Orientador: Maria Regina Wolf Maciel / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-19T10:31:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pimenta_LucianaBispo_M.pdf: 3231978 bytes, checksum: c2de8436ce07b62fabe1af47e5020ef1 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: O comportamento dinâmico em unidades de produção de óleo é muito importante para a operação e projeto de equipamentos. O desenvolvimento da tecnologia no processamento primário de petróleo é caracterizado pela otimização de peso e espaço nas unidades de produção. Estas restrições têm sido diretrizes para pesquisas em desenvolvimento de equipamentos mais eficientes e compactos, como hidrociclones. Porém, esta capacidade de compactar equipamentos resultou em redução na flexibilidade em operar com oscilações de carga (golfadas). Ao longo dos últimos anos, a maturação de campos produtores e o aumento na produção de água e no uso de gás lift associados à produção de óleo em lâminas d'água cada vez mais profundas têm aumentado a freqüência de golfadas. A simulação dinâmica pode ser utilizada para desenvolver estratégias para controlar situações transientes em plataformas offshore. Este trabalho utilizou a simulação dinâmica de uma planta de condicionamento de gás natural em plataforma offshore feita no simulador de processos HYSYS 7.2, como ferramenta para analisar a planta e propor melhores condições de operação. Neste trabalho duas situações serão analisadas. Na primeira, apenas o gás associado passa pelo sistema de compressão e o gás não associado é encaminhado diretamente para desidratação com TEG (situação 1). Na segunda, haverá uma quebra de pressão do gás proveniente dos poços de gás e este deverá ser encaminhado para o sistema de compressão juntamente com o gás proveniente dos poços de óleo (situação 2). Em um primeiro momento, a planta foi analisada em modelo de estado estacionário e foi avaliado o efeito da quebra de pressão na temperatura da tubulação à jusante das válvulas responsáveis pela quebra (situação 2). Em um segundo momento, a planta foi avaliada no estado dinâmico, onde foi possível analisar o efeito que as oscilações de carga têm no sistema de compressão da planta, bem como nas trocas térmicas. Este segundo estudo foi avaliado para as situações 1 e 2. Para o estudo em estado estacionário, foi possível observar que a especificação de temperatura mínima de projeto para a tubulação à jusante das válvulas que efetuam a quebra de pressão não é alcançada, porém, existe uma faixa de ?P ideal para cada válvula a fim de evitar a formação de gelo na parte externa da tubulação. Para o estudo dinâmico foi possível avaliar os efeitos que as oscilações de carga trazem para o sistema de compressão e em que situação (1 ou 2) a planta opera com maior estabilidade. Verificou-se que o trocador da saída do sistema de compressão opera com certa instabilidade na situação 1 devido à baixa vazão de gás a ser resfriado e na situação 2 esta instabilidade é reduzida. As conclusões deste estudo mostram a importância da simulação dinâmica como ferramenta de decisão para o engenheiro de processamento de gás na operação da planta / Abstract: Dynamic behavior in oil production units is vital for equipments project and operation. Technology development in offshore primary processing has traditionally been characterized by optimizing weight and space in their production units. Such restrictions have been the guidelines for researches in developing more efficient and compact equipments, such as hydro cyclones. However, this compactness has resulted, invariably, in reduced capacity to deal with load oscillations, typical in offshore units. Along the last years the maturation of production fields, and the increase of water production and gas lift use, associated to the oil production in larger and larger water depths have been increasing slugs intensity. Dynamic simulation can be used to develop better strategies to control transient situations in offshore units. This study use a dynamic simulation of a natural gas offshore conditioning plant as a tool to analyze the plant and to propose better operational conditions. The process simulator to do dynamic simulation was HYSYS 7.2. In this work two situations were analyzed. In the first one, only the gas from oil wells pass through the gas compression system and the gas from gas wells are forwarded directly to dehydration with TEG (situation 1). In the second situation, there will be a pressure drop of the gas from gas wells and this gas should be forwarded to the compression system along with gas from oil wells (situation 2). At first, the plant was analyzed in steady state model and the effect of pressure drop in pipe temperature downstream of the valves responsible for pressure drop was evaluated (situation 2). In a second stage the plant was evaluated in dynamic state where it was possible to analyze the effect of load oscillations in the compression system, as well as in the heat exchange. This second study was evaluated for situations 1 and 2. For the static study, the specification of minimum project temperature for the pipeline downstream of the valves that perform the pressure drop is not achieved but there is an ideal range pressure drop for each valve to prevent ice formation outside the pipe. In the dynamic study was evaluated the effects of load oscillations in compression system and in what situation (1 or 2) the plant operates with greater stability. It was found that the heat exchange of the output of the compression system operates with instability in the situation 1 due to the low flow of gas to be cooled, and in the situation 2 this instability is reduced. The conclusions of this study show the importance of dynamic simulation as a decision tool for the engineer in the gas processing plant operation / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Ana Maria Frattini Fileti / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-21T17:10:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 VidalSantos_SauloFernandodos_M.pdf: 3908407 bytes, checksum: 8f5bba56950cb6628faf5b13df5bea0e (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Na maioria das indústrias químicas se faz necessário a refrigeração de equipamentos, produtos, processos, ambientes, etc. A grande desvantagem dos sistemas de refrigeração empregados nesses processos está no gasto energético envolvido, que pode representar 70% do gasto total de uma planta. Visando minimizar esses gastos, exaustivos trabalhos de pesquisa vem sendo desenvolvidos neste campo. No Laboratório de Controle e Automação de Processos da Faculdade de Engenharia Química da Unicamp, há um protótipo de um chiller utilizado em pesquisas de técnicas de modelagem e controle visando reduzir o gasto energético empregado nos sistemas de refrigeração. Com o intuito de facilitar estes estudos, este trabalho desenvolveu um modelo a partir dos simuladores comerciais ASPEN PLUS'MARCA REGISTRADA' e ASPEN DYNAMICS'MARCA REGISTRADA' capaz de representar o protótipo experimental citado. Para validação do modelo, foram utilizados dados obtidos da própria planta experimental, em diferentes condições de processo, garantindo a funcionalidade do modelo para situações diversas de funcionamento do equipamento. Uma vez validado, o modelo desenvolvido foi utilizado no estudo dinâmico do processo de refrigeração. Também foram verificadas estratégias de controle clássico e sua aplicabilidade nos sistema em questão. Está presente no trabalho o detalhamento das variáveis e parâmetros que foram utilizados na configuração, no ASPEN PLUS'MARCA REGISTRADA', dos blocos representativos dos equipamentos. Todas as formas de controle PID sugeridas se adaptaram bem ao processo, mas apenas no ponto de operação para qual o controle foi sintonizado, ou seja, para cada ponto de operação, uma nova sintonia deve ser realizada / Abstract: Refrigeration systems are required in most chemical industries in order to maintain the temperature in process equipments, production line, air-conditioned environments or rooms, etc. The main drawback of the refrigeration systems is the great expense of energy, which can represent up to 70% of the energy expenditure of the global plant. Aiming to minimize these costs, several scientific works have been developed in this field. In the Automation and Process Control Laboratory at FEQ/UNICAMP, there is a chiller prototype used in technical research on modeling and control strategies to save energy in refrigeration systems. In order to facilitate these studies, in this work it was developed a model, based on commercial simulators such as ASPEN PLUS 'TRADE MARK' and ASPEN DYNAMICS'TRADE MARK', capable of representing the experimental prototype. To validate the model, data obtained from the experimental plant, under different process conditions was used, ensuring the functionality of the model for different operating conditions. After validated, the model was used to the dynamic cooling process study. Classical control strategies were applied and their applicability in the cooling system was analyzed. This work contains details on the configuration of variables and parameters used in the equipment simulation blocks from ASPEN PLUS'TRADE MARK'. All proposed strategies of PID control showed to be well adapted to the process, but only at the operating point for which control was tuned. To summarize, for each operating point a new controller tuning must be carried out / Mestrado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Maria Carolina Burgos Costa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-20T08:40:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pattaro_AnaFlavia_M.pdf: 11480434 bytes, checksum: e73b5f91ac734cab17a6d1dd1e142174 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Este projeto envolve o estudo e desenvolvimento de materiais compósitos (polímero/carga) nanoestruturados (nanocompósitos), produzidos em uma unidade experimental de polimerização, destinada ao desenvolvimento de Nylon -6 (Poliamida-6 ou PA-6) para novas aplicações como plástico de engenharia. O estudo envolve o processo de polimerização de PA-6 e nanocompósitos de PA-6/argila organofílica a partir do monômero 'ÉPSILON '-Caprolactama, como também a produção das argilas organofílicas. A mistura é feita em um reator de bancada em batelada no qual argilas bentoníticas sódica e organofilizada são adicionadas à massa reacional (matriz polimérica) durante o processo de polimerização. Os estudos para o desenvolvimento de PA-6 e de seus nanocompósitos com diferentes características pretendem correlacionar os parâmetros reacionais e operacionais às propriedades finais do polímero obtido. Para isto, estudos de simulação do processo de polimerização foram desenvolvidos, juntamente com análises experimentais do produto. Dessa forma, a PA-6 e os nanocompósitos produzidos por meio do processo de polimerização in situ foram avaliados levando em consideração a eficiência da incorporação ou grau de esfoliação da argila no polímero, a massa molecular dos polímeros/nanocompósitos obtidos e suas características térmicas, determinadas por análises de DSC e TGA. Com base nos resultados obtidos, conclui-se que a polimerização in situ de nanocompósitos de PA-6/Argila Organofílica, utilizando o processo de polimerização hidrolítica da PA-6, é um processo viável de produção de nanocompósitos, uma vez que foi observada, através da técnica de DRX, uma possível formação de nanocompósitos esfoliados e/ou intercalados. Além disso, as simulações do processo de polimerização da PA-6, com ou sem a adição de argilas, apresentaram boa concordância com os valores obtidos experimentalmente / Abstract: This project involves the study and development of composite materials (polymer / filler) nanostructured (nanocomposites), produced in an experimental polymerization unit, for the development of Nylon-6 (Polyamide-6 or PA-6) for new applications such as engineering plastics. The study involves the PA-6 and PA-6/organoclay nanocomposites polymerization process using 'ÉPSILON '-caprolactam monomer, as well as the production of organoclays. The blend is done in a batch reactor in which organophilizated and sodic bentonite are added to the reaction mass (polymeric matrix) during the polymerization process. The studies on the development of PA-6 and its nanocomposites with different characteristics intend to correlate the reaction and operational parameters to the final properties of the obtained polymer. Thus, simulation studies of the polymerization process were developed, along with experimental analysis of the product. In this sense, PA-6 and nanocomposites produced by the in situ polymerization process were evaluated taking into account the incorporation efficiency or the exfoliation rate of the clay in the polymer, the molecular weight of polymers / nanocomposites obtained and their thermal characteristics, determined by DSC and TGA analysis. Based on these results, the conclusion is that the in situ polymerization of PA-6 and PA-6/organoclay nanocomposites using the PA-6 hidrolitic polymerization process, is a viable process for the production of nano-composites, since it was observed through the DRX technique a possible formation of exfoliated and/or intercalary nanocomposites. In addition, the PA-6 polymerization process simulations, with or without the addition of clays, presented a good fit with the experimental values / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Made available in DSpace on 2014-06-12T18:06:09Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo7124_1.pdf: 3191986 bytes, checksum: 4daaffced02219e23b738e901b42894d (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2010 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Praticamente, toda planta química de grande porte, tem uma ou mais unidades de separação para preparação, purificação e tratamento de misturas multicomponentes como: produtos, subprodutos e matérias-primas não convertidas em produtos. Para cada unidade de separação, muitas operações unitárias podem ser viáveis, e assim, a melhor seqüência de operações de separação deve ser estabelecida, ao se considerar um processo completo de separação. As ferramentas mais utilizadas para a análise de novos esquemas de separação são os mapas de curvas residuais e os simuladores de processos. Contudo, essas ferramentas computacionais são geralmente baseadas no conceito de equilíbrio. Entretanto, a hipótese de equilíbrio para a destilação não é realista, pois existe um fluxo finito de massa entre as correntes de vapor e líquido que deixam a coluna. Portanto, para uma simulação mais realista, deve-se dispor de simuladores que incluam em seus cálculos a transferência de massa e energia simultânea entre as fases líquidas e vapor (modelos de estágios de não-equilíbrio). Além de levar em conta modelo mais realista para a simulação dos processos de destilação, deve-se dar importância também aos mapas de curvas residuais, pois é uma ferramenta muito utilizada na síntese de processos de separação, já que têm um papel importante na interpretação do comportamento e da viabilidade de colunas de destilação reativa, azeotrópicas homogêneas e/ou heterogêneas. Neste trabalho, foi elaborado um programa em Matlab® para analisar o comportamento dinâmico de um processo de destilação em batelada simples usando o modelo irreversível. Foram simuladas as trajetórias de composição e construídos mapas de curvas residuais para a mistura de metanol/isopropanol/água. O modelo irreversível foi validado comparando os resultados experimentais publicados para esta mistura. Nas simulações realizadas foi observada, numericamente, diferentes valores de azeótropos binário na mistura estudada quando se variou à área interfacial de transferência de massa, entre a fase líquida e a fase vapor, e a taxa de fluxo molar da destilação. Foi observado também que, simulando um destilador com uma grande área interfacial, as curvas residuais do modelo irreversível se assemelham às curvas simuladas pelo modelo de equilíbrio, o mesmo ocorreu para um destilador simulado com um fluxo molar da ordem de grandeza de 1x10-5 mol/s e para as fronteiras de destilação (separatrizes). Na construção das curvas residuais próximas às separatrizes foi observada uma mudança de estabilidade, caracterizando uma multiplicidade de estados estacionários, onde é possível obter no destilador ou apenas isopropanol ou apenas água. Para analisar esta mudança de estabilidade foi feito um mapeamento do processo através de diagramas de bifurcação (co-dimensão 1) utilizando a área interfacial e a taxa de fluxo molar como parâmetros de continuação, determinando o valor crítico (valor dos parâmetros de continuação onde ocorre a mudança de estabilidade)

Orientador: Maria Regina Wolf Maciel / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-18T13:05:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LeonPulido_Jeffrey_M.pdf: 4335484 bytes, checksum: 1254077c83c41b27fa94e266ba5cb9c8 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Os processos de separação são amplamente usados na indústria petrolífera e alcoolquímica. O processo de destilação representa por volta de 40% dos custos da energia requerida nas operações industriais e grande quantidade de energia do processo não é aproveitada, sendo perdida ao ambiente. No Brasil, devido aos avanços industriais e à necessidade do mercado energético, inovações ao processo convencional de separação são essenciais para o desenvolvimento de novas estratégias e projetos que permitam uma diminuição do consumo de energia. Neste trabalho, foi desenvolvido o estudo do novo conceito de Coluna de Destilação com Integração Interna de Calor (CDIIC) a qual é referenciada na literatura como coluna HIDiC (Heat Integrated Distillation Column) na qual a seção de retificação opera a pressões e temperaturas maiores que a seção de esgotamento; assim, aproveita-se o calor da seção de retificação para aquecer a seção de esgotamento. O simulador de processos Aspen Plus V7.2 foi utilizado para o estudo e a implementação de uma modelagem da configuração no simulador, a qual é uma modelagem aproximada, pois o mesmo não possui este tipo de Operação Unitária. As simulações desenvolvidas foram feitas visando os cenários mais realistas que descrevessem a nova configuração, simplificando as complexidades do projeto e criando estratégias de convergência que permitam o estudo do potencial de diminuição do consumo de energia desta configuração. Na coluna CDIIC, as seções de retificação e de esgotamento se encontram dispostas de forma concêntrica e para garantir a operabilidade são usados um compressor e uma válvula para obter as temperaturas e pressões necessárias ao sistema. Na atualidade, esta configuração não é uma realidade na indústria sendo o projeto interno o de maior complexidade, além da falta de dados experimentais da coluna em uma escala suficientemente adequada para comparações. Na coluna CDIIC, estudos de transferência de calor foram realizados indicando os parâmetros de processo, como posição de alimentação, quantidade de calor trocado e possíveis configurações internas. Até o momento, aqui no Brasil, ainda não se encontram trabalhos publicados na área. Pela faixa de aplicabilidade, a coluna CDIIC terá muitas aplicações importantes, seja na área petroquímica, seja na alcoolquímica, sendo uma alternativa com potencial para a diminuição do consumo de energia em processos de destilação / Abstract: The separation processes are largely used in petroleum and alcohol-chemical industries. The distillation process represents around 40% of energy costs in industrial operation, thus large among of energy of the process is not used and it is lost to the surrounding. In Brazil, industrial developments and the need of energy market allowed innovations to the conventional separation process. This is essential for the development of new strategies and designs that enable a reduction in energy consumption. In the present work a study of the new concept of Heat Integrated Distillation Colum which is referenced in literature as HIDiC column was developed. In this column, the rectifying section operates at higher pressures and temperatures than the stripping section. Thus, the heat of rectifying section is used to heat the stripping section. The Aspen Plus V7.2 software was used for the study of column configuration and the potential of heat transfer, since it does not have this type of unit operation. The simulations shows a more realistic situation able to model the new configuration, simplifying the complexities of design and creating strategies that facilitate the study of the potential for reducing the energy consumption of this configuration. In HIDiC column, the rectifying and stripping section are concentrically and to ensure operability a compressor and throttle valve are applied to achieve the temperatures and pressures required by the system. Currently, this configuration is not a reality in the industry, because the lack of experimental data from the column. In addition, the complexity of internal configuration needs to be solved. In HIDiC column, heat transfer studies were performed showing the process parameters such as feed position, amount of heat exchanged and the initial concentration. So far, in Brazil has not been published works about this technology. The range of applicability of HIDiC column has many important applications in petrochemical and alcohol-chemical industries and it represents an alternative for reducing the energy consumption in distillation process / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Roger Josef Zemp / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-24T10:53:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Coelho_FilipeAlves_M.pdf: 2399383 bytes, checksum: b85757c1658e9d740e40d955ddc36d5e (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Com o desenvolvimento da análise pinch, foi possível estabelecer metas de consumo de utilidades em processos químicos e posteriormente sintetizar a rede capaz de atender as metas estabelecidas. Em contrapartida, os processos energeticamente integrados atendendo essas metas podem ser difíceis de se controlar e isso motiva estudar a controlabilidade e a dinâmica desses processos. Porém, a literatura vem tratando esses estudos desacoplando a rede do restante do processo e isso pode introduzir erros nos resultados, pois dinâmicas importantes associadas aos reciclos são perdidas. Assim, neste trabalho foi levantada a hipótese de que a análise da controlabilidade de redes de trocadores de calor, assim como o projeto de seus controladores, desprezando-se outros equipamentos de processo como colunas, reatores etc., pode induzir a uma falsa compreensão da dinâmica do processo e levar à síntese de uma rede fora do ótimo entre objetivos econômicos e controlabilidade. Para a execução das simulações, foi construída uma ferramenta computacional em Matlab onde foram implementados os modelos dos trocadores de calor e dos outros equipamentos de processo. Foi proposto um estudo de caso para um processo fictício com cinco topologias de redes de trocadores onde a controlabilidade foi avaliada utilizando-se dois índices em estado estacionário e um índice dinâmico. Observou-se que existe uma tendência de redução na controlabilidade conforme a integração energética aumenta e por isso a topologia que atendia às metas da análise pinch foi indicada por todos os índices como tendo a pior controlabilidade. Também foi testada a influência do atraso de transporte e da diferença entre as velocidades das dinâmicas dos equipamentos. A hipótese levantada neste trabalho foi comprovada / Abstract: The development of pinch analysis gave a powerful tool for engineers to establish energy targets for chemical processes and, with some extra work, synthesize a heat exchanger network to attain those targets. On the other hand, these heat integrated networks are generally hard to control, motivating several studies on their controllability and dynamics. However, most scientific studies decouples the network from the rest of the process and it can introduce errors in the results, because important dynamics related to recycles are lost. Therefore, it was raised the hypothesis that the controllability analysis of a heat exchanger network, as the design of their controllers, disregarding the other process equipments such as columns, reactors etc., may lead to false comprehension of the process dynamics and make the network synthesis out of the optimum between economic and controllability objectives. To simulate the systems, a computational tool was developed in Matlab, where the models of the heat exchangers and the other equipments were implemented. A case study of a fictitious process was proposed and five heat exchanger topologies were synthesized, with controllability assessed by two steady state indexes and a dynamic one. It was observed that controllability decreases as heat integration increases, therefore, the pinch network was pointed as having the worst controllability. The effects of dead time and difference between dynamic velocities in the equipments were also tested. The hypothesis was proven / Mestrado / Engenharia Química / Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Maria Regina Wolf Maciel, Carlos Eduardo Vaz Rossell / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-26T10:10:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Alves_Moises_D.pdf: 2341942 bytes, checksum: 15b4471c1a44c4b51fad94e70bd4ebc4 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Neste trabalho, realizou-se o estudo da produção de etanol anidro por meio do processo de destilação extrativa, tomando por base uma usina sucroalcooleira que processa 15000 toneladas de cana por dia. Utilizou-se como ferramenta computacional o software Aspen Plus®, o qual possui recursos computacionais que permitem compatibilizar as simulações com processos reais. Nas simulações deste trabalho foram utilizados os solventes monoetilenoglicol e o líquido iônico cloreto de 1- metilimidazólio, assim como os modelos de estágios de equilíbrio e de não equilíbrio. Os resultados da análise de sensibilidade para utilização do solvente monoetilenoglicol na coluna de destilação extrativa, em alta temperatura, apresentou economia de até 0,04 kg de vapor/litro de etanol anidro e de 0,37 kg de vapor/litro de etanol anidro ao alimentar o etanol hidratado produzido em colunas de destilação diretamente em colunas extrativas, sem estocagem e sem necessidade de aquecimento deste etanol hidratado. As colunas de destilação extrativa e de recuperação, do processo de destilação extrativa, apresentaram eficiências globais de 71,68% e 64,25%, respectivamente, segundo a correlação de O¿Connell. Foi realizado o estudo do consumo energético em colunas que operavam com pressões de 1,0 atm, 0,7 atm, 0,5 atm e 0,3 atm produzindo etanol anidro com fração mássica de 0,997. Os resultados mostraram que as colunas que operam em pressões menores que a atmosférica apresentaram redução na razão de refluxo em mais de 4,5 vezes e redução no consumo de vapor de 39,62%. Ao comparar o consumo de vapor em sistema que utiliza coluna extrativa e de recuperação, com pressão de 1,0 atm ou com pressão de 0,3 atm, foi constatado que a redução na pressão de operação das colunas gerou um excedente de vapor de 1,845 MWh. Os resultados também mostraram que o consumo de energia de uma bomba de vácuo necessária para gerar baixa pressão em colunas extrativa e de recuperação é menor que 1,5% para os diferentes níveis de pressão. O estudo com o solvente líquido iônico cloreto de 1-metilimidazólio apresentou redução mássica de utilização do solvente igual a 41,16%, demonstrado por meio da razão S/F igual a 0,353 para o líquido iônico e de 0,60 para o monoetilenoglicol. O estudo com o cloreto de 1-metilimidazólio mostrou a redução do consumo de vapor no processo em 27,3%, em relação ao solvente monoetilenoglicol, somadas as colunas extrativa e de recuperação. Foi realizada a simulação do modelo de não equilíbrio, levando em consideração parâmetros específicos das bandejas. Os resultados mostraram que a energia consumida no modelo de estágios de não equilíbrio apresentou aumento de 92,5% em relação ao modelo estágio de equilíbrio / Abstract: In this work, the study of the production of anhydrous ethanol by means of the extractive distillation process was carried out, based on a sugar and alcohol plant that processes 15,000 tons of sugar cane per day. The software Aspen Plus® was used as a computational tool, which has computational resources that adapt the simulations with real processes. In this study¿s simulations monoethylene glycol and the ionic liquid 1- methylimidazolium were used as solvents, as well as models of equilibrium and nonequilibrium. The results of the sensitivity analyses when using monoethylene glycol as the solvent, in the extractive distillation column, at high temperature, showed savings of up to 0.04 kg of steam / liter of anhydrous ethanol, and 0.37 kg of steam / liter of anhydrous ethanol when feeding the hydrous ethanol produced in the distillation columns directly into the extractive columns without the need for storage and of heating that hydrous ethanol. The extractive distillation and recovery columns, of the extractive distillation process, have shown overall efficiencies of 71.68% and 64.25%, respectively, according to the O'Connell correlation. We have conducted the study of energy consumption in columns operating at pressures of 1.0 atm, 0.7 atm, 0.5 atm and 0.3 atm producing anhydrous ethanol with a mass fraction of 0.997. The results have shown that the columns operating at pressures lesser than the atmospheric one decreased the reflux ratio more than 4.5 times, and the steam consumption by 39.62%. When comparing the steam consumption in the system using an extraction and recovery column, with a pressure of 1.0 atm or a pressure of 0.3 atm, it was found that the reduction in the column operating pressure generated 1.845 MWh of steam surplus. The results have also shown that the power consumption of a vacuum pump needed to generate a low-pressure in the extraction and recovery columns is lesser than 1.5% for different levels of pressure. The study of the ionic liquid solvent 1-methylimidazolium chloride had a mass reduction of solvent usage equal to 41.16%, shown by the S / F ratio equal to 0.353 for the ionic liquid and 0.60 for MEG. The study with 1-methylimidazolium chloride revealed that the steam consumption reduction in the process is 27.3%, compared to the monoethylene glycol solvent, combining the extraction and recovery columns. The simulation model of the non-equilibrium has been carried out taking into account specific parameters of the trays. The results showed that the power consumption in the nonequilibrium stage model displayed an increase of 92.5% compared to the equilibrium stage model. / Doutorado / Engenharia de Processos / Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Antonio Maria Francisco Luiz José Bonomi / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-26T21:18:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Junqueira_TassiaLopes_D.pdf: 2176250 bytes, checksum: a96672c7acc2952a71b12c8c709f193c (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: As usinas de cana-de-açúcar encaixam-se no conceito de biorrefinaria, uma vez que produzem etanol, açúcar e eletricidade, entre outros produtos. A produção de etanol de 1ª geração (1G), a partir do caldo de cana-de-açúcar, é um processo bem estabelecido, enquanto a produção de etanol a partir de materiais lignocelulósicos, denominado processo de 2ª geração (2G), tem recebido atenção especial nas últimas décadas. No Brasil, bagaço e palha são as matérias-primas de maior potencial para a produção de etanol 2G devido a sua disponibilidade e relativo baixo custo, no entanto o processo não está consolidado até o momento. O presente estudo teve por objetivo estudar a integração de diferentes tecnologias ao processo de produção de etanol, considerando as tecnologias 1G e 2G, a fim de avaliar os impactos na viabilidade técnico-econômica das biorrefinarias de cana-de-açúcar. Resultados mostraram que a diversificação dos produtos, através da produção de açúcar, eletricidade e biogás, bem como a flexibilidade na produção melhoram a viabilidade técnico-econômica e diminuem a suscetibilidade às oscilações de mercado, aumentando a estabilidade dos negócios. Para a produção de etanol 2G, os impactos das condições operacionais da hidrólise enzimática e características das enzimas no processo integrado de produção de etanol 1G2G foram avaliados através da formulação de um modelo matemático e análise estatística. Visando à redução do custo de produção do etanol, as melhores condições operacionais foram determinadas e mostraram-se muito sensíveis ao preço de enzimas. A extensão do período de operação das biorrefinarias de cana-de-açúcar, que é usualmente de 6 a 8 meses por ano, permite reduzir a contribuição do investimento no custo de produção de etanol. O processamento de sorgo sacarino durante a entressafra de cana-de-açúcar apresentou expressivo potencial para incrementar a produção de etanol e eletricidade, bem como melhorar a viabilidade econômica. A integração de uma planta 2G processando o ano todo resultou em uma alternativa promissora, mas com alto investimento quando comparada às demais alternativas. A abordagem apresentada nesta tese pode ser utilizada para avaliar outras rotas e tecnologias, identificando gargalos tecnológicos e guiando a pesquisa a fim de aumentar a viabilidade do processo / Abstract: Sugarcane mills fit into the biorefinery concept, since ethanol, sugar and electricity, among others, are possible products. The first generation (1G) ethanol production, from sugarcane juice, is a well-established process, while ethanol production from lignocellulosic materials, the so-called second generation (2G) process, has received special attention in the last decades. In Brazil, sugarcane bagasse and straw are potentially the most important feedstock for 2G ethanol production due to their availability and relative low cost, but the process is not established yet. This study focused on the integration of different technologies in the ethanol production process, taking into account both 1G and 2G technologies, in order to assess the impacts on techno-economic feasibility of sugarcane biorefineries. Results showed that product diversification, through production of sugar, electricity and biogas, as well as production flexibility improve techno-economic feasibility and reduce susceptibility to market oscillations, improving business stability. For 2G ethanol production, the impacts of operating conditions on enzymatic hydrolysis and enzyme features in the integrated 1G2G ethanol production process were assessed through the formulation of a mathematical model and statistical evaluation. Aiming at the reduction of ethanol production cost, best operating conditions were determined and showed to be very sensitive to enzyme prices. Extending the operation period of sugarcane biorefineries, which is from 6 to 8 months per year, allows reducing contribution of investment on ethanol production cost. Sweet sorghum, processed in the sugarcane off-season, presented a great potential to increase ethanol and electricity production as well as to improve economic feasibility. Integration of a 2G plant processing all year-round resulted in a promising alternative, but presents high investment cost compared to other alternatives. The approach presented in this thesis can be used to perform assessments of other routes and technologies, identifying technological bottlenecks and guiding research in order to improve process feasibility / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutora em Engenharia Quimica

Submitted by Marco Antônio de Ramos Chagas (mchagas@ufv.br) on 2017-07-17T12:32:01Z No. of bitstreams: 1 texto completo.PDF: 877853 bytes, checksum: 91f4d2df406c6258303678f36175f188 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-07-17T12:32:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.PDF: 877853 bytes, checksum: 91f4d2df406c6258303678f36175f188 (MD5) Previous issue date: 2001-08-30 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Este trabalho apresenta os resultados obtidos na aplicação da técnica de modelagem híbrido-neural da extração líquido-líquido com sistemas aquosos bifásicos em extrator Graesser. Foi estudada a separação das proteínas α - lactoalbumina e β -lactoglobulina do soro de queijo em sistemas aquosos bifásicos compostos por 18 % em peso de polietilenoglicol 1500 e 18 % em peso de fosfato de potássio em pH 7. Foi empregada uma rede neural do tipo feedforward para predizer os parâmetros de transferência de massa Peclet (Pe) e número de unidades de transferência (Nox) em função das variáveis operacionais velocidade de rotação e relação de vazões das fases. Dado a escassez de dados experimentais, dados semi-empíricos foram gerados através de uma técnica alternativa baseada em erros de modelagem (GDS3), para treinamento e validação da rede. A topologia da rede foi determinada utilizando a técnica de superfície de resposta, que forneceu valores ótimos do número de camadas escondidas, do número de nodos nestas camadas e da taxa de aprendizagem. Foi definida uma rede do tipo 2-10-5-3, com uma taxa de aprendizagem de 0,001. Os dados experimentais para estudo de transferência de massa foram obtidos em um extrator do tipo Graesser. As variáveis testadas foram relação de vazão das fases e velocidade de rotação. Tendo sido usados os dados experimentais como parte do conjunto de dados para testar a rede, pode -se notar sua grande performance na predição dos parâmetros Pe e Nox em função das variáveis operacionais do extrator. O modelo da operação de extração foi obtido através do balanço diferencial de massa no extrator Graesser, para ambas as fases, tendo como parâmetros Pe e Nox. A simulação da operação foi realizada após a solução das equações diferenciais pelo método de Gauss-Seidel, sendo os parâmetros de transferência de massa Pe e Nox fornecidos pela rede neural, em função das variáveis operacionais do equipamento. O modelo híbrido-neural correlacionou os dados experimentais com boa acuracidade. Esta abordagem mostrou-se uma alternativa promissora para a modelagem de operações complicadas, como é o caso da extração líquido-líquido em extrator Graesser. / This work presents the results acquired by applying the hybrid neural modeling technique of the liquid-liquid extraction in a Graesser Contactor. The operation of separating the α -lactalbumin and β -lactoglobulin whey’s proteins was studied in a aqueous two-phase system composed by 18% polyethylene glycol (w/w) and potassim phosphate in pH 7 (w/w). A feedforward network was used to predict the Peclet (Pe) mass transfer parameters and the number of transfer unit (NTU) as a function of the operating variables speed agitation and flow ratio. Because of the scarcity of available data, a semi-empirical GDS3 based technique was used to generate the data for training and evaluating the network. Its topology was determined using the response surface technique which provided the optimum value for the number of hidden layers, the number of nodes for these layers and the learning rate. A 2-10-5-3 network was defined with a learning rate of 0,001. Because experimental data was used as part of the data set to test the network, we notice the network great performance in predicting the Pe and NTU parameters as function of the extractor operating variables. The extracting operation model was obtained by the mass differential balance in the Graesser contactor, for both phases, using Pe and NTU as parameters. The simulating was carried out after solving the differential equations using the Gauss-Seidel method with the Pe and NTU mass transfer parameters given by the neural network, and function of the equipme nt operating variables. The hybrid neural model correlated the experimental data with good accuracy. We can notice that this broaching could be a promising alternative for modeling complex operations like the liquid-liquid extraction in the Graesser contactor. / Dissertação importada do Alexandria

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5893.pdf: 957671 bytes, checksum: e4262a8881b2b32139eed237de0471ba (MD5) Previous issue date: 2014-03-24 / Financiadora de Estudos e Projetos / Most of the operations in an autonomous distillery for production of ethanol are carried on in a continuous fashion. The fermentation stage, however, may be projected to work either continously or semicontinuously. The steady-sate continuous operation (after the start-up) may be easily coupled to other unit operations of the process. On the other hand, in the semicountinuous operation, each fermentation vat operates in unsteady state, thus it is necessary to design a set of vats that enables the coupling between the fermentation and the process, which may be challenging. This study intended to implement mathematical models in EMSO process simulator of both industrial configurations of the fermentation process: a system of six parallel fed-batch bioreactors and a system of four continuous steady-state bioreactors in series. The process was modeled at macroscopic level based on the material balances for cells, substrate and product. Kinectic models accounting for product and substrate inhibition were used. Both configurations were added to a previously built model of a complete autonomous distillery in which the fermentation stage was represented by a stoichiometric conversion model. In the fed-batch process, due to the solution of mass and energy balances in the fermenters, it was possible to observe the temporal evolution of variables such as the concentrations of yeast, sugar and ethanol in their interiors, the volume of solution in each fermenter and the rate of heat removal needed in order to keep the fermenters temperatures constant. The simulated autonomous distillery processes 500 t/h of cane with varying levels of sucrose. For a content of 13% sucrose, 338.0 t/h of centrifugated wine were obtained in the continuous operation, containing 8.3% by weight of ethanol, which resulted in the production of 30.1 t/h of hydrate ethanol containing 93.5% ethyl alcohol in weight. In fed-batch operation, 417.5 t/h of centrifugated wine (6.3% ethanol by weight), which resulted in 27.9 t/h of hydrous ethanol (93.5% by mass). In both configurations, simulations were performed to evaluate the influence of the sucrose content in the process input (11 to 15% by weight of sucrose) over the process response. The results of these simulations were compared to those obtained for the model of stoichiometric conversion under the same conditions. Regarding the three evaluated configurations for the fermentation stage, it was observed that the model of stoichiometric conversion can be properly employed in the simulations, being mostly suitable for optimization studies of the autonomous distillery with semicontinuous operation due to its fast convergence. However, it is worth mentioning that the inhibitory effects are not reproduced in the fermentation step for this model, thus preliminary studies should be performed using the mathematical model implemented in continuous or discontinuous configuration. / Na produção de etanol a maioria das operações realizadas em uma destilaria autônoma e conduzida de forma continua. A etapa de fermentação, contudo, pode ser projetada para operar de forma continua ou semi-contínua. A operação continua em estado estacionário (após a partida do processo) pode ser facilmente acoplada as outras operações unitarias do processo. Por outro lado, na operação semi-contínua, cada dorna de fermentação opera em estado não estacionário, havendo a necessidade de se projetar um conjunto de dornas para que a etapa de fermentação seja acoplada ao processo, o que pode ser complicado. Este trabalho teve como objetivo implementar no simulador de processos EMSO modelos matemáticos das duas configurações industriais da etapa de fermentação: um sistema de fermentação composto por seis biorreatores em que cada dorna opera no modo batelada alimentada e um sistema composto por quatro biorreatores em serie operados em regime permanente. O processo foi modelado em nível macroscópico com base nas equações de balanço material para células, substrato e produto. Modelos cinéticos que levam em consideração inibição pelo substrato e pelo produto foram utilizados. As duas configurações foram adicionadas a um modelo de destilaria autônoma desenvolvido previamente no simulador EMSO, no qual a etapa de fermentação era representada por modelo baseado na conversão estequiométrica. No processo descontinuo, a solução dos balanços de massa e energia nos fermentadores tornaram possível observar a evolução temporal dos valores de variáveis como as concentrações de levedura, açúcar e etanol em seus interiores, o volume de solução nos fermentadores e a taxa de remoção de calor necessária para manter suas temperaturas constantes. A destilaria autônoma simulada processa 500 t/h de cana-de-açúcar com teores de sacarose variáveis. Para um teor de 13% de sacarose, foram obtidos 338,0 t/h de vinho delevedurado na operação continua com 8,3% em massa de etanol, que resultaram na produção de 30,1 t/h de etanol hidratado com 93,5% de álcool etílico em massa. Na operação descontinua foram obtidos 417,5 t/h de vinho delevedurado (6,3% de etanol em massa), que resultaram em 27,9 t/h de etanol hidratado (93,5% em massa). Nas duas configurações implementadas foram realizadas simulações para avaliar a influencia do teor de sacarose (11 a 15% em massa de sacarose) na entrada do processo na resposta do processo. Os resultados dessas simulações foram comparados vi com os obtidos para o modelo de conversão estequiométrica nas mesmas condições. Em relação as três configurações avaliadas na etapa de fermentação concluiu-se que o modelo de conversão estequiométrica pode ser empregado nas simulações, sendo principalmente indicado para estudos de otimização da destilaria autônoma com operação semi-contínua, pois tem convergência mais rápida. Contudo, vale lembrar que os efeitos de inibição não são reproduzidos na etapa de fermentação por este modelo, devendo estudos preliminares serem realizados empregando o modelo matemático implementado na configuração continua ou descontinua.