Estágio realizado na empresa Imperial orientado pela Eng.ª Sofia Silva / Documento confidencial. Não pode ser disponibilizado para consulta / Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Tese de doutoramento. Engenharia Química e Biológica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

A remoção de compostos sulfurados da gasolina é um assunto de grande interesse na indústria de refino de petróleo em função das restrições ambientais cada vez mais rígidas em relação ao teor máximo de enxofre de produtos acabados. A solução mais comum para remoção de contaminantes são as unidades de hidrotratamento que operam a alta pressão e possuem alto custo de instalação e de operação além de levarem à perda de octanagem do produto acabado. O uso de membranas é uma alternativa promissora para a redução do teor de enxofre de correntes de gasolina e possui diversas vantagens em relação ao hidrotratamento convencional. O conhecimento aprofundado dos parâmetros que influenciam as etapas de sorção e difusão é crítico para o desenvolvimento da aplicação. Este trabalho avalioua seletividade e sorção do sistema formado por n-heptano e tiofeno em polímeros através de modelos termodinâmicos rigorosos, baseados em contribuição de grupos. O modelo UNIFAC-FV, variante do tradicional modelo UNIFAC para sistemas poliméricos, foi o modelo escolhido para cálculo de atividade dos sistemas estudados. Avaliou-se ainda a disponibilidade de parâmetros para desenvolvimento da modelagem e desenvolveu-se uma abordagem com alternativas para casos de indisponibilidade de parâmetros UNIFAC. Nos casos com ausência de parâmetros, o cálculo do termo residual da atividade das espécies é feito na forma proposta por Flory-Hugginsutilizando-se parâmetros de solubilidade obtidos também por contribuição de grupos. Entre os métodos de contribuição de grupos existentes para cálculo de parâmetros de solubilidade, o método de Hoy mostrou menores desvios para os sistemas estudados. A abordagem utilizada neste trabalho permite, ao final, uma análise de alterações da configuração da cadeia principal de polímeros de forma a influenciar sua seletividade e sorção para dessulfurização de naftas / The removal of sulfur compounds from gasoline is a subject of great relevance in the oil refining industry due to strict environmental restrictions related to the maximum content of sulfur in finished products. The most common solution for contaminants removal are the hydrotreating units which operate under high pressure and have high costs for installation and operation besides causing anoctane number reduction in the finished product. The utilization of membranes is a promising alternative for sulfur content reduction in gasoline and has several advantages when compared to conventional hydrotreating. A deep understanding of parameters that affect sorption and diffusion steps is critical for developing this application. This work has evaluated the selectivity and sorption of systems constituted by n-heptane and thiophene in polymers through rigorous thermodynamic models, based on group contribution. The model UNIFAC-FV, originated from UNIFAC traditional model for polymeric systems, was the chosen model for activity calculation in studied systems. It was also evaluated the availability of parameters for modeling development and an approach was developed with alternatives for those cases with unavailable UNIFAC parameters. For such cases, the calculation of the residual contribution for activity was done according to Flory-Huggins proposal using solubility parameters obtained also by group contribution. Among the existing group contribution methods for solubility parameter, the method from Hoy gave better results for systems studied in this work. The approach used in this work allows, in the end, an analysis of changes in the configuration of the polymer main chain that could influence its selectivity and sorption for naphtha desulfurization

Orientador: Prof. Dr. Reynaldo Palácios Bereche / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia, 2015. / No presente trabalho foi desenvolvida uma análise de desempenho da inserção da tecnologia de membranas, visando a potencialização da produção de etanol, e o impacto desta sobre a destilação convencional para a separação do etanol até o grau de etanol hidratado combustível (EHC). A pervaporação com membranas de PDMS (polidimetilsiloxano) foi adotada como alternativa tecnológica para a intensificação da fermentação alcoólica, a partir de sacarose em forma de melaço de cana. Três arranjos de operação de fermentação foram selecionados e avaliados como alternativa à intensificação da operação, a fermentação em batelada com fermentadores SBF (Simple Batch Fermenter) representa o regime transitório, para o regime estacionário foi selecionado um fermentador contínuo, CSTF (Continuous Stirred Tank Fermenter). Na operação semicontínua, o fermentador em batelada alimentada foi selecionado, FBF (Fed-Batch Fermeter). Os três tipos de operação de fermentação (em batelada, contínua e semicontínua) avaliaram-se em função do rendimento, produtividade e tempo de operação. O critério do tempo de operação discriminou-se em tempos totais de fermentação para os fermentadores SBF e FBF, em quanto ao fermentador CSTF o tempo de retenção hidráulica foi usado. Tanto os modelos da cinética da fermentação, como os parâmetros cinéticos foram tomados da literatura e adaptados ao tipo de regime avaliado. Para a explicação da pervaporação foi usada a teoria de solução-difusão, pois segundo a literatura , é a teoria mais apropriada e simples que descreve a transferência de massa através da membrana em uma pervaporação. Os modelos de transferência de massa de Fick e Maxwell-Stefan (MS), foram aplicados para determinar a taxa de transferência de massa na pervaporação, baseada nas características das membranas de PDMS. As permeabilidades do modelo de transferência de massa de Fick foram determinadas. Os parâmetros de sorção e difusão do modelo de MS foram tomados da literatura. Para a membrana de PDMS avaliada, determinou-se um fator de separação de 3,5 para o etanol e 0,14 para água sob as condições normais de fermentação, indicando um fluxo de permeato com um conteúdo de água relativamente baixo (referente à solução fermentativa) e uma concentração de 33 wt.% de etanol no permeato. Fez-se o acoplamento da modelagem dos fermentadores SBF, CSTF e FBF com o modelo de MS da membrana de pervaporação. O modelo de MS apresentou maior exatidão que o modelo de Fick na transferência de massa através da membrana. Também propôs-se os esquemas da operação híbrida para os fermentadores H-SBMF (Hybrid -Simple Batch Membrane Fermenter), H-CSTMF (Hybrid- Continuous Stirred Tank Membrane Fermenter) e H-FBMF (Hybrid-Fed Batch Membrane Fermenter). Para a fermentação híbrida com membranas, além do rendimento, produtividade e tempo de operação foi avaliada a intensificação de etanol. Para o H-SBMF, a produção de etanol aumentou 14,43% em comparação à fermentação convencional, sob as mesmas condições operacionais (Intensificação de etanol) e a produtividade teve um incremento de 2,5 vezes. O H-CSTMF apresentou um incremento máximo de etanol produzido de 30,32%, e a produtividade foi incrementada em uma faixa de 1,1 a 1,7 vezes baseado no tempo de retenção (residencia hidráulica). No H-FBMF atingiu-se até 16,13 % de etanol intensificado e um incremento de 1,6 vezes na produtividade. Os rendimentos de todas as fermentações mantiveram relativamente constantes. Os consumos energéticos (energia térmica e mecânica) foram avaliados com base nos requerimentos energéticos da pervaporação, e consumo energético na etapa de destilação para obter álcool hidratado. Conseguiu-se advertir que houve um declínio do consumo de energia térmica (calor) do processo geral (máximo de 11%), em virtude de um significante aumento da quantidade de etanol produzido na fermentação híbrida. Determinou-se que o consumo de energia na recuperação do permeato, depende explicitamente da área da membrana, o qual foi média de 0,77 kW/m2. / In this study, an analysis of performance of the membrane technology insertion to conventional ethanol production technology has been developed. Membranes separation were considered to enhance the fermentation and distillation areas of conventional process of alcohol-fuel production. Aimed an intensification of alcoholic fermentation by pervaporation with PDMS (Polydimethylsiloxane) membranes, as a back-up technology to accomplish this assignment. Three fermentation operation arrangements were picked and assessed as intensification alternative operation, SBF (Simple Batch Fermenter) for transient regime, CSTF (Continuous Stirred Tank Fermenter) for steady-state fermentation and FBF (Feed Batch Fermenter) for semicontinuous operation. These three types of operation (batch, steady-state and semicontinuous) were evaluated as function of product-yield, productivity and operation time criteria. In batch and fed-batch operation, operation time was specified by total fermentation time, for steady-state operation the operation time criteria was residence time. Fermentation kinetic models and kinetic parameters were obtained from literature and embedded to assessed operation regimes. Pervaporation phenomena was explained by the solution-diffusion theory, since according to literature it is most appropriate and simple theory to describe the mass transfer across pervaporation membranes. Fick and Maxwell-Stefan mass transport model were used to determine the pervaporation mass transfer rate, based in PDMS membranes characteristic. Permeability from Fick model was calculated and sortion and diffusivity parameters from Maxwell-Stefan were obtained from literature. For evaluated PDMS membrane, ethanol and water separation factor of 3.5 and 0.15 were achieved, respectively for a range of normal fermentation concentrations, suggesting a permeate flux with lower water containing than fermentative solution and an ethanol concentration about to 35 %. SBF, FBF and CSTF modeling, Fick and Maxwell-Stefan membrane pervaporation models were adapted and applied together. In addition, a schematic hybrid arrangement for fermenters, H-SBMF (Hybrid -Simple Batch Membrane Fermenter), H-FBMF (Hybrid-Fed Batch Membrane Fermenter) and H-CSTMF (Hybrid-Continuous Stirred Tank Membrane Fermenter) was proposed. Further product-yield, productivity and operation time criteria, performance of membrane pervaporation was evaluated in hybrid-fermentation process. For H-SBMF, product-yield referred to conventional fermentation, under the same operative conditions (ethanol profit) increased 14.43% and 2.5 times higher productivity was achieved. H-CSTMF presented 30.32% higher ethanol profit; instead, the productivity had an increased in range of 1.1-1.7 times. For H-FBMF achieved 16.13% and 1.6 times higher ethanol profit and productivity, respectively. Fermentation energy consumption was estimated based in the energetic needs in pervaporation and energy demand in distillation area, for hydrated ethanol. A decrease of global energy consumption was attended (up to 11%), consequent to a quietly higher ethanol-feed concentration, generated in a simultaneous fermentationpervaporation process. The pervaporation was integrated to high-temperature compressed permete stream, reaching a higher energy-efficient process than a non-integrated pervaporation process. Electrical consumption for permeate recovery was determined and it is only in funtion of membrane area, achieving 0.77 kW/m2.

A remoção de compostos sulfurados da gasolina é um assunto de grande interesse na indústria de refino de petróleo em função das restrições ambientais cada vez mais rígidas em relação ao teor máximo de enxofre de produtos acabados. A solução mais comum para remoção de contaminantes são as unidades de hidrotratamento que operam a alta pressão e possuem alto custo de instalação e de operação além de levarem à perda de octanagem do produto acabado. O uso de membranas é uma alternativa promissora para a redução do teor de enxofre de correntes de gasolina e possui diversas vantagens em relação ao hidrotratamento convencional. O conhecimento aprofundado dos parâmetros que influenciam as etapas de sorção e difusão é crítico para o desenvolvimento da aplicação. Este trabalho avalioua seletividade e sorção do sistema formado por n-heptano e tiofeno em polímeros através de modelos termodinâmicos rigorosos, baseados em contribuição de grupos. O modelo UNIFAC-FV, variante do tradicional modelo UNIFAC para sistemas poliméricos, foi o modelo escolhido para cálculo de atividade dos sistemas estudados. Avaliou-se ainda a disponibilidade de parâmetros para desenvolvimento da modelagem e desenvolveu-se uma abordagem com alternativas para casos de indisponibilidade de parâmetros UNIFAC. Nos casos com ausência de parâmetros, o cálculo do termo residual da atividade das espécies é feito na forma proposta por Flory-Hugginsutilizando-se parâmetros de solubilidade obtidos também por contribuição de grupos. Entre os métodos de contribuição de grupos existentes para cálculo de parâmetros de solubilidade, o método de Hoy mostrou menores desvios para os sistemas estudados. A abordagem utilizada neste trabalho permite, ao final, uma análise de alterações da configuração da cadeia principal de polímeros de forma a influenciar sua seletividade e sorção para dessulfurização de naftas / The removal of sulfur compounds from gasoline is a subject of great relevance in the oil refining industry due to strict environmental restrictions related to the maximum content of sulfur in finished products. The most common solution for contaminants removal are the hydrotreating units which operate under high pressure and have high costs for installation and operation besides causing anoctane number reduction in the finished product. The utilization of membranes is a promising alternative for sulfur content reduction in gasoline and has several advantages when compared to conventional hydrotreating. A deep understanding of parameters that affect sorption and diffusion steps is critical for developing this application. This work has evaluated the selectivity and sorption of systems constituted by n-heptane and thiophene in polymers through rigorous thermodynamic models, based on group contribution. The model UNIFAC-FV, originated from UNIFAC traditional model for polymeric systems, was the chosen model for activity calculation in studied systems. It was also evaluated the availability of parameters for modeling development and an approach was developed with alternatives for those cases with unavailable UNIFAC parameters. For such cases, the calculation of the residual contribution for activity was done according to Flory-Huggins proposal using solubility parameters obtained also by group contribution. Among the existing group contribution methods for solubility parameter, the method from Hoy gave better results for systems studied in this work. The approach used in this work allows, in the end, an analysis of changes in the configuration of the polymer main chain that could influence its selectivity and sorption for naphtha desulfurization

Orientadores: Maria Regina Wolf Maciel, Mario Eusebio Torres Alvarez / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-11T16:17:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Araujo_WilsonAndaleciode_D.pdf: 2993508 bytes, checksum: 29abb03a65a80f6c9835367e0cb49d50 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Os processos de separação com membranas (PSM) têm sido considerados como alternativa a processos clássicos de separação. Esta é uma área de estudo que apresenta uma forte interdisciplinaridade. Há um crescente interesse nestes processos para diversas aplicações como, por exemplo, tratamento de efluentes industriais, desalinização de águas, purificação e concentração de correntes da indústria alimentícia. A separação, em geral, não envolve mudança de fase, o que significa economia no consumo de energia e operações a temperaturas moderadas. Na tecnologia de separação com membranas, os componentes das misturas líquidas ou gasosas são separados ao permearem de forma seletiva através de uma membrana. As membranas podem ser poliméricas ou cerâmicas. A corrente de alimentação é dividida em duas correntes de saída: a que permeou através da membrana (permeado) e a corrente concentrada retida (¿retentate¿). Estes processos têm sido aplicados no processamento de bebidas, sucos, e aromas. Neste trabalho, dois PSM foram estudados, a Osmose Inversa (OI) e a Pervaporação (PV). Experimentos em escala piloto foram realizados empregando-se o processo de OI (membrana de poliamida) para a concentração de suco de laranja a 20°Brix. Avaliou-se a retenção de compostos de voláteis (acetaldeído, metanol e etanol) monitorando-se as correntes de alimentação e permeado. Os resultados de retenção de aromas obtidos não foram satisfatórios. A membrana apresentou baixas retenções para os voláteis monitorados na temperatura usada para realização dos experimentos. Na segunda etapa do trabalho, o processo de PV foi avaliado para recuperação de um importante éster do suco de laranja, o etil butirato. O software PERVAP, um simulador Fortran essencialmente preditivo, foi empregado no estudo de desempenho do processo para duas membranas, polidimetilsiloxano (PDMS) e polioctilmetilsiloxano (POMS). Realizou-se a predição de propriedades de membranas poliméricas para incremento da capacidade preditiva do simulador. Foram empregados métodos de contribuição de grupos para predição das propriedades dos polímeros. Os dados de viscosidade preditos para o POMS viabilizaram a realização de cálculos para obtenção de parâmetros requeridos para operação do simulador. A abordagem proposta proporcionou maior versatilidade ao simulador / Abstract: The membrane separation processes (MSP) have been considered as alternative for conventional separation processes. In this research area a strong interdisciplinarity is observed. There is an increasing of interest for these processes considering many aplications (e.g., industrial wastewater treatment, water desalination, purification and concentration of food industry streams). The separation usually does not requires phase change, which means energy savings and moderate temperatures. A membrane separation system separates an inlet stream into two effluent streams known as the permeate and the retentate. The permeate is the portion of the fluid that has passed through the membrane. Whereas the retentate stream contains the constituents that have been rejected by the membrane. The membrane can be polymeric or ceramic. These processes have been applied for processing beverages, juices and aromas. In this work, two of these processes were studied, Reverse Osmosis (RO) and Pervaporation (PV). Pilot scale experiments were accomplished using RO (poliamide membrane) for concentrating single strength orange juice at 20ºBrix. The retention of volatile compounds (acetaldehyde, methanol and ethanol) was evaluated by monitoring feed and permeate streams. The retention results obtained were unsatisfactory. The membrane presented low retention for monitored volatiles under studied temperature conditions. In the second stage of this work, the PV process was evaluated for recovering an important ester of orange juice, the ethyl butyrate. The PERVAP software, an essentially predictive Fortran simulator, was used for evaluating process performance considering two membranes, polydimethylsiloxane (PDMS) and polyoctylmethylsiloxane (POMS). It was accomplished the prediction of properties for polymeric membranes targeting the software predictivity improvement. Viscosity data predicted for POMS was crucial for calculating parameters required by simulator. The predictive approach proposed improved the software versatility / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química