Orientador: Maria Regina Wolf Maciel / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-18T13:50:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JaimesFigueroa_JaiverEfren_M.pdf: 4284661 bytes, checksum: 5b7383def90a5143160bc892b406c75c (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: A produção de etanol a partir da cana de açúcar é uma tecnologia dominada completamente pelo Brasil porém, encontra-se na etapa de intensificação, otimização e inovação. O etanol pode ser produzido como hidratado ou anidro, sendo necessário, para produção deste último, um processo posterior de desidratação. Existem inúmeros processos de desidratação, dentre dos quais a destilação extrativa é um dos mais simples de realizar. A destilação extrativa usa um solvente para modificar o equilíbrio líquido-vapor, permitindo quebrar o azeótropo etanol/água que impede que a desidratação seja feita por destilação convencional. O solvente de extração é de grande importância, dele depende a facilidade com que vai ser feita a separação, a quantidade a ser utilizada e o requerimento energético do processo. Nesse contexto, aparecem os líquidos iônicos, que são apresentados como ótimos solventes potenciais de extração; um líquido iônico (LI) é um sal composto por um cátion orgânico com pelo menos uma carga deslocada e um ânion inorgânico; sua estrutura evita que se forme uma rede cristalina estável, resultando em solventes líquidos altamente iônicos com temperaturas de fusão inferiores a 100 °C e com insignificante pressão de vapor. Os LI são principalmente usados em substituição aos solventes convencionais, podendo ser uma alternativa para diminuir a poluição ambiental, evitando a emissão de componentes orgânicos voláteis ao meio ambiente. Com a justificativa anterior, o objetivo desta dissertação foi analisar e otimizar o processo de obtenção de etanol anidro a partir da mistura etanol + água de composição pré-azeotrópica, empregando líquidos iônicos (LI), visando avaliar seu potencial; os LI estudados foram: 1-butil-3-metilimidazólio cloreto, 1-butil-3-metilimidazólio metilsulfato, 1-butil-3-metilimidazólio acetato, 1-butil-3-metilimidazólio tetrafluoroborato, 1-butil-3-metilimidazólio dicianamida, 1-etil-3-metilimidazólio cloreto, 1-etil-3-metilimidazólio tetrafluoroborato, 1-hexil-3-metilimidazólio cloreto. Neste trabalho foi encontrado o requerimento energético e a quantidade de LI a ser empregado para obter os valores máximos de pureza e porcentagens de recuperação de etanol e água. A influência das condições de operação e desenho utilizadas, tais como fração de etanol na alimentação, relação LI:alimentação, temperatura da alimentação e do LI de reposição, quantidade de estágios, relação molar de refluxo, estágio de alimentação e vazão molar de destilado da coluna de recuperação de etanol e de purificação de LI, foram analisadas empregando o simulador comercial Aspen Plus e, otimizadas empregando a técnica de delineamento de experimentos. Todos os LI estudados apresentaram capacidade de desidratar o etanol, elevando sua concentração de pré até pós-azeotropia, obtendo-se pureza de etanol maiores que 0,995 em massa. Além disso, dependendo do LI utilizado, o processo atinge porcentagens de recuperação de etanol e água, em média, de 98% e 74%, respectivamente. Na definição do modelo para o coeficiente de atividade do equilíbrio ternário líquido vapor da mistura etanol + água + LI foram testados o NRTL e UNIQUAC, chegando-se à conclusão de que o equilíbrio representado pelo modelo de NRTL é o mais adequado / Abstract: The production of ethanol from sugar cane is a technology led and dominated by Brazil. However, it is still in a stage of optimization and innovation. Ethanol can be produced in a hydrated or dehydrated state, but the latter requires an additional process to the conventional distillation. There are numerous dehydration processes that can be implemented, but the extractive distillation is one of the most simple. Extractive distillation uses a solvent that modifies the liquid-vapor equilibrium and eliminates the presence of the ethanol-water azeotrope that prevents the use of conventional distillation for the dehydration process. The solvent for the extraction is of great importance since it dictates the degree of separation and the energy requirements for the process. In this context, ionic liquids are considered since they have been presented as excellent solvents for extraction. An ionic liquid (IL) is a salt formed by an organic cation with at least one delocalized charge, and an inorganic anion. The structure of the ionic liquids prevents the formation of a stable crystalline net, resulting in highly ionic liquid solvents that have melting points below 100 ºC and negligible vapor pressures. With those characteristics, ionic liquids can be a replacement for conventional solvents offering alternatives for the decrease of the environmental impact by preventing the emissions of volatile compounds to the environment. With the previous justification, the objective of this master dissertation was to analyze and optimize the process of obtaining anhydrous ethanol from a mixture ethanol + water with pre-azeotropic composition by using ionic liquids; and also to evaluate their performance in this application to evaluate its potential. Ionic liquids were studied: 1-butyl-3-methylimidazolium chloride, 1-butyl-3-methylimidazolium methylsulfate, 1-butyl-3-methylimidazolium acetate, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, 1-butyl-3-methylimidazolium dicyanamide, 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride, 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, 1-hexil-3-methylimidazolium chloride. In this work, the minimum energy requirement and the amount of ionic liquid needed to obtain maximum ethanol purity and maximum recovery of ethanol and water exiting the process were found. The influence of the design and operation conditions used, such as the ethanol composition in the feed, the IL/feed ratio, the temperature of the feed and the IL, the number of plates, the reflux molar ratio and the distilled flux in the columns of purification of ethanol and recovery of ionic liquids were studied using the commercial simulator ASPEN PLUS, and optimized by utilization of the design of experiments (DOE) technique. All the ionic liquids used were able to dehydrate the ethanol, increasing its concentration from pre to post azeotrope, generating ethanol with purity above 0.995 in mass. In addition to that, depending on the ionic liquid used, the process reached average water and ethanol recoveries of 98% and 74% respectively. In the definition of the model for the activity coefficient in the ternary vapor-liquid equilibrium of the ethanol-water-IL mixtures, the models NRTL and UNIQUAC were studied concluding that the NRTL model was the most adequate / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Maria Regina Wolf Maciel, Cesar Benedito Batistella. / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-18T15:27:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Winter_Alessandra_D.pdf: 11332539 bytes, checksum: bb04863e95794099cc169cda9cc99199 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Atualmente, muitas empresas têm adotado a intensificação de processos, criando técnicas e métodos inovadores, visando aumentar a eficiência energética e o rendimento dos processos. A destilação reativa é um exemplo clássico de processo intensificado. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma unidade de Destilação Molecular Reativa (REAMOL). O objetivo do processo de destilação molecular reativa é a valoração (upgrade) do petróleo, por meio da geração de uma corrente de hidrocarbonetos leves (diluentes) que possa ser injetada dentro do poço, inclusive em ambientes de mar (offshore), diminuindo a viscosidade do óleo cru e favorecendo as propriedades de transporte e escoamento. Este processo promove o craqueamento de parte dos compostos presentes no petróleo, convertendo-os em compostos mais leves. A característica fundamental do REAMOL é a separação imediata dos produtos leves gerados pelas reações de conversão dos componentes originais, favorecendo, assim, o deslocamento do equilíbrio no sentido das reações desejadas. Tais reações ocorrem na forma heterogênea, misturando-se o catalisador sólido à carga de petróleo (líquido). A ação da força centrífuga aplicada ao evaporador, formado por um disco giratório, é responsável pelo espalhamento da amostra na forma de um filme fino (película), garantindo intensa troca térmica, o que também promove a reação. O curto tempo de residência do material no equipamento, aliado às baixas pressões, favorecem as reações de craqueamento, direcionando a formação dos produtos desejados de menor viscosidade. Após a construção, o equipamento foi totalmente automatizado para facilitar os trabalhos na planta, proporcionando uma menor intervenção por parte do operador no processo. Os testes foram iniciados com óleos lubrificantes para avaliar o funcionamento e o sistema de supervisão e controle da planta. Em seguida, foi adicionado catalisador ao óleo lubrificante com o intuito de verificar as condições operacionais do equipamento. Observou-se um aumento significativo da pressão de operação do sistema, que se atribuiu à formação de compostos leves que influenciam no sistema de vácuo do processo. A partir desta constatação, iniciaram-se os experimentos com um corte e um resíduo de petróleo com diferentes concentrações de catalisador. As caracterizações físico-químicas das amostras demonstram que a melhor condição operacional para obtenção de compostos mais leves ocorre à temperatura do evaporador de 200ºC e 3% de catalisador. O último teste foi realizado nas melhores condições de processamento utilizando-se diferentes tipos de catalisadores. Os resultados obtidos no equipamento construído foram extremamente positivos, comprovando o sucesso da tecnologia proposta / Abstract: Currently, many companies have been adopted process intensification, creating innovative techniques and methods increasing the energy efficiency and the yield of the processes. The reactive distillation is a classic example of intensified process. This work presents the development of a Reactive Molecular Distillation Unit (REAMOL). The objective of reactive molecular distillation process is the oil upgrade by generating a stream of light hydrocarbons that can be injected into the well, including environments offshore, decreasing the viscosity of crude oil and improving the flow and transport properties. This process promotes the cracking of some petroleum components converting them into lighter compounds. The feature of REAMOL is the immediate separation of the light products generated by the reactions of conversion of the original components, moving the equilibrium in the direction of desired reactions. These reactions occur in a heterogeneous way by mixing the solid catalyst to the oil feed (liquid). The centrifugal force applied in the evaporator, consisting of a conical rotor, is responsible for spreading the sample in the form of a thin film, guarantying intense heat exchange, which also promotes the reaction. The short residence time of material in the equipment coupled with low pressures promotes the cracking reactions by directing the formation of the desired products with lower viscosity. After the equipment construction, it was completely automatized to make easy the operating performance, decreasing the operator intervention in the process. Firstly, the experiments were carried out using lubricating oil to evaluate the performance and the plant control. Then, the catalyst was added to the lubricating oil in order to verify the operating conditions of the equipment. There was a significant increase in the operating pressure of the system, which was attributed to the formation of light compounds that affect the vacuum system of the process. From this verification, experiments were initiated with a cut and a petroleum residue with different concentrations of catalyst. The physicochemical characterizations of the samples show that the best operating condition for obtaining lighter compounds occurs at the evaporator temperature of 200 ° C and 3% catalyst. At least, it was carried out a test under the best conditions for processing using different kind of catalysts. The experiment results were extremely positive proving the success of the proposed technology / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

Orientador: Maria Regina Wolf Maciel / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-24T13:22:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Borges_FabioLuiz_M.pdf: 1928972 bytes, checksum: 8ee551cc8034ad570e84bd024b3702ca (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Essa dissertação tem como objetivo avaliar a utilização de curvas de destilação simulada de petróleo analisadas por dois métodos cromatográficos (ASTM D7169 e DHA Front End) combinados em um modelo de predição de rendimentos de derivados de uma unidade de destilação atmosférica e a vácuo. Os métodos utilizados são de execução mais ágil e de custo bastante reduzido em relação aos métodos de obtenção de curvas de Ponto de Ebulição Verdadeiro (PEV), sendo viável obter curvas de destilação de tanques de petróleo em laboratórios de refinarias. A utilização dessas análises possibilita a obtenção de curvas das cargas a serem processadas mais representativas do que as curvas obtidas utilizando as curvas PEV disponíveis no BDAP (Banco de Dados de Avaliação de Petróleos da Petrobras) em conjunto com a proporção de petróleos informada pelo BDEMQ (Banco de Dados de Estoque, Movimentação e Qualidade da Petrobras) em cada tanque. Para realizar essa avaliação, foi elaborada, no software PETROSIM®, uma simulação do tipo Distop, a qual foi calibrada utilizando-se as vazões e as curvas de destilação dos derivados amostrados em uma das plantas de destilação da Refinaria de Paulínia. Em seguida, foram coletadas amostras de tanques de petróleo, as quais foram analisadas pelos dois métodos combinados para obter as curvas de destilação, que foram utilizadas como dados de entrada da simulação calibrada, obtendo os rendimentos dos derivados. Foram também obtidos os rendimentos da mesma simulação calibrada utilizando como dados de entrada os dados de curvas PEV disponíveis no BDAP e também pelo método de predição baseado em rendimentos fixos de petróleos, que são gerados pelo software Blend-BR®, de propriedade da Petrobras, cujos dados de entrada também são as curvas PEV do BDAP. Os rendimentos obtidos por esses três métodos foram comparados com os rendimentos obtidos na unidade quando os tanques de petróleo amostrados foram processados. Os resultados obtidos indicaram que a simulação calibrada utilizando os dados analisados pelos métodos cromatográficos forneceu rendimentos mais aderentes aos realizados do que os outros métodos, principalmente na predição de rendimentos de nafta / Abstract: This thesis aims to evaluate the use of crude distillation curves analyzed by two combined chromatographic methods (ASTM D7169 and DHA Front End) combined into an atmospheric and vacuum crude distillation unit yields prediction model. These methods are faster to be executed and have the costs pretty lower compared to the methods used to obtain the True Boiling Point (TBP) curves, enabling to obtain distillation curves of crude tanks in refinery laboratories. These analyzes enable obtaining curves of the loads to be processed more representative than the curves obtained using the TBP curves available in BDAP (the Petrobras petroleum Database) and the proportion of oils informed by BDEMQ (the Petrobras feedstocks and quality Database) for each tank. To perform this evaluation, it was built in PETROSIM® software a Distop simulation, which was calibrated using flow rates and crude cuts distillation curves from the samples collected at on of the crude distillation units of Paulínia Refinery. Samples of oil tanks, which were analyzed by the two combined methods to obtain the distillation curves, were then used as input data the calibrated simulation, obtaining the crude cuts yields. The cuts yields were also obtained by the same calibrated simulation using as input data TBP curves available at BDAP and also by a model based on fixed crude cuts yields, which are performed by the software Blend-BR®, property of Petrobras, whose data input are also the TBP curves available at BDAP. The yields obtained by these three methods were compared with the yields obtained in the industrial unit when the sampled oil tanks were processed. The results indicated that the calibrated simulation using data analyzed by the chromatographic methods provided yields that are closer to actual ones than other methods, especially for the naphtha yields / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Maria Regina Wolf Maciel, Henry França Meier, Antonio Andre Chivanga Barros / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-03T15:31:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Noriler_Dirceu_M.pdf: 4837242 bytes, checksum: ed71f25bb9219c76441c2042ff4f6a07 (MD5) Previous issue date: 2003 / Resumo: Os modelos para representação de colunas de destilação atuais baseiam-se no conceito de estágios de equilíbrio e de não equilíbrio, ambos considerando o equilíbrio hidrodinâmico em uma abordagem macroscópica. No entanto, em meados da década de 90, iniciou-se a aplicação de modelos microscópicos para subsidiar e incrementar a análise e otimização dos processos de refino, dando-se início à era dos códigos comerciais de Fluidodinâmica Computacional. O principal objetivo deste trabalho é desenvolver um modelo microscópico para descrever a fluidodinâmica do escoamento líquido-vapor em um prato perfurado de uma coluna de destilação, com base na conservação de quantidade de movimento sob condições de turbulência e aplicar e implementar o modelo matemático no código comercial de fluido dinâmica computacional CFX, da ABA Technology, para a realização de um estudo de experimentação numérica de modelos e métodos. Foram propostos três modelos distintos para representação do escoamento em um prato perfurado de destilação: um modelo bidimensional e monofásico, 2-DSM (Liu et ai. (1999)) , um modelo tridimensional bifásico e homogêneo, 3-DHomM, e por fim um modelo tridimensional bifásico e heterogêneo, 3-DHetM. Desta forma, os três modelos foram implementados no código comercial CFX 4.4 da ABA technology, o qual utiliza o método dos volumes finitos com variáveis co-localizadas resolvendo o sistema em coordenadas generalizadas. As malhas numéricas foram construídas por intermédio da técnica dos multiblocos, utilizando o pré-processador "BUILD" presente no código. Os principais resultados mostram que o modelo 3-DTHomM representa, qualitativamente, de forma satisfatória a hidrodinâmica de um prato perfurado de destilação. A metodologia proposta neste trabalho se mostrou adequada e apta a reproduzir tal comportamento fluidodinâmico / Abstract: The current models for predicting distillation column behavior are based on equilibrium and non-equilibrium stage concepts, but both use the hydro dynamical equilibrium in a macroscopic point of view. The objectives of this work are: developing the microscopic model to describe the gas-liquid flow on a distillation sieve tray, based on momentum equations under turbulence conditions, inter-phase momentum transfer and other modeling features; and applying the mathematical modeling in a commercial CFD code, for numerical experiments in order to verify the software and to validate the models. Three models were proposed: the first model named Two Dimension Single Model (2-DSM model), with two dimension and single phase assumptions; the second one, named Three Dimension Homogeneous Model (3-DHomM model), with two phases and three dimension with homogeneous flow, i. e., the liquid and the gas velocities are the same; and the last model is a model with two phases and three dimension assumptions, named Three Dimension Heterogeneous Model (3-DHetM model). These three models were applied in CFX 4.4 CFD commercial code from ABA Technology, by using the finite-volume methods with co-located variable in a generalized coordinate system, to obtain numerical solutions. The pre-processor BUILD were used to build up the numerical grid with the multi-block technique. The main results show that the 3-DHomM model, despite of its simplicity when compared with 3-DhetM, describes the fluid dynamics on a sieve distillation tray satisfactorily. The methodology proposed in this work also showed to be adequate, and with capability to describe the gas-liquid flow on a sieve distillation tray / Mestrado / Engenharia de Processos / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Ana Maria Frattini Fileti / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-07-24T03:14:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pedrosa_LucianodaSilva_M.pdf: 2861151 bytes, checksum: fdcb522e32269791b20608d410aebbe5 (MD5) Previous issue date: 1998 / Resumo: A destilação em batelada é um processo de separação bastante utilizado na purificação de produtos químicos ou bioquímicos de alta tecnologia e/ou alto valor agregado. A maior vantagem das colunas em batelada é sua versatilidade, pois podem processar diversas misturas sob diferentes condições experimentais. Esta flexibilidade juntamente com a não-linearidade e a natureza não estacionária do processo tomam as técnicas convencionais de controle inadequadas, constituindo um desafio no projeto de sistemas de controle. Além disso, a busca da obtenção de produtos com pureza especificada e a necessidade de minimizar produtos fora de especificação mostram claramente a importância do projeto, do desenvolvimento e da implementação de sistemas de controle para o monitoramento destes processos. Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a implementação experimental de um sistema de controle digital direto para uma coluna piloto de destilação em batelada. Estratégias de controle "feedback" convencionais foram primeiramente implementadas no microcomputador 486 DX 33MHz acoplado a coluna, mostrando um comportamento insatisfatório para o processo descontínuo em questão. Diante das exigências do processo, posteriormente optou-se pela implementação de algoritmos de controle adaptativo. Um algoritmo de controle auto-ajustável (STR) baseado em identificação recursiva de parâmetros do processo foi desenvolvido. O processo é representado por um modelo discretizado de uma função transferência de primeira ordem com atraso de transporte. O método de Programação Quadrática Sucessiva aplicado a mínimos quadrados, da biblioteca matemática NAG, foi utilizado para a estimação "on-line". O equivalente digital de um controlador PI e o algoritmo de Dahlin foram individualmente testados como leis de controle. Tais controladores foram então comparados com um Controlador Adaptativo Programável (PAC). O projeto e o desempenho do PAC mostraram-se altamente dependentes da qualidade da mistura a ser destilada enquanto o STR atuou de maneira adequada para todas as separações efetuadas, apesar de seu projeto genérico. Para que os valores das composições de topo e fundo pudessem ser inferenciados a partir de medições de temperatura na coluna, foram utilizados dados de equilíbrio líquido vapor para a separação do sistema binário (n-hexano/n-heptano) e inferenciação via Redes Neurais Artificiais (RNA) para a separação do sistema temário (n-hexano/cicloexano/nheptano). O sistema de controle desenvolvido tomou o equipamento de destilação em batelada convencional mais eficiente e fácil de operar. Os experimentos realizados sobre uma coluna piloto confirmaram os resultados de simulações de trabalhos anteriores / Abstract: Batch distillation is one of the most important separation processes used in many chemical industries, specially those related to the manufacture of fine and specialty chemicals. Due to the flexibility in purifying different mixtures under a variety of operational conditions, batch distillation is a process of valuable importance. The flexibility of the equipment coupled to the dynamic nature and the nonlinear process behaviour make the conventional control techniques inefficient and pose challenging control system designo From the above and looking for the constant overhead product purity operation, it is emphasized the importance of the development and experimental testing of suitable control systems for the automatic operation of such equipment. The present work describes the development and experimental testing of a direct digital control system for a pilot batch distillation column. Conventional feedback control strategies were first1yimplemented in a 486 DX 33MHz PC coupled to the column. It was then proved the inefficient results of conventional schemes for this transient process control. Since the process under study c1aimed to more elaborated control systems, adaptive control algorithms were implemented. A Self Tuning Regulator (STR) based on a regressive analysis of the process was developed. An input/output discrete model was used to represent the process, which was approached to a first order plus time delay system. The on line process identification proceeds using the Successive Quadratic Programming method applied to Least Squares. The computational code was available in NAG Mathematical Library. A digital PI control law and the law obtained through Dahlin's AIgorithm were individually tested. The performance of the developed STR was compared to a previously implemented Programmable Adaptive Controller (PAC). The results show that the STR is a suitable and an easy control strategy to be implemented when compared to the PAC, which requires strong off-line computational effort and is highly dependent on the knowledge of the feed mixture composition and properties. Product and bottom composition were estimated from vapor temperature measurements and the equilibrium properties of the n-hexane/n-heptane binary system used. To allow experimental tests with a ternary system (n-hexane/cic1ohexane/n-heptane), a composition soft-sensing system based on Neural Networks was developed. The developed digital control system made the conventional batch distillation more efficient and easy to operate. Experiments performed on the pilot column confirm previous simulation results / Mestrado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Sergio Vladir Bajay / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-07-18T13:15:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Sinicio_MarcosFernandes_M.pdf: 9068369 bytes, checksum: 7df19b4215115caad17caa2374c9e241 (MD5) Previous issue date: 1992 / Resumo: Não informado / Abstract: In the end of this century, local energy shortages are a problem in many parts of the world. This is also true for Brazil. This thesis intends to show ways to minimize the alcohol production costs through energy conservation in its production. It also intends to qualify and, whenever possible, to quantify, with the avaiable data, potential measures to rationalize the use of energy in the alcohol and sugar production, especially in the utilization of steam in the various production stages. The broad, detailed and flexible use of the computer as a fundamental tool in such rationalization is a large difference between this and others works with similar goals. Computer routines for thermodynarnics analyses, technical empiric relations and economic analyses have been developed for the several stages and equiprnents using steam in the sugar and alcohol plants / Mestrado / Mestre em Planejamento de Sistemas Energéticos

Orientadores: Maria Regina Wolf Maciel, Maciel, Rubens Maciel Filho / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-27T12:46:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Komesu_Andrea_D.pdf: 4468386 bytes, checksum: 03e3f3102cf04589d03c416854b1c9b7 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: O desenvolvimento de processos biotecnológicos industriais que utilizem recursos naturais renováveis é uma necessidade que se faz presente nos dias atuais, dada a preocupação com o abastecimento de petróleo e o desenvolvimento sustentável. Um grande interesse pelos processos fermentativos para produção de ácidos carboxílicos a partir de recursos renováveis tem sido despertado, sendo a produção de ácido láctico uma das mais importantes entre os ácidos orgânicos. A grande variedade de aplicações e o desenvolvimento de novos usos e produtos, como na produção de polímeros biodegradáveis (poli- ácido láctico), solventes verdes e químicos oxigenados, fizeram com que a produção de ácido láctico crescesse consideravelmente nas últimas décadas e estimulasse a pesquisa por tecnologias que tornem o processo mais viável economicamente. No caso do ácido láctico, o desenvolvimento de um método eficaz de separação e purificação do ácido a partir do caldo de cana-de-açúcar fermentado, sem a geração de efluentes, é de suma importância, pois o processo de separação e purificação corresponde a, aproximadamente, 50% do custo de produção. Assim, este trabalho teve como objetivo estudar três estratégias para separação e concentração do ácido láctico produzido por via fermentativa, utilizando, a saber: um sistema híbrido de destilação molecular, um sistema de destilação reativa e acoplando as duas tecnologias sequencialmente. Foram aplicados planejamentos experimentais para a determinação das melhores condições operacionais de cada processo e, por fim, foram definidas as melhores condições e sequências operacionais para a concentração, separação e purificação do ácido láctico. Os resultados mostraram que utilizar tanto o sistema híbrido de destilação molecular quanto o sistema de destilação reativa são efetivos para a separação e concentração do ácido láctico. Após a otimização da etapa de destilação molecular híbrida, foi possível a obtenção de ácido láctico com 89,71% de pureza. Em relação à destilação reativa, foi possível obter 100% de rendimento de lactato de etila na etapa de esterificação e concentrar 2,4 vezes o ácido láctico, com 26,32% de pureza, após a etapa de hidrólise. Utilizando a destilação molecular híbrida e destilação reativa em sequência, obteve-se ácido láctico 4,7 vezes mais concentrado, com 21,97% de pureza. A destilação molecular híbrida apresentou o maior índice de desempenho de purificação, sendo a tecnologia de separação e purificação mais promissora para o ácido láctico. Para finalizar o trabalho, foi desenvolvida a simulação de uma planta virtual para realizar a purificação do ácido láctico proveniente da fermentação utilizando a destilação reativa / Abstract: The development of industrial biotechnology processes that use renewable resources is a necessity nowadays due to concerns about oil supply and sustainable development. Fermentation processes for the production of carboxylic acids from renewable resources have drawing a lot of interest, and the production of lactic acid is one of the most important among organic acids. The wide variety of applications and the development of new uses and products, such as the production of biodegradable polymers, green solvents and oxygenated chemicals, have made the production of lactic acid grow considerably in recent decades, stimulating research for technologies that make the process more economically viable. In the case of lactic acid produced from sugarcane molasses, the development of an effective method of separation and purification without wastewater generation is extremely important. The process of separation and purification corresponds to approximately 50% of the production cost. Therefore, this work is devoted to study three strategies of separation to concentrate lactic acid produced from fermentation: hybrid short path evaporation, reactive distillation, and both technologies attached. Experimental factorial designs were applied to determine the best operating conditions. Thus, the best conditions and operational sequences for lactic acid concentration, separation, and purification were defined. The results showed that hybrid short path evaporation and reactive distillation system are effective for the lactic acid separation and concentration. After optimization of the hybrid short path distillation, lactic acid purity around 89,71% was obtained. Regarding reactive distillation, it was possible to obtain 100% ethyl lactate yield in the esterification reaction and concentrate lactic acid by 2,4 times after hydrolysis with lactic acid purity around 26,32%. Using both technologies attached, lactic acid was concentrated by 4,7 times with lactic acid purity around 21,97%. Hybrid short path distillation showed high purification performance index, so it is the separation and purification technology most promising for lactic acid. Finally, a virtual plant for lactic acid purification from fermentation broth was developed using reactive distillation / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutora em Engenharia Quimica

Orientador : Roger Josef Zem / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-09-11T21:00:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Faria_SergioHenriqueBernardode_D.pdf: 4922037 bytes, checksum: 89a2b8549eebabf31b90e85dd94e0dd7 (MD5) Previous issue date: 2003 / Resumo: Destilação é um dos processos de separação que mais consome energia. Isto é motivação importante para o estudo de diferentes configurações de sistemas de destilação, com o objetivo de obter-se processos mais eficientes, que desperdicem menos energia e causem menor impacto ambiental. No estudo de diferentes configurações de sistemas de destilação, necessariamente tenta-se encontrar a combinação ótima entre os fatores: Número de estágios, razão de refluxo, condição térmica da alimentação, estágio de alimentação e a utilização de trocadores intermediários. Neste trabalho, um método para encontrar esta combinação ótima, do pronto de vista da termodinâmica, é proposto. O método se baseia na análise de colunas de destilação através do estudo de perfis de perdas de exergia. O perfil de perdas de exergia, montado a partir de balanços de exergia em cada estágio de uma coluna de destilação, representa a distribuição de forças motrizes ao longo da coluna. É a análise do formato do perfil que permite identificar mudanças necessárias na coluna para que a sua eficiência aumente. Os testes feitos para colunas com o sistema °metanol/água, mostraram que os perfis obtidos efetivamente representam a distribuição de forças motrizes na coluna, desde que as propriedades entalpia, entropia e energia de Gibbs, envolvidas nos cálculos, sejam consistentes entre si. Para isto, foi provado que é necessário considerar-se os valores de excesso destas propriedades. Estendendo um pouco o trabalho, análises mais detalhadas mostraram que é possível desprezar-se os valores de entalpia de excesso, obtendo ainda assim perfis coerentes. Este procedimento tem a vantagem de permitir que o método seja estendido a sistemas muIticomponentes. Por fim, o perfil de perdas de exergia foi utilizado para direcionar modificações em duas colunas (acetona/água e etanol/água), com o objetivo de aumentar a eficiência termodinâmica destas colunas. Foi constatado que as colunas finais obtidas são termodinamicamente mais eficientes que as originais / Abstract: The most frequently used method of separating fluid mixtures is by distillation, which uses significant amounts of energy. For this reason, the study of column design modifications with respect to energy consumption, has been the subject of many recent works concerning the energy efficiency of distillation columns. Column design modification involves options such as different number of stages, reflux ratios, feed stage location, feed condition and the benefit of using side-condensers or/and side reboilers. In this work a new procedure to find the best combination of these options, from a thermodynamic point of view is presented. In this method, exergy loss profiles are used to analyse different columns layouts. The exergy loss profile is obtained from a stage-to-stage exergy balance and represent the distribution of driving forces in the column. Critical analysis of profile shapes identifies necessary column modifications to lead to higher column efficiency. The methodology was tested to a separation of a high nonideal mixture (methanol/water), concluding that exergy loss profiles can represent the distribution of driving forces in the column. However, to ensure thermodynamic consistency, when dealing with nonideal systems excess properties cannot be ignored. Detailed studies showed that it is possible to simplify the method, ignoring excess enthalpy contribution and still ensure reasonable thermodynamic consistency. This modification allows the method to be applied to multicomponent systems. Finally, exergy 10ss profiles were used to identify suitable column modifications for acetone/water and ethanol/water splits. Results showed that the columns obtained after modifications are thermodynamically more efficient / Doutorado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Doutor em Engenharia Química

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-03-12T16:25:13Z No. of bitstreams: 1 ARIOSTON ARAÚJO DE MORAIS JÚNIOR - TESE PPGEQ 2015..pdf: 4075446 bytes, checksum: 58c7745e3f0cf289b5f5d0a0a774ed88 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-12T16:25:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ARIOSTON ARAÚJO DE MORAIS JÚNIOR - TESE PPGEQ 2015..pdf: 4075446 bytes, checksum: 58c7745e3f0cf289b5f5d0a0a774ed88 (MD5) Previous issue date: 2015-11-06 / Neste trabalho é proposta uma metodologia para construção de sensores virtuais implementados em software, com objetivo de estimar e prever o comportamento de impurezas na corrente de base de uma coluna de destilação de alta pureza, do processo produtivo do 1,2 Dicloroetano (C2H4Cl2). A aquisição dos dados utilizados na construção dos sensores virtuais foi realizada através do modelo matemático do processo, simulado com dados reais de uma planta industrial. O estudo específico engloba a modelagem matemática/termodinâmica e avaliação do comportamento estacionário e dinâmico dessa torre, simulada aqui no software Aspen Plus e DynamicsTM. Desse modo, o modelo fornece os dados necessários para inferência das impurezas relacionadas, que são os teores dos compostos tetracloreto de carbono (CCl4) e clorofórmio (CHCl3), ambos devem ser mantidos, respectivamente, em valores ≤3000 e ≤400 ppm (partes por milhão). A metodologia também aborda dois algoritmos de seleção de variáveis secundárias, que utilizam técnicas estatísticas multivariadas (algoritmo de todas as regressões possíveis-TRP e da análise de componentes principais-PCA). Verifica-se também nos dados gerados quanto a real ou não necessidade de remoção de erros grosseiros (outliers), por isso é também inserida na metodologia uma etapa de pré-processamento de dados. Foram selecionados os dez melhores modelos de inferência para cada uma das saídas. Diante dessa informação, os melhores modelos produzidos não utilizavam as concentrações dos compostos das correntes de alimentação e sim medições de temperaturas ao longo da torre. Uma importante conclusão do ponto de vista de construção de sensores virtuais, porque na maioria dos trabalhos desenvolvidos essas variáveis são cruciais na produção de bons resultados. O treinamento dos sensores virtuais foi efetuado em um ambiente ruidoso, haja vista que foram simulados ruídos inerentes às medições (ruídos brancos Gaussianos). Na etapa final, os sensores virtuais são construídos utilizando uma técnica de modelagem empírica, redes neurais artificiais (RNA), onde foram utilizadas RNA do tipo Perceptron Multicamadas (MLP). Foram também avaliadas diversas variações quanto ao número de neurônios e camadas ocultas das RNA, empregando como critério de parada a técnica de validação cruzada. Os sensores virtuais desenvolvidos apresentaram erros satisfatórios do ponto de vista de engenharia, uma boa análise de regressão e um bom erro médio quadrático. Logo, com essas estimativas espera-se a minimização e a previsão do comportamento transiente dos compostos no referido processo. / This work proposes a methodology for software implementation to make soft sensors. The goal is to estimate and predict the behavior of impurities in the bottom current of a highpurity distillation column, for 1,2-Dichloroethane or 1,2-DCE (C2H4Cl2) production. The data acquisition used in the construction of soft sensors was performed through a mathematical simulation of the process, with real industrial data taken from an industrial plant. A specific study involves the mathematical modeling, thermodynamics, evaluation of the steady state and the dynamic behavior of this process, simulated here in Aspen Plus and Aspen DynamicsTM software. Thus, the model provides the necessary data to infer the contents of the carbon impurities mentioned above, Tetrachloride (CCl4) and Chloroform (CHCl3), which are to be fixed approximately below 3000 and 400 ppm (parts per million) respectively. The methodology also covers selection algorithms of secondary variables, using multivariate statistical techniques: All Possible Regressions (TRP) and Principal Component Analysis (PCA). The data generated was checked in order to know whether to include or not a step for removal of outliers, so it was also included in the methodology one preprocessing data step. The ten best inference models were selected for each output concentration. With this information, these models do not use concentrations measurements in the feed streams but measurements of the temperature along the column. This is an important conclusion from the point of view of virtual sensors building, because in most of the literature reported these variables are crucial in getting good results. The training of soft sensors was done in a noisy environment, considering that simulated noise was inherent to measurements (Gaussian noise). In the final step, the soft sensors devices are constructed using an empirical modeling technique of artificial neural networks (ANN), which were generated ANN type Multilayer Perceptron (MLP). Several variations were also evaluated on the number of neurons and hidden layers of networks, employing as a stopping criterion the cross-validation technique. The developed soft sensors presented satisfactory errors from the engineering viewpoint, a good regression and a good mean square error. Finally, with these estimations it is expected to minimize and predict the transient behavior of the compounds in the referred process.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6081.pdf: 3692615 bytes, checksum: c275b7cf71f1d4575f5deeff0b9c56cc (MD5) Previous issue date: 2014-03-18 / Universidade Federal de Sao Carlos / Ethanol is a renewable fuel produced from biomass. Starting in 1975, Brazil began a national program to promote ethanol production in large scale, the ProAlcool Programme. In the harvest 2012/13 it was produced 23.64 billion of litters of ethanol, from that 9.85 billion was in anhydrous form. The anhydrous ethanol is mainly used as a gasoline additive. This mix reduces the dependence on fossil fuels, improves the engine performance and reduces the emission of toxic gases. Anydrous ethanol can be produced by azeotropic distillation (cyclohexane), by extractive distillation (mono ethylene glycol) or by molecular sieves technology (zeolytes). The objective of this work was the construction and operation of a distillation apparatus (in a bench scale) with the purpose of evaluating the extractive distillation of hydroalcoholic solutions of ethanol employing glycerol as solvent, in substitution of mono ethylene glycol. The substitution is motivated by several factors indicated by the literature like the biodiesel production growth, whose glycerol is a byproduct; the low toxicity; the superior capacity to promote the relative volatility increase of water-ethanol solution; and the inferior energetic consumption. The column was composed by three glass modules with five perforated plates each module. On the top it was used a glass coil condenser. As reboiler it was used a two litters round bottom boiling flask linked to a heating mantle. The feed of ethanol, solvent (glycerol) and the bottom product withdraw was made with pumps. The distillation system was modelled and simulated in the Aspen Plus software using the RadFrac distillation model and NRTL (non-random two-liquid model) thermodynamic model. Four simulations were made for different ethanol feed compositions (25, 35 and 45 wt %). Three simulations were made without the glycerine feed and one with solvent feed and 35% ethanol feed. The distillation column was operated in total reflux with 0.599 L/h ethanol feed flow and 0.341L/h glycerine feed flow. The systems without the solvent reached a mass purity of ethanol of 94.1% in distillate (45% of ethanol feed). The process with the solvent reached a purity of 99.8% in distillate. The four simulated conditions were experimentally evaluated. The experimental results confirmed that the use of glycerine feed promoted an improvement in separation, reaching distillate purity over 99%. Experiments without the glycerine reached compositions around 90%. Murphree efficiencies were determined in all experiments carried out. For the systems without the solvent the obtained efficiencies were: 45% (25% ethanol feed), 30% (35% ethanol feed), 35% (45% ethanol feed). The system with glycerine feed reached 70% efficiency. / O etanol é um combustível renovável que teve sua produção incentivada no Brasil a partir da implantação do Programa Nacional do Álcool em 1975. Na safra 2012/13 foram produzidos 23,64 bilhões de litros, destes 9,85 bilhões em sua forma anidra. Nesta composição é utilizado como aditivo na gasolina (25% em volume) o que contribui para redução da dependência dos combustíveis fósseis, melhora do desempenho dos motores e diminuição na emissão de gases tóxicos. A produção de etanol anidro pode ser realizada pela destilação azeotrópica (cicloexano), extrativa (monoetilenoglicol) ou por meio do emprego da tecnologia das peneiras moleculares (zeólitas). Este trabalho teve como objetivo a construção e operação de um aparelho de destilação (em escala de bancada) com o objetivo de avaliar a destilação extrativa de soluções hidroalcoólicas de etanol empregando glicerol como solvente em substituição ao monoetilenoglicol. Essa substituição é motivada por diversos fatores apontados pela literatura como o crescimento da produção de biodiesel, que possui como subproduto o glicerol; a menor toxicidade do glicerol em relação ao monoetilenoglicol; a maior capacidade em promover o aumento da volatilidade relativa da solução água-etanol; e o menor consumo energético. A coluna de destilação era composta de três módulos de vidro com cinco pratos perfurados em cada módulo. No topo foi utilizado um condensador de vidro tipo serpentina. Como refervedor foi utilizado balão de fundo redondo de dois litros acoplado a uma manta de aquecimento. A alimentação das correntes de etanol, solvente e a retirada do produto de fundo da coluna foram realizadas por bombas. O sistema de destilação foi simulado no aplicativo Aspen Plus utilizando o bloco RadFrac e o modelo termodinâmico NRTL (Non-random two-liquid model). Foram realizadas quatro simulações variando-se a composição de etanol na corrente de alimentação (25%, 35% e 45% m/m). Três simulações foram feitas sem a alimentação de glicerina e uma simulação com alimentação do solvente e alimentação de etanol de 35%. A simulação representou o processo em refluxo total com vazão de alimentação de etanol de 0,599 L/h e alimentação de glicerina com vazão de 0,341 L/h. As simulações mostraram que para os sistemas sem alimentação de glicerina a máxima pureza mássica de etanol obtida no destilado foi de 94,1% (alimentação com 45% de etanol). Para a operação com alimentação do solvente a pureza obtida no destilado atingiu 99,8%. As quatro condições simuladas foram avaliadas experimentalmente. Os resultados experimentais confirmaram que o uso da alimentação de glicerina promoveu uma melhora na separação, obtendo um destilado com pureza mássica de etanol superior a 99%. Os experimentos sem a presença do solvente atingiram concentrações próximas de 90% no destilado. A eficiência de Murphree foi determinada em cada uma das operações. Para os sistemas sem a presença de solvente, as eficiências obtidas foram de 45% (25% de etanol na alimentação), 30% (35% de etanol na alimentação) e 35% (45% de etanol na alimentação). Para o sistema com alimentação de glicerina a eficiência foi de 70%.