the method is very effective and could be used to simulate other strategies that are not analyzed in this study.

Neste trabalho se pesquisou a identificação por subespaços para modelos de sistemas lineares invariantes no tempo em espaço de estados operando em tempo discreto, aplicado a sistemas em malha aberta e malha fechada. Dentro da identificação em malha aberta foram estudados os casos determinístico e estocástico determinístico para os métodos MOESP e N4SID. Como resultado deste estudo se apresentou um novo método, MON4SID, que usa a técnica MOESP para encontrar a matriz de observabilidade estendida e N4SID para recuperar as matrizes do sistema, a partir dos dados de entrada e saída. Duas variantes do método MON4SID são apresentadas para o caso determinístico e uma para determinístico - estocástico. Para verificar seu desempenho, este método foi aplicado a três tipos de processos: processo MIMO, sistema SISO e um processo benchmark MIMO da Shell. Foram usados nove algoritmos para identificar os diferentes processos e seus resultados foram comparados. Em todos eles o método MON4SID teve um bom desempenho. Para o caso de identificação em malha fechada, foram estudados os métodos MOESPC e N4SIDC para malha fechada. Estes métodos surgem como uma extensão dos métodos aplicados para malha aberta, mas a forma de solucionar o problema para malha fechada é diferente, por exemplo, o método MOESP computa um sistema global a partir do qual as matrizes da planta e do controlador são estimadas, através de uma redução de ordem e o método N4SID computa as matrizes da planta através do problema de mínimos quadrados, mas é necessário conhecer os parâmetros de Markov do controlador. Como resultado deste estudo foi apresentado o método MON4SIDC, o qual se baseia no método MON4SID para malha aberta. Este novo método usa a técnica MOESP para computar o sistema global e depois as matrizes da planta são estimadas por meio do método dos mínimos quadrados. Neste método não é necessário ter nenhum conhecimento do controlador. Um sistema simulado é usado para avaliar o desempenho do algoritmo MON4SIDC e seu resultado é comparado com outros algoritmos existentes na identificação para malha fechada PEM, N4SIDC, ARXS e MOESPC. O método MON4SIDC teve um bom desempenho, inclusive para sistemas com ruído, o que não aconteceu para o caso PEM e ARXS. / In this work it was researched subspace identification for models of linear time invariant systems in state space operating in discrete time, applied to open and closed loop systems. In the open loop identification the deterministic and stochastic - deterministic cases were studied for the methods MOESP and N4SID. As a result of this study a new method MON4SID is presented, which uses the technique MOESP to find the extended observability matrix and N4SID to compute the system matrices, from a set of input-output measurements. Two variants of the method MON4SID are presented for the case deterministic and one for deterministic - stochastic. To verify its performance, this method was applied to three types of processes: process MIMO, system SISO and a MIMO benchmark process of Shell. Nine algorithms were used to identify the different processes and their results are compared. In all of them the method MON4SID had a good performance. For the closed loop identification, the methods MOESPC and N4SIDC were studied. These methods appear as an extension of the methods applied for open loop identification, but the form of solving the problem for closed loop is different. For instance, the method MOESP computes a global system from which the plant matrices and controller matrices are computed through an order reduction and the method N4SID computes the plant matrix through the problem of least squares, but it is necessary to know the Markov parameters of the controller. As a result of this study the method MON4SIDC was presented, which uses the method MON4SID for open loop. This new method uses the technique MOESP to compute the global system and the plant matrices are estimated through the problem of least squares. In this method it is not necessary to have any knowledge about the controller. A simulated system is used to evaluate the performance of the algorithm MON4SIDC and its results are compared with other existent algorithms for closed loop identification: PEM, N4SIDC, ARXS and MOESPC. The method MON4SIDC presented a good performance, even with systems with noise, what did not occur with PEM and ARXS.

Este estudo foca a gestão de estoques em cadeias de suprimentos. São construídos modelos de simulação para investigar diferentes estratégias de reposição de estoques em uma cadeia de suprimentos com dois estágios. São utilizadas técnicas de simulação por dinâmica de sistemas para o desenvolvimento dos modelos. Para tanto, analisa-se uma cadeia de suprimentos formada por dois agentes, um varejista e um fornecedor. Estes agentes devem tomar as decisões de reposição de estoques, definindo quantidades e momentos em que os materiais são adquiridos. Os objetivos principais do trabalho são: levantar na literatura quais são as principais estratégias para a gestão de estoques na cadeia de suprimentos, desenvolver modelos de simulação para as estratégias mais significativas, identificar qual das estratégias analisadas é a mais atraente para o fabricante, para o varejista e para a cadeia de suprimentos como um todo e ilustrar como a metodologia de simulação pode ser utilizada no estudo de estratégias de gestão de estoques. Três estratégias principais são identificadas na literatura e modeladas. Na primeira estratégia, os agentes tomam decisões independentemente e não compartilham informações. Na segunda estratégia, os agentes compartilham informações, mas as decisões continuam a ser tomadas independentemente. Na terceira estratégia, as decisões de reposição de estoques são tomadas pelo fornecedor, que tem acesso a todas as informações sobre venda e estoque no varejista. Observa-se que a amplificação na variação dos pedidos de um estágio para outro se reduz com o compartilhamento de informações e a centralização das decisões, sendo que esta última estratégia se mostra como a mais eficiente. O método utilizado demonstra-se bastante eficaz e pode ser usado para simular outras estratégias de reposição de estoque que não estão sendo analisadas no presente estudo. / This study focuses in the inventory management in supply chains. Simulation models are developed in order to investigate different inventory replenishment strategies in a two-echelon supply chain. Systems dynamics techniques are used to develop the models. Its analyzed a supply chain formed by two agents, a retailer and a supplier. These agents take inventory replenishment decisions, defining quantities and moments in which materials must be acquired. The main objectives of this work are: research in the literature the main inventory replenishment strategies for supply chains, develop simulation models for the main strategies, identify what strategy is more attractive for the supplier, the retailer and for the whole supply chain and illustrate how the simulation methodology can be used in the study of inventory management strategies. Three main strategies are identified in the literature and modeled. In the first strategy, the agents take decisions independently and dont share information. In the second strategy, the agents share information, but continue to take decisions independently. In the third strategy, the inventory replenishment decisions are taken by the supplier, which has access to all information about selling and inventory in the retailer. It is observed that the amplification in the supplier orders variation compared with the demand variation at the retailer are reduced with information share and decisions centralization, this last strategy being the more effective. It is demonstrated that the method is very effective and could be used to simulate other strategies that are not analyzed in this study.

Neste trabalho se pesquisou a identificação por subespaços para modelos de sistemas lineares invariantes no tempo em espaço de estados operando em tempo discreto, aplicado a sistemas em malha aberta e malha fechada. Dentro da identificação em malha aberta foram estudados os casos determinístico e estocástico determinístico para os métodos MOESP e N4SID. Como resultado deste estudo se apresentou um novo método, MON4SID, que usa a técnica MOESP para encontrar a matriz de observabilidade estendida e N4SID para recuperar as matrizes do sistema, a partir dos dados de entrada e saída. Duas variantes do método MON4SID são apresentadas para o caso determinístico e uma para determinístico - estocástico. Para verificar seu desempenho, este método foi aplicado a três tipos de processos: processo MIMO, sistema SISO e um processo benchmark MIMO da Shell. Foram usados nove algoritmos para identificar os diferentes processos e seus resultados foram comparados. Em todos eles o método MON4SID teve um bom desempenho. Para o caso de identificação em malha fechada, foram estudados os métodos MOESPC e N4SIDC para malha fechada. Estes métodos surgem como uma extensão dos métodos aplicados para malha aberta, mas a forma de solucionar o problema para malha fechada é diferente, por exemplo, o método MOESP computa um sistema global a partir do qual as matrizes da planta e do controlador são estimadas, através de uma redução de ordem e o método N4SID computa as matrizes da planta através do problema de mínimos quadrados, mas é necessário conhecer os parâmetros de Markov do controlador. Como resultado deste estudo foi apresentado o método MON4SIDC, o qual se baseia no método MON4SID para malha aberta. Este novo método usa a técnica MOESP para computar o sistema global e depois as matrizes da planta são estimadas por meio do método dos mínimos quadrados. Neste método não é necessário ter nenhum conhecimento do controlador. Um sistema simulado é usado para avaliar o desempenho do algoritmo MON4SIDC e seu resultado é comparado com outros algoritmos existentes na identificação para malha fechada PEM, N4SIDC, ARXS e MOESPC. O método MON4SIDC teve um bom desempenho, inclusive para sistemas com ruído, o que não aconteceu para o caso PEM e ARXS. / In this work it was researched subspace identification for models of linear time invariant systems in state space operating in discrete time, applied to open and closed loop systems. In the open loop identification the deterministic and stochastic - deterministic cases were studied for the methods MOESP and N4SID. As a result of this study a new method MON4SID is presented, which uses the technique MOESP to find the extended observability matrix and N4SID to compute the system matrices, from a set of input-output measurements. Two variants of the method MON4SID are presented for the case deterministic and one for deterministic - stochastic. To verify its performance, this method was applied to three types of processes: process MIMO, system SISO and a MIMO benchmark process of Shell. Nine algorithms were used to identify the different processes and their results are compared. In all of them the method MON4SID had a good performance. For the closed loop identification, the methods MOESPC and N4SIDC were studied. These methods appear as an extension of the methods applied for open loop identification, but the form of solving the problem for closed loop is different. For instance, the method MOESP computes a global system from which the plant matrices and controller matrices are computed through an order reduction and the method N4SID computes the plant matrix through the problem of least squares, but it is necessary to know the Markov parameters of the controller. As a result of this study the method MON4SIDC was presented, which uses the method MON4SID for open loop. This new method uses the technique MOESP to compute the global system and the plant matrices are estimated through the problem of least squares. In this method it is not necessary to have any knowledge about the controller. A simulated system is used to evaluate the performance of the algorithm MON4SIDC and its results are compared with other existent algorithms for closed loop identification: PEM, N4SIDC, ARXS and MOESPC. The method MON4SIDC presented a good performance, even with systems with noise, what did not occur with PEM and ARXS.

Dynamic and steady state modeling and simulation validation of an industrial depropanizer owned by Petrobras are carried out in the Equation-Oriented environment using EMSO (Environment for Modeling, Simulation and Optimization). The depropanizer is a high purity distillation column with high nonlinear behavior because of the strong interactions due to the vapor recompression. Furthermore, the difference between internal and external material/energy flows causes a complex multitime-scale dynamics. Modeling such process is a challenging problem due to these characteristics. Initially, a steady state model, robust, fast and precise, able to provide steady state predictions that are necessary for effective implementation of Real Time Optimization (RTO) was developed in EMSO. In addition, the modeling of dynamic equilibrium processes often results in higher index DAE systems. Usually, phenomenological relationships are used to solve the index problem, but this approach gives rise to errors as a result of unknown parameters and project details that are assumed. Considering that the column\'s response to composition changes, in general, takes place over a timescale one or two order of magnitude slower than those of flow rate changes, an approach similar to a proportional loop with arbitrarily large gain is used as an alternative to solve the index problem. The dynamic model structure is based on the steady state model and contains more than nine thousand equations. Validation simulation results from comparison between real plant data and dynamic model have shown that the proposed approach is able to predict the dynamic behavior of the column properly. / O propósito desta dissertação é realizar a modelagem, simulação e validação de um modelo, tanto em estado estacionário quanto dinâmico, de uma unidade despropanizadora da Petrobras. Para o estudo foi utilizado o ambiente orientado a equações, EMSO (Environment for Modeling, Simulation and Optimization). A coluna despropanizadora é uma torre de destilação de alta pureza que possui um comportamento altamente não-linear devido às fortes interações causadas pelo sistema de recompressão do vapor. A modelagem desse processo é um desafio devido às características que apresenta. Inicialmente, foi desenvolvido nesse ambiente um modelo em estado estacionário, robusto, rápido e preciso, com a finalidade de prover as predições em estado estacionário necessárias para a implementação efetiva de uma rotina de otimização em tempo real, Real Time Optimization (RTO). A modelagem dinâmica de processos em equilíbrio resulta, frequentemente, em sistemas de equações algébrico diferenciais de índice superior. Para solução do problema de índice normalmente são utilizadas relações fenomenológicas, as quais introduzem novas fontes de erros provenientes de parâmetros e detalhes de projeto desconhecidos. Considerando que a resposta da coluna em relação às mudanças na composição, em geral, ocorre em uma escala de tempo de ordem de grandeza duas vezes mais lenta que as respostas às mudanças nas vazões, foi proposta uma abordagem similar a um controlador proporcional com ganho elevado para substituir as relações fenomenológicas e assim resolver o problema de índice. A estrutura do modelo dinâmico é baseada na do modelo estacionário e contém mais de nove mil equações. A validação dos resultados da simulação com dados reais da planta mostra que a abordagem proposta consegue prever satisfatoriamente o comportamento do sistema.

A fim de garantir a inocuidade, alguns alimentos industrializados são termicamente tratados por um processo contínuo denominado pasteurização, o qual visa inativar os micro-organismos patogênicos, mantendo, ao mesmo tempo, a sua qualidade sensorial e nutricional. Essa operação é aplicada a produtos como sucos, leite, cervejas, polpas, entre outros. A modelagem matemática deste processo tem como intuito auxiliar no entendimento, controle e posterior otimização desta operação. O principal objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento da modelagem do processo contínuo da pasteurização HTST do leite e a validação experimental do modelo empírico da incrustação do produto nas placas do trocador de calor, em malha aberta (sem PID). A modelagem fenomenológica foi composta por balanços diferenciais de energia, para temperatura, e de material, para letalidade, nos canais, nas placas, no tubo de retenção e nas conexões do pasteurizador. Também foi realizada a modelagem empírica da incrustação do leite na seção de aquecimento. Os modelos desenvolvidos representam um conjunto de equações diferenciais ordinárias de primeira e segunda ordem, o qual foi resolvido pelo método das diferenças finitas, pelo uso do software gPROMS. O modelo foi aplicado para representar o comportamento de um pasteurizador a placas de escala laboratorial, com e sem incrustação, com e sem perturbações no sistema e durante a partida do equipamento, através de estudo de caso. Os dados simulados foram apresentados pela distribuição unidimensional e temporal de temperatura e da letalidade do tratamento, ao longo do processo, e do perfil do coeficiente global de troca térmica na seção de aquecimento. Para a validação do modelo de incrustação foi realizado um ensaio experimental da pasteurização de solução proteica (similar ao leite). Inseriu-se termopares em diversos pontos do equipamento e as temperaturas foram registradas ao longo do tempo. As placas do trocador foram pesadas e fotografadas antes e depois do teste para controle da quantidade de material depositado. A partir dos resultados laboratoriais, fez-se o ajuste dos parâmetros do modelo de incrustação, simulando novamente. Esses resultados foram comparados aos experimentais, sendo, então, o modelo validado. / In order to guarantee harmlessness, some processed foods are thermally treated in a continuous process named pasteurization, in which the purpose is to eliminate pathogenic microorganisms, while avoiding sensorial and quality losses. This operation is used in products such as juice, beers, milk and dairy food, pulp, and so on. Mathematical modeling of this process seeks to help its understanding, controlling, and optimization. Thus, the aim of this work was to develop and simulate a model of a continuous process pasteurization, and to conduct the experimental validation of a fouling model in the plates of the heat exchanger plates, without a process controller (PID). The phenomenological modeling was composed by differential energy and material balances, for temperature and lethality, respectively, in the channels, plates, holding tube and its connections of the pasteurizer. It was also developed an empirical fouling model for the product in the heating section. All these models represent a set of first and second order differential equations which were solved by a finite difference method through the gPROMS software. This modeling was used to express the behavior of a laboratory scale plate pasteurizer, with and without fouling, with and without system disturbances and during the equipment startup, in a case study. The simulated data was presented by the unidimensional spatial and temporal distribution of temperature and lethality along the process, and overall heat transfer coefficient profile in the heating section. To validate the fouling model, an experimental test by using a protein solution (similar to cow milk) was conducted. The temperature logging over time was done by various thermocouples inserted in the pasteurizer. All the plates were weighed and photographed before and after the tests to quantify the amount of deposits. From laboratory results, fouling model parameters were adjusted and simulation was performed again. These results were compared to the experiments, being the model validated adequately.

A fim de garantir a inocuidade, alguns alimentos industrializados são termicamente tratados por um processo contínuo denominado pasteurização, o qual visa inativar os micro-organismos patogênicos, mantendo, ao mesmo tempo, a sua qualidade sensorial e nutricional. Essa operação é aplicada a produtos como sucos, leite, cervejas, polpas, entre outros. A modelagem matemática deste processo tem como intuito auxiliar no entendimento, controle e posterior otimização desta operação. O principal objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento da modelagem do processo contínuo da pasteurização HTST do leite e a validação experimental do modelo empírico da incrustação do produto nas placas do trocador de calor, em malha aberta (sem PID). A modelagem fenomenológica foi composta por balanços diferenciais de energia, para temperatura, e de material, para letalidade, nos canais, nas placas, no tubo de retenção e nas conexões do pasteurizador. Também foi realizada a modelagem empírica da incrustação do leite na seção de aquecimento. Os modelos desenvolvidos representam um conjunto de equações diferenciais ordinárias de primeira e segunda ordem, o qual foi resolvido pelo método das diferenças finitas, pelo uso do software gPROMS. O modelo foi aplicado para representar o comportamento de um pasteurizador a placas de escala laboratorial, com e sem incrustação, com e sem perturbações no sistema e durante a partida do equipamento, através de estudo de caso. Os dados simulados foram apresentados pela distribuição unidimensional e temporal de temperatura e da letalidade do tratamento, ao longo do processo, e do perfil do coeficiente global de troca térmica na seção de aquecimento. Para a validação do modelo de incrustação foi realizado um ensaio experimental da pasteurização de solução proteica (similar ao leite). Inseriu-se termopares em diversos pontos do equipamento e as temperaturas foram registradas ao longo do tempo. As placas do trocador foram pesadas e fotografadas antes e depois do teste para controle da quantidade de material depositado. A partir dos resultados laboratoriais, fez-se o ajuste dos parâmetros do modelo de incrustação, simulando novamente. Esses resultados foram comparados aos experimentais, sendo, então, o modelo validado. / In order to guarantee harmlessness, some processed foods are thermally treated in a continuous process named pasteurization, in which the purpose is to eliminate pathogenic microorganisms, while avoiding sensorial and quality losses. This operation is used in products such as juice, beers, milk and dairy food, pulp, and so on. Mathematical modeling of this process seeks to help its understanding, controlling, and optimization. Thus, the aim of this work was to develop and simulate a model of a continuous process pasteurization, and to conduct the experimental validation of a fouling model in the plates of the heat exchanger plates, without a process controller (PID). The phenomenological modeling was composed by differential energy and material balances, for temperature and lethality, respectively, in the channels, plates, holding tube and its connections of the pasteurizer. It was also developed an empirical fouling model for the product in the heating section. All these models represent a set of first and second order differential equations which were solved by a finite difference method through the gPROMS software. This modeling was used to express the behavior of a laboratory scale plate pasteurizer, with and without fouling, with and without system disturbances and during the equipment startup, in a case study. The simulated data was presented by the unidimensional spatial and temporal distribution of temperature and lethality along the process, and overall heat transfer coefficient profile in the heating section. To validate the fouling model, an experimental test by using a protein solution (similar to cow milk) was conducted. The temperature logging over time was done by various thermocouples inserted in the pasteurizer. All the plates were weighed and photographed before and after the tests to quantify the amount of deposits. From laboratory results, fouling model parameters were adjusted and simulation was performed again. These results were compared to the experiments, being the model validated adequately.