Orientador: Sergio Persio Ravagnani / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-07T03:49:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Trochmann_JoseLuizLino_D.pdf: 1070584 bytes, checksum: 3407aee7ad6d88d9de0a1326aaf3d29d (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Neste trabalho de tese foi realizado um estudo do potencial de predição de propriedades de transporte em matrizes poliméricas de poli - imidas, utilizando a simulação dinâmica molecular de gases simples como Oxigênio, Nitrogênio e Dióxido de Carbono. A propriedade de transporte de interesse prático, a permeabilidade de uma membrana polimérica a um dado penetrante, envolve a determinação de propriedades de ordem cinética e termodinâmica, respectivamente a determinação do coeficiente de difusão e da solubilidade deste penetrante na matriz polimérica. Atenção especial foi conferida à propriedade cinética, pela predição do coeficiente de autodifusão dos penetrantes. Num procedimento experimental clássico é de vital importância para significância das conclusões derivadas dos experimentos, o uso de amostras de membranas poliméricas adequadamente preparadas quanto à composição química, estrutura física e morfologia. Analogamente, quando se utiliza a simulação molecular para a predição de propriedades, tais como o coeficiente de autodifusão, também é de fundamental relevância para os resultados obtidos, a qualidade dos modelos moleculares das matrizes poliméricas, que serão usados como base. Assim para a preparação de modelos moleculares com o adequado empacotamento, um procedimento para a obtenção de modelos bem equilibrados foi desenvolvido neste trabalho. Os modelos moleculares desenvolvidos foram usados para a obtenção dos valores de massa específica em função da temperatura, e comparados aos valores experimentais disponíveis e quando necessário a, valores preditos por meio da expressão de massa específica em função da temperatura, acima e abaixo da temperatura de transição. A capacidade do modelo molecular desenvolvido em predizer a massa especifica e temperatura de transição vítrea foi usada como critério para a validação da adequação do empacotamento proposto para o referido modelo molecular da matriz polimérica. Os modelos validados de empacotamento, células amorfas, foram utilizados para o cálculo do coeficiente de autodifusão dos gases acima mencionados, através do da simulação dinâmica molecular. A comparação dos coeficientes de autodifusão obtidos das poli-imidas aromáticas e éster imidas, BAAF, 6FDA-ODA, PMDA-ODA e BA-20DA, para os gases O2, N2 e CO2, com os dados experimentais, permitiu concluir a adequação das células amorfas e do esquema de simulação dinâmica molecular para a predição do coeficiente de autodifusão.. A versão preditiva de Vrentas e Duda, baseada na teoria do volume livre, foi utilizada para a predição dos coeficientes de autodifusão da água e do etanol para as poli-imidas acima. , Estes valores, quando comparados com os valores obtidos através da simulação dinâmica molecular mostram a validade de ambas as teorias para a predição da cinética de difusão de penetrantes em matrizes poliméricas complexas / Abstract: In this thesis a study of the predictive potential of the molecular dynamic simulation was performed for transport properties of light gases in polyimide matrix. From de practical point of view permeability is the property of most interest, and involves kinetics as well as thermodynamics properties, diffusion coefficient and solubility of the penetrants molecule in the bulk polymeric matrix, this work will be focus in the former. As important as is in as experimental work, a well prepared polymeric membrane is essential for the significance of the draw conclusions. Therefore a special attention was take in the preparation of the bulk molecular polymeric model, the so called amorphous cell, in order to obtain well-equilibrated molecular packing models for the polyimide matrixes. The amorphous cells were prepared throughout thermodynamic transforms, using one or more of the statistical ensembles and cell specific volume obtained as a function of temperature, this data was compared against the experimental data available, and when necessary to data obtained via predictive methods. The molecular packing model ability to predict the glass transition temperature was used as criteria to validate de amorphous cell, to be used in the molecular dynamic' simulations allow the matrix to be locally flexible and coupled to the classic molecular dynamics simulation. The resulting self diffusion coefficients for the polyimide, BAAF, 6FDA-ODA, PMDA­ODA and BA-20DA for the gases O2, N2 e CO2 were compared to the experimental data. The lack of quality experimental diffusion data available for polyimide membranes for larger penetrants as water and ethanol, showed up as a good opportunity to assess the predictive capability of the molecular dynamic simulation for self diffusion coefficients, considering the relevant technological relevance of polyimide membranes for pervaporation process. The data of self diffusion coefficient produced by the predictive version of free-volume theory after Vrentas and Duda, was compared with the data produced via coupled molecular dynamic simulation for the water and ethanol penetrants, showing the relevance of both theories for the prediction of penetrants kinetic in complex polymeric matrixes / Doutorado / Ciencia e Tecnologia de Materiais / Doutor em Engenharia Química

Orientador: Leila Peres / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-11T09:27:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_Deniltonda_D.pdf: 3140539 bytes, checksum: 167c6095412deb4ab1d9dd96d26efcb7 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Na indústria de papel e celulose os processos de separação por membranas, como a ultrafiltração (UF) e a nanofiltração (NF), são utilizados para a recuperação de diversas espécies presentes nos resíduos da digestão da madeira que são atrativos para outras aplicações, tais como a lignina e açúcares, e em especial os lignossulfonatos, auxiliando também na recirculação de água do processo e na redução do teor poluente do efluente. Devido à sua gama de aplicações, existe hoje um mercado próprio de industrialização de lignossulfonatos obtidos a partir de subprodutos da indústria de papel, contexto em que se insere o interesse deste trabalho que teve como objetivo o estudo da recuperação por nanofiltração, no retentado, da fração de lignossulfonatos de baixa massa molar (<5000 g/mol) que não é recuperada pelo processo prévio de ultrafiltração do efluente de indústria de papel com processo sulfito, empregando membranas poliméricas comerciais NF e NF270, fornecidas pela Filmtec, Dow Liquid Separations, EUA. Os experimentos e as análises foram realizados de acordo com um planejamento experimental fatorial 2² (duas variáveis, dois níveis), em duplicata, onde as variáveis de processo estudadas foram: tipo de membrana e a pressão. As variáveis de resposta estudadas foram: fluxo de permeado, retenção baseada nos sólidos totais e na absorbância UV-VIS, massa molar média, condutividade e pH. A temperatura utilizada foi de 45°C e a placa suporte com 43,7% de área perfurada. O planejamento experimental possibilitou a determinação de modelos matemáticos para a previsão do fluxo de permeado de água pura e fluxo de permeado de amostra de lignossulfonato em função das variáveis estudadas, e para estes parâmetros os melhores resultados foram alcançados com as variáveis em nível superior: membrana NF270 e pressão 24 bar. A avaliação da retenção de lignossulfonatos, tanto através da análise de sólidos totais (diminuição de até 51,79% no teor de sólidos totais), bem como através da leitura de absorbância UV 280 nm (diminuição de até 84,26%, na absorbância), apresentou os melhores resultados com as variáveis em nível inferior: membrana NF e pressão 18 bar, como era esperado. Na análise da massa molar média de lignossulfonatos, realizada por Cromatografia de Permeação em Gel (GPC), o processo de nanofiltração apresentou capacidade de fracionamento, com Massa Molar Ponderal Média ( w M ) de 1994 g/mol para a alimentação, 2327 g/mol para o retentado e 1043 g/mol para o permeado. Para o estudo do conteúdo iônico (condutividade e pH) os resultados não apresentaram significância estatística. Estudo preliminar também foi realizado com o objetivo de avaliar a influência da área perfurada da placa-suporte da membrana no fluxo de permeado e permeabilidade hidráulica, utilizando-se três diferentes tipos de placa metálica como suporte para as membranas, todas com área total filtrante de membrana de 15,90 cm², mas com diferentes áreas perfuradas em relação à área total filtrante: 25,3%, 36,5% e 43,7% de área perfurada, respectivamente. Este estudo apresentou melhores resultados de fluxo para a maior área perfurada, indicando que para comparações entre valores de fluxo de permeado obtidos em células de fluxo perpendicular, é fundamental a informação da área perfurada da placa-suporte / Abstract: Membrane separation processes like ultrafiltration (UF) and nanofiltration (NF) are used in the pulp and paper industry to the recovery of several species present in the wood digest waste that are interesting to other applications as lignin, sugars and specially lignosulfonates, improving the recirculation of the water in the pulping process and the reduction of the pollutants in the waste water as well. Due to their wide range of applications, there is presently a specific market for lignosulfonates obtained from paper industry as byproducts, context where this study is inserted. The main objective is to recover by nanofiltration (NF) the low molecular weight lignosulfonates fraction (<5000 g/mol) from the permeate produced in a previous current ultrafiltration process of the paper industry effluent with sulphite process, using polymeric membranes NF and NF270, supplied by Filmtec, Dow Liquid Separations, USA. The assays and the analysis where conducted according to a 22 full factorial design (two variables, two levels), where the studied independent variables were: type of membrane and pressure. The studied dependent variables were: permeate flux, retention based on total solids and on UV-VIS absorbance, average molecular weight, conductivity and pH. The temperature used was 45°C and the perforated area of the support plate was 43.7%. The used full factorial design enabled the determination of mathematical models to predict the permeate flux of pure water and of lignosulfonate samples as a function of the studied variables. The best results to these parameters were achieved with the variables at the superior level values: membrane NF270 and pressure of 24 bar. The evaluation of the lignosulfonates retention using the total solids data (decrease of up to 51.79% in total solids in the permeate) or using the UV 280 nm absorbance data (decrease of up to 84.26% in absorbance in the permeate), as expected presented the best results with the variables at the inferior level values: membrane NF and pressure of 18 bar. In the analysis of the averaged molecular weight of lignosulfonates obtained by Gel Permeation Chromatography (GPC), the nanofiltration process presented fractioning capacity with Averaged Molecular Weight ( w M ) of 1994 g/mol to the sample, 2327 g/mol to the concentrated and 1043 g/mol to the permeated. The results have not presented statistical significance to the ionic content (conductivity and pH). Preliminary study were also conducted to estimate the influence of perforated area (%) of metallic plates used to support the membranes in the permeate flux and hydraulic permeability, using three different types of metallic support plates, each one with a total filtration membrane area of 15.90 cm2, but with different perforated areas (%) related to the total filtration area: 25.3%, 36.5% and 43.7%. This study presented better water permeate flux results to the biggest perforated area, indicating that when comparing permeate flux values obtained in perpendicular flux cells, the information of the perforated area (%) of the support plate is important / Doutorado / Ciencia e Tecnologia de Materiais / Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Maria Regina Wolf Maciel, Mario Eusebio Torres Alvarez / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-11T16:17:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Araujo_WilsonAndaleciode_D.pdf: 2993508 bytes, checksum: 29abb03a65a80f6c9835367e0cb49d50 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Os processos de separação com membranas (PSM) têm sido considerados como alternativa a processos clássicos de separação. Esta é uma área de estudo que apresenta uma forte interdisciplinaridade. Há um crescente interesse nestes processos para diversas aplicações como, por exemplo, tratamento de efluentes industriais, desalinização de águas, purificação e concentração de correntes da indústria alimentícia. A separação, em geral, não envolve mudança de fase, o que significa economia no consumo de energia e operações a temperaturas moderadas. Na tecnologia de separação com membranas, os componentes das misturas líquidas ou gasosas são separados ao permearem de forma seletiva através de uma membrana. As membranas podem ser poliméricas ou cerâmicas. A corrente de alimentação é dividida em duas correntes de saída: a que permeou através da membrana (permeado) e a corrente concentrada retida (¿retentate¿). Estes processos têm sido aplicados no processamento de bebidas, sucos, e aromas. Neste trabalho, dois PSM foram estudados, a Osmose Inversa (OI) e a Pervaporação (PV). Experimentos em escala piloto foram realizados empregando-se o processo de OI (membrana de poliamida) para a concentração de suco de laranja a 20°Brix. Avaliou-se a retenção de compostos de voláteis (acetaldeído, metanol e etanol) monitorando-se as correntes de alimentação e permeado. Os resultados de retenção de aromas obtidos não foram satisfatórios. A membrana apresentou baixas retenções para os voláteis monitorados na temperatura usada para realização dos experimentos. Na segunda etapa do trabalho, o processo de PV foi avaliado para recuperação de um importante éster do suco de laranja, o etil butirato. O software PERVAP, um simulador Fortran essencialmente preditivo, foi empregado no estudo de desempenho do processo para duas membranas, polidimetilsiloxano (PDMS) e polioctilmetilsiloxano (POMS). Realizou-se a predição de propriedades de membranas poliméricas para incremento da capacidade preditiva do simulador. Foram empregados métodos de contribuição de grupos para predição das propriedades dos polímeros. Os dados de viscosidade preditos para o POMS viabilizaram a realização de cálculos para obtenção de parâmetros requeridos para operação do simulador. A abordagem proposta proporcionou maior versatilidade ao simulador / Abstract: The membrane separation processes (MSP) have been considered as alternative for conventional separation processes. In this research area a strong interdisciplinarity is observed. There is an increasing of interest for these processes considering many aplications (e.g., industrial wastewater treatment, water desalination, purification and concentration of food industry streams). The separation usually does not requires phase change, which means energy savings and moderate temperatures. A membrane separation system separates an inlet stream into two effluent streams known as the permeate and the retentate. The permeate is the portion of the fluid that has passed through the membrane. Whereas the retentate stream contains the constituents that have been rejected by the membrane. The membrane can be polymeric or ceramic. These processes have been applied for processing beverages, juices and aromas. In this work, two of these processes were studied, Reverse Osmosis (RO) and Pervaporation (PV). Pilot scale experiments were accomplished using RO (poliamide membrane) for concentrating single strength orange juice at 20ºBrix. The retention of volatile compounds (acetaldehyde, methanol and ethanol) was evaluated by monitoring feed and permeate streams. The retention results obtained were unsatisfactory. The membrane presented low retention for monitored volatiles under studied temperature conditions. In the second stage of this work, the PV process was evaluated for recovering an important ester of orange juice, the ethyl butyrate. The PERVAP software, an essentially predictive Fortran simulator, was used for evaluating process performance considering two membranes, polydimethylsiloxane (PDMS) and polyoctylmethylsiloxane (POMS). It was accomplished the prediction of properties for polymeric membranes targeting the software predictivity improvement. Viscosity data predicted for POMS was crucial for calculating parameters required by simulator. The predictive approach proposed improved the software versatility / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

A produção de petróleo no pré-sal pode ser associada a contaminantes como o CO2. As plataformas instaladas neste polo possuem o sistema de remoção de CO2 usando permeação em membrana polimérica, que separa a corrente de gás em uma pobre em CO2 e outra rica neste. Este trabalho propõe um modelo para simulação da separação de gases utilizando permeador de gases do tipo espiral em contra-corrente. Este modelo utiliza equações baseadas em fenômenos de transporte e termodinâmica, tais como: comportamento real dos gases, variação da permeância com temperatura, transferência de calor dentro do equipamento e efeito Joule-Thomson. A validação foi feita utilizando dados da literatura para separações isotérmicas e dados obtidos em permeador instalado em plataforma de petróleo. Utilizou-se metodologia de reconciliação de dados e agrupamento para tratamento dos dados industriais, o que permitiu maior eficiência na reconciliação dos parâmetros do modelo. A partir da modelagem proposta determinaram-se os parâmetros de processos mais relevantes, permitindo a simulação de condições operacionais diferentes das utilizadas na regressão e a verificação da influência da variação de cada uma das condições operacionais. / The production of oil in pre-salt field is associated with contaminants such as CO2. The rigs installed in this field have a CO2 removal system using permeation on polymer membrane, which separates the gas stream in a stream with low CO2 content and another one with high CO2 content. This paper proposes a model for simulation of gas separation using spiral type permeator of gases in countercurrent flow. This model uses equations based on transport and thermodynamic phenomena such as: real behavior of gases, permeance dependence with temperature, heat transfer inside the equipment and Joule-Thomson effect. The validation was performed using literature data for isothermal separations and data from permeator installed on the oil rig. Was used data reconciliation methodology and clusterization for treatment of industrial data, allowing more efficient reconciliation of the model parameters. From the proposed model were determined the most relevant process parameters, allowing the simulation of operating conditions different than those used in the regression and verification of the influence of the change of each of the operating conditions.

A produção de petróleo no pré-sal pode ser associada a contaminantes como o CO2. As plataformas instaladas neste polo possuem o sistema de remoção de CO2 usando permeação em membrana polimérica, que separa a corrente de gás em uma pobre em CO2 e outra rica neste. Este trabalho propõe um modelo para simulação da separação de gases utilizando permeador de gases do tipo espiral em contra-corrente. Este modelo utiliza equações baseadas em fenômenos de transporte e termodinâmica, tais como: comportamento real dos gases, variação da permeância com temperatura, transferência de calor dentro do equipamento e efeito Joule-Thomson. A validação foi feita utilizando dados da literatura para separações isotérmicas e dados obtidos em permeador instalado em plataforma de petróleo. Utilizou-se metodologia de reconciliação de dados e agrupamento para tratamento dos dados industriais, o que permitiu maior eficiência na reconciliação dos parâmetros do modelo. A partir da modelagem proposta determinaram-se os parâmetros de processos mais relevantes, permitindo a simulação de condições operacionais diferentes das utilizadas na regressão e a verificação da influência da variação de cada uma das condições operacionais. / The production of oil in pre-salt field is associated with contaminants such as CO2. The rigs installed in this field have a CO2 removal system using permeation on polymer membrane, which separates the gas stream in a stream with low CO2 content and another one with high CO2 content. This paper proposes a model for simulation of gas separation using spiral type permeator of gases in countercurrent flow. This model uses equations based on transport and thermodynamic phenomena such as: real behavior of gases, permeance dependence with temperature, heat transfer inside the equipment and Joule-Thomson effect. The validation was performed using literature data for isothermal separations and data from permeator installed on the oil rig. Was used data reconciliation methodology and clusterization for treatment of industrial data, allowing more efficient reconciliation of the model parameters. From the proposed model were determined the most relevant process parameters, allowing the simulation of operating conditions different than those used in the regression and verification of the influence of the change of each of the operating conditions.