Orientadores: Rubens Maciel Filho, Jose Carlos Costa da Silva Pinto, Priamo Albuquerque Melo Junior / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-10T00:03:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lucca_EneidaAparecidade_M.pdf: 1657459 bytes, checksum: 56b6b6c35a2802734e03ed28ceb76c67 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Reatores tubulares do tipo loop são amplamente empregados nas indústrias de poliolefinas. No caso da produção de polipropileno, compõem a tecnologia Spheripol. São constituídos de duas seções tubulares interconectadas por um ponto de alimentação e por uma bomba, que promove a recirculação da massa reacional. O simulador dinâmico desenvolvido nesse trabalho é capaz de estimar valores de diversas variáveis chave no monitoramento do processo; dentre elas, o XS e o MFI. As validações feitas mostraram que o simulador é capaz de representar de forma acurada os dados experimentais disponíveis em uma planta real de polimerização, inclusive para ¿N¿ reatores em série / Abstract: Tubular loop reactors are widely used in the polyolefins industries. In the particular case of polypropylene production, loop reactors are part of the Spheripol technology. Loop reactors are composed of two tubular reactors that are connected by a feed point and a pump that is responsible for promoting recirculation of the reaction mass. The dynamic simulator developed here is able to estimate values of several important variables used to monitor the industrial process, like the XS and the MFI. The model was validated with actual industrial data obtained for different reactor configurations, including ¿N¿ reactors in series / Mestrado / Engenharia de Processos / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-16T11:19:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MartinezArias_EdgarLeonardo_M.pdf: 60155872 bytes, checksum: 6edb8dbfd65cb71ea0a617a741e58925 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: A tecnologia da microreação é um importante método de intensificação de processos que oferece numerosos benefícios para a indústria de processos químicos. A elevada razão área superficial-volume aumenta as taxas de transferência de massa e energia, melhorando a eficiência e o desempenho dos reatores, e permitindo um aumento na segurança resultante do baixo hold-up em comparação com o reator convencional. O fluxo de líquidos imiscíveis nos microreatores tem mostrado uma intensificação da transferência de massa através da aplicação de estruturas internas que servem como misturadores passivos, o que aumenta a difusão e, conseqüentemente, aumenta a taxa de reação observada. Nesta dissertação, destaca-se o estudo da hidrodinâmica e da influência dos parâmetros de reação na intensificação da produção contínua de biodiesel em três microreatores com configurações diferentes, através de técnicas experimentais e computacionais. Experimentos foram realizados para caracterizar o óleo de mamona como potencial matéria prima para a produção de biodiesel. Testes reológicos, calorimetria diferencial de varredura (DSC), termogravimetria (TG/DTG) e cromatografia gasosa foram utilizados para determinar as propriedades físicas e químicas do óleo vegetal. Cromatografia de exclusão de tamanho (HPLC/SEC) foi utilizada para avaliar as diferentes variáveis que afetam a reação de transesterificação de óleo de mamona com etanol anidro tendo o hidróxido de sódio como catalisador em um reator em batelada. O efeito da temperatura, razão molar álcool/óleo, concentração de catalisador e tempo de reação foram analisados, observando a variação da composição do meio de reação. Um modelo matemático foi aplicado para descrever a cinética química de transesterificação. Tecnologias de microfabricação convencionais, tais como fotolitografia e litografia macia foram aplicadas na fabricação de microreatores utilizando fotorresiste SU-8 e polidimetilsiloxano (PDMS). Várias dificuldades no processamento do fotorresiste SU-8 para obter estruturas complexas através do processo de fotolitografia foram discutidas. No processo de litografia macia o molde foi fabricado com base em técnicas de fotolitografia, onde o fotorresiste SU-8 foi usado para construir a estrutura dos moldes dos microreatores. Experimentos foram realizados para a análise da influência da geometria do microreator. Três diferentes estruturas foram construídas: T, Omega e Tesla. A mistura dentro dos microreatores para baixos números de Reynolds foi avaliada mediante procedimentos experimentais e simulações de dinâmica de fluidos (CFD). A caracterização qualitativa da mistura foi realizada através da observação da evolução da mistura do óleo de mamona/etanol para diferentes razões de fluxo com base na taxa de transferência de um corante solvatocrômico entre os dois líquidos imiscíveis. Além disso, mediante simulações CFD foi possível caracterizar as circulações internas e capturar o mecanismo de geração de mistura, melhorando a compreensão dos resultados obtidos experimentalmente. Finalmente, a produção contínua de biodiesel foi estudada nos microreatores, a fim de avaliar a influência de parâmetros tais como: geometria, massa de catalisador, temperatura de reação, razão molar etanol/óleo e tempo de residência no rendimento da reação. Os resultados obtidos mostraram que o microreator Tesla exibiu maior mistura e alta conversão para baixos números de Reynolds em comparação com os microreatores T e Omega. Uma conversão de etil ésteres de aproximadamente 98,9% foi obtida no microreator Tesla, enquanto, para os microreatores T e Omega a conversão foi ao redor de 79,1% e 96,2%, respectivamente. Além disso, uma fibra óptica conectada ao espectrômetro portátil no infravermelho próximo foi utilizada para avaliar a possibilidade do monitoramento on-line da reação de transesterificação. / Abstract: Microreactor technology is an important method of process intensification which offers potential benefits to the chemical process industries due to the well-defined high specific interfacial area available for heat and mass transfer, which increases transfer rates, improves efficiency and reactor performance, and enhances safety resulting from low holdups when compared to the conventional reactors. The immiscible liquid-liquid two-phase flow has shown a better intensifying of mass transfer through application of internal structures that serve as passive mixers in microreactors, which enhances diffusive penetration and consequently increases the reaction rates observed. The present work highlights the hydrodynamics and the influence of process parameters in the intensification of the continuous biodiesel production using an alkaline catalyst in three different microreactors through complementary experimental and computational techniques. Initially, experiments were carried out to characterize the castor oil as potential feedstock for biodiesel production. Rheological test, differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetric analysis (TG/DTG) and gas chromatography were performed. Size-exclusion chromatography (SEC) was used to evaluate the different variables that affect the transesterification reaction of castor oil with anhydrous ethanol and sodium hydroxide as catalyst in a jacketed glass batch reactor. The effects of temperature, ethanol/castor oil molar ratio, catalyst concentration, and reaction time were analyzed by observing the variation of the reaction medium composition. A mathematical model was applied to describe chemical kinetic of transesterification based on the reversible mechanism of the reactions. Traditional micromanufacturing technology such as photolithography and soft lithography using SU-8 photoresist and polydimethylsiloxane (PDMS) respectively were employed for fabrication of microreactors. Several difficulties of SU-8 processing to obtain complex structures through the photolithography process have been discussed. In the soft lithography process the mold was fabricated based on photolithography techniques, and SU-8 photoresist was used to construct microreactor structure templates. Experiments were carried out to allow an examination of the influence of reactor path geometry. Three different templates were applied for evaluation: T-, Omega, and Tesla-shaped microreactors. The mixing inside of microreactors at low Reynolds number was evaluated with experimental procedures and computational fluid dynamics simulations (CFD). A qualitative characterization of the mixing was firstly carried out by observing the mixture evolution of castor oil/ethanol at different rate flow ratios on basis of the transfer of a solvatochromatic dye between the two immiscible fluids. In addition, CFD methodologies were developed to characterize internal circulations and to capture the generation mixing mechanism without chemical reaction, improved the understanding of immiscible ethanol/castor oil system. Finally, continuous biodiesel production was studied in the microreactors in order to evaluate the influence of the geometrical parameters, catalyst amount, reaction temperature, molar ratio ethanol to oil, and residence time on performance of the reaction. The Tesla-Shaped microreactor exhibited higher conversions at low Reynolds number when compared with T- and Omega-shaped microreactors. Ethyl ester conversion was about 98.9% in Tesla-shaped microreactor, whereas for T- and Omega-shaped microreactor it was only about 79.1% and 96.2% respectively. On the other hand, fiber-optic near infrared spectroscopy was used to evaluate the possibility of monitoring quantitatively the transesterification reaction on-line. / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Edson Tomaz, Wilson de Figueiredo Jardim / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-05T04:45:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GabardoFilho_Helio_M.pdf: 3819999 bytes, checksum: a1b59cdf4b3995f67840fdb2259da9df (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: O tratamento de efluentes industriais tem se tornado uma etapa fundamental do processo produtivo e os processos biológicos são atualmente o mais aplicado. No entanto, determinados tipos de efluentes não podem ser tratados por esses processos devido ao fato de possuírem características tóxicas o a presença de compostos recalcitrantes. Assim, os Processo Oxidativos Avançados (POA) podem ser aplicados com sucesso na remediação desses efluentes. O objetivo deste trabalho foi o estudo da degradação de fenol com peróxido de hidrogênio e radiação ultravioleta em reatores de seção anular, para avaliação das variáveis que influenciam no processo de tratamento e o desenvolvimento de uma metodologia de projeto de reatores para a determinação das condições ótimas de operação. As variáveis estudadas mediante análise fatorial foram a concentração de peróxido de hidrogênio, o regime de escoamento, a potência da lâmpada e o diâmetro do reator. O processo de degradação do fenol utilizando 'H IND. 2¿¿O IND. 2¿ apresenta um comportamento semelhante ao de reações autocatalíticas e o sistema pode ser arranjado de forma a otimizar sua aplicação, através de uma corrente de reciclo. Para isso foram utilizados dos reatores fotoquímicos de seção anular diferentes que foram operados em sistema contínuo e em batelada com reciclo... Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital / Abstract: Wasterwater treatment has become a fundamental stage of industrial processes. Most wastewater treatment are currently based on biological processes. However, some types of wastewater cannot be treated by such processes due to the fact of possessing toxic. Therefore, the Advanced Oxidation Process (AOP) can be used with success in such wastewater remediation. The aim of this study was to study the degradation of phenol using hydrogen peroxide and ultraviolet in annular section reactor, observing the influence of certain variables in the treatment process and the development of a photochemical reactor design methodology to determine the best operation conditions. The factors studied through factorial analysis were hydrogen peroxide concentration, flow regime, light bulb power and reactor diameter. The phenol degradation process using 'H IND. 2¿¿O IND. 2¿ behaves similar to autocatalytic reactions and this system can be optimized through a recycle flow. Two photochemical reactors were used with different annular section operated both in a continuous flow and batch recycle system. The degradation was monitored by Total Organic Carbon (TOC). Showed to be more significant light bulb power, hydrogen peroxide concentration and reactor diameter, and that there is an interaction effect with these last two factors... Note: The complete abstract is available with the full electronic digital thesis or dissertations / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-05T16:58:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Victorino_IgorRicardodeSouza_D.pdf: 14787602 bytes, checksum: 301a75422a3abe39a4a0cf4033a18eae (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Nas últimas décadas, com o aumento da competitividade do mercado mundial (redução de custos, preços, aumento da produtividade e eficiência dos processos produtivos), houve um grande interesse em aperfeiçoar e otimizar os diversos processos de variadas plantas químicas existentes. Várias técnicas clássicas de otimização vêm sendo utilizadas para tal objetivo, mas muitas dessas se tornaram ineficientes principalmente quando a complexidade do problema vem se tornando cada vez maior, onde várias questões são abordadas como: número elevado de variáveis dos processos, a não linearidade dos modelos, que fornecem inúmeras soluções possíveis, mas não resolvendo os casos de interesse ou não sendo as ideais. Como alternativa uma nova classe de algoritmos, os chamados algoritmos genéticos (uma categoria dos algoritmos evolucionários) vêm aparecendo e sendo aplicados em diversos casos de otimização, atingindo grande popularidade nos últimos anos. Os AGs têm apresentado grande potencialidade e habilidade para resolver problemas de otimização de grande complexidade em diversos campos, incluindo a Engenharia Química. Neste trabalho o principal objetivo é utilizar esta técnica (dos AGs) em um exemplo relacionado a um reator industrial de produção de Álcool Cíclico (AC) otimizando parâmetros operacionais. O Álcool Cíclico é uma importante matéria-prima na produção de nylon tendo grande interesse comercial. A intenção é mostrar que a técnica é adequada para maximização da produção de AC, obtendo bons resultados com melhoramentos dos parâmetros operacionais (redução de catalisador, redução da temperatura do processo e/ou redução das correntes totais de refrigerante), além de se atentar para as questões ambientais como controle de reagentes não reagidos com extrema toxidade. Os resultados são promissores mostrando o aumento do desempenho do processo (aumento considerável na produção do AC) com alterações dos parâmetros operacionais analisados. Esses resultados são excelentes mostrando alto desempenho na produtividade de AC (aumento considerável na produção de AC) com alterações nos parâmetros operacionais analisados. Esses resultados evidenciam que esta nova técnica utilizada é muito promissora e de grande aplicabilidade, não somente para equipamentos individuais, como esse estudo, mas em processos inteiros, podendo ser representados por modelos confiáveis, além de poderem ser aplicados em tempo real, através do controle, manutenção ou melhoria do processo produtivo / Abstract: In the last decades, with the increase of the competitiveness of the world market (reduction of costs, prices, increase of the productivity and efficiency of the productive processes) there was a great interest in to improve and to optimize the several processes of chemical industries. Several optimization classic techniques have been used with that aim, but many of those techniques are not efficientf, mainly when the complexity of the problem is very larger, where several subjects are approached as: high number of variables of the processes, the non-linearity of the models, that supply several possible solutions, therefore not solving the interest cases. As alternative, a new class algorithms, denominated of genetic algorithms (a evolutionary algorithms category) being applied in several optimization cases, reaching great popularity in the last years. The Genetic Algorithms (GAs) have presented great potentiality and ability to solve complex optimization problems in several fields, including the Chemical Engineering. In this work, the main objective is to use this technique (GAs) in an example related to a Cyclic Alcohol (CA) production industrial reactor, optimizing some important operational parameters. The Cyclic Alcohol is an important material for the nylon, of great commercial interest. The interest of this work is to show that the genetic algorithms technique can be useful to CA production maximization, obtaining good results with improvements of the operational parameters (catalyst reduction, reduction of the temperature of the process and/or reduction of the total cooling fluid). Some cares should be considered, mainly when reactants emissions (main reactant) happen in high concentrations causing damages to the environmental, needing to control these emissions because high toxicity. The results are excellent, showing high performance in the CA productivity (considerable increase CA production) with changes in operational parameters analyzed. Those results evidence that this new technique is very promising and great applicability, not only for individual equipments, as this study case (production reactor), but in complete and complex processes that can be represented by a reliable model besides to be applicable in real time, through control, maintenance and improvement of the production process / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Eduardo Coselli Vasco de Toledo / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-07T10:33:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Santos_MarcelaG.Motados_D.pdf: 1519927 bytes, checksum: 9ed575105854208c7e8d99f024c4128a (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: O objetivo principal deste trabalho foi a avaliação de estratégias de controle clássicas e hierárquicas em tempo real. Utilizou-se como estudo de caso a hidrogenação de o-cresol em reator de lama catalítico trifásico com catalisador sólido para validar as propostas de otimização em tempo real, devido à importância inerente deste tipo de processo, uma vez que reatores catalíticos trifásicos estão presentes em muitos processos das indústrias químicas, petroquímicas e afins, havendo uma preferência crescente em comparação com outros tipos de reatores mais convencionais. Foi investigada neste trabalho a performance de algumas versões do algoritmo de controle avançado DMC (Dynamic Matrix Control) em sua forma quadrática (QDMC - Quadratic Dynamic Matrix Control) e adaptativa (STQDMC - Self Tuning Quadratic Dynamic Matrix Control) sob diferentes estratégias de controle (feedback, feedforward e mista). O processo foi representado através de modelos determinísticos e estatísticos. Foi proposta uma metodologia alternativa para a definição dos parâmetros ótimos do modelo para a faixa de operação válida para este estudo baseada em princípios de análise de superfícies de resposta. Devido à importância de otimização dos processos para o alcance de objetivos operacionais e econômicos, foram também avaliadas estruturas de otimização em duas camadas, utilizando-se para este fim os algoritmos de otimização baseados nos procedimentos de Levenberg-Marquardt e SQP (Sequential Quadratic Programming). Foram propostas estruturas tradicionais de otimização em duas camadas, na qual o otimizador gera os set-points para o controlador, mas, além disso, foi proposta uma estrutura alternativa, na qual o otimizador, além de gerar os set-points para o controlador, envia também os valores ótimos para a variável manipulada, tornando este procedimento, na maioria dos casos, mais rápido e eficiente. Ainda no campo da otimização em tempo real, são apresentadas as bases matemáticas para a implementação de uma estrutura de otimização em uma camada, na qual os problemas de controle e otimização são resolvidos simultaneamente, sendo este procedimento sugerido como sugestão para trabalhos futuros. Os estudos realizados neste trabalho permitiram concluir que a estratégia de otimização em duas camadas apresenta resultados satisfatórios. Além disso, sempre deve-se ter em mente os objetivos de controle e otimização para que se possa ponderar a utilização das estratégias de controle feedback ou feedforward, e até mesmo uma combinação entre as duas / Abstract: The principal objective of this work was the evaluation of classic and hierarchical control strategies in real time. It was used as case study the o-cresol hydrogenation in a three-phase slurry reactor with solid catalyst to validate the real time optimization approaches, due to the inherent importance of this process, since these reactors are present in many processes of the chemical and petrochemicals industries, with growing preference in comparison with other types of more conventional reactors. It was investigated the performance of some versions of the advanced control algorithm DMC (Dynamic Matrix Control) in a quadratic (QDMC - Quadratic Dynamic Matrix Control) and adaptive (STQDMC - Self Tuning Quadratic Dynamic Matrix Control) form under different control strategies (feedback, feedforward and mixed). The process was represented through deterministic and statistical models. An alternative methodology was proposed for the definition of the optimal model parameters for the valid operational range based on principles of response surface analysis. It was evaluated two-Iayers structure optimization, using optimization algorithms based on Levenberg-Marquardt and SQP (Sequential Quadratic Programming) procedures. Traditional two-layers optimization approaches were proposed. In this approach the optimizer generates the set-points for the controller. Besides, an alternative approach was proposed where the optimizer, besides generating the set-points for the controller, also sends the optimal values for the manipulated variables, becoming this procedure, in most of the cases, faster and efficient. In relation to real time optimization, the mathematical bases are presented for the one-Iayer optimization approach implementation. Here the control and optimization problems are simultaneously resolved. According to this work, the two-Iayers optimization approach presents suitable results. Besides, it should always be considered the control and optimization objectives, in order to weight the feedback or feedforward control strategies and even a mixed one / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

Orientador: Reginaldo Guirardello / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-09T08:35:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rodrigues_FabiodeAvila_M.pdf: 1616530 bytes, checksum: 3c6790416d2f31542bbb8595ccea194d (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Uma das preocupações do mundo atual é com o suprimento de energia nas próximas décadas, uma vez que a principal fonte de energia utilizada hoje é o petróleo, e por se tratar de combustível fóssil não é renovável. Em particular, o fornecimento de combustível líquido para veículos automotores é de fundamental importância. A hidrólise ácida de materiais lignocelulósicos, e a subseqüente fermentação do hidrolisado para obter etanol, tem sido considerada uma alternativa importante para produzir etanol em larga escala. O objetivo desse estudo foi avaliar a tecnologia de hidrólise ácida do bagaço de cana para produzir glicose e furfural simultaneamente. O modelo cinético do reator considera a celulose como glicose potencial e partículas pequenas (_ 0,5 mm), assim as reações podem ser consideradas irreversíveis de primeira ordem pseudo-homogêneas e se minimiza os efeitos difusivos. Os efeitos fluidodinâmicos no reator foram estudados. Com os melhores rendimentos do reator foi conduzida a simulação no UNISimTM do ¿Process Flow Diagram (PFD)¿ desenvolvido. A avaliação econômica teve por objetivo estudar a viabilidade econômica do processo. Em relação ao reator pode-se dizer que o modelo proposto prevê que a altas temperaturas (T = 240 oC), curtos tempos espaciais (30 s) e baixas concentrações de ácido sulfúrico ( 0,5 % peso) obtêm-se as maiores rendimento tanto de glicose quanto de furfural. Em relação à fluidodinâmica, as velocidades terminais das partículas tipo fibra e pó são muito pequenas, assim a suspensão não pode ser alimentada no topo do reator. A variável considerada na simulação no UNISimTM do diagrama de fluxo de processo desenvolvido foi a fração mássica de sólidos e a vazão mássica da suspensão de bagaço de cana. A simulação no UNISimTM conduziu a avaliação econômica das frações mássicas de sólidos de 15% e 25%. Quanto à análise econômica, o processo produz aproximadamente 2,042 milhões de kg de etanol e 1,47 milhões de kg de furfural anualmente. O investimento de capital fixo estimado foi de US$ 1,388 milhões e de equipamento foi de US$ 295 mil. Isso gera um lucro bruto médio anual de US$ 0,414 milhões e tem um fluxo de caixa operacional anual de US$ 0,174 mil / Abstract: One of the current concerns in the world is the energy supply for next decades, since the main energy source used nowadays is oil, a not renewable and increasingly expensive fossil fuel. Acid hydrolysis of cellulosic materials, with a subsequent fermentation of the hydrolyzed to obtain ethanol, has been considered an important alternative to produce ethanol on large scale to achieve the aims related to the production of carburetant alcohol from sugar cane. The objective of this study was to evaluate the technology of acid hydrolysis from sugarcane bagasse to produce simultaneously glucose and furfural. The model considers fluid dynamics, the cellulose as potential glucose and small particles (_ 0.5 mm), so the reactions can be considered pseudo-homogeneous irreversible first-order. The Process Flow Diagram was developed with the best yields of the reactor. The economic analysis the economic feasibility of the process was evaluated. An isothermal plug flow reactor was used to study the continuous acid hydrolysis of pretreated sugarcane bagasse. The model developed can predict glucose and furfural best yields of 75% and 50%, respectively, at 240 oC, 0.5 % wt and 30 s of residence time. According to the fluid dynamic, the terminal velocity of fibre-type and pith-type particles are very small, thus the suspension cannot be fed at the top of the reactor. Moreover, the risk of deposition of particles in the reactor is prevented. The variables analyzed for the simulation in UNISimTM are solids weight fraction and suspension flow rate. The simulation in UNISimTM leaded to economic analysis of solids weight fraction of 15% and 25%. According to economic analysis, the optimal operational plant uses 48 (13332 kg/h) tons of sugarcane bagasse daily. It produces about 2.042 million kg of ethanol and 1.47 million kg of furfural annually. The fixed capital investment in plant and equipment is estimated at US$ 1.388 million and US$ 0.295 million, respectively. It generates annual gross profit of US$ 0.417 million and has operating profits of US$ 0.174 million / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Jose Roberto Nunhez / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-10T17:37:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Spogis_Nicolas_M.pdf: 4452795 bytes, checksum: 7a20afda92e9e3627bb4f46cbb630b88 (MD5) Previous issue date: 2002 / Resumo: Tanques de mistura são muito usados na indústria química, petroquímica, farmacêutica e alimentícia, onde a eficiência das operações de mistura freqüentemente tem um grande impacto no custo de produção e na qualidade do produto. O objetivo deste trabalho é determinar curvas para Número de Potência versus Número de Reynolds, para os impelidores mais comumente utilizados na indústria química, através da fluidodinâmica computacional. Os principais fluxos gerados pelos impelidores estudados serão determinados tanto para escoamentos laminares quanto turbulentos, calculando-se o bombeamento gerado e os padrões de circulação gerados no tanque. Através dos resultados numéricos gerados pelo modelo proposto, serão determinadas correlações empíricas para as curvas para Número de Potência versus Número de Reynolds, a fim de gerar uma ferramenta útil e prática para utilização em projetos de sistemas de agitação e ¿scale-up¿. O presente trabalho tem como objetivo mostrar que um projeto adequado de um sistema de mistura pode minimizar os gastos energéticos do equipamento e seu tempo de processamento, além de melhorar a uniformidade do processo, impedindo, ou minimizando, a formação de zonas mortas. A fluidodinâmica computacional mostrou que tem um grande potencial para melhorar sistemas de agitação, permitindo aos engenheiros simular o desempenho de sistemas alternativos, tentando emparelhar parâmetros de operação, projeto mecânico e manipulação das propriedades fluidas ou, então, otimizar sistemas reacionais já implantados na indústria / Abstract: Stirred vessels are widely used in chemical, petrochemical, pharmaceutical and food industries, where the mixing efficiency of the mixture frequently has a great impact in the product production cost and quality. The objective of this work is to build curves of Power Number versus Reynolds Number, for the most commonly used impellers in the chemical industry, through the use of CFD -computational fluid dynamics. The main flow generated by the studied impellers, the pumping number and the flow patterns in the tank will be determined. Through the numeric results generated by the proposed model, it is determined empiric correlations for Power Number versus Reynolds Number curve, in order to generate a useful and practical tool to be used in the design and scale-up of agitation systems. The present work aims to show that an optimized project of a mixture system can minimize the equipment power consumption and its processing time, improving uniformity for the whole process, minimizing the formation of dead zones. The computational fluid dynamics has proved to have a great potential to improve agitation systems, allowing the engineers to simulate alternative systems, trying to match operation parameters, equipment design and the fluids properties and also optimizing reactors that already implanted in the industry / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-11T18:20:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pontes_KarenValverde_D.pdf: 6046859 bytes, checksum: 07c62254e493125c08f79bb23d284453 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Para o desenvolvimento de novas resinas poliméricas ou para a melhoria da qualidade de resinas já existentes, usualmente realizam-se experimentos em escala industrial ou em planta piloto. Entretanto, tais práticas são altamente imprecisas, demoradas, caras e levam à formação de produtos fora de especificação. Ferramentas baseadas em modelos matemáticos são alternativas atraentes para contornar essas desvantagens e, portanto, o incentivo para o desenvolvimento de políticas operacionais ótimas para os reatores de polimerização tem crescido muito nos últimos anos. Neste escopo, o presente estudo aborda o projeto de resinas de polietileno com propriedades feitas sob medida, as quais compreendem não apenas as médias da distribuição de peso molecular (DPM), mas também toda a DPM, já que algumas propriedades de uso final são melhores correlacionadas com certas frações da DPM. O caso de estudo é a polimerização do eteno em solução com catalisador Ziegler-Natta, que ocorre em uma série de reatores agitados e tubulares contínuos. Devido à presença de dois tipos de reatores, diversas resinas podem ser produzidas. Inicialmente, são realizados planejamentos fatoriais tipo Plackett-Burman para determinar as variáveis mais importantes, e portanto que devem ser consideradas como variáveis de decisão na futura otimização. Além disso, planejamentos fatoriais completos e superfícies de resposta permitem uma fácil identificação de comportamentos não lineares e um melhor entendimento do processo. Dois métodos diferentes de otimização são utilizados: algoritmos baseados em SQP (sequential quadratic programming) e algoritmo genético. No primeiro método, o processo é modelado como um sistema multi-estágio no estado estacionário, de modo que métodos de otimização dinâmica ou controle ótimo são adequados para resolver o problema ao se considerar a coordenada axial do reator tubular como variável independente ao invés do tempo. Ambos os métodos de otimização mostram ótima predição das propriedades desejadas do polímero, sendo que a performance do algoritmo genético melhora quando a solução da otimização baseada em SQP é incluída na população inicial. / Abstract: In order to design new polymer grades or to improve the quality of existing polymer resins, usually pilot plant or industrial scale experiments are carried out. Such practices, though, are highly imprecise, time delayed, result in high costs and lead to off-spec products. Model based tools present an attractive alternative to overcome such disadvantages and therefore, in recent years, there is an increasing incentive to develop optimal operating policies for polymeric reactors. Whithin this scope, the present study approaches the design of polyethylene resins with tailored properties that comprehend not only average properties, but also the whole molecular weight distribution (MWD), since some end-use properties are better correlated with certain fractions of the MWD. The case study is the ethylene polymerization in solution with Ziegler-Natta catalyst, which takes place is a serie of continuous stirred and tubular reactors. Due to the presence of two types of reactors, a broad range of polymer resins can be produced. Initially, Plackett-Burman designs of experiments is carried out in order to ascertain the most important variables that should be considered as degrees of freedom for the future optimization. In addition to that, complete factorial designs and surface responses allow for an easy identification of nonlinear behaviors and a better understanding of the process. Two different methods are employed for the optimization: SQP based algorithms and genetic algorithm. For the former, the process is modeled as a multi-stage system at the steady state, in such a manner that optimal control tools are suitable to solve the problem if the axial coordinate of the tubular reactor is the independent variables, replacing time. Both methods present good prediction of the desired polymer properties and the performance of the GA improves when the solution of the SQP optimization is included in the initial population. / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Flávio Vasconcelos da Silva, Pedro Leite de Santana / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-23T16:15:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Jesus_JosiasMaximode_D.pdf: 3058451 bytes, checksum: e1bd549f7ad9180f71742e7b191881cb (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Os reatores de leito fixo constituem importantes sistemas da engenharia química, com muitas aplicações em diversos processos industriais, notadamente no campo das indústrias de refino do petróleo e petroquímica. Do ponto de vista da analise de processos químicos, se mostra relevante o estabelecimento de modelos matemáticos representativos que possam ser aplicados ao projeto, a otimização e ao controle desses sistemas. Neste trabalho, apresenta-se a modelagem matemática fenomenológica de um reator de leito fixo para a síntese de anidrido ftalico por oxidação de o - xileno, considerando-se as resistências difusionais mássicas e térmicas externas associadas ao processo de reação catalítica, o qual e realizado com catalisadores não porosos a base de óxidos de vanádio e titânio. O modelo matemático foi implementado como um modulo computacional para simulação do processo nos estados estacionário e dinâmico, a partir do qual se fez um estudo de sensibilidade paramétrica que mostrou à forte influencia da temperatura e da concentração de o - xileno na corrente de alimentação, bem como da temperatura do fluido térmico, no comportamento global do reator. Essas constatações permitiram a proposição de estruturas de controle com o objetivo de regular a concentração do produto na saída do reator e manter uma condição térmica operacional segura. Para o controle do reator foram consideradas duas estruturas: (i) um esquema de controle direto da concentração utilizando um controlador convencional PI e um controlador por lógica fuzzy (Fuzzy-PI) e (ii) um esquema de controle cascata concentração-temperatura utilizando também controladores convencionais PI e Fuzzy-PI nas duas malhas (primaria e secundaria) que compõem a estrutura cascata. Cada controlador teve seu desempenho analisado mediante perturbações do tipo degrau impostas nas condições de alimentação dos reagentes (composição e temperatura). Os resultados evidenciaram um bom desempenho das estruturas de controle cascata, que se mostraram eficientes para controlar a concentração do produto na saída do reator e garantir ao mesmo tempo um regime térmico seguro. Na presença de ruído, os controladores Fuzzy-PI apresentaram um desempenho superior ao dos controladores PI convencionais / Abstract: Fixed bed reactors are important systems in chemical engineering with several applications in many industrial processes, mainly in petroleum refining and petrochemical industries. A comprehensive view on these systems through mathematical modeling is crucial for design, optimization and control issues. This work presents a phenomenological mathematical model for a fixed bed reactor applied to the phthalic anhydride synthesis from o-xylene oxidation using supported non-porous V2O5-TiO2 catalyst. All resistances due to mass and heat flows from the fluid phase to the catalytic particle surface are considered in the mathematical formulation. The mathematical model consisted of a Matlab based computational code for the process simulation both in dynamic and steady-state conditions, providing a parametric sensitivity study that showed the intensive influence of the feed conditions in terms of temperature and o-xylene concentration, as well as the effect of thermal fluid temperature on the global reactor behavior. These observations provided control structures to regulate product concentration leaving the reactor and to avoid the formation of excessive hot spots along the catalytic bed, what is a necessary condition to maintain a safe thermal system operation. It were proposed two structures to control the reactor: (i) a straightforward scheme to control the concentration of phthalic anhydride in the reactor outlet using conventional PI and fuzzy PI controllers, and (ii) another scheme based on a cascade control temperature-concentration also using conventional and fuzzy PI controllers in two (primary and secondary) loops. The behavior of each controller was analyzed by imposing stepwise perturbations in inner o-xylene concentration and in the temperature of the feed. The results showed a good performance of cascade-type controllers, providing the proper regulation of the controlled variable and a safe thermal regime for the system operation. On the other hands, fuzzy logic controllers exhibited better performance for the reactor regulation when measurement noise was taken in account / Doutorado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Doutor em Engenharia Química

Orientador: José Roberto Nunhez / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-18T14:31:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Spogis_Nicolas_D.pdf: 69966083 bytes, checksum: 554cc0001f4c590e07f36262cc8c616b (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Atualmente o ciclo de desenvolvimento de produtos requer um baixo tempo de projeto e mínimos custos. Ao mesmo tempo, a qualidade final do produto não deve ser afetada; pelo contrário, as companhias precisam melhorar seus produtos para se manterem no mercado competitivo. Em muitas indústrias, o uso de software de otimização de projetos está se tornando a principal ferramenta para alcançar rapidamente estas metas aparentemente contraditórias. O projeto de processos químicos e equipamentos é uma tarefa que exige um apoio experimental significante e um grande número de protótipos e testes. Visando reduzir o tempo de desenvolvimento, os softwares ANSYS CFX e modeFRONTIER foram acoplados a fim de obter um projeto de um impelidor de alta eficiência para aplicações "flow-controlled" e para mistura de produtos de baixa viscosidade. A análise de desempenho do impelidor foi realizada através do modelo de turbulência SST (Shear- Stress Transport) acoplado com um modelo de correção para curvatura das linhas de correntes. O modelo SST combina as vantagens dos modelos k- ? e k-?, garantindo uma excelente relação entre a tensão turbulenta e energia cinética turbulenta, além de fornecer uma predição precisa e robusta de descolamentos/separações da camada limite. Os modelos "Multiple Frames of Reference" e "Frozen Rotor Frame Change" foram usados para investigar a interação entre as partes móveis (impelidor) e as partes estáticas (parede do vaso e chicanas) no tanque de mistura. Um algoritmo estocástico robusto (MOGA II) foi utilizado como método de otimização. A otimização multi-objetivo possui sete variáveis de entrada, duas restrições não lineares, e duas funçõesobjetivo. Através deste estudo foi possível obter um aumento simultâneo da capacidade de bombeamento do impelidor e da homogeneidade de mistura / Abstract: Nowadays product development cycle requires shorter turnaround times and lowers costs. At the same time, quality should not suffer; on the contrary, companies need to improve their products in order to remain competitive. In many industries, the use of design optimization software is fast becoming the major way to achieve these apparently conflicting goals. The project of chemical processes and equipments is a task that demands a significant experimental support and a great number of prototypes and tests. Aiming at reducing the development time, ANSYS CFX tools have been successfully coupled to modeFRONTIER so as to lead to an optimal design of a high efficiency impeller for flow-controlled, low viscosity applications. The analysis of impeller shape performance was carried out with the SST (Shear-Stress Transport) model coupled with the streamline curvature turbulence model. The SST model combines the advantages from the k-? and k-? models, ensuring proper relation between turbulent stress and turbulent kinetic energy and allowing accurate and robust prediction of the impeller blade flow separation. The Multiple Frames of Reference and the Frozen Rotor Frame Change model were used in order to investigate the rotor/stator interaction inside the mixing vessel. A robust stochastic algorithm was used for the automatic multi-objective constrained shape design process. The multi-objective function has seven design variables, two nonlinear constraints, and two objective functions. Simultaneous increase of the impeller pumping capacity and mixing vessel homogeneity were achieved using this method / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química