A indústria calçadista gera uma significativa quantidade de resíduos, sendo uma alternativa para destino destes o tratamento térmico, que reduz o volume e estabiliza componentes perigosos. Por conseguinte, isto vai ao encontro dos novos desafios na busca de fontes de energias alternativas pelo fato da combustão destes resíduos ser bastante convidativa em função do seu alto poder calorífico. Este estudo está focado na análise de uma planta piloto para o processamento de resíduos sólidos da indústria calçadista (biomassa) e posterior aproveitamento térmico na geração de energia elétrica. A planta é constituída basicamente de um sistema de gaseificação e combustão combinadas e um sistema de controle de poluição do ar. O detalhamento do comportamento do gaseificador é fundamental para a maximização da eficiência do processo, sendo assim, abordado neste estudo. Para análise do gaseificador, foi desenvolvida a sua modelagem matemática. Entretanto, sabe-se da indisponibilidade, muitas vezes, do maior ou menor detalhamento de dados experimentais (geometria do sistema, identificação de espécies intermediárias, etc.) para a simulação numérica satisfatória do processo. Neste sentido, são apresentados neste trabalho, dois modelos matemáticos: um modelo rigoroso e um modelo simplificado, com diferentes abordagens e detalhamento de dados a serem informados. O modelo rigoroso considera a cinética química e os fenômenos de transferência envolvidos; já o modelo simplificado, limita-se a um modelo de equilíbrio químico e termodinâmico do sistema. Os modelos foram implementados no simulador de processos genéricos baseado em equações, EMSO. Depois de validados com dados de literatura, os modelos foram aplicados para simulações de condições reais de operação da planta e análise de sensibilidade frente a parâmetros de operação. Ambos modelos conseguiram representar razoavelmente bem o sistema experimental, dentro das limitações de cada abordagem, o que foi possível identificar condições teóricos ideais para operação a fim de se conseguir a máxima eficiência da planta. / The footwear industries generate an expressive amount of solid wastes. So that the thermal treatment technologies are an alternative destination to these wastes, once their filled volume are reduced and dangerous components are stabilized. Consequently, it can be related to new challenge on alternative energy resources due to combustion of these wastes is attractive in reason of their high calorific value. This study is focalized in the analysis of a pilot plant to process solid wastes (biomass) of footwear industries and using of its thermal capacity to generate electrical energy. The pilot unit is basically formed of one combined gasifier-combustor and one air pollution control system. The analysis of gasifier operation is fundamental to improve the process performance, so that evaluated here. To this task, the mathematical modeling of gasification system was developed. However it is well-known that practical data (geometric measures, identification of intermediary compounds, etc.) are oftentimes available on high or low detailed levels to satisfactory process simulation. In this sense, two mathematical models are presented: one rigorous model and one simplified model based on the level of details and input data. The rigorous model takes into account the chemical kinetics and the involved transfer phenomena; on the other hand the simplified model is limited to thermochemical equilibrium of the system. The models were implemented in an equation-based simulator of generic processes, EMSO. After validation with data from literature, the models were applied for simulation of actual operating conditions of pilot plant and sensitivity analyses regarding to operating parameters. Both models compare reasonably well with experimental system, inside of limitations of each approach. This makes possible to predict the ideal operating conditions in order to reach the maximum efficiency of the pilot plant.

A grande dificuldade na simulação de processos envolvendo substâncias naturais é o reduzido número de propriedades termo físicas e dados experimentais disponível na literatura. Devido à diversidade e complexidade das moléculas presentes, o estudo do processamento de compostos naturais ainda é pequeno. Neste trabalho, são investigados modelos para predição de tais propriedades termodinâmicas, fundamentais à modelagem e simulação do processo de destilação em batelada de óleos essenciais. Um método de contribuição de grupos é utilizado para predição da pressão de vapor de substâncias puras (CSGC-PVR), quando dados experimentais não são disponíveis. Em relação ao cálculo do coeficiente de atividade, um modelo totalmente preditivo baseado em química quântica computacional é utilizado (COSMO-SAC). De modo geral, este trabalho tem como objetivo a aplicação de propriedades termodinâmicas preditas em um modelo dinâmico, capaz de descrever o processo de retificação através da destilação em batelada. As simulações foram realizadas no simulador orientado a equações EMSO, a fim de demonstrar a viabilidade do método. Os óleos essenciais de Eucalyptus globulus Labill, Eucalyptus citriodora Hook e Cymbopogon winterianus Jowitt foram selecionados devido ao potencial econômico de suas frações. Inicialmente, um conjunto de dados experimentais é comparado às simulações para validação do método. Em um segundo momento, as simulações são realizadas para correlacionar as condições operacionais e cortes de destilado para as misturas dadas. Os perfis de composição e a determinação dos cortes majoritários são apresentados. Duas alternativas são avaliadas para obtenção de maior pureza nos cortes; o uso de bateladas de reciclo e o controle da razão de refluxo através de uma ação proporcional. A influência de diferentes configurações de coluna também é avaliada, variando o número de estágios teóricos, regime de refluxo e acúmulo de coluna. Os métodos utilizados se mostram capazes de predizer o comportamento do processo de fracionamento e podem ser aplicados a um grande número de óleos essenciais. / The great obstacle in simulating processes involving natural products is the small number of thermo-physical properties and experimental data available in the literature. Due to the diversity and complexity of these molecules, studies concerning essential oils processing is still limited. In this work, thermodynamic models are investigated in order to predict such properties, which are requisites to the modelling and simulation of the essential oil batch distillation process. In this work a group contribution method is used to predict the vapor pressure (CSGC-PVR) when experimental data was unavailable. Regarding the activity coefficients, a fully predictive model based on quantum calculations (COSMO-SAC) is used. Moreover, this work also aims the use of those predicted properties in a dynamic model, capable of describing the fractionation process by batch distillation. The simulations were performed in the equation-oriented simulator EMSO, in order to demonstrate the feasibility of the method. Oils of Eucalyptus globulus Labill, Eucalyptus citriodora Hook and Cymbopogon winterianus Jowitt were selected due to their high production and economic potential of its fractions. Initially, a set of experimental data is compared to the simulations in order to validate the method. Then, simulations are performed to relate operational conditions and distillate cuts for the given mixtures. The distillate composition profiles and the determination of the major cuts are presented. Two alternatives are evaluated in order to obtain cuts of higher purity; the use of a recycle batch and a reflux ratio proportional control based on the distillate composition. The influence of different column configurations is also evaluated, varying its number of theoretical stages, reflux ratio regime and column holdup. The methods used are shown able to predict a reasonable behavior for the fractionation process of the essential oils tested and the method can be extended to most of the essential oils.

Na literatura há vários trabalhos elucidando a importância de ferramentas para auditar malhas de controle. Na indústria, o interesse por esse tipo de software é crescente, devido ao benefício trazido: garantir o exato desempenho para cada controlador significa atingir pontos de operação mais lucrativos. Todavia, as metodologias disponíveis na literatura e nas ferramentas comerciais não provêm medidas conclusivas das características da malha. Conseqüentemente, a análise muitas vezes é confusa e difícil, acarretando um diagnóstico difícil. Reduzir a distância entre a auditoria e o diagnóstico, propondo novas métricas para ajudar o engenheiro no gerenciamento de malhas é o foco central deste trabalho. A presente tese é segmentada em duas partes: auditoria e diagnóstico, dentro das quais se inserem as principais contribuições deste trabalho. A primeira contribuição deste trabalho é a proposição de uma metodologia para decompor o impacto da velocidade do controlador, tempo morto e ruído branco sobre a variância total da malha, auxiliando o engenheiro de processos a tomar uma ação: trocar os parâmetros de ajuste, aumentar a ordem do controlador, substituir o medidor, reduzir o tempo morto, entre outros. O método proposto requer apenas dados de operação normal e o tempo morto da malha, não sendo necessários testes intrusivos, sendo possível a aplicação industrial. O conjunto de métricas propostas foi aplicado em três casos de estudo, fornecendo resultados promissores. Dentro do campo de auditoria, se insere a segunda contribuição: a proposição de uma metodologia para estimação de parâmetros conclusivos (ou determinísticos) para avaliação da performance e robustez de controladores (Máxima Sensibilidade, razão entre o tempo de subida de malha aberta e fechada, razão entre o tempo de assentamento de malha aberta e fechada, entre outros), baseado em índices estocásticos (i.e. métricas que podem ser computadas em tempo real, sem testes intrusivos) e parâmetros da malha (tempo morto, constante de tempo). O modelo de inferência para desempenho e robustez, chamado PRIM, é proposto. Este modelo fornece uma clara indicação do real desempenho e robustez da malha, facilitando a análise e tornando o diagnóstico direto. Além disso, visando elucidar a vantagem dos índices determinísticos sobre os estocásticos, ambos serão aplicados a um conjunto de casos de estudo. A última contribuição no campo de auditoria está na estimação do potencial impacto econômico de cada malha, como ferramenta para hierarquizar sua manutenção. Considerando que uma típica planta química possui centenas ou milhares de malhas e que a maioria delas possui significativo potencial de melhora, a priorização da manutenção é essencial. O impacto econômico é baseado no conceito de Matriz de Variabilidade (VM), que é uma matriz que mostra o impacto da melhora da performance de um controlador sobre a variabilidade de toda a planta. A segunda parte deste trabalho aborda o diagnóstico de algumas avarias comuns em controladores. A primeira metodologia visa quantificar a banda de agarramento em válvulas de controle, que apresentam este fenômeno, através de um modelo de inferência chamado SIM. A metodologia proposta requer apenas dados de operação normal do controlador e planta. A contribuição final deste trabalho é um método simples para avaliação do modelo em controladores preditivos MPCs, baseado na Análise de Componentes Independentes (ICA). Esta análise é bastante útil para indicar os canais que possuem modelo pobre em relação à planta. O trabalho finaliza com as conclusões finais e os trabalhos futuros relativos a esta tese. / Many works available in the literature support the importance of control loop performance assessment (CLPA) tools. Industrially, there is an increasing interest in this area and the reason is trivial: ensuring the exact performance for each loop means allowing it to operate in a high profitable operating point. However, the available methodologies in commercial tools and literature do not provide clear and conclusive metrics of the actual loop performance. Consequently, the diagnostics is not easy, making the analysis sometimes difficult and confusing. The aim of this thesis is to reduce the gap between assessment and diagnostics by proposing a set of metrics to help the engineer in control loop performance management. The thesis is divided into two sections: Assessment and Diagnostic. The first contribution of this work is the proposition of a new methodology to decompose the impact of control loop performance, time delay, and white noise in the total control loop variance, helping the engineer to diagnose the loop performance problem and take the right action to achieve the desired product variability (by changing tuning parameters, changing controller type, replacing instrument, or changing the process, among others). The proposed method does not require any invasive tests, only control loop routine operating data and process time delay, allowing the industrial application of the proposed indices in real time. The methodology was applied in three case studies, providing very good results. The second contribution is propose a methodology to estimate conclusive indices (also called deterministic indices) to evaluate loop performance and robustness (maximal sensitivity, ratio between open and closed loop rise time, settling time, among others), based on stochastic indices (i.e. indices that can be computed using only normal operating data) and process parameters (time delay and time constant). A performance and robustness inferential model (PRIM) for loop assessment will be shown. The PRIM provides a clear picture of loop performance and robustness, making the analysis easier and the diagnostics straightforward. Moreover, this section highlights the limitation and drawbacks of stochastic metrics for CLPA. The last contribution of the Assessment section proposes a method to prioritize loop maintenance, based on the economic impact of each loop. Assuming that a typical process plant has hundreds or thousands of loops and most of them have significant impact over loop variability, prioritizing loop maintenance is essential. The economic impact is based on the concept of Variability Matrix (VM), which is an array that shows the impact of performance improvement of a given loop on the whole plant. The second section of this work is the Diagnostics of some controller problems. The first methodology aims to quantify the stickband in a sticky valve, using only normal operating data of controller output and process variable. An analogous inference model, called Stiction Inference Model (SIM), is proposed to estimate the stickband. In the final contribution, it is proposed a simple method to evaluate the Model Plant Mismatch (MPM) based on Independent Component Analysis (ICA). This analysis is very useful to point out the poor channels models in Model Predictive Controllers. The work ends with concluding remarks and further work.

A indústria calçadista gera uma significativa quantidade de resíduos, sendo uma alternativa para destino destes o tratamento térmico, que reduz o volume e estabiliza componentes perigosos. Por conseguinte, isto vai ao encontro dos novos desafios na busca de fontes de energias alternativas pelo fato da combustão destes resíduos ser bastante convidativa em função do seu alto poder calorífico. Este estudo está focado na análise de uma planta piloto para o processamento de resíduos sólidos da indústria calçadista (biomassa) e posterior aproveitamento térmico na geração de energia elétrica. A planta é constituída basicamente de um sistema de gaseificação e combustão combinadas e um sistema de controle de poluição do ar. O detalhamento do comportamento do gaseificador é fundamental para a maximização da eficiência do processo, sendo assim, abordado neste estudo. Para análise do gaseificador, foi desenvolvida a sua modelagem matemática. Entretanto, sabe-se da indisponibilidade, muitas vezes, do maior ou menor detalhamento de dados experimentais (geometria do sistema, identificação de espécies intermediárias, etc.) para a simulação numérica satisfatória do processo. Neste sentido, são apresentados neste trabalho, dois modelos matemáticos: um modelo rigoroso e um modelo simplificado, com diferentes abordagens e detalhamento de dados a serem informados. O modelo rigoroso considera a cinética química e os fenômenos de transferência envolvidos; já o modelo simplificado, limita-se a um modelo de equilíbrio químico e termodinâmico do sistema. Os modelos foram implementados no simulador de processos genéricos baseado em equações, EMSO. Depois de validados com dados de literatura, os modelos foram aplicados para simulações de condições reais de operação da planta e análise de sensibilidade frente a parâmetros de operação. Ambos modelos conseguiram representar razoavelmente bem o sistema experimental, dentro das limitações de cada abordagem, o que foi possível identificar condições teóricos ideais para operação a fim de se conseguir a máxima eficiência da planta. / The footwear industries generate an expressive amount of solid wastes. So that the thermal treatment technologies are an alternative destination to these wastes, once their filled volume are reduced and dangerous components are stabilized. Consequently, it can be related to new challenge on alternative energy resources due to combustion of these wastes is attractive in reason of their high calorific value. This study is focalized in the analysis of a pilot plant to process solid wastes (biomass) of footwear industries and using of its thermal capacity to generate electrical energy. The pilot unit is basically formed of one combined gasifier-combustor and one air pollution control system. The analysis of gasifier operation is fundamental to improve the process performance, so that evaluated here. To this task, the mathematical modeling of gasification system was developed. However it is well-known that practical data (geometric measures, identification of intermediary compounds, etc.) are oftentimes available on high or low detailed levels to satisfactory process simulation. In this sense, two mathematical models are presented: one rigorous model and one simplified model based on the level of details and input data. The rigorous model takes into account the chemical kinetics and the involved transfer phenomena; on the other hand the simplified model is limited to thermochemical equilibrium of the system. The models were implemented in an equation-based simulator of generic processes, EMSO. After validation with data from literature, the models were applied for simulation of actual operating conditions of pilot plant and sensitivity analyses regarding to operating parameters. Both models compare reasonably well with experimental system, inside of limitations of each approach. This makes possible to predict the ideal operating conditions in order to reach the maximum efficiency of the pilot plant.

A grande dificuldade na simulação de processos envolvendo substâncias naturais é o reduzido número de propriedades termo físicas e dados experimentais disponível na literatura. Devido à diversidade e complexidade das moléculas presentes, o estudo do processamento de compostos naturais ainda é pequeno. Neste trabalho, são investigados modelos para predição de tais propriedades termodinâmicas, fundamentais à modelagem e simulação do processo de destilação em batelada de óleos essenciais. Um método de contribuição de grupos é utilizado para predição da pressão de vapor de substâncias puras (CSGC-PVR), quando dados experimentais não são disponíveis. Em relação ao cálculo do coeficiente de atividade, um modelo totalmente preditivo baseado em química quântica computacional é utilizado (COSMO-SAC). De modo geral, este trabalho tem como objetivo a aplicação de propriedades termodinâmicas preditas em um modelo dinâmico, capaz de descrever o processo de retificação através da destilação em batelada. As simulações foram realizadas no simulador orientado a equações EMSO, a fim de demonstrar a viabilidade do método. Os óleos essenciais de Eucalyptus globulus Labill, Eucalyptus citriodora Hook e Cymbopogon winterianus Jowitt foram selecionados devido ao potencial econômico de suas frações. Inicialmente, um conjunto de dados experimentais é comparado às simulações para validação do método. Em um segundo momento, as simulações são realizadas para correlacionar as condições operacionais e cortes de destilado para as misturas dadas. Os perfis de composição e a determinação dos cortes majoritários são apresentados. Duas alternativas são avaliadas para obtenção de maior pureza nos cortes; o uso de bateladas de reciclo e o controle da razão de refluxo através de uma ação proporcional. A influência de diferentes configurações de coluna também é avaliada, variando o número de estágios teóricos, regime de refluxo e acúmulo de coluna. Os métodos utilizados se mostram capazes de predizer o comportamento do processo de fracionamento e podem ser aplicados a um grande número de óleos essenciais. / The great obstacle in simulating processes involving natural products is the small number of thermo-physical properties and experimental data available in the literature. Due to the diversity and complexity of these molecules, studies concerning essential oils processing is still limited. In this work, thermodynamic models are investigated in order to predict such properties, which are requisites to the modelling and simulation of the essential oil batch distillation process. In this work a group contribution method is used to predict the vapor pressure (CSGC-PVR) when experimental data was unavailable. Regarding the activity coefficients, a fully predictive model based on quantum calculations (COSMO-SAC) is used. Moreover, this work also aims the use of those predicted properties in a dynamic model, capable of describing the fractionation process by batch distillation. The simulations were performed in the equation-oriented simulator EMSO, in order to demonstrate the feasibility of the method. Oils of Eucalyptus globulus Labill, Eucalyptus citriodora Hook and Cymbopogon winterianus Jowitt were selected due to their high production and economic potential of its fractions. Initially, a set of experimental data is compared to the simulations in order to validate the method. Then, simulations are performed to relate operational conditions and distillate cuts for the given mixtures. The distillate composition profiles and the determination of the major cuts are presented. Two alternatives are evaluated in order to obtain cuts of higher purity; the use of a recycle batch and a reflux ratio proportional control based on the distillate composition. The influence of different column configurations is also evaluated, varying its number of theoretical stages, reflux ratio regime and column holdup. The methods used are shown able to predict a reasonable behavior for the fractionation process of the essential oils tested and the method can be extended to most of the essential oils.

Na literatura há vários trabalhos elucidando a importância de ferramentas para auditar malhas de controle. Na indústria, o interesse por esse tipo de software é crescente, devido ao benefício trazido: garantir o exato desempenho para cada controlador significa atingir pontos de operação mais lucrativos. Todavia, as metodologias disponíveis na literatura e nas ferramentas comerciais não provêm medidas conclusivas das características da malha. Conseqüentemente, a análise muitas vezes é confusa e difícil, acarretando um diagnóstico difícil. Reduzir a distância entre a auditoria e o diagnóstico, propondo novas métricas para ajudar o engenheiro no gerenciamento de malhas é o foco central deste trabalho. A presente tese é segmentada em duas partes: auditoria e diagnóstico, dentro das quais se inserem as principais contribuições deste trabalho. A primeira contribuição deste trabalho é a proposição de uma metodologia para decompor o impacto da velocidade do controlador, tempo morto e ruído branco sobre a variância total da malha, auxiliando o engenheiro de processos a tomar uma ação: trocar os parâmetros de ajuste, aumentar a ordem do controlador, substituir o medidor, reduzir o tempo morto, entre outros. O método proposto requer apenas dados de operação normal e o tempo morto da malha, não sendo necessários testes intrusivos, sendo possível a aplicação industrial. O conjunto de métricas propostas foi aplicado em três casos de estudo, fornecendo resultados promissores. Dentro do campo de auditoria, se insere a segunda contribuição: a proposição de uma metodologia para estimação de parâmetros conclusivos (ou determinísticos) para avaliação da performance e robustez de controladores (Máxima Sensibilidade, razão entre o tempo de subida de malha aberta e fechada, razão entre o tempo de assentamento de malha aberta e fechada, entre outros), baseado em índices estocásticos (i.e. métricas que podem ser computadas em tempo real, sem testes intrusivos) e parâmetros da malha (tempo morto, constante de tempo). O modelo de inferência para desempenho e robustez, chamado PRIM, é proposto. Este modelo fornece uma clara indicação do real desempenho e robustez da malha, facilitando a análise e tornando o diagnóstico direto. Além disso, visando elucidar a vantagem dos índices determinísticos sobre os estocásticos, ambos serão aplicados a um conjunto de casos de estudo. A última contribuição no campo de auditoria está na estimação do potencial impacto econômico de cada malha, como ferramenta para hierarquizar sua manutenção. Considerando que uma típica planta química possui centenas ou milhares de malhas e que a maioria delas possui significativo potencial de melhora, a priorização da manutenção é essencial. O impacto econômico é baseado no conceito de Matriz de Variabilidade (VM), que é uma matriz que mostra o impacto da melhora da performance de um controlador sobre a variabilidade de toda a planta. A segunda parte deste trabalho aborda o diagnóstico de algumas avarias comuns em controladores. A primeira metodologia visa quantificar a banda de agarramento em válvulas de controle, que apresentam este fenômeno, através de um modelo de inferência chamado SIM. A metodologia proposta requer apenas dados de operação normal do controlador e planta. A contribuição final deste trabalho é um método simples para avaliação do modelo em controladores preditivos MPCs, baseado na Análise de Componentes Independentes (ICA). Esta análise é bastante útil para indicar os canais que possuem modelo pobre em relação à planta. O trabalho finaliza com as conclusões finais e os trabalhos futuros relativos a esta tese. / Many works available in the literature support the importance of control loop performance assessment (CLPA) tools. Industrially, there is an increasing interest in this area and the reason is trivial: ensuring the exact performance for each loop means allowing it to operate in a high profitable operating point. However, the available methodologies in commercial tools and literature do not provide clear and conclusive metrics of the actual loop performance. Consequently, the diagnostics is not easy, making the analysis sometimes difficult and confusing. The aim of this thesis is to reduce the gap between assessment and diagnostics by proposing a set of metrics to help the engineer in control loop performance management. The thesis is divided into two sections: Assessment and Diagnostic. The first contribution of this work is the proposition of a new methodology to decompose the impact of control loop performance, time delay, and white noise in the total control loop variance, helping the engineer to diagnose the loop performance problem and take the right action to achieve the desired product variability (by changing tuning parameters, changing controller type, replacing instrument, or changing the process, among others). The proposed method does not require any invasive tests, only control loop routine operating data and process time delay, allowing the industrial application of the proposed indices in real time. The methodology was applied in three case studies, providing very good results. The second contribution is propose a methodology to estimate conclusive indices (also called deterministic indices) to evaluate loop performance and robustness (maximal sensitivity, ratio between open and closed loop rise time, settling time, among others), based on stochastic indices (i.e. indices that can be computed using only normal operating data) and process parameters (time delay and time constant). A performance and robustness inferential model (PRIM) for loop assessment will be shown. The PRIM provides a clear picture of loop performance and robustness, making the analysis easier and the diagnostics straightforward. Moreover, this section highlights the limitation and drawbacks of stochastic metrics for CLPA. The last contribution of the Assessment section proposes a method to prioritize loop maintenance, based on the economic impact of each loop. Assuming that a typical process plant has hundreds or thousands of loops and most of them have significant impact over loop variability, prioritizing loop maintenance is essential. The economic impact is based on the concept of Variability Matrix (VM), which is an array that shows the impact of performance improvement of a given loop on the whole plant. The second section of this work is the Diagnostics of some controller problems. The first methodology aims to quantify the stickband in a sticky valve, using only normal operating data of controller output and process variable. An analogous inference model, called Stiction Inference Model (SIM), is proposed to estimate the stickband. In the final contribution, it is proposed a simple method to evaluate the Model Plant Mismatch (MPM) based on Independent Component Analysis (ICA). This analysis is very useful to point out the poor channels models in Model Predictive Controllers. The work ends with concluding remarks and further work.

A indústria calçadista gera uma significativa quantidade de resíduos, sendo uma alternativa para destino destes o tratamento térmico, que reduz o volume e estabiliza componentes perigosos. Por conseguinte, isto vai ao encontro dos novos desafios na busca de fontes de energias alternativas pelo fato da combustão destes resíduos ser bastante convidativa em função do seu alto poder calorífico. Este estudo está focado na análise de uma planta piloto para o processamento de resíduos sólidos da indústria calçadista (biomassa) e posterior aproveitamento térmico na geração de energia elétrica. A planta é constituída basicamente de um sistema de gaseificação e combustão combinadas e um sistema de controle de poluição do ar. O detalhamento do comportamento do gaseificador é fundamental para a maximização da eficiência do processo, sendo assim, abordado neste estudo. Para análise do gaseificador, foi desenvolvida a sua modelagem matemática. Entretanto, sabe-se da indisponibilidade, muitas vezes, do maior ou menor detalhamento de dados experimentais (geometria do sistema, identificação de espécies intermediárias, etc.) para a simulação numérica satisfatória do processo. Neste sentido, são apresentados neste trabalho, dois modelos matemáticos: um modelo rigoroso e um modelo simplificado, com diferentes abordagens e detalhamento de dados a serem informados. O modelo rigoroso considera a cinética química e os fenômenos de transferência envolvidos; já o modelo simplificado, limita-se a um modelo de equilíbrio químico e termodinâmico do sistema. Os modelos foram implementados no simulador de processos genéricos baseado em equações, EMSO. Depois de validados com dados de literatura, os modelos foram aplicados para simulações de condições reais de operação da planta e análise de sensibilidade frente a parâmetros de operação. Ambos modelos conseguiram representar razoavelmente bem o sistema experimental, dentro das limitações de cada abordagem, o que foi possível identificar condições teóricos ideais para operação a fim de se conseguir a máxima eficiência da planta. / The footwear industries generate an expressive amount of solid wastes. So that the thermal treatment technologies are an alternative destination to these wastes, once their filled volume are reduced and dangerous components are stabilized. Consequently, it can be related to new challenge on alternative energy resources due to combustion of these wastes is attractive in reason of their high calorific value. This study is focalized in the analysis of a pilot plant to process solid wastes (biomass) of footwear industries and using of its thermal capacity to generate electrical energy. The pilot unit is basically formed of one combined gasifier-combustor and one air pollution control system. The analysis of gasifier operation is fundamental to improve the process performance, so that evaluated here. To this task, the mathematical modeling of gasification system was developed. However it is well-known that practical data (geometric measures, identification of intermediary compounds, etc.) are oftentimes available on high or low detailed levels to satisfactory process simulation. In this sense, two mathematical models are presented: one rigorous model and one simplified model based on the level of details and input data. The rigorous model takes into account the chemical kinetics and the involved transfer phenomena; on the other hand the simplified model is limited to thermochemical equilibrium of the system. The models were implemented in an equation-based simulator of generic processes, EMSO. After validation with data from literature, the models were applied for simulation of actual operating conditions of pilot plant and sensitivity analyses regarding to operating parameters. Both models compare reasonably well with experimental system, inside of limitations of each approach. This makes possible to predict the ideal operating conditions in order to reach the maximum efficiency of the pilot plant.

Made available in DSpace on 2017-07-10T18:08:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Vilmar Steffen.pdf: 1051925 bytes, checksum: 9d709f48cee722e3da025481c9af852b (MD5) Previous issue date: 2010-02-18 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Reactive distillation is the combination of chemical reaction and separation by distillation in only one equipment (these processes generally take place separately and in sequence in the industries of chemical processes). The integration of these two operations can increase the global performance of the production line. Thus, becomes necessary a previous study of the possibility to join these processes in a single equipment. The tool to start the study on a new process or the optimization of a process in operation is the modeling and simulation. The mathematical models for reactive distillation columns are constituted of a system of non linear equations. Several algorithms for simulation of distillation columns in steady state with different degrees of precision and consequently of difficulties were developed in the last decades. However, these algorithms don't supply a procedure to obtain the initial guesses, that are fundamental for the convergence of the method used to solve the system of non linear equations. In this work was developed an algorithm for the solution of mathematical model that describes the reactive distillation process in columns that operates in steady state. In the developed algorithm was defined a procedure to obtain reasonable initial guesses that facilitates the convergence of the method. The great majority of methods for simulation of distillation column in stead-state solve all the equations simultaneously by a system of non linear equations solution s method. In this work was developed an algorithm step-by-step, to facilitate it s understanding, where the system of non linear equations solution s method is necessary just for the group of equations that models the chemical reactions, so that, two system of non linear equations solution s methods were used, the method of Broyden (a variation of the Newton-Raphson s method) and the homotopy continuation method (or homotopy). The mathematical model was obtained from mass balances, energy balances, sum equations, phase equilibrium and chemical equilibrium or chemical kinetics. The modeling of phase equilibrium is rigorous by means of the calculation of activity and fugacity coefficients, the modeling of the thermal effects is also rigorous by means of the calculation of the residual and excess enthalpies. The developed algorithm was evaluated from examples of the literature and in all cases the obtained results were similar to those found in the literature. / Destilação reativa é a combinação de reação química e separação por destilação em um único equipamento (geralmente estes processos acontecem separadamente e em seqüência nas indústrias de processos químicos). A integração destas duas operações pode aumentar o desempenho global da linha de produção. Desta forma, torna-se necessário um estudo prévio da possibilidade de se reunir estes processos em um só equipamento. A ferramenta para se iniciar o estudo sobre um novo processo ou a otimização de um processo em operação é a modelagem e simulação. Os modelos matemáticos para a coluna de destilação reativa são constituídos de um sistema de equações não lineares. Vários algoritmos para simulação de colunas de destilação em regime permanente com diferentes graus de precisão e consequentemente de dificuldades foram desenvolvidos nas últimas décadas. Entretanto, estes algoritmos não fornecem um procedimento para a obtenção de estimativas iniciais, que são fundamentais para convergência do método utilizado para resolver o sistema de equações não lineares. Neste trabalho foi desenvolvido um algoritmo para resolução do modelo matemático que descreve o processo de destilação reativa em colunas que operam em regime permanente. No algoritmo desenvolvido definiu-se um procedimento de obtenção de estimativas iniciais razoáveis que facilitem a convergência do método. A grande maioria dos métodos para simulação de coluna de destilação em estado estacionário resolve todas as equações simultaneamente com um método de solução de sistema de equações não lineares. Neste trabalho foi desenvolvido um algoritmo passo-a-passo, para facilitar a compreensão do mesmo, onde o método de solução de sistemas de equações não lineares é necessário apenas para o conjunto de equações que modelam as reações químicas, para tal, foram utilizados dois métodos de solução de sistemas de equações não lineares, o método de Broyden (uma variação do método de Newton-Raphson) e o método da continuação homotópica (ou homotopia). O modelo matemático utilizado foi obtido a partir de balanços de massa, balanços de energia, equações de somatória, equilíbrio de fases e equilíbrio químico ou cinética química. A modelagem do equilíbrio de fases é rigorosa por meio do cálculo de coeficientes de atividade e fugacidade, a modelagem dos efeitos térmicos também é rigorosa por meio do cálculo das entalpias residual e de excesso. O algoritmo desenvolvido foi avaliado a partir de exemplos da literatura e em todos os casos os resultados obtidos foram semelhantes àqueles encontrados na literatura.