As metodologias para a síntese de processos, baseadas em otimização de superestruturas, mostram-se mais poderosas do que as baseadas no projeto em heuríticas, já que levam em consideração as inúmeras possibilidades de construção do processo. É pratica comum a utilização de modelos simplificados (como modelos de rendimento), na representação dos equipamentos dentro destas superestruturas, uma vez que a utilização de modelos fenomenológicos tornar-se-ia inviável, devido aos tempos computacionais e à dificuldade técnica de se programar os módulos e propriedades termodinâmicas de um simulador comercial, dentro de uma plataforma de otimização como o GAMS. Modelos com alta precisão, que não requerem grandes tempos computacionais, reduzidos ou de superfície de resposta, aproximam modelos fenomenológicos e podem ser introduzidos em problemas de síntese, obtendo soluções mais precisas. Neste trabalho, foram construídos modelos reduzidos para dois processos comumente encontrados em sistemas de tratamento de efluentes de refinarias de petróleo: uma torre de resfriamento e um stripper de vapor. Os dados utilizados para a correlação dos modelos reduzidos foram gerados, através da simulação de modelos semi-fenomenológicos ou fenomenológicos destes equipamentos. É proposta uma metodologia original para gerar modelos reduzidos, que diferentemente dos trabalhos anteriores em que se utilizam modelos reduzidos tipo caixa preta, emprega-se um modelo reduzido tipo caixa cinza para a representação da coluna de stripper, o que aumenta a capacidade de correlação do modelo ao conjunto de dados, resultando em menores erros de predição. Dois tipos clássicos de modelos reduzidos foram utilizados dentro dos modelos caixa-cinza: um modelo baseado em redes neurais e um modelo polinomial. Ambos mostraram-se capazes de representar o modelo fenomenológico com pequenos erros e permitindo resolver o problema de síntese em um tempo computacional razoável (da ordem de 10 segundos). Nota-se também que são obtidas várias soluções ótimas locais que diferem ligeiramente de acordo com a abordagem utilizada, mas que qualitativamente correspondem a um mesmo conjunto de soluções. / The superstructure optimization-based methodologies for process synthesis can be more powerful than the heuristic based methodologies, because they cope the many possibilities in order to design the process. It is common practice to use simplified models (efficiency-based models), in the representation of equipment in the superstructures, because the use of phenomenological models would be unfeasible due the high computational time and the technical difficulties in order to program module and thermodynamics properties packages of commercial simulators, into an optimization platform as GAMS. High accuracy models, which do not require large computational time, can be obtained using different types of surrogate or response surface, approximate phenomenological models of the system and can be introduced into the synthesis problems, leading to more precise solutions. In this work, surrogate models were built for two processes usually found in water treatment networks in petroleum refineries: a cooling tower and a steam stripper. The data sets used for fitting the surrogate model were generated by the semi-phenomenological or the first principles model of those equipment. An original methodology for generating surrogate model is proposed that differently of previous works (which make use of black box surrogate models) uses gray box models to represents de stripper column. This approach improves the correlation capacity of the surrogate model to the set data and reduces the prediction errors. Finally, two classic surrogate models were used inside the gray-box models: a neural network based model and a polynomial model. The results showed that both are able to represent the phenomenological model with small errors to solve the synthesis problem in a short computational time (which not exceed in a magnitude of 10 seconds). It is noticed also that many local solutions are obtained, these differ slightly depending on the approach used, but qualitatively represent the same set of solutions.

As metodologias para a síntese de processos, baseadas em otimização de superestruturas, mostram-se mais poderosas do que as baseadas no projeto em heuríticas, já que levam em consideração as inúmeras possibilidades de construção do processo. É pratica comum a utilização de modelos simplificados (como modelos de rendimento), na representação dos equipamentos dentro destas superestruturas, uma vez que a utilização de modelos fenomenológicos tornar-se-ia inviável, devido aos tempos computacionais e à dificuldade técnica de se programar os módulos e propriedades termodinâmicas de um simulador comercial, dentro de uma plataforma de otimização como o GAMS. Modelos com alta precisão, que não requerem grandes tempos computacionais, reduzidos ou de superfície de resposta, aproximam modelos fenomenológicos e podem ser introduzidos em problemas de síntese, obtendo soluções mais precisas. Neste trabalho, foram construídos modelos reduzidos para dois processos comumente encontrados em sistemas de tratamento de efluentes de refinarias de petróleo: uma torre de resfriamento e um stripper de vapor. Os dados utilizados para a correlação dos modelos reduzidos foram gerados, através da simulação de modelos semi-fenomenológicos ou fenomenológicos destes equipamentos. É proposta uma metodologia original para gerar modelos reduzidos, que diferentemente dos trabalhos anteriores em que se utilizam modelos reduzidos tipo caixa preta, emprega-se um modelo reduzido tipo caixa cinza para a representação da coluna de stripper, o que aumenta a capacidade de correlação do modelo ao conjunto de dados, resultando em menores erros de predição. Dois tipos clássicos de modelos reduzidos foram utilizados dentro dos modelos caixa-cinza: um modelo baseado em redes neurais e um modelo polinomial. Ambos mostraram-se capazes de representar o modelo fenomenológico com pequenos erros e permitindo resolver o problema de síntese em um tempo computacional razoável (da ordem de 10 segundos). Nota-se também que são obtidas várias soluções ótimas locais que diferem ligeiramente de acordo com a abordagem utilizada, mas que qualitativamente correspondem a um mesmo conjunto de soluções. / The superstructure optimization-based methodologies for process synthesis can be more powerful than the heuristic based methodologies, because they cope the many possibilities in order to design the process. It is common practice to use simplified models (efficiency-based models), in the representation of equipment in the superstructures, because the use of phenomenological models would be unfeasible due the high computational time and the technical difficulties in order to program module and thermodynamics properties packages of commercial simulators, into an optimization platform as GAMS. High accuracy models, which do not require large computational time, can be obtained using different types of surrogate or response surface, approximate phenomenological models of the system and can be introduced into the synthesis problems, leading to more precise solutions. In this work, surrogate models were built for two processes usually found in water treatment networks in petroleum refineries: a cooling tower and a steam stripper. The data sets used for fitting the surrogate model were generated by the semi-phenomenological or the first principles model of those equipment. An original methodology for generating surrogate model is proposed that differently of previous works (which make use of black box surrogate models) uses gray box models to represents de stripper column. This approach improves the correlation capacity of the surrogate model to the set data and reduces the prediction errors. Finally, two classic surrogate models were used inside the gray-box models: a neural network based model and a polynomial model. The results showed that both are able to represent the phenomenological model with small errors to solve the synthesis problem in a short computational time (which not exceed in a magnitude of 10 seconds). It is noticed also that many local solutions are obtained, these differ slightly depending on the approach used, but qualitatively represent the same set of solutions.

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No presente trabalho foram avaliados processos alternativos de dessalinização visando a recuperação e reuso da água contida em salmouras concentradas, sendo o processo de cristalização assistida por destilação por membranas (MDC) investigado com profundidade. Foi desenvolvido um modelo diferencial para o processo de destilação por membranas por contato direto (DCMD), contemplando métodos termodinâmicos rigorosos para sistemas aquosos de eletrólitos fortes, bem como mecanismos de transferência de calor e massa e efeitos de polarização de temperatura e concentração característicos deste processo de separação. Com base em simulações realizadas a partir do modelo matemático assim desenvolvido, foram investigados os principais parâmetros que influenciam o projeto de um módulo de membranas para DCMD. O modelo foi posteriormente estendido com equações de balanço de massa e energia adicionais para incluir a operação de cristalização e desta forma representar o processo de MDC. De posse dos resultados das simulações e do modelo estendido, foi desenvolvido um método hierárquico para o projeto de processos de MDC, com o objetivo de conferir características de rastreabilidade e repetibilidade a esta atividade. Ainda a partir do modelo MDC foram discutidos aspectos importantes em MDC como a possibilidade de nucleação e crescimento de cristais sobre a superfície das membranas, bem como o comportamento do processo com sais com diferentes características de solubilidade e largura da zona metaestável. Verificou-se que para sais cuja solubilidade varia muito pouco com a temperatura e que possuem zona metaestável com pequena largura, caso do NaCl, a operação com resfriamento no cristalizador não é viável pois aumenta excessivamente o consumo energético do processo, sendo nesses casos preferível a operação \"isotérmica\" - sem resfriamento no cristalizador - e o convívio com a possibilidade de nucleação no interior do módulo. No extremo oposto, observou-se que para sais com grande variabilidade da solubilidade com a temperatura, um pequeno resfriamento no cristalizador é suficiente para garantir condições de subsaturação no interior do módulo, sem grande ônus energético para o processo. No caso de sais com pequena variabilidade da solubilidade com a temperatura, mas com largura da zona metaestável elevada, existe certo ônus energético para a operação com resfriamento do cristalizador, porém não tão acentuado como no caso de sais com zona metaestável estreita. Foi proposto um fluxograma alternativo para o processo de MDC, onde foi introduzido um circuito de pré-concentração da alimentação antes do circuito de cristalização, para o caso de alimentação com soluções muito diluídas. Este esquema proporcionou um aumento do fluxo permeado global do processo e consequentemente uma redução na área total de membrana requerida. Verificou-se que através do processo com préconcentração da alimentação de 5% até 10% em massa - no caso de dessalinização de uma solução de NaCl - foi possível reduzir-se a área total da membrana em 27,1% e o consumo energético específico do processo em 10,6%, quando comparado ao processo sem pré-concentração. Foram desenvolvidas ferramentas úteis para o projeto de processos de dessalinização por MDC em escala industrial. / Alternative desalination processes aiming at the recovery and reuse of the water contained in concentrated brines were evaluated, being the membrane distillation crystallization (MDC) process investigated in depth. A differential model for the direct contact membrane distillation (DCMD) process was developed for that matter, comprising rigorous thermodynamic methods for strong electrolytes, heat and mass transfer mechanisms and temperature and concentration polarization effects. Based on simulations from the mathematical model thus developed, the main parameters that influence the design of DCMD membrane modules were investigated. The model was further extended with mass and energy balance equations in order to consider the crystallization unit operation and thus suitably represent the MDC process. Based on the simulations results and the extended model, a hierarchical method was developed for the MDC process design, adding traceability and repeatability characteristics to the design activity. Important aspects of the MDC process such as the possibility of nucleation and crystal growth on the membrane surface, as well as the behavior of the process with salts presenting different solubility characteristics and metastable zone widths were further discussed. It was observed that salts presenting negligible temperature dependence regarding their solubility and small metastable zone widths (i.e. NaCl) do not favor the operation with cooling in the crystallizer due to excessive increase in energy consumption, being the isothermal operation more indicated in such cases even at the risk of nucleation inside the membrane module. On the other hand, it was noticed that for salts whose solubility is highly temperature dependent a slight cooling in the crystallizer is enough to assure subsaturated conditions inside the membrane module with minimal energy consumption increase. In the case of salts with low temperature dependence regarding solubility but with large metastable zone widths, the operating strategy of applying cooling in the crystallizer may increase energy consumption but not as significantly as in the case of salts with small metastable zone widths. An alternative flowsheet for the MDC process was proposed, where a pre-concentration loop was introduced before the crystallization loop, showing good results for dilute feeds since it takes advantage of the higher water activity and consequently higher transmembrane fluxes due to the lower concentration. It was perceived a 27.1% reduction in the required membrane surface and a 10.6% energy consumption reduction for the modified flowsheet with the pre-concentration loop, for a feed comprised of 5% of NaCl. Useful tools aimed for the design of industrial scale processes based on MDC were developed.

No presente trabalho foram avaliados processos alternativos de dessalinização visando a recuperação e reuso da água contida em salmouras concentradas, sendo o processo de cristalização assistida por destilação por membranas (MDC) investigado com profundidade. Foi desenvolvido um modelo diferencial para o processo de destilação por membranas por contato direto (DCMD), contemplando métodos termodinâmicos rigorosos para sistemas aquosos de eletrólitos fortes, bem como mecanismos de transferência de calor e massa e efeitos de polarização de temperatura e concentração característicos deste processo de separação. Com base em simulações realizadas a partir do modelo matemático assim desenvolvido, foram investigados os principais parâmetros que influenciam o projeto de um módulo de membranas para DCMD. O modelo foi posteriormente estendido com equações de balanço de massa e energia adicionais para incluir a operação de cristalização e desta forma representar o processo de MDC. De posse dos resultados das simulações e do modelo estendido, foi desenvolvido um método hierárquico para o projeto de processos de MDC, com o objetivo de conferir características de rastreabilidade e repetibilidade a esta atividade. Ainda a partir do modelo MDC foram discutidos aspectos importantes em MDC como a possibilidade de nucleação e crescimento de cristais sobre a superfície das membranas, bem como o comportamento do processo com sais com diferentes características de solubilidade e largura da zona metaestável. Verificou-se que para sais cuja solubilidade varia muito pouco com a temperatura e que possuem zona metaestável com pequena largura, caso do NaCl, a operação com resfriamento no cristalizador não é viável pois aumenta excessivamente o consumo energético do processo, sendo nesses casos preferível a operação \"isotérmica\" - sem resfriamento no cristalizador - e o convívio com a possibilidade de nucleação no interior do módulo. No extremo oposto, observou-se que para sais com grande variabilidade da solubilidade com a temperatura, um pequeno resfriamento no cristalizador é suficiente para garantir condições de subsaturação no interior do módulo, sem grande ônus energético para o processo. No caso de sais com pequena variabilidade da solubilidade com a temperatura, mas com largura da zona metaestável elevada, existe certo ônus energético para a operação com resfriamento do cristalizador, porém não tão acentuado como no caso de sais com zona metaestável estreita. Foi proposto um fluxograma alternativo para o processo de MDC, onde foi introduzido um circuito de pré-concentração da alimentação antes do circuito de cristalização, para o caso de alimentação com soluções muito diluídas. Este esquema proporcionou um aumento do fluxo permeado global do processo e consequentemente uma redução na área total de membrana requerida. Verificou-se que através do processo com préconcentração da alimentação de 5% até 10% em massa - no caso de dessalinização de uma solução de NaCl - foi possível reduzir-se a área total da membrana em 27,1% e o consumo energético específico do processo em 10,6%, quando comparado ao processo sem pré-concentração. Foram desenvolvidas ferramentas úteis para o projeto de processos de dessalinização por MDC em escala industrial. / Alternative desalination processes aiming at the recovery and reuse of the water contained in concentrated brines were evaluated, being the membrane distillation crystallization (MDC) process investigated in depth. A differential model for the direct contact membrane distillation (DCMD) process was developed for that matter, comprising rigorous thermodynamic methods for strong electrolytes, heat and mass transfer mechanisms and temperature and concentration polarization effects. Based on simulations from the mathematical model thus developed, the main parameters that influence the design of DCMD membrane modules were investigated. The model was further extended with mass and energy balance equations in order to consider the crystallization unit operation and thus suitably represent the MDC process. Based on the simulations results and the extended model, a hierarchical method was developed for the MDC process design, adding traceability and repeatability characteristics to the design activity. Important aspects of the MDC process such as the possibility of nucleation and crystal growth on the membrane surface, as well as the behavior of the process with salts presenting different solubility characteristics and metastable zone widths were further discussed. It was observed that salts presenting negligible temperature dependence regarding their solubility and small metastable zone widths (i.e. NaCl) do not favor the operation with cooling in the crystallizer due to excessive increase in energy consumption, being the isothermal operation more indicated in such cases even at the risk of nucleation inside the membrane module. On the other hand, it was noticed that for salts whose solubility is highly temperature dependent a slight cooling in the crystallizer is enough to assure subsaturated conditions inside the membrane module with minimal energy consumption increase. In the case of salts with low temperature dependence regarding solubility but with large metastable zone widths, the operating strategy of applying cooling in the crystallizer may increase energy consumption but not as significantly as in the case of salts with small metastable zone widths. An alternative flowsheet for the MDC process was proposed, where a pre-concentration loop was introduced before the crystallization loop, showing good results for dilute feeds since it takes advantage of the higher water activity and consequently higher transmembrane fluxes due to the lower concentration. It was perceived a 27.1% reduction in the required membrane surface and a 10.6% energy consumption reduction for the modified flowsheet with the pre-concentration loop, for a feed comprised of 5% of NaCl. Useful tools aimed for the design of industrial scale processes based on MDC were developed.

Substâncias tóxicas como o fenol e outros compostos aromáticos dificultam o tratamento de efluentes via digestores biológicos. Estes compostos tóxicos em altas concentrações são nocivos aos lodos biológicos, podendo inviabilizar por completo o tratamento. Nas últimas décadas, os Processos Oxidativos Avançados (POAs), como os processos Fenton e foto- Fenton, surgiram como alternativa para o tratamento de compostos tóxicos. Os POAs degradam os compostos orgânicos pela geração de compostos oxidantes fortes, como o radical hidroxila, a partir de reagentes como peróxido de hidrogênio. Os processos Fenton e foto-Fenton fazem uso de ferro (II), um catalisador relativamente barato, para catalisar a decomposição do peróxido de hidrogênio, reação denominada como reação de Fenton. Em virtude dos complexos mecanismos presentes nos processos Fenton e foto-Fenton, torna-se necessária uma compreensão da cinética do processo, que envolve reações térmicas e fotoquímicas, por meio de sua modelagem matemática fenomenológica. A modelagem da degradação do fenol via processos Fenton e foto-Fenton proposta por este trabalho começa pela estequiometria dos dois processos, que descreve as reações químicas, térmicas e fotoquímicas existentes. A partir destas, é possível desenvolver o modelo cinético dos processos Fenton e foto-Fenton, no qual se determina a velocidade com que estas reações ocorrem. O passo seguinte é o da modelagem hidráulica (ou de escoamento) dos reatores de processo Fenton e foto-Fenton, sendo que para o segundo processo, o modelo deve levar em conta a propagação da radiação por dentro de reator. Foram realizados 3 experimentos de degradação de fenol via processo Fenton para análise das variações das concentrações de fenol, catecol e hidroquinona. Os dados experimentais são comparados com resultados simulados com intuito do ajuste das constantes cinéticas do modelo. Com as constantes ajustadas, são realizadas comparações entre os processos Fenton e foto-Fenton para análise de suas eficiências. A partir dos modelos matemáticos dos reatores de processos Fenton e foto-Fenton, é desenvolvido um modelo de otimização baseado em superestrutura de redes de reatores para a síntese de uma planta de tratamento de efluentes contaminados com fenol. Objetivou-se a redução dos custos de capital, operação e depreciação desta planta, sujeitos às restrições de projeto e ao modelo da superestrutura, resultando em modelos de programação não-linear inteira mista. Foram geradas soluções ótimas para o tratamento de efluentes contaminados com fenol em redes de um, dois e três reatores de POAs. / Toxic substances such as phenol and other aromatic compounds make the wastewater treatment by biological (aerobic or anaerobic) digestors more difficult. These toxic compounds in high concentrations are harmful for the biological sludge and they may render the treatment impractical. In recent decades, Advanced Oxidative Processes (AOPs) appeared as an alternative for the treatment of toxic compounds. AOPs degrade the organic compounds by generating strong oxidizing compounds, such as the hydroxyl radical, from reactants such as hydrogen peroxide. The Fenton and photo-Fenton processes make use of iron (II), a relatively inexpensive catalyst, to catalyze the hydrogen peroxide decomposition, reaction known as the Fenton reaction. Because of the complex nature of the mechanisms that take place in the Fenton and photo-Fenton processes, the understanding of the process kinetics, which involves thermal and photochemical reactions, becomes necessary through its first-principle mathematical modeling. The modeling of phenol degradation by the Fenton and photo-Fenton processes proposed in this work starts with the stoichiometry of the two processes that enumerates the existing thermal and photochemical reactions. Furthermore, it is possible to develop the Fenton and photo- Fenton kinetic model, which determines the reaction rates. The next step is to model the hydraulic (or flow) behavior of the Fenton and photo-Fenton process reactor, whereas the model for the latter must consider how the radiation propagates inside the reactor. Three experiments of the phenol degradation by the Fenton process were carried out to analyze the concentration variation for phenol, catechol and hydroquinone. The experimental data are compared with simulated results aiming the estimation of the kinetic constants of the model. Using the adjusted constants, the Fenton and photo-Fenton processes were compared to analyze their efficiencies. From the mathematical models of the Fenton and photo-Fenton process reactors, an optimization model based on reactor network superstructure is developed for the synthesis of a phenol contaminated wastewater treatment plant. The objective is to minimize the plant capital, operation and depreciation costs, subject to design constraints and to the superstructure model, thus resulting in mixed integer nonlinear programming models. Optimal solutions were generated for the phenol contaminated wastewater treatment in networks with one, two and three AOP reactors.

Substâncias tóxicas como o fenol e outros compostos aromáticos dificultam o tratamento de efluentes via digestores biológicos. Estes compostos tóxicos em altas concentrações são nocivos aos lodos biológicos, podendo inviabilizar por completo o tratamento. Nas últimas décadas, os Processos Oxidativos Avançados (POAs), como os processos Fenton e foto- Fenton, surgiram como alternativa para o tratamento de compostos tóxicos. Os POAs degradam os compostos orgânicos pela geração de compostos oxidantes fortes, como o radical hidroxila, a partir de reagentes como peróxido de hidrogênio. Os processos Fenton e foto-Fenton fazem uso de ferro (II), um catalisador relativamente barato, para catalisar a decomposição do peróxido de hidrogênio, reação denominada como reação de Fenton. Em virtude dos complexos mecanismos presentes nos processos Fenton e foto-Fenton, torna-se necessária uma compreensão da cinética do processo, que envolve reações térmicas e fotoquímicas, por meio de sua modelagem matemática fenomenológica. A modelagem da degradação do fenol via processos Fenton e foto-Fenton proposta por este trabalho começa pela estequiometria dos dois processos, que descreve as reações químicas, térmicas e fotoquímicas existentes. A partir destas, é possível desenvolver o modelo cinético dos processos Fenton e foto-Fenton, no qual se determina a velocidade com que estas reações ocorrem. O passo seguinte é o da modelagem hidráulica (ou de escoamento) dos reatores de processo Fenton e foto-Fenton, sendo que para o segundo processo, o modelo deve levar em conta a propagação da radiação por dentro de reator. Foram realizados 3 experimentos de degradação de fenol via processo Fenton para análise das variações das concentrações de fenol, catecol e hidroquinona. Os dados experimentais são comparados com resultados simulados com intuito do ajuste das constantes cinéticas do modelo. Com as constantes ajustadas, são realizadas comparações entre os processos Fenton e foto-Fenton para análise de suas eficiências. A partir dos modelos matemáticos dos reatores de processos Fenton e foto-Fenton, é desenvolvido um modelo de otimização baseado em superestrutura de redes de reatores para a síntese de uma planta de tratamento de efluentes contaminados com fenol. Objetivou-se a redução dos custos de capital, operação e depreciação desta planta, sujeitos às restrições de projeto e ao modelo da superestrutura, resultando em modelos de programação não-linear inteira mista. Foram geradas soluções ótimas para o tratamento de efluentes contaminados com fenol em redes de um, dois e três reatores de POAs. / Toxic substances such as phenol and other aromatic compounds make the wastewater treatment by biological (aerobic or anaerobic) digestors more difficult. These toxic compounds in high concentrations are harmful for the biological sludge and they may render the treatment impractical. In recent decades, Advanced Oxidative Processes (AOPs) appeared as an alternative for the treatment of toxic compounds. AOPs degrade the organic compounds by generating strong oxidizing compounds, such as the hydroxyl radical, from reactants such as hydrogen peroxide. The Fenton and photo-Fenton processes make use of iron (II), a relatively inexpensive catalyst, to catalyze the hydrogen peroxide decomposition, reaction known as the Fenton reaction. Because of the complex nature of the mechanisms that take place in the Fenton and photo-Fenton processes, the understanding of the process kinetics, which involves thermal and photochemical reactions, becomes necessary through its first-principle mathematical modeling. The modeling of phenol degradation by the Fenton and photo-Fenton processes proposed in this work starts with the stoichiometry of the two processes that enumerates the existing thermal and photochemical reactions. Furthermore, it is possible to develop the Fenton and photo- Fenton kinetic model, which determines the reaction rates. The next step is to model the hydraulic (or flow) behavior of the Fenton and photo-Fenton process reactor, whereas the model for the latter must consider how the radiation propagates inside the reactor. Three experiments of the phenol degradation by the Fenton process were carried out to analyze the concentration variation for phenol, catechol and hydroquinone. The experimental data are compared with simulated results aiming the estimation of the kinetic constants of the model. Using the adjusted constants, the Fenton and photo-Fenton processes were compared to analyze their efficiencies. From the mathematical models of the Fenton and photo-Fenton process reactors, an optimization model based on reactor network superstructure is developed for the synthesis of a phenol contaminated wastewater treatment plant. The objective is to minimize the plant capital, operation and depreciation costs, subject to design constraints and to the superstructure model, thus resulting in mixed integer nonlinear programming models. Optimal solutions were generated for the phenol contaminated wastewater treatment in networks with one, two and three AOP reactors.

Le couplage fonctionnel des opérations de séparation et de réaction ainsi que les bio-procédés sont deux axes de recherche largement explorés. Cependant, l’industrie du génie des procédés a du mal à se tourner vers des technologies de ce type car il demeure un réel manque de connaissances et d’outils de conception pour ce genre de procédés. Une méthodologie de conception générale pour l'extraction liquide-liquide réactive est introduite dans cette étude. Elle est composée de trois étapes différentes: l'analyse de faisabilité, la synthèse ou dimensionnement du procédé et la validation par simulation. Cette méthodologie conduit à des paramètres structuraux et opératoires de la colonne étudiée à partir seulement des informations concernant le comportement physico-chimique du système étudié, en exploitant les équations d’équilibre chimique et entre phase ainsi que les bilans matières. Les résultats de cette méthode sont un bon point de départ pour une étude d'optimisation ou d'un processus de calcul d'investissement. Cette méthodologie a été appliquée à différentes études de cas: regroupant deux stratégies différentes d'extraction avec plusieurs solvants pour récupérer l'acide succinique dans un milieu de fermentation / The functional coupling of separation and reaction operations and bioprocesses are two widely explored areas of research. However, process engineering industry is struggling to turn to these technologies because it remains a real lack of knowledge and design tools for this kind of processes. A general design methodology for reactive liquid-liquid extraction is introduced in this study. It is composed of three different steps: feasibility analysis, pre-design determination and simulation validation. This methodology leads to the design specifications of the units from the information concerning the physicochemical behaviour of the studied system, exploiting the equilibrium and material balance equations. The results of this methodology are a good starting point for an optimization study or for an investment calculation process. This methodology has been applied to different case studies: two different strategies of extraction and several solvents to recover succinic acid in fermentation broth.

The indiscriminate emission of CO2 is drastically aggravating climate change. Carbon Capture and Utilization (CCU) was born as a complementary solution to this issue. This thesis studies the consumption of carbon dioxide in industrial processes, starting from synthesis gas, and using this building block in subsequent syntheses; ultimately integrating CO2 utilization with previously non-CO2 consuming processes.