O presente trabalho é parte integrante de um projeto multidisciplinar cujo objetivo é construir uma ferramenta computacional capaz de simular a operação de uma Usina Termoelétrica tratando, especificamente, da câmara de reação (local da caldeira onde se desenvolve a queima do combustível). Foi desenvolvido um modelo matemático dinâmico, pseudo-homogêneo, unidimensional e, com propriedades físicas variáveis, com o objetivo de descrever a conversão do calor gerado pela combust em energia térmica, que está baseado em balanços de massa e energia. Este modelo foi implementado no simulador gPROMS e seus parâmetros foram estimados utilizando o módulo gEST deste software (método da máxima verossimilhança), com base em dados de operação da Usina e dados cinéticos de literatura. Para a simulação dinâmica da câmara de reação foi utilizado um método de integração implícita de passos múltiplos com ordem e passo variáveis. A câmara de combustão foi dividida em três zonas, sendo realizados, em cada zona, os balanços de massa e energia, adotando-se a hipótese de mistura perfeita. O modelo desenvolvido prevê o perfil de temperatura ao longo da câmara, as correntes de saída e a composição dos gases de combustão em cada zona; incluindo uma previsão aproximada da concentração dos poluentes formados, principalmente monóxido de nitrogênio e dióxido de enxofre. Os resultados apresentados mostraram que o modelo prediz satisfatoriamente a composição do gás de combustão na saída da câmara de reação e que a divisão da câmara em diferentes zonas de combustão é apropriada para avaliar a geração e o aproveitamento energético na caldeira.

O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um modelo dinâmico genérico para reatores de polimerização em leito fluidizado com capacidade de predizer produção, condições de operação e propriedades do produto, como o índice de fluidez e densidade. Este modelo genérico é então aplicado ao caso específico da polimerização de eteno em reatores do processo UNIPOL, utilizando catalisador de óxido de cromo. De modo a obter um modelo validado, os parâmetros cinéticos são estimados utilizando experimentos realizados em uma planta piloto UNIPOL. Também é apresentado um modelo simplificado em relação ao modelo proposto inicialmente, cujo objetivo é remover as interações dos parâmetros das malhas de controle com os parâmetros cinéticos a serem estimados, aproveitando medidas de planta não utilizadas pelo outro modelo. Junto com a parte de estimação de parâmetros é apresentada a metodologia da análise de sensibilidade para o planejamento de experimentos e estimação de parâmetros.

O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um modelo dinâmico genérico para reatores de polimerização em leito fluidizado com capacidade de predizer produção, condições de operação e propriedades do produto, como o índice de fluidez e densidade. Este modelo genérico é então aplicado ao caso específico da polimerização de eteno em reatores do processo UNIPOL, utilizando catalisador de óxido de cromo. De modo a obter um modelo validado, os parâmetros cinéticos são estimados utilizando experimentos realizados em uma planta piloto UNIPOL. Também é apresentado um modelo simplificado em relação ao modelo proposto inicialmente, cujo objetivo é remover as interações dos parâmetros das malhas de controle com os parâmetros cinéticos a serem estimados, aproveitando medidas de planta não utilizadas pelo outro modelo. Junto com a parte de estimação de parâmetros é apresentada a metodologia da análise de sensibilidade para o planejamento de experimentos e estimação de parâmetros.

Correntes de petróleo têm impurezas que, quando presentes nos combustíveis, causam poluição, corrosão, odor e instabilidade do produto. Deste modo, o hidrotratamento catalítico (HDT) pode ser visto como um dos importantes processos da indústria de refino de petróleo. O HDT consiste no tratamento de uma corrente de hidrocarbonetos na presença de hidrogênio e de um catalisador com a finalidade de modificar o sua massa molar ou de remover as impurezas presentes, com o intuito de especificar os produtos ou preparar essas correntes para outros processos de refino. Uma vez que a tendência das especificações do óleo diesel aponta para a diminuição da concentração de enxofre, redução da densidade e da volatilidade do combustível, juntamente com o aumento do número de cetano e do ponto de fulgor, existe uma necessidade de se projetar e operar unidades de hidrotratamento altamente eficientes. Este trabalho tem como objetivo modelar e simular uma unidade industrial contendo reatores trickle-bed de HDT com a finalidade de permitir a inferência, durante a operação, da concentração final de enxofre na corrente de saída do processo, bem como estimar o tempo de campanha restante. O modelo desenvolvido é pseudo-estacionário, unidimensional e heterogêneo. Além disso, considera somente a reação de hidrodessulfurização, uma vez que a predição da concentração final de enxofre é um dos parâmetros mais importantes da qualidade do produto. A modelagem completa do sistema envolve os leitos catalíticos dos reatores (zona reacional) e da zona de quench, onde ocorre o arrefecimento das correntes de hidrocarbonetos provenientes dos leitos catalíticos. Para a modelagem da velocidade de desativação do catalisador utilizado no processo foram testados dois modelos empíricos. O primeiro deles considera a conversão acumulada ao longo do tempo em um dado leito para que se possa predizer a diminuição da atividade, a partir da hipótese de que desativação está relacionada à extensão de ocorrência das reações no catalisador. O segundo modelo implementado segue o trabalho de Froment e Bischoff (1991). Para o estudo de caso foram empregados os dados do processo de dois reatores industriais de HDT de uma unidade de diesel de uma refinaria brasileira. Após a estimação de parâmetros, os modelos foram validados com dados industriais. Os resultados evidenciam a boa concordância dos mesmos ao processo real. / Petroleum streams have impurities that, when delivered to fuels, cause pollution, corrosion, odor, and instability to the product. In this regard, the catalytic hydrotreatment (HDT) can be viewed as one of the important processes in the petroleum refining industry. The HDT is destined to the treatment of a hydrocarbon stream in the presence of hydrogen and a catalyst in order to remove impurities or to modify its molar mass with the aim of specifying products or preparing these streams to other refining processes (Gruia, 2006). Trends in diesel specification point toward the decrease in the sulfur concentration, reduction in density and ASTM D-86 T 90% value, along with increased cetane number and flash point. All these trends contribute to raise the demand for highly efficient hydrotreatment units. This work aims to model and simulate an industrial unit consisting in trickle-bed reactors in order to infer in real time the final sulfur concentration at the output stream, and also to estimate during operation the remaining campaign time. The considered model is pseudo-stationary, one-dimensional and heterogeneous. It considers solely the hydrodesulfurization reaction, because the final sulfur prediction is one of the most important parameter of the product quality. The complete model of the unit involves the catalytic beds (reaction zones) and the quenching zone, where the cooling of hydrocarbon streams takes place. To model the catalyst deactivation rate, two empirical models were tested. The first one takes into account the cumulative conversion over time, so that one can predict the decrease in activity on the basis of the hypothesis that deactivation is related to the extent of the reactions on the catalyst. The second model implemented was based in the work of Froment and Bischoff (1991). As a case study, process data was employed from two industrial reactors of the HDT in a Diesel Unit from a Brazilian refinery. After parameter estimation, the presented models have been validated with industrial data. Their results show good agreement with the real process.

O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um modelo dinâmico genérico para reatores de polimerização em leito fluidizado com capacidade de predizer produção, condições de operação e propriedades do produto, como o índice de fluidez e densidade. Este modelo genérico é então aplicado ao caso específico da polimerização de eteno em reatores do processo UNIPOL, utilizando catalisador de óxido de cromo. De modo a obter um modelo validado, os parâmetros cinéticos são estimados utilizando experimentos realizados em uma planta piloto UNIPOL. Também é apresentado um modelo simplificado em relação ao modelo proposto inicialmente, cujo objetivo é remover as interações dos parâmetros das malhas de controle com os parâmetros cinéticos a serem estimados, aproveitando medidas de planta não utilizadas pelo outro modelo. Junto com a parte de estimação de parâmetros é apresentada a metodologia da análise de sensibilidade para o planejamento de experimentos e estimação de parâmetros.

Correntes de petróleo têm impurezas que, quando presentes nos combustíveis, causam poluição, corrosão, odor e instabilidade do produto. Deste modo, o hidrotratamento catalítico (HDT) pode ser visto como um dos importantes processos da indústria de refino de petróleo. O HDT consiste no tratamento de uma corrente de hidrocarbonetos na presença de hidrogênio e de um catalisador com a finalidade de modificar o sua massa molar ou de remover as impurezas presentes, com o intuito de especificar os produtos ou preparar essas correntes para outros processos de refino. Uma vez que a tendência das especificações do óleo diesel aponta para a diminuição da concentração de enxofre, redução da densidade e da volatilidade do combustível, juntamente com o aumento do número de cetano e do ponto de fulgor, existe uma necessidade de se projetar e operar unidades de hidrotratamento altamente eficientes. Este trabalho tem como objetivo modelar e simular uma unidade industrial contendo reatores trickle-bed de HDT com a finalidade de permitir a inferência, durante a operação, da concentração final de enxofre na corrente de saída do processo, bem como estimar o tempo de campanha restante. O modelo desenvolvido é pseudo-estacionário, unidimensional e heterogêneo. Além disso, considera somente a reação de hidrodessulfurização, uma vez que a predição da concentração final de enxofre é um dos parâmetros mais importantes da qualidade do produto. A modelagem completa do sistema envolve os leitos catalíticos dos reatores (zona reacional) e da zona de quench, onde ocorre o arrefecimento das correntes de hidrocarbonetos provenientes dos leitos catalíticos. Para a modelagem da velocidade de desativação do catalisador utilizado no processo foram testados dois modelos empíricos. O primeiro deles considera a conversão acumulada ao longo do tempo em um dado leito para que se possa predizer a diminuição da atividade, a partir da hipótese de que desativação está relacionada à extensão de ocorrência das reações no catalisador. O segundo modelo implementado segue o trabalho de Froment e Bischoff (1991). Para o estudo de caso foram empregados os dados do processo de dois reatores industriais de HDT de uma unidade de diesel de uma refinaria brasileira. Após a estimação de parâmetros, os modelos foram validados com dados industriais. Os resultados evidenciam a boa concordância dos mesmos ao processo real. / Petroleum streams have impurities that, when delivered to fuels, cause pollution, corrosion, odor, and instability to the product. In this regard, the catalytic hydrotreatment (HDT) can be viewed as one of the important processes in the petroleum refining industry. The HDT is destined to the treatment of a hydrocarbon stream in the presence of hydrogen and a catalyst in order to remove impurities or to modify its molar mass with the aim of specifying products or preparing these streams to other refining processes (Gruia, 2006). Trends in diesel specification point toward the decrease in the sulfur concentration, reduction in density and ASTM D-86 T 90% value, along with increased cetane number and flash point. All these trends contribute to raise the demand for highly efficient hydrotreatment units. This work aims to model and simulate an industrial unit consisting in trickle-bed reactors in order to infer in real time the final sulfur concentration at the output stream, and also to estimate during operation the remaining campaign time. The considered model is pseudo-stationary, one-dimensional and heterogeneous. It considers solely the hydrodesulfurization reaction, because the final sulfur prediction is one of the most important parameter of the product quality. The complete model of the unit involves the catalytic beds (reaction zones) and the quenching zone, where the cooling of hydrocarbon streams takes place. To model the catalyst deactivation rate, two empirical models were tested. The first one takes into account the cumulative conversion over time, so that one can predict the decrease in activity on the basis of the hypothesis that deactivation is related to the extent of the reactions on the catalyst. The second model implemented was based in the work of Froment and Bischoff (1991). As a case study, process data was employed from two industrial reactors of the HDT in a Diesel Unit from a Brazilian refinery. After parameter estimation, the presented models have been validated with industrial data. Their results show good agreement with the real process.

Correntes de petróleo têm impurezas que, quando presentes nos combustíveis, causam poluição, corrosão, odor e instabilidade do produto. Deste modo, o hidrotratamento catalítico (HDT) pode ser visto como um dos importantes processos da indústria de refino de petróleo. O HDT consiste no tratamento de uma corrente de hidrocarbonetos na presença de hidrogênio e de um catalisador com a finalidade de modificar o sua massa molar ou de remover as impurezas presentes, com o intuito de especificar os produtos ou preparar essas correntes para outros processos de refino. Uma vez que a tendência das especificações do óleo diesel aponta para a diminuição da concentração de enxofre, redução da densidade e da volatilidade do combustível, juntamente com o aumento do número de cetano e do ponto de fulgor, existe uma necessidade de se projetar e operar unidades de hidrotratamento altamente eficientes. Este trabalho tem como objetivo modelar e simular uma unidade industrial contendo reatores trickle-bed de HDT com a finalidade de permitir a inferência, durante a operação, da concentração final de enxofre na corrente de saída do processo, bem como estimar o tempo de campanha restante. O modelo desenvolvido é pseudo-estacionário, unidimensional e heterogêneo. Além disso, considera somente a reação de hidrodessulfurização, uma vez que a predição da concentração final de enxofre é um dos parâmetros mais importantes da qualidade do produto. A modelagem completa do sistema envolve os leitos catalíticos dos reatores (zona reacional) e da zona de quench, onde ocorre o arrefecimento das correntes de hidrocarbonetos provenientes dos leitos catalíticos. Para a modelagem da velocidade de desativação do catalisador utilizado no processo foram testados dois modelos empíricos. O primeiro deles considera a conversão acumulada ao longo do tempo em um dado leito para que se possa predizer a diminuição da atividade, a partir da hipótese de que desativação está relacionada à extensão de ocorrência das reações no catalisador. O segundo modelo implementado segue o trabalho de Froment e Bischoff (1991). Para o estudo de caso foram empregados os dados do processo de dois reatores industriais de HDT de uma unidade de diesel de uma refinaria brasileira. Após a estimação de parâmetros, os modelos foram validados com dados industriais. Os resultados evidenciam a boa concordância dos mesmos ao processo real. / Petroleum streams have impurities that, when delivered to fuels, cause pollution, corrosion, odor, and instability to the product. In this regard, the catalytic hydrotreatment (HDT) can be viewed as one of the important processes in the petroleum refining industry. The HDT is destined to the treatment of a hydrocarbon stream in the presence of hydrogen and a catalyst in order to remove impurities or to modify its molar mass with the aim of specifying products or preparing these streams to other refining processes (Gruia, 2006). Trends in diesel specification point toward the decrease in the sulfur concentration, reduction in density and ASTM D-86 T 90% value, along with increased cetane number and flash point. All these trends contribute to raise the demand for highly efficient hydrotreatment units. This work aims to model and simulate an industrial unit consisting in trickle-bed reactors in order to infer in real time the final sulfur concentration at the output stream, and also to estimate during operation the remaining campaign time. The considered model is pseudo-stationary, one-dimensional and heterogeneous. It considers solely the hydrodesulfurization reaction, because the final sulfur prediction is one of the most important parameter of the product quality. The complete model of the unit involves the catalytic beds (reaction zones) and the quenching zone, where the cooling of hydrocarbon streams takes place. To model the catalyst deactivation rate, two empirical models were tested. The first one takes into account the cumulative conversion over time, so that one can predict the decrease in activity on the basis of the hypothesis that deactivation is related to the extent of the reactions on the catalyst. The second model implemented was based in the work of Froment and Bischoff (1991). As a case study, process data was employed from two industrial reactors of the HDT in a Diesel Unit from a Brazilian refinery. After parameter estimation, the presented models have been validated with industrial data. Their results show good agreement with the real process.

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.

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.