A simulação computacional de processos é uma ferramenta valiosa em diversas etapas da operação de uma planta química, tais como o projeto, a análise operacional, o estudo da estratégia de controle e a otimização, entre outras. Um programa simulador requer, freqüentemente, o cálculo das propriedades termofísicas que fazem parte das equações correspondentes aos balanços de massa, energia e quantidade de movimento. Algumas dessas quantidades, típicas de operações baseadas no equilíbrio de fases (tais como a destilação fracionada e a separação flash), são as fugacidades e entalpias das fases líquida e vapor em equilíbrio. Contudo, o uso de modelos e correlações cada vez mais sofisticadas para representar acuradamente as propriedades termofísicas dos sistemas reais fez com que grande parte do tempo gasto numa simulação de processos seja devida à avaliação destas propriedades. Muitas estratégias têm sido propostas na literaturas a fim de se reduzir a carga computacional envolvida na simulação, estática e dinâmica, dos problemas de Engenharia Química. Esta diminuição do tempo de processamento pode muitas vezes ser determinante na aplicação ou não da simulação de processos na prática industrial, como, por exemplo, no controle automático. Esta dissertação aborda uma das alternativas para a redução do tempo computacional gasto na simulação de processos: a aproximação das funções que descrevem as propriedades termofísicas através de funções mais simples, porém de fácil avaliação. Estas funções, a fim de se garantir uma aproximação adequada, devem ser corrigidas ou atualizadas de alguma forma, visto que se tratam de modelos estritamente válidos em uma pequena região do espaço das variáveis, sendo, por isto, chamados de modelos locais. Partindo-se do estado atual desta técnica, é proposta nesta dissertação uma nova metodologia para se efetuar esta aproximação, através da representação global da propriedade mediante múltiplas funções simples, constituindo, desse modo, uma rede de modelos locais. Algumas possibilidades para a geração efetiva destas redes são também discutidas, e o resultado da metodologia é testado em alguns problemas típicos de separação por equilíbrio de fases.

A simulação computacional de processos é uma ferramenta valiosa em diversas etapas da operação de uma planta química, tais como o projeto, a análise operacional, o estudo da estratégia de controle e a otimização, entre outras. Um programa simulador requer, freqüentemente, o cálculo das propriedades termofísicas que fazem parte das equações correspondentes aos balanços de massa, energia e quantidade de movimento. Algumas dessas quantidades, típicas de operações baseadas no equilíbrio de fases (tais como a destilação fracionada e a separação flash), são as fugacidades e entalpias das fases líquida e vapor em equilíbrio. Contudo, o uso de modelos e correlações cada vez mais sofisticadas para representar acuradamente as propriedades termofísicas dos sistemas reais fez com que grande parte do tempo gasto numa simulação de processos seja devida à avaliação destas propriedades. Muitas estratégias têm sido propostas na literaturas a fim de se reduzir a carga computacional envolvida na simulação, estática e dinâmica, dos problemas de Engenharia Química. Esta diminuição do tempo de processamento pode muitas vezes ser determinante na aplicação ou não da simulação de processos na prática industrial, como, por exemplo, no controle automático. Esta dissertação aborda uma das alternativas para a redução do tempo computacional gasto na simulação de processos: a aproximação das funções que descrevem as propriedades termofísicas através de funções mais simples, porém de fácil avaliação. Estas funções, a fim de se garantir uma aproximação adequada, devem ser corrigidas ou atualizadas de alguma forma, visto que se tratam de modelos estritamente válidos em uma pequena região do espaço das variáveis, sendo, por isto, chamados de modelos locais. Partindo-se do estado atual desta técnica, é proposta nesta dissertação uma nova metodologia para se efetuar esta aproximação, através da representação global da propriedade mediante múltiplas funções simples, constituindo, desse modo, uma rede de modelos locais. Algumas possibilidades para a geração efetiva destas redes são também discutidas, e o resultado da metodologia é testado em alguns problemas típicos de separação por equilíbrio de fases.

A simulação computacional de processos é uma ferramenta valiosa em diversas etapas da operação de uma planta química, tais como o projeto, a análise operacional, o estudo da estratégia de controle e a otimização, entre outras. Um programa simulador requer, freqüentemente, o cálculo das propriedades termofísicas que fazem parte das equações correspondentes aos balanços de massa, energia e quantidade de movimento. Algumas dessas quantidades, típicas de operações baseadas no equilíbrio de fases (tais como a destilação fracionada e a separação flash), são as fugacidades e entalpias das fases líquida e vapor em equilíbrio. Contudo, o uso de modelos e correlações cada vez mais sofisticadas para representar acuradamente as propriedades termofísicas dos sistemas reais fez com que grande parte do tempo gasto numa simulação de processos seja devida à avaliação destas propriedades. Muitas estratégias têm sido propostas na literaturas a fim de se reduzir a carga computacional envolvida na simulação, estática e dinâmica, dos problemas de Engenharia Química. Esta diminuição do tempo de processamento pode muitas vezes ser determinante na aplicação ou não da simulação de processos na prática industrial, como, por exemplo, no controle automático. Esta dissertação aborda uma das alternativas para a redução do tempo computacional gasto na simulação de processos: a aproximação das funções que descrevem as propriedades termofísicas através de funções mais simples, porém de fácil avaliação. Estas funções, a fim de se garantir uma aproximação adequada, devem ser corrigidas ou atualizadas de alguma forma, visto que se tratam de modelos estritamente válidos em uma pequena região do espaço das variáveis, sendo, por isto, chamados de modelos locais. Partindo-se do estado atual desta técnica, é proposta nesta dissertação uma nova metodologia para se efetuar esta aproximação, através da representação global da propriedade mediante múltiplas funções simples, constituindo, desse modo, uma rede de modelos locais. Algumas possibilidades para a geração efetiva destas redes são também discutidas, e o resultado da metodologia é testado em alguns problemas típicos de separação por equilíbrio de fases.

Neste trabalho, desenvolveram-se modelos matemáticos simplificados para o cálculo de duas variáveis importantes no estudo da extrusão de polímeros: vazão mássica (M&) e pressão na saída da extrusora (Psaída), em função das propriedades dos materiais e das condições de operação do equipamento. Podem-se utilizar esses modelos como ferramentas simples para a definição de critérios de ajustes que se devem fazer em uma extrusora de parafuso único para obter-se o desempenho desejado quando se alimenta o equipamento com um novo material. Para desenvolverem-se os modelos simplificados, utilizaram-se dados experimentais da extrusão de poliestireno (PS) e de polipropileno (PP), bem como resultados preditos por um programa computacional de simulação de extrusão disponível comercialmente. Mediram-se os dados experimentais de vazão mássica e de pressão na saída da extrusora em um equipamento de parafuso único de 45 mm de diâmetro. Realizaram-se esses testes, variando-se a velocidade de rotação do parafuso de 70 a 100 rpm para ambos os polímeros. No primeiro conjunto de simulações, utilizou-se o simulador Flow 2000 (Compuplast Inc.) para ajustarem-se os valores preditos de M& e de Psaída aos dados obtidos experimentalmente através da estimação dos fatores de atrito barril-polímero tanto para o PP quanto para o PS. Posteriormente, realizou-se um planejamento de experimentos, do tipo fatorial fracionado , para obter-se um segundo conjunto de simulações, considerando-se as propriedades dos materiais (reológicas e térmicas) e as condições de operação da extrusora (velocidade de rotação do parafuso e perfil de temperatura nas zonas de aquecimento da extrusora) como fatores de investigação. Com as novas simulações no Flow 2000, ajustaram-se os parâmetros dos modelos simplificados aos valores de vazão mássica e de pressão na saída da extrusora preditos no simulador. Elaboraram-se os modelos simplificados levando-se em conta as interações entre os fatores cujos efeitos consideraram-se significativos nas análises de variância (ANOVA). Obteve-se um modelo linear com 37 termos para o cálculo da vazão mássica e um modelo linear com 41 termos para o cálculo da pressão na saída da extrusora. Posteriormente, aplicou-se uma técnica de regressão multivariável para selecionar apenas os termos importantes dessas 1402IV2− XVI equações, conduzindo a um modelo linear com 10 termos para o cálculo da vazão mássica e a um modelo com 6 termos para o cálculo da pressão na saída da extrusora. Conseguiu-se boa concordância entre os dados experimentais e os valores preditos quando se aplicaram os modelos simplificados.

Foi realizado o estudo do efeito do tipo de nylon nas blendas PP/PP-MA/Ny. Estas blendas foram caracterizadas por calorimetria diferencial de varredura, microscopia eletrônica de varredura, propriedades mecânicas e reológicas. Na análise reológica foram realizados os testes para os nylons N6, N6,9 e N6,10. Para os nylons N6,6 e N6,12 não foi possível fazer as medidas de viscosidade. Os resultados demonstraram que para os teores de 0,34 e 0,46 g% de MA no PP, o nível de dispersão final segue o fator da reatividade dos grupos terminais amino do nylons. Assim, a ordem de aumento de dispersão para as blendas com os nylons foi de N6,9, N6 e N6,10. Este comportamento foi confirmado na análise morfológica. Para o teor de 0,81 g%, a dispersão foi afetada pelo quociente das viscosidades, obedecendo a ordem esperada para os nylons 6,10, 6,9 e 6 e suas blendas.

A modelagem termodinâmica apresenta um papel fundamental no desenvolvimento e simulação de processos químicos. Esta modelagem utiliza como ferramenta modelos matemáticos conhecidos como equações de estado. Com o desenvolvimento da mecânica estatística aplicada, novos tipos de equações de estado foram propostas para uso prático em engenharia. Uma delas, PC-SAFT (Perturbed Chain-Statistical Associating Fluid Theory), tem mostrado um grande potencial de aplicação, sendo capaz de vencer a grande maioria das limitações apresentadas por outros modelos e podendo ser aplicada para vários tipos de sistemas contendo fluidos puros e misturas, incluindo casos nos quais estão presentes polímeros. O presente trabalho teve por objetivo o desenvolvimento de ferramentas para utilização da equação de estado PC-SAFT para o cálculo de propriedades termodinâmicas e de equilíbrio de fases. Tais ferramentas deverão ser utilizadas para realização deste tipo de cálculo para polímeros e suas soluções em um simulador de processos que está sendo desenvolvido com colaboração do nosso grupo de pesquisa. As propriedades termodinâmicas para as quais foram implementadas rotinas de cálculo foram a pressão, energia livre de Helmholtz residual, pressão de vapor, ponto crítico de substâncias puras, coeficiente de fugacidade e potencial químico residual. Em relação ao equilíbrio de fases, foram implementadas rotinas para o equilíbrio líquidovapor de misturas binárias e multicomponentes, sendo que para misturas binárias ainda foi implementada uma rotina para misturas contendo polímeros. No caso dos polímeros, foram também implementadas rotinas para o cálculo do equilíbrio líquido-líquido de soluções contendo polímeros polidispersos. Foram propostas metodologias para que uma inicialização adequada de todos os processos considerados que requerem o uso de métodos iterativos e, também, uma mudança de variável para melhorar o desempenho da estimação de parâmetros do modelo. Todas as rotinas foram desenvolvidas no software MatLab e a validação das rotinas desenvolvidas foi feita através da comparação de suas predições com dados experimentais e numéricos da literatura. A grande quantidade de informação gerada nos testes também permitiu identificar os principais problemas numéricos associados a algumas das etapas de cálculo. / The thermodynamic modeling plays a fundamental role in the development and simulation of chemical processes. This modeling is based on the use of mathematical models known as equations of state. With the development of applied statistical mechanics, new types of equations of state were proposed for use in practical engineering. PC-SAFT (Perturbed Chain-Associating Statistical Fluid Theory) is among these models and has shown great potential of application, being able to overcome most of the limitations presented by other models and applicable to various types of systems containing pure fluids and mixtures, including polymeric systems. The main goal of this work was the development of tools for the application of the PC-SAFT equation of state for the calculation of thermodynamic properties and phase equilibrium. These tools are meant to be used for performing this kind of calculation for polymers and their solutions in a process simulator which is being developed with collaboration of our research group. The thermodynamic properties for which calculating routines were implemented were pressure, residual Helmholtz free energy, vapor pressure, critical point of pure substances, fugacity coefficient, and residual chemical potential. Regarding the phase equilibria, the following routines were implemented: vapor-liquid equilibrium of binary and multi-component mixtures of non-polymeric materials, vapor-liquid equilibrium of binary mixtures containing polymers, and liquid-liquid equilibrium for solutions of polydisperse polymers. Routines have also been implemented for the determination the parameters of the PC-SAFT equation of state for pure substances. Methodologies for the definition of appropriate initialization values for the calculation routines requiring the use iterative processes were also developed and a change of variable was proposed to improve the performance of the parameter estimation problem. All routines were implemented in the MatLab 5.0 and their validation was accomplished by comparing our predictions with experimental and numerical data from the literature. The vast amount of information generated in the tests performed also allowed identifying the main numerical problems related to some of the calculation processes.

Foi realizado o estudo do efeito do tipo de nylon nas blendas PP/PP-MA/Ny. Estas blendas foram caracterizadas por calorimetria diferencial de varredura, microscopia eletrônica de varredura, propriedades mecânicas e reológicas. Na análise reológica foram realizados os testes para os nylons N6, N6,9 e N6,10. Para os nylons N6,6 e N6,12 não foi possível fazer as medidas de viscosidade. Os resultados demonstraram que para os teores de 0,34 e 0,46 g% de MA no PP, o nível de dispersão final segue o fator da reatividade dos grupos terminais amino do nylons. Assim, a ordem de aumento de dispersão para as blendas com os nylons foi de N6,9, N6 e N6,10. Este comportamento foi confirmado na análise morfológica. Para o teor de 0,81 g%, a dispersão foi afetada pelo quociente das viscosidades, obedecendo a ordem esperada para os nylons 6,10, 6,9 e 6 e suas blendas.

Foi realizado o estudo do efeito do tipo de nylon nas blendas PP/PP-MA/Ny. Estas blendas foram caracterizadas por calorimetria diferencial de varredura, microscopia eletrônica de varredura, propriedades mecânicas e reológicas. Na análise reológica foram realizados os testes para os nylons N6, N6,9 e N6,10. Para os nylons N6,6 e N6,12 não foi possível fazer as medidas de viscosidade. Os resultados demonstraram que para os teores de 0,34 e 0,46 g% de MA no PP, o nível de dispersão final segue o fator da reatividade dos grupos terminais amino do nylons. Assim, a ordem de aumento de dispersão para as blendas com os nylons foi de N6,9, N6 e N6,10. Este comportamento foi confirmado na análise morfológica. Para o teor de 0,81 g%, a dispersão foi afetada pelo quociente das viscosidades, obedecendo a ordem esperada para os nylons 6,10, 6,9 e 6 e suas blendas.

A modelagem termodinâmica apresenta um papel fundamental no desenvolvimento e simulação de processos químicos. Esta modelagem utiliza como ferramenta modelos matemáticos conhecidos como equações de estado. Com o desenvolvimento da mecânica estatística aplicada, novos tipos de equações de estado foram propostas para uso prático em engenharia. Uma delas, PC-SAFT (Perturbed Chain-Statistical Associating Fluid Theory), tem mostrado um grande potencial de aplicação, sendo capaz de vencer a grande maioria das limitações apresentadas por outros modelos e podendo ser aplicada para vários tipos de sistemas contendo fluidos puros e misturas, incluindo casos nos quais estão presentes polímeros. O presente trabalho teve por objetivo o desenvolvimento de ferramentas para utilização da equação de estado PC-SAFT para o cálculo de propriedades termodinâmicas e de equilíbrio de fases. Tais ferramentas deverão ser utilizadas para realização deste tipo de cálculo para polímeros e suas soluções em um simulador de processos que está sendo desenvolvido com colaboração do nosso grupo de pesquisa. As propriedades termodinâmicas para as quais foram implementadas rotinas de cálculo foram a pressão, energia livre de Helmholtz residual, pressão de vapor, ponto crítico de substâncias puras, coeficiente de fugacidade e potencial químico residual. Em relação ao equilíbrio de fases, foram implementadas rotinas para o equilíbrio líquidovapor de misturas binárias e multicomponentes, sendo que para misturas binárias ainda foi implementada uma rotina para misturas contendo polímeros. No caso dos polímeros, foram também implementadas rotinas para o cálculo do equilíbrio líquido-líquido de soluções contendo polímeros polidispersos. Foram propostas metodologias para que uma inicialização adequada de todos os processos considerados que requerem o uso de métodos iterativos e, também, uma mudança de variável para melhorar o desempenho da estimação de parâmetros do modelo. Todas as rotinas foram desenvolvidas no software MatLab e a validação das rotinas desenvolvidas foi feita através da comparação de suas predições com dados experimentais e numéricos da literatura. A grande quantidade de informação gerada nos testes também permitiu identificar os principais problemas numéricos associados a algumas das etapas de cálculo. / The thermodynamic modeling plays a fundamental role in the development and simulation of chemical processes. This modeling is based on the use of mathematical models known as equations of state. With the development of applied statistical mechanics, new types of equations of state were proposed for use in practical engineering. PC-SAFT (Perturbed Chain-Associating Statistical Fluid Theory) is among these models and has shown great potential of application, being able to overcome most of the limitations presented by other models and applicable to various types of systems containing pure fluids and mixtures, including polymeric systems. The main goal of this work was the development of tools for the application of the PC-SAFT equation of state for the calculation of thermodynamic properties and phase equilibrium. These tools are meant to be used for performing this kind of calculation for polymers and their solutions in a process simulator which is being developed with collaboration of our research group. The thermodynamic properties for which calculating routines were implemented were pressure, residual Helmholtz free energy, vapor pressure, critical point of pure substances, fugacity coefficient, and residual chemical potential. Regarding the phase equilibria, the following routines were implemented: vapor-liquid equilibrium of binary and multi-component mixtures of non-polymeric materials, vapor-liquid equilibrium of binary mixtures containing polymers, and liquid-liquid equilibrium for solutions of polydisperse polymers. Routines have also been implemented for the determination the parameters of the PC-SAFT equation of state for pure substances. Methodologies for the definition of appropriate initialization values for the calculation routines requiring the use iterative processes were also developed and a change of variable was proposed to improve the performance of the parameter estimation problem. All routines were implemented in the MatLab 5.0 and their validation was accomplished by comparing our predictions with experimental and numerical data from the literature. The vast amount of information generated in the tests performed also allowed identifying the main numerical problems related to some of the calculation processes.

Neste trabalho, desenvolveram-se modelos matemáticos simplificados para o cálculo de duas variáveis importantes no estudo da extrusão de polímeros: vazão mássica (M&) e pressão na saída da extrusora (Psaída), em função das propriedades dos materiais e das condições de operação do equipamento. Podem-se utilizar esses modelos como ferramentas simples para a definição de critérios de ajustes que se devem fazer em uma extrusora de parafuso único para obter-se o desempenho desejado quando se alimenta o equipamento com um novo material. Para desenvolverem-se os modelos simplificados, utilizaram-se dados experimentais da extrusão de poliestireno (PS) e de polipropileno (PP), bem como resultados preditos por um programa computacional de simulação de extrusão disponível comercialmente. Mediram-se os dados experimentais de vazão mássica e de pressão na saída da extrusora em um equipamento de parafuso único de 45 mm de diâmetro. Realizaram-se esses testes, variando-se a velocidade de rotação do parafuso de 70 a 100 rpm para ambos os polímeros. No primeiro conjunto de simulações, utilizou-se o simulador Flow 2000 (Compuplast Inc.) para ajustarem-se os valores preditos de M& e de Psaída aos dados obtidos experimentalmente através da estimação dos fatores de atrito barril-polímero tanto para o PP quanto para o PS. Posteriormente, realizou-se um planejamento de experimentos, do tipo fatorial fracionado , para obter-se um segundo conjunto de simulações, considerando-se as propriedades dos materiais (reológicas e térmicas) e as condições de operação da extrusora (velocidade de rotação do parafuso e perfil de temperatura nas zonas de aquecimento da extrusora) como fatores de investigação. Com as novas simulações no Flow 2000, ajustaram-se os parâmetros dos modelos simplificados aos valores de vazão mássica e de pressão na saída da extrusora preditos no simulador. Elaboraram-se os modelos simplificados levando-se em conta as interações entre os fatores cujos efeitos consideraram-se significativos nas análises de variância (ANOVA). Obteve-se um modelo linear com 37 termos para o cálculo da vazão mássica e um modelo linear com 41 termos para o cálculo da pressão na saída da extrusora. Posteriormente, aplicou-se uma técnica de regressão multivariável para selecionar apenas os termos importantes dessas 1402IV2− XVI equações, conduzindo a um modelo linear com 10 termos para o cálculo da vazão mássica e a um modelo com 6 termos para o cálculo da pressão na saída da extrusora. Conseguiu-se boa concordância entre os dados experimentais e os valores preditos quando se aplicaram os modelos simplificados.