A primeira parte desta Tese incluiu a funcionalização em solução de polietileno linear de média densidade (LMDPE) com alil glicidil éter (AGE), na presença de peróxido de benzoíla (BPO) como iniciador de reações radicalares. A caracterização foi feita por espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e o grau de funcionalização (GF) foi estimado por meio de duas curvas de calibração. Foi observado efeito do tipo de solvente sobre o GF. A segunda parte consistiu na funcionalização superficial por radiação ultravioleta (UV). Como monômeros foram usados AGE, anidrido maléico (MAH) e anidrido tetraidroftálico (THFAH). Como iniciadores, BPO e benzofenona (BP). A caracterização das superfícies foi realizada por medidas de ângulo de contato. THFAH apresentou a melhor performance. A terceira tratou da funcionalização por processamento reativo do LMDPE com AGE, na presença de BPO. A caracterização se deu por FTIR e o GF foi estimado conforme descrito acima. A funcionalização foi confirmada (indiretamente) por calorimetria diferencial exploratória, que evidenciou a diminuição do grau de cristalinidade com a funcionalização. Não foi possível confirmar a funcionalização por meio de análise elementar, termogravimetria e difração de raios X. A fragmentação das cadeias do LMDPE funcionalizado do ensaio 13 (e 13A) foi evidenciada por decréscimo no torque e nas propriedades mecânicas. Contudo, o índice de fluidez, surpreendentemente, diminuiu. Os valores relativamente superiores de resistência à tração e módulo de Young dos compósitos e blendas obtidos com LMDPE funcionalizado, contra os obtidos com LMDPE virgem, evidenciaram a interação favorável entre os grupos epóxidos inseridos nas cadeias do LMDPE e os grupos hidroxilas presentes no polissacarídeo. O aumento da adesão entre a matriz polimérica e as fibras de celulose foi confirmado por microscopia eletrônica de varredura e, qualitativamente, por quantidades relativamente maiores de resíduos remanescentes após extração em xileno sob refluxo. / The first part of this work included the functionalization in solution of linear medium density polyethylene (LMDPE) with allyl glycidyl ether (AGE), in the presence of benzoyl peroxide (BPO) as free radical reaction initiator. The characterization was made by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and the degree of functionalization was estimated by means of two calibration curves. The type of solvent influenced the DF. The second part comprised the surface functionalization by ultraviolet (UV) radiation. AGE, maleic anhydride (MAH) and tetrahydrophthalic anhydride (THFAH) were used as monomers and BPO and benzophenone (BP) as initiators. Contact angle measurements were used to characterize the surfaces. THFAH showed the best performance. The third part dealt with the functionalization by reactive processing of LMDPE with AGE, in the presence of BPO. FTIR was used to characterize the samples and the degree of functionalization was estimated as described above. The functionalization was (indirectly) confirmed by differential scanning calorimetry. The degree of crystallinity decreased with the functionalization. The functionalization couldn?t be confirmed by elemental analysis, thermogravimetry and X-ray diffraction. The chain scissions of the chemical modified LMDPE of trial 13 (and 13A) were evidenced by reduction of torque and mechanical properties. However, the melt flow index diminished. The favorable interaction between epoxide groups inserted on LMDPE chains and hydroxyl groups present in polysaccharide caused the increase in tensile strength and Young?s modulus values for composites and blends in relation to those obtained with virgin LMDPE. The increase in adhesion between the polymeric matrix and cellulose fibers was also confirmed by scanning electron microscopy and, qualitatively, by relatively large amounts of remaining residues after extraction in refluxing xylene.

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No. of bitstreams: 1 DissCP.pdf: 3881043 bytes, checksum: 0d91cb854f8bf16d1bcbdd2e83f37338 (MD5) Previous issue date: 2012-04-25 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Soybean and its derivatives have the desired properties for food either for humans or various animals because of its high protein content, which is associated to a good balance of amino acids. However, when the protein is hydrolyzed into smaller peptides, the nutritional value can increase further. A product with high nutritional value added but which does not present economic viability is not interesting for the industry. To analyze such viability, there are softwares that simulate and analyze a process plant. Thus, this study is two-fold: the mathematical modeling of the hydrolysis process and a preliminary analysis of economic viability. Concerning the modeling, two models were fitted: one that relates time with the degree of enzymatic hydrolysis of proteins of concentrated soybean meal and another that relates the degree of hydrolysis with the molecular weight distribution of the pseudocomponents. The analysis of economic viability was conducted using software SuperPro Designer. For this purpose, a degree of hydrolysis and its molecular weight distribution was chosen, and then, an industrial plant was modeled and simulated in a preliminary project level. For the kinetic model, hydrolysis was conducted in laboratorial scale, using a pHstat and an enzyme called Novo-Pro D. The product was analyzed by liquid chromatography. The data were analyzed and the ones obtained in the best conditions were used to fit the model. The best conditions were 55oC, pH 9, 90% humidity, 0,5% m(enz/sub). The kinetic fitting was well described by the Michaelis-Menten with competitive inhibition and neural network described with high fidelity the relation between the concentration of the pseudocomponents and the degree of hydrolysis. Regarding the analysis of the preliminary project of an industrial plant for the production of hydrolyzed protein of concentrated soybean meal, the plant was economic viable, but the project is in a very preliminary stage, due to a lot of unknown data so they were estimated increasing the uncertainty of results. / A soja e seus derivados possuem propriedades desejadas à alimentação tanto de humanos quanto de vários animais devido a seu alto teor protéico, o que está associado a um bom equilíbrio de aminoácidos. Porém, quando a proteína é hidrolisada em peptídeos menores, seu valor nutricional pode aumentar ainda mais. Um produto com grande valor nutricional agregado, mas que não é viável economicamente, não é interessante para a indústria. Para analisar tal viabilidade, existem softwares que simulam e analisam economicamente a planta de um processo. Assim, este trabalho teve como objetivo, primeiramente, desenvolver dois modelos: um que relacionasse o tempo com o grau de hidrólise obtido na reação de hidrólise enzimática das proteínas do farelo de soja concentrado pela enzima Novo-Pro D e outro que relacionasse esse grau de hidrólise com seu perfil peptídico gerado. Posteriormente, escolhido um grau de hidrólise e seu perfil peptídico, modelar e simular, nessas condições, uma possível planta industrial, na fase de projeto preliminar, para a hidrólise das proteínas do farelo de soja concentrado. Por fim, a viabilidade econômica dessa planta foi analisada, utilizando-se para isto o software SuperPro Designer. Para o ajuste dos modelos matemáticos, foram feitos testes em escala laboratorial, utilizando um pHstato, equipamento que faz medidas do grau de hidrólise e um cromatógrafo líquido, para a análise do perfil peptídico formado após a hidrólise. Os dados obtidos pelos experimentos foram analisados e as condições de hidrólise que apresentaram melhores benefícios foram utilizadas para se fazer o ajuste dos modelos. Os resultados obtidos, em relação às melhores condições, foram 90% umidade, temperatura de 55 oC, pH 9 e relação enzima/substrato de 0,5% (m/m). O ajuste cinético foi muito bem descrito pelo modelo de Michaelis-Menten com inibição competitiva, assim como a rede neural descreveu de maneira satisfatória a relação entre a concentração dos pseudocomponentes em um dado grau de hidrólise. Em relação à análise do projeto preliminar de uma planta para a produção de hidrolisados protéicos de farelo de soja concentrado, a planta se mostrou viável economicamente, mas o resultado guarda muitas incertezas, devido ao projeto se encontrar em uma fase muito preliminar e devido à falta de muitos dados de processo, que foram estimados.

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / The industry's need to improve aspects of production such as quality and eciency meant that techniques and devices for more ecient control were adopted in view of the dierences that occur in systems. most systems are not only characterized by the continuous dynamics usually applied to describe this behavior but an association with this dynamic elements with discrete characteristics (logical). For this systems relates to the expression hybrid systems whose dynamics processes characterize the behavior continuous real-time system associated with a discrete event. The control of hybrid systems requires answers in accordance with the presence of discrete event and continuous interacting that makes control strategies increasingly sophisticated are developed. In this work, was adopted the hybrid MLD formalism (Mixed Logical Dynamical ) for the representation of hybrid systems using dynamic logical propositions that express such a system in the form of linear constraints of binary variables interacting with the continuous behavior of dierential equations. In this context, the predictive controller based on an optimal model developed from the selected formalism is suggested as an option for the control of hybrid systems. In this work, the qualitative modeling of discrete systems using the MLD formalism is presented for which it is developed to check these systems to evaluate the hybrid modeling. These techniques were applied to simple problems in chemical engineering as systems of three tanks connected in series and a CSTR reactor with heating. In each of the systems were made simulations coupled to qualitative models in various scenarios and compared to the continuous model of dierential equations and their discretized version. The action of the MPC controller for hybrid systems was studied also, developing it from the MLD model and presenting several simulation scenarios to investigate the eects of control over the system. Such control is developed to the l1 and l2 norms, enabling a comparison between the two control options and the comparison between these controllers with classics like PI. The results for the model in the MLD formalism are satisfactory and consistent with the real behavior of the system. The control problems developed show intervention MPC controller more ecient than the classical PI controller associated with the control on/o mainly by the choice of variables to be manipulated. The comparison between controllers l1-MPC and l2-MPC gives results that indicate similar control actions for each of these controllers depending on the location of the optimal point found in solving the optimization model for the controlled system. / A necessidade da indústria de aprimorar aspectos da produção como qualidade e eficiência fizeram com que técnicas e dispositivos de controle mais eficientes fossem adotados atendendo às diversidades que ocorrem nos sistemas. Porém, a maioria dos sistemas não caracteriza-se apenas pela dinâmica contínua geralmente aplicada a descrição de seu comportamento mas por uma associação desta dinâmica com elementos com características discretas (lógicas). A este tipo de sistemas relaciona-se a expressão sistemas híbridos que caracteriza processos cuja dinâmica associa o comportamento contínuo em tempo real de um sistema com eventos discretos. O controle de sistemas híbridos exige respostas condizentes com a presença de eventos discretos e contínuos interagindo entre si, o que faz com que estratégias de controle cada vez mais sofisticadas sejam desenvolvidas. Neste trabalho, adotou-se o formalismo híbrido MLD Mixed Logical Dynamical para a representação de sistemas híbridos dinâmicos utilizando proposições lógicas que expressam tal sistema sob a forma de restrições lineares de variáveis binárias interagindo com o comportamento contínuo de equações diferenciais. Neste contexto, o controlador preditivo baseado em um modelo desenvolvido a partir do formalismo selecionado é sugerido como uma opção para o controle de sistemas híbridos. Nesta dissertação, a modelagem qualitativa dos sistemas discretos utilizando o formalismo MLD é apresentada para a qual desenvolve-se a verificação para tais sistemas com o objetivo de avaliar a modelagem híbrida. Essas técnicas foram aplicadas em problemas da Engenharia Química como sistemas de três tanques conectados em série e um reator CSTR com aquecimento. Em cada um dos processos estudados foram feitas as simulações acopladas aos modelos qualitativos em diversos cenários e comparados ao modelo contínuo de equações diferenciais e sua versão discretizada. Estudou-se ainda a ação do controlador MPC para sistemas híbridos, desenvolvendo-o a partir do modelo MLD e apresentando diversos cenários de simulação para investigação dos efeitos do controle sobre o sistema. Tal controle é desenvolvido para as normas l 1 e l 2, possibilitando uma comparação entre as duas opções de controle além da comparação entre estes com controladores clássicos como o PI. Os resultados para o modelo no formalismo MLD são satisfatórios e condizem com o comportamento real do sistema. Os problemas de controle desenvolvidos apresentam a intervenção do controlador MPC mais eficiente que o controlador clássico PI associado ao controle liga/desliga principalmente pela possibilidade de escolha das variáveis a ser manipulada. A comparação com entre os controladores l 1-MPC e l 2- MPC permite resultados que indicam ações de controle semelhantes para cada um destes controladores em função da localização do ponto ótimo encontrado na resolução do modelo de otimização para o sistema de controlados / Mestre em Engenharia Química

A modelagem e simulação de reatores trifásicos representa um grande desafio para simuladores de processo. Muitos estudos acadêmicos têm sido desenvolvidos com o objetivo de descrever e prever o comportamento desses equipamentos, quer seja em seu estado estacionário, quer seja as respostas dinâmicas. Várias são as abordagens aplicadas para tentar melhor refletir os fenômenos envolvidos nos reatores trifásicos, ponderando sempre o custo computacional de cada abordagem. Neste trabalho, um reator de hidrogenação seletiva de nafta de pirólise foi simulado baseado em dados publicados na literatura. O reator é do tipo leito gotejante (trifásico), e as reações consideradas são de pseudo-primeira ordem. A técnica aplicada foi a de modelagem matemática por células, onde os leitos catalíticos foram subdivididos em reatores tipo CSTR dinâmicos associados em série. A cada célula, um cálculo de flash foi associado, aperfeiçoando os balanços de massa e energia comumente empregados em reatores de leito gotejante. A abordagem termodinâmica utilizada para prever o equilíbrio líquido-vapor foi a i - i, com a equação de estado SRK associada a parâmetros de interação binária específicos para a solubilidade de hidrogênio em gasolina de pirólise. Os parâmetros de interação binária são provenientes do pacote termodinâmico do simulador iiSE. O modelo do reator foi implementado no software EMSO (Environment for Modeling, Simulation and Optimization) consistindo em cerca de 9000 equações e variáveis. Os resultados obtidos com o modelo contruído foram similares aos reportados na literatura. A aplicação de modelagem por células mostrou-se não só aplicável mas também mais robusta do que as abordagens tradicionais que utilizam equações diferenciais ordinárias. A utilização da ferramenta EMSO para a modelagem por células mostrou-se ainda mais vantajosa ao permitir a avaliação do comportamento dinâmico do reator em algumas situações hipotéticas, mas que são bem comuns na indústria. / Modeling and simulation of three-phase reactors is a challenge for process simulators. Many academic studies have been developed in order to describe and predict the behavior of these equipments for both steady states or dynamic responses. There are several approaches applied trying to reflect better the phenomena involved in three-phase reactors, always considering the computational cost of each approach. In this work a selective hydrogenation reactor for pyrolysis naphtha was simulated based on published literature data.The reactor is trickle bed type and the reactions are considered pseudofirst order. The technique used is cell-network modeling, where the catalyst beds were subdivided into dynamics CSTR reactors linked in series. To each cell there is a calculation Flash associated, enhancing mass and energy balances commonly applied in TBR. The thermodynamic approach used to predict the vapor-liquid equilibrium was i- i with SRK equation of state, associated to specific binary interaction parameters for the solubility of hydrogen in pygas from the thermodynamic simulator package iiSE. The binary interaction parameters come from the thermodynamic package of IISE simulator. The reactor model was implemented in software EMSO (Environment for Modeling, Simulation and Optimization) and consists of 9,000 equations and variables approximately. The results obtained with the model constructed here were similar to those reported in the literature. The use of cell-network modeling proved to be not only applicable but also more robust than the traditional approaches that use ordinary differential equations. The use of EMSO tool for cell-network modeling proved to be even more advantageous because allows the evaluation of some dynamic behavior of the reactor for hypothetical situations but quite common in the industry.

Modelos de atividade baseados em COSMO se apresentam como uma interessante alternativa para a predição do comportamento de substâncias em mistura. Estes modelos dependem apenas de informações das substâncias puras, como volume e área superficial e outra informação conhecida como perfil sigma, que podem ser determinados através de cálculos de química quântica computacional. O presente trabalho tem por objetivo criar e disponibilizar gratuitamente um banco de dados de perfis sigma para um vasto conjunto de moléculas utilizando o software GAMESS. Para a criação desse banco de dados com informações confiáveis de perfis sigma, foram testados diferentes níveis de teoria para o cálculo da estrutura eletrônica das moléculas, bem como conjuntos de bases distintos, considerando funções de polarização e efeitos difusos. Para realizar a validação dos perfis sigma obtidos, foram estimados valores de coeficientes de atividade em diluição infinita, obtidos através do modelo COSMO-SAC para um conjunto de 689 misturas, as quais não apresentam ligação de hidrogênio. A correlação com os valores de coeficiente de atividade em diluição infinita (IDAC) experimentais, foram construídos gráficos do logaritmo natural de IDAC experimentais e aqueles calculados pelo modelo. O tempo computacional total para obter os perfis sigma também foi avaliado com o intuito de escolher a melhor combinação de teoria e função de base. Dentre os métodos analisados, a teoria de Hartree-Fock (HF) com a função de base 6-311G(d,p) apresentou um bom custo benefício no que se refere ao tempo computacional e a precisão dos resultados frente a dados experimentais, apresentando um coeficiente de determinação superior a 0,94. A partir desses resultados, foi possível criar outros perfis sigma para um número maior de moléculas e disponibilizar essas informações em um banco de dados criado na plataforma do GitHub. / COSMO-based activity coefficient models are widely used to predict non-ideality in mixtures. They require only pure substance properties, such as the -profile, a representation of the screening charge density along the molecular surface. The present work aims to create and freely distribute a -profile database which can be easily extended by the community using the free GAMESS quantum chemistry (QC) package. Different combinations of QC methods and basis sets were tested in the calculation of the -profiles, aiming to define an efficient approach to create the database. The accuracy of COSMO-SAC predictions using these -profiles was evaluated by comparison with experimental infinite dilution activity coefficients and phase equilibrium diagrams. Among the studied alternatives, the Hartree-Fock method with the 6-311G(d,p) basis set led to results with a good balance between accuracy and computational cost. Our database was created using this approach, and it is already available to be used and extended by the community without requiring any commercial software.

O polietileno de baixa densidade (PEBD) é uma resina termoplástica fabricada através de processos a altas pressões, com reatores do tipo autoclave ou tubular. O cenário atual é de crescente demanda por PEBD produzido a custos competitivos, através de plantas de alto desempenho e capacidade, de modo que o desenvolvimento de processo e produto torna-se um fator chave para as empresas produtoras, sendo os simuladores de processo ferramentas de grande importância para esta finalidade. O objetivo desta dissertação é a implementação de um modelo matemático que represente reatores autoclave de produção de PEBD e a avaliação de sua capacidade preditiva através da comparação dos seus resultados numéricos com dados de literatura e dados de uma planta industrial. O modelo desenvolvido deverá ser capaz de descrever o comportamento do reator, através de seu perfil de temperatura, vazões de iniciador e conversão, e de algumas das principais propriedades do polímero produzido, através de suas massas molares médias. A modelagem dos reatores é composta de compartimentos genéricos de tanque agitado, implementada no simulador dinâmico de processos EMSO, utilizando cinética de literatura. Os balanços de massa e energia foram resolvidos simultaneamente para a obtenção de condições de operação factíveis, sendo necessário o uso de controladores para manter o ponto de operação no estado estacionário desejado. As propriedades são obtidas através da utilização do método dos momentos. É considerada no modelo a possibilidade de formação de duas fases. Parâmetros do modelo cinético e de mistura são ajustados para os dados de planta através de uma rotina de estimação, considerando duas resinas com características de processo e produto distintas. As predições do modelo para perfil de temperatura, vazões de iniciador, conversão e massas molares médias mostraram boa concordância com os dados de literatura e com os dados de planta industrial, para as duas resinas consideradas. / The low density polyethylene (LDPE) is a thermoplastic resin manufactured by high pressure processes, with autoclave or tubular type reactors. The present scenario is of growing demand for LDPE produced at competitive costs, through high performance and capacity plants, so that the process and product development becomes a key factor for the producers, and process simulators are high importance tools for this purpose. The objective of this dissertation is the implementation of a mathematical model which represents autoclave reactors for LDPE production and the evaluation of its predictive capacity through the comparison between their numerical results with literature data and with an industrial plant data. The model developed should be able to describe the reactor behavior, through its temperature profile, initiator flows and conversion, and the behavior of some of the main properties of the produced polymer, through their average molecular weights. The reactors modeling is composed of stirred tank generic compartments, implemented in the process dynamic simulator EMSO, using literature kinetics. The mass and energy balances were solved simultaneously in order to obtain feasible operating conditions, which requires the use of controllers to maintain the operating point at the desired steady state. The properties are obtained through the use of the method of moments. It is considered in the model the possibility of formation of two phases. Kinetics and mixture model parameters are fitted to the plant data through an estimation routine, considering two grades with distinct process and product characteristics. The model predictions for temperature profile, initiator flows, conversion and average molecular weights presented good agreement with the literature data and with the industrial plant data, for the two considered grades.

Na área de simulação de processos, existe uma visível tendência da migração das ferramentas seqüenciais modulares, que hoje são as mais amplamente utilizadas, para as baseadas em equações. Uma das principais vantagens do paradigma baseado em equações ou simultâneo é que este se mostra eficiente na solução de problemas de simulação, otimização, estimação de parâmetros e reconciliação de dados, todos baseados em um mesmo conjunto de modelos, evitando retrabalho de modelagem. Porém, a tecnologia simultânea também apresenta algumas deficiências, onde destacam-se os problemas de robustez tanto na modelagem quanto na obtenção de resultados numéricos. Este trabalho tem como objetivo reunir e desenvolver técnicas que permitam reduzir estas deficiências. Para tanto, as técnicas conhecidas para depuração de sistemas de equações que representam problemas estacionários e dinâmicos foram estudadas em detalhe. Pôde-se observar que para o caso estático os métodos disponíveis para depuração de modelos, já se apresentam em um nível bem desenvolvido. Já para o caso dinâmico, onde há uma maior complexidade, as técnicas conhecidas encontram-se em um nível de desenvolvimento muito menor. Neste ponto encontram-se as principais contribuições deste trabalho. / In the field of process simulation the movement from the sequential modular tools, which are currently the most widely used, to the equation based approach is clear. One of the key advantages of the equation based or simulatneous approach is that using a single model one can solve simulation, optimization, parameter estimation, and optimization problems. This fact avoids modeling rework for each application. However, the simultaneous technology has problems regarding modeling and solving robustness. This work aims to group and develop methods capable of minimize these deficiencies. In order to achieve this goal, available debugging approaches for both steady-state and dynamic system of equations were studied in detail. For the steady-state case well stablished debugging techniques are known. For dynamic models, where the complexity is higher, the analysis and debugging methods are much less mature. This was the source for the major contributions of this work.

O aumento do custo e da demanda de energia, juntamente com a escassez de recursos não renováveis e o crescente apelo para a sustentabilidade dos processos, incentiva o desenvolvimento de equipamentos e sistemas mais eficientes mediante a otimização e o controle dos recursos energéticos disponíveis. A proposta deste trabalho consiste em estabelecer uma abordagem termodinâmica para o controle e a otimização de processos visando o aumento da eficiência na operação dos mesmos. Para tanto, foi desenvolvido um problema de controle ótimo formulado com base no critério de eficiência termodinâmica de acordo com a 2ª Lei, com o objetivo de otimizar a transição entre estados com respeito a taxa de geração de entropia do sistema, mantendo as variáveis controladas como restrições de desigualdade dependentes do tempo. A estratégia proposta, chamada COBET (controle baseado na eficiência termodinâmica), foi aplicada a uma coluna de destilação binária para controlar a pureza do destilado e do produto de fundo, manipulando a razão de refluxo e a taxa de transferência de calor do refervedor. O COBET apresentou ajuste simples, tempo computacional razoável e desempenho de controle aceitável, quando comparado com controladores convencionais. Foi proposta uma estratégia alternativa, de modo a aprimorar o COBET, chamada R-COBET, que consiste no uso de restrições adicionais que garantem que as variáveis de controle permaneçam entre o estado inicial e final. O R-COBET obteve um desempenho aceitável, menor integral do erro quadrático das variáveis de controle e maior lucro, quando comparado ao COBET. A fim de demonstrar a aplicabilidade da metodologia proposta a outras funções objetivo, uma função empírica de eficiência baseada na 1ª Lei da Termodinâmica foi determinada e utilizada no problema de controle ótimo, sujeito às mesmas restrições consideradas no controlador R-COBET. Também se aplicou a metodologia proposta a um reator CSTR com o intuito de controlar a temperatura e a concentração do produto, considerando-se o controlador na forma R-COBET, e obteve-se um desempenho similar ao do estudo da coluna de destilação. Com estas análises, concluiu-se que a metodologia proposta pode ser aplicada com sucesso a problemas de controle ótimo com estados final e inicial definidos. / The increasing demand of energy and its rising costs, in addition to the non-renewable resources depletion and to the growing interest in the sustainability in industrial processes, stimulate the development of equipment and systems that are more efficient through the control and optimization of available energy resources. The purpose of this work is to establish a thermodynamic approach to process control and optimization, in order to improve operational efficiency. To this end, it is developed in this work an optimal control problem formulated on the basis of a thermodynamic efficiency criterion, as dictated by the 2nd Law. The principle is to optimize the transition between states with respect to thermodynamic efficiency – regarded as the square of entropy generation rate – while maintaining the controlled variables as time dependent inequality constraints. The proposed strategy, called here TEBC (Thermodynamic Efficiency Based Control) was applied to a binary distillation column in order to control distillate and bottom product purities within specifications while manipulating the reflux ratio and reboiler heat transfer rate. When compared to other controllers, TEBC presented practical tuning, reasonable computational time and acceptable control performance. An alternative strategy was also proposed in order to improve TEBC, called R-TEBC, which considers additional constraints to ensure that control variables remain between the initial and final states. The R-TEBC achieved acceptable performance, smaller integral squared error in the control variables and larger profit, when compared to TEBC. In order to demonstrate the applicability of the proposed methodology to other objective functions, an empirical efficiency function was proposed for the distillation column example and used in the optimal control problem, in the form of a R-TEBC controller. Moreover, an exothermic CSTR reactor with product concentration and reactor temperature as controlled variables was also studied, using additional constraints (R-TEBC), and the results was similar to those obtained in the distillation column. With this analysis, it was concluded that the proposed methodology can be applied to optimal control problems of this kind with fixed initial and final states.

Atualmente, pelo menos para fins de engenharia, os modelos preditivos de maior sucesso para coeficientes de atividade são os baseados em grupos funcionais, tais como UNIFAC e suas variantes. Enquanto esses modelos requerem grandes quantidades de dados experimentais, os baseados em COSMO-RS (COnductor-like Screening MOdel - for Real Solvents) requerem a calibração de um pequeno conjunto de parâmetros universais. No entanto, a precisão requerida por tarefas de engenharia, tais como a otimização de sistemas de separação, é maior do que a obtida por esta última categoria de modelos. Assim, um novo modelo é proposto neste trabalho, aqui chamado de F-SAC (Functional-Segment Activity Coefficient). Este novo modelo também é baseado no conceito de grupos funcionais, mas a energia de interação entre os grupos vem da teoria COSMO-RS. No presente trabalho, foram consideradas apenas misturas em que não há formação de ligação de hidrogênio ou quando esta pôde ser assumida negligenciável. Assim, foram necessários apenas três parâmetros para descrever cada grupo funcional. A princípio, uma vez ajustados os parâmetros de cada grupo, estes funcionariam para descrever a interação para qualquer par de grupos. Esta é a principal vantagem do modelo proposto. O número de parâmetros do modelo cresce proporcionalmente ao número de grupos funcionais, enquanto que no UNIFAC o número de parâmetros de interação cresce proporcionalmente ao quadrado do número de grupos. Para o banco de dados experimentais de coeficientes de atividade em diluição infinita considerado, a correlação do F-SAC apresentou um erro médio absoluto de 0,07 unidades de ln, enquanto que os modelos UNIFAC (Do) e COSMO-SAC apresentaram, respectivamente, erros de 0,12 e 0,21. O F-SAC foi também avaliado para mais de 1000 misturas binárias de um soluto dissolvido em líquido iônico com dados disponíveis na literatura. O modelo apresentou uma boa correlação aos dados experimentais, com erro médio absoluto de 0,17 unidades de ln, similar ao apresentado pelas misturas orgânicas. O poder de predição do novo modelo foi avaliado utilizando dados de equilíbrio líquido-vapor não considerados no procedimento de ajuste do modelo. Uma ótima concordância com os dados experimentais foi possível em toda a faixa de composição, bem como na predição de azeótropos. Esses resultados demonstram o potencial do modelo proposto. / At present, at least for engineering purposes, the most successful predictive models for activity coefficients are those based on functional groups, such as UNIFAC and its variants. While these models require large amounts of experimental data, the ones based on COSMO-RS require the calibration of a small set of universal parameters. However, the resolution required by engineering tasks, such as the optimization of separation systems, is higher than that obtained by COSMO-RS models. Thus, in this work a novel Functional-Segment Activity Coefficient (F-SAC) model is proposed. This new model is also based on the concept of functional groups, but the interaction energy between groups comes from the COSMO-RS theory. In this study, we considered only mixtures where there is no formation of hydrogen bonds or when they could be assumed negligible. Then, only three parameters were required to describe each functional group. In principle, once the parameters for each functional group are properly calibrated, they should work to describe the interactions with any other group. This is the main advantage of the proposed model, the number of model parameters grows linearly with the number of functional groups, whereas in UNIFAC the number of interaction parameters exhibit quadratic growth with respect to the number of groups. For the experimental database of infinite dilution activity coefficients considered, the correlation of F-SAC have shown a mean absolute error of 0.07 ln-unit. The UNIFAC (Do) and COSMO-SAC models presented errors of 0.12 and 0.21, respectively. F-SAC was also evaluated for more than 1000 binary mixtures of solute in ionic liquid with data available in the literature. Again, the model have shown good correlation to the experimental data, with mean absolute error of 0.17 ln-unit, similar to the performance with the organic mixtures. The predictive strength of the model was assessed by using vaporliquid equilibrium data not considered in the model fitting process. Very good agreement with experimental data was possible over the entire composition range, as well as in the prediction of azeotropes. These results demonstrate the potential of the proposed method.

Neste trabalho, o modelo F-SAC (Functional-Segment Activity Coefficient) foi revisado e estendido de modo a representar, simultaneamente, coeficiente de atividade à diluição infinita (IDAC), equilíbrio líquido-líquido (LLE) e equilíbrio líquido-vapor (VLE), em amplos intervalos de temperatura. Originalmente, o modelo F-SAC foi calibrado essencialmente com dados experimentais de IDAC para diversas misturas. Investigouse, portanto, a possibilidade de o modelo levar também em consideração sistemas que apresentem LLE. Para a presente investigação, dois conjuntos de misturas industrialmente interessantes foram selecionados: hidrocarbonetos (alcanos, cicloalcanos, alcenos, cicloalcenos e compostos aromáticos) + n-formilmorfolina (NFM) e hidrocarbonetos + água. Foram propostas duas modificações na equação que calcula a energia de interação entre os grupos: (i) inspirado pelo comportamento típico observado na expansão isobárica de líquidos, um novo parâmetro foi proposto de modo a diminuir o (pequeno) erro sistemático do modelo com a temperatura no termo sem associação; (ii) em misturas associativas, utilizou-se uma equação similar para representar a dependência da energia de ligação de hidrogênio entre dois segmentos com a temperatura. Na estimação de parâmetros do modelo foram utilizados 1130 pontos experimentais de LLE, para 105 sistemas binários e 16 ternários, juntamente com um 815 dados experimentais de IDAC, resultando numa nova tabela de parâmetros. Ao total, foram estimados 42 parâmetros dos grupos e subgrupos. Os resultados do F-SAC foram comparados, quando possível, com diferentes versões do UNIFAC encontradas na literatura. O modelo proposto foi capaz de correlacionar a maior parte dos dados de IDAC e LLE utilizados. Para os dados de IDAC, foram observados desvios médios absolutos de 0,139 e 0,608 unidades de ln para o F-SAC e o UNIFAC(PSRK), respectivamente. Para os dados de LLE, foram observados desvios semelhantes. Finalmente, o F-SAC foi utilizado para representar dados de VLE para os sistemas de compostos aromáticos + NFM. Observou-se desvios médios relativos de 0,038 e 0,082 no cálculo da pressão de bolha utilizando-se o F-SAC e o UNIFAC(PSRK), respectivamente. Estes resultados comprovam a boa capacidade preditiva do modelo, uma vez que nenhum dado de VLE foi utilizado nas estimações. Conclui-se, desta forma, que o modelo FSAC pode ser usado para representar, simultaneamente, IDAC, LLE e VLE de misturas com e sem ligação de hidrogênio, utilizando um único conjunto de parâmetros. / In this work, the F-SAC model (Functional -Segment Activity Coefficient) has been revised and extended in order to simultaneously represent activity coefficient at infinite dilution (IDAC), liquid-liquid equilibrium (LLE) and vapor-liquid equilibrium (VLE), in a wide range of temperature. Originally, the F- SAC model was calibrated essentially with IDAC experimental data for several mixtures. In the present work, the possibility of also taking into account LLE was investigated. For this study, two sets of industrially interesting mixtures were selected : hydrocarbons (alkanes, cycloalkanes, alkenes, cycloalkenes and aromatics) + n-formylmorpholine (NFM) and hydrocarbons + water. Modifications were suggested in the equation that computes the interaction energy for each contact between two segments: (i) inspired by the typical behavior observed in the isobaric expansion of liquids, a new parameter has been proposed in order to reduce the (small) systematic error with the temperature for non-associating systems; (ii) for associating mixtures, a similar equation was proposed to represent the temperature dependence of the hydrogen bond energy between two segments. In the parameterization of the model, 1130 LLE experimental points were used, for 105 binary and 16 ternary systems, along with 815 IDAC experimental points, resulting in a new parameter table. A total of 42 parameters for groups and subgroups were calibrated. The F-SAC results were compared, whenever possible, with different versions of the UNIFAC model, freely available in the literature. The proposed model was able to correlate most of the IDAC and LLE data. For IDAC data, absolute average deviations were 0.139 and 0.608 ln units using F-SAC and UNIFAC(PSRK), respectively. Similar deviations were observed for LLE data. Finally, F-SAC was used to represent VLE data for aromatics + NFM systems. The absolute relative deviations were 0.038 and 0.082 in the bubble pressure calculations for F-SAC and UNIFAC(PSRK), respectively. The VLE results indicate a strong predictive ability of the suggested model, since no VLE data was used in the parameter estimation procedure. The results also indicate that the F-SAC model can be used to represent, simultaneously, IDAC, LLE and VLE for associating and non-associating mixtures, with a single set of parameters.