Do competitivo mercado de produção de açúcar demanda-se um produto detentor de maior qualidade e menor custo. A qualidade do açúcar relaciona-se com o estudo das propriedades físico-químicas da sacarose durante o processo de clarificação. Na produção de açúcar branco utiliza-se o dióxido de enxofre em operação unitária de clarificação. No entanto, o uso desse reagente encontra restrições na indústria alimentícia e nos sistemas agroindustriais, em consequência de suas emissões na atmosfera, assim como, de reações alergênicas possivelmente relacionadas à exposição de resíduos de dióxido de enxofre em alimentos, em indivíduos sensíveis. Tecnologias alternativas, como o uso de peróxido de hidrogênio e de ozônio têm sido propostas. Do uso do peróxido de hidrogênio, de acordo com a literatura consultada, tem-se a diminuição de viscosidade, em conjunto com o aumento de pureza do xarope, pela remoção de compostos não açúcares. Dessa forma, o peróxido de hidrogênio é um eficiente agente oxidante de moléculas produtoras de cor, levando-as a parcial ou total degradação, com destruição permanente de substâncias corantes. A aplicação de peróxido de hidrogênio, no tratamento do caldo de cana-de-açúcar, foi considerada, no presente estudo, em três cenários distintos - com peróxido de hidrogênio na proporção 0,6 gH2O2/kgcaldo, na proporção de 1 gH2O2/kgcaldo e na proporção de 5 gH2O2/kgcaldo em substituição ao dióxido de enxofre - utilizado em método corrente, nas usinas. O escopo deste estudo, pois, constitui a análise de viabilidade econômico-financeira do peróxido de hidrogênio como agente de redução de cor de caldo, em operação unitária de clarificação, em substituição total ao uso de dióxido de enxofre. De fato, foram considerados os valores de investimento da proposta com uso de peróxido de hidrogênio em relação à estrutura padrão, com os insumos relativos a cada situação, pois a adequação da etapa de clarificação pode ser utilizada em lugar da implantação de uma nova unidade produtiva. Os valores encontrados para a clarificação de açúcar, com uso de peróxido de hidrogênio em substituição à sulfitação, considerando a descrição operacional com ganhos técnicos e insumos necessários, foram maiores, pois o investimento imobilizado em equipamentos foi maior, assim como o preço dos insumos. Das situações consideradas, houve aumento de R$ 0,16/saca50kg açúcar, em relação ao peróxido de hidrogênio utilizado em proporção 0,6 gH2O2/kgcaldo; de R$ 0,30 /saca50kg açúcar, em relação ao peroxido de hidrogênio na proporção de 1 gH2O2/kgcaldo e R$ 1,66 / saca50kg açúcar, em relação ao peroxido de hidrogênio na proporção de 5 gH2O2/kgcaldo. Percebe-se, dessa forma, a possibilidade de substituição do reagente majoritariamente utilizado, pelo proposto; considerando, ainda, a parceria entre setores privado e público, em consequência de demanda da sociedade por produtos alimentícios isentos de resíduos de enxofre, e do repasse de custos não demasiadamente oneroso para as usinas açucareiras. Todavia, fatores outros, concernentes à qualidade do produto final, como a tendência de degradação de sacarose, as questões ambientais e de saúde pública, assim como os ganhos energéticos devem ser analisados. / The competitive market of sugar production demands a better product with higher quality and lower cost. Sugar quality involves the physical-chemical properties of sucrose during the clarifying process. In white sugar production, sulfur dioxide is used in the clarifying process. However, this reagent has restrictions in food industry and agribusiness systems due to, sulfur dioxide emissions to the atmosphere, as well as its potentially allergenic reactions, concerning exposure to sulfur dioxide residues in foods, in sensitive individuals. Alternative technologies, using hydrogen peroxide and ozone have been proposed. The use of hydrogen peroxide, according to literature, promotes viscosity reduction and syrup purity increase, through the removal of non-sugar compounds. Therefore, hydrogen peroxide is a powerful oxidizing agent that causes partial or total color molecules degradation, causing permanent destruction. The application of hydrogen peroxide, in sugarcane juice, considered in this study has three distinct situations: 0.6 gH2O2/kgsugarcane juice proportion, 1 gH2O2/kgsugarcane juice proportion and 5 gH2O2/kgsugarcane juice proportion, replacing sulfur dioxide - used in the current method. This study scope is the economic viability of hydrogen peroxide, replacing sulfur dioxide in clarifying operation. The investment values using hydrogen peroxide in relation to standard structure were considered rather than the implementation of a new production unit. The hydrogen peroxide values, in clarifying process were higher, considering operational description by technical profits and necessary inputs, because the investment in equipment and input prices were higher. There was an increase of R$ 0.16 bag 50kg sugar using 0.6 gH2O2/kgsyrup; R$ 0.30 /bag 50kg sugar when the proportion was 1 gH2O2/kgsyrup and R$ 1.66/ bag 50kg sugar when the proportion was 5 gH2O2/kgsyrup. Therefore, there is a great possibility of replacing the main reagent used as alternative, including the partnership between private and public sectors the society demands for food products free of sulfur residue presenting production costs less expensive for the sugar industry. However, other factors, related to final product quality, such as sucrose degradation tendency, environmental and public health issues, as well as the energy gains should be analized.

Neste trabalho determina-se, através da termogravimetria, o efeito da temperatura e atmosfera sobre a conversão, a cinética e a efetividade da absorção de 'SO IND.2' por calcário. Aplica-se temperaturas e tamanho de particulado típicos do processo de combustão de carvão em leito fluidizado. Foram realizados ensaios isotérmicos em diferentes temperaturas (entre 650 e 950 graus Celsius), na pressão atmosférica local (~ 697 mmHg), em atmosferas dinâmicas de ar e de nitrogênio. Os resultados de sulfatação foram avaliados empregando-se a cinética de Arrhenius. A ordem de grandeza dos valores de energia de ativação obtidos (4,446 kJ/mol em ar e 3,748 kJ/mol em nitrogênio) sugere que o processo reativo seja controlado por difusão de Knudsen. A temperatura ótima de conversão resultou entre 800 e 850 graus Celsius em ar, e muito próxima de 900 graus Celsius em nitrogênio. Definiu-se efetividade como a relação entre o coeficiente de taxa de reação instantâneo e o seu valor máximo, indicando o decaimento temporal da reatividade da amostra com o progresso da sulfatação. Determinou-se a efetividade média para todas as temperaturas no intervalo de tempo em que a sulfatação se desenvolveu, sempre em torno de 200 s nos vários ensaios. Os maiores valores de efetividade média foram a 800 graus Celsius em atmosfera de ar (0,2854), e a 900 graus Celsius em atmosfera de nitrogênio (0,3142) / In this work thermogravimetry is applied to determine the effect of temperature and atmosphere on conversion, kinetics and effectiveness of 'SO IND.2' absorption by limestone. Ranges of temperature and particle size were applied that are typical of the fluidized bed coal combustion process. Isothermal experiments were performed for different temperatures (between 650 and 950 Celius degrees), at local atmospheric pressure (~ 697 mmHg), in dynamic atmospheres of air and nitrogen. The results of sulfation were evaluated using Arrhenius' kinetics. The order of magnitude of the resulting activation energies (4.446 kJ/mol in air and 3.748 kJ/mol in nitrogen) suggest the reaction to be controlled by Knudsen diffusion. Optimum conversion resulted between 800 and 850 Celsius degrees in ar, and around 900 Celsius degrees in nitrogen. Effectiveness was defined as the ratio between the instantaneous reaction rate coefficient and its maximum value, indicating the time decay of reactivity as sulfation advances. The average effectiveness was determined for all the temperatures considering the whole sulfation time interval, which was always around 200 seconds. The highest values of average effectiveness were found at 800 Celsius degrees in air atmosphere (0,2854), and 900 Celsius degrees in nitrogen atmosphere (0,3142)

Neste trabalho determina-se, através da termogravimetria, o efeito da temperatura e atmosfera sobre a conversão, a cinética e a efetividade da absorção de 'SO IND.2' por calcário. Aplica-se temperaturas e tamanho de particulado típicos do processo de combustão de carvão em leito fluidizado. Foram realizados ensaios isotérmicos em diferentes temperaturas (entre 650 e 950 graus Celsius), na pressão atmosférica local (~ 697 mmHg), em atmosferas dinâmicas de ar e de nitrogênio. Os resultados de sulfatação foram avaliados empregando-se a cinética de Arrhenius. A ordem de grandeza dos valores de energia de ativação obtidos (4,446 kJ/mol em ar e 3,748 kJ/mol em nitrogênio) sugere que o processo reativo seja controlado por difusão de Knudsen. A temperatura ótima de conversão resultou entre 800 e 850 graus Celsius em ar, e muito próxima de 900 graus Celsius em nitrogênio. Definiu-se efetividade como a relação entre o coeficiente de taxa de reação instantâneo e o seu valor máximo, indicando o decaimento temporal da reatividade da amostra com o progresso da sulfatação. Determinou-se a efetividade média para todas as temperaturas no intervalo de tempo em que a sulfatação se desenvolveu, sempre em torno de 200 s nos vários ensaios. Os maiores valores de efetividade média foram a 800 graus Celsius em atmosfera de ar (0,2854), e a 900 graus Celsius em atmosfera de nitrogênio (0,3142) / In this work thermogravimetry is applied to determine the effect of temperature and atmosphere on conversion, kinetics and effectiveness of 'SO IND.2' absorption by limestone. Ranges of temperature and particle size were applied that are typical of the fluidized bed coal combustion process. Isothermal experiments were performed for different temperatures (between 650 and 950 Celius degrees), at local atmospheric pressure (~ 697 mmHg), in dynamic atmospheres of air and nitrogen. The results of sulfation were evaluated using Arrhenius' kinetics. The order of magnitude of the resulting activation energies (4.446 kJ/mol in air and 3.748 kJ/mol in nitrogen) suggest the reaction to be controlled by Knudsen diffusion. Optimum conversion resulted between 800 and 850 Celsius degrees in ar, and around 900 Celsius degrees in nitrogen. Effectiveness was defined as the ratio between the instantaneous reaction rate coefficient and its maximum value, indicating the time decay of reactivity as sulfation advances. The average effectiveness was determined for all the temperatures considering the whole sulfation time interval, which was always around 200 seconds. The highest values of average effectiveness were found at 800 Celsius degrees in air atmosphere (0,2854), and 900 Celsius degrees in nitrogen atmosphere (0,3142)

O objetivo deste trabalho foi o analisar o impacto da resolução dos conjuntos de dados topográficos nas simulações das concentrações de dióxido de enxofre (SO2) emitido por uma fonte localizada no Sul do Brasil. Para isso foram realizadas duas simulações aplicando o modelo regional Weather Research and Forecasting acoplado com a química (WRF/Chem), configurado com duas representações do terreno de diferentes resoluções espaciais. Foram utilizados os dados padrão do modelo com melhor resolução, Global 30 Arc-Second Elevation (GTOPO), com aproximadamente 1 km, e inserido no bancos de dados do modelo as informações de terreno em alta-resolução do Radar Shuttle Topography Mission (SRTM) (30 metros). Para as emissões antrópicas do modelo foi elaborado um programa capaz inserir os volumes do poluente SO2 de forma horária expelidos pela chaminé, de acordo com as taxas de emissão medidos diretamente na fonte. O programa representou a emissão do poluente no ponto de grade correspondente a localização e a altura acima da superfície da chaminé da fonte. As simulações foram configuradas com os seguintes esquemas de parametrização: para microfísica de nuvens foi utilizado o Goddard Cumulus Ensemble; os esquemas de radiação de onda longa e curta foram o Goddard e o Rapid Radiative Transfer Model para modelos de circulação geral da atmosfera (MCGA); para a parametrização de cumulus o esquema utilizado foi o Grell 3D Ensemble Scheme; e para os esquemas de camada superficial e camada limite planetária foram utilizados os da teoria da similaridade do Fifth-Generation National Center for Atmospheric Research/Penn State Mesoscale Model (MM5) e o Yonsey University, respectivamente. A escolha desta combinação de esquemas foi definida a partir de um estudo inicial da sensibilidade do modelo à mudança das parametrizações. Os resultados dos experimentos numéricos alterando a topografia foram validados a partir dos dados de monitoramento das estações meteorológica e da qualidade do ar pertencentes à empresa responsável pelo empreendimento associado à fonte. Foi observado que as simulações com os dados SRTM expressaram o terreno da região de estudo mais próximo à realidade, representando o aspecto heterogêneo do relevo, ressaltando os picos e os vales. Os resultados das validações meteorológicas utilizando os dados topográficos indicaram melhoras nas simulações das variáveis meteorológicas: temperatura, umidade relativa, velocidade do vento e precipitação. Os experimentos com os dados topográficos GTOPO e SRTM no modelo WRF/Chem, configurado com as emissões horárias da fonte de Candiota, reproduziram o comportamento dos ventos para transporte de SO2 até as estações de monitoramento conforme os dados observados. Porém foram identificados padrões diferentes na representação das concentrações do poluente entre as duas simulações do modelo, associados aos escoamentos dos ventos representados pelos experimentos. A resolução da topografia afetou na simulação de SO2 devido ao aumento da forçante superficial induzida pelo terreno. Este aumento na forçante, influenciou a advecção da pluma de SO2, resultando em diferentes padrões das concentrações de SO2 no ponto de grade correspondente às estações de monitoramento. Contudo, os resultados das simulações das concentrações de SO2, tanto de forma horária quanto na abordagem das médias diárias, não indicaram uma relação linear entre a utilização de dados em alta resolução e a melhora na representação do SO2 pelo modelo WRF/Chem. / The objective of this work was to analyze the impact of the higher resolution topographic data sets in the simulations of the Sulfur dioxide (SO2) concentrations emitted by a source located Southern Brazil. Two simulations were performed applying the Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry – WRF/Chem, configured with two representations of the terrain with different spatial resolutions. The standard data of the model with the best resolution (approximately 1 km), Global 30 Arc-Second Elevation (GTOPO), and was inserted in the model databases the high-resolution (30 meters) terrain information of the Radar Shuttle Topography Mission (SRTM). For the anthropic emissions of the model, a program was developed capable of inserting the hourly SO2 pollutant volumes expelled by the chimney, according to the emission rates measured directly at the source. The program inserted these emissions into the grid point corresponding to the location and height above the surface of the emission source. The simulations were configured with the following parameterization schemes: for cloud microphysics Goddard Cumulus Ensemble; for the long and short wave radiation treatment it was used the Goddard and the Rapid Radiative Transfer Model for general circulation models; for the cumulus parameterization the scheme it was used the Grell 3D Ensemble Scheme; and for the surface layer and planetary boundary layer schemes, the similarity theory of the Fifth-Generation National Center for Atmospheric Research/Penn State Mesoscale Model (MM5) and the Yonsey University, respectively. The choice of this combination of schemes was defined from an initial study of the sensitivity of the model to the change of parametrizations. The results of the numerical experiments altering the topography were validated from the monitoring data of the meteorological stations and the air quality belonging to the company responsible for the enterprise associated to the source. It was observed that the simulations with the SRTM data expressed the terrain of the region of study closest to reality, representing the heterogeneous aspect of the terrain, highlighting the peaks and valleys. The results of the meteorological validations using the new topographic data indicated an improvement in the simulations of the meteorological variables: temperature, relative humidity, wind speed and precipitation. The experiments with the GTOPO and SRTM topographic data in WRF/Chem model, configured with the hourly emissions of the Candiota source, reproduced the winds behavior that transported the SO2 to the monitoring stations according to the observed data. However, different patterns were identified in the pollutant concentrations between the two simulations of the model, associated to the wind flows represented by the experiments. The topography resolution affected in the simulation of SO2 due to the increase of the surface forcing induced by the terrain. This increase in the forcing influenced the advection of the SO2 plume, resulting in different patterns of SO2 concentrations at the grid point corresponding to the monitoring stations. However, the results of simulations of SO2 concentrations, both hourly and in the approach of daily averages, did not indicate a linear relationship between the use of high resolution data and the improvement in the representation of SO2 by WRF/Chem model.

O objetivo deste trabalho foi o analisar o impacto da resolução dos conjuntos de dados topográficos nas simulações das concentrações de dióxido de enxofre (SO2) emitido por uma fonte localizada no Sul do Brasil. Para isso foram realizadas duas simulações aplicando o modelo regional Weather Research and Forecasting acoplado com a química (WRF/Chem), configurado com duas representações do terreno de diferentes resoluções espaciais. Foram utilizados os dados padrão do modelo com melhor resolução, Global 30 Arc-Second Elevation (GTOPO), com aproximadamente 1 km, e inserido no bancos de dados do modelo as informações de terreno em alta-resolução do Radar Shuttle Topography Mission (SRTM) (30 metros). Para as emissões antrópicas do modelo foi elaborado um programa capaz inserir os volumes do poluente SO2 de forma horária expelidos pela chaminé, de acordo com as taxas de emissão medidos diretamente na fonte. O programa representou a emissão do poluente no ponto de grade correspondente a localização e a altura acima da superfície da chaminé da fonte. As simulações foram configuradas com os seguintes esquemas de parametrização: para microfísica de nuvens foi utilizado o Goddard Cumulus Ensemble; os esquemas de radiação de onda longa e curta foram o Goddard e o Rapid Radiative Transfer Model para modelos de circulação geral da atmosfera (MCGA); para a parametrização de cumulus o esquema utilizado foi o Grell 3D Ensemble Scheme; e para os esquemas de camada superficial e camada limite planetária foram utilizados os da teoria da similaridade do Fifth-Generation National Center for Atmospheric Research/Penn State Mesoscale Model (MM5) e o Yonsey University, respectivamente. A escolha desta combinação de esquemas foi definida a partir de um estudo inicial da sensibilidade do modelo à mudança das parametrizações. Os resultados dos experimentos numéricos alterando a topografia foram validados a partir dos dados de monitoramento das estações meteorológica e da qualidade do ar pertencentes à empresa responsável pelo empreendimento associado à fonte. Foi observado que as simulações com os dados SRTM expressaram o terreno da região de estudo mais próximo à realidade, representando o aspecto heterogêneo do relevo, ressaltando os picos e os vales. Os resultados das validações meteorológicas utilizando os dados topográficos indicaram melhoras nas simulações das variáveis meteorológicas: temperatura, umidade relativa, velocidade do vento e precipitação. Os experimentos com os dados topográficos GTOPO e SRTM no modelo WRF/Chem, configurado com as emissões horárias da fonte de Candiota, reproduziram o comportamento dos ventos para transporte de SO2 até as estações de monitoramento conforme os dados observados. Porém foram identificados padrões diferentes na representação das concentrações do poluente entre as duas simulações do modelo, associados aos escoamentos dos ventos representados pelos experimentos. A resolução da topografia afetou na simulação de SO2 devido ao aumento da forçante superficial induzida pelo terreno. Este aumento na forçante, influenciou a advecção da pluma de SO2, resultando em diferentes padrões das concentrações de SO2 no ponto de grade correspondente às estações de monitoramento. Contudo, os resultados das simulações das concentrações de SO2, tanto de forma horária quanto na abordagem das médias diárias, não indicaram uma relação linear entre a utilização de dados em alta resolução e a melhora na representação do SO2 pelo modelo WRF/Chem. / The objective of this work was to analyze the impact of the higher resolution topographic data sets in the simulations of the Sulfur dioxide (SO2) concentrations emitted by a source located Southern Brazil. Two simulations were performed applying the Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry – WRF/Chem, configured with two representations of the terrain with different spatial resolutions. The standard data of the model with the best resolution (approximately 1 km), Global 30 Arc-Second Elevation (GTOPO), and was inserted in the model databases the high-resolution (30 meters) terrain information of the Radar Shuttle Topography Mission (SRTM). For the anthropic emissions of the model, a program was developed capable of inserting the hourly SO2 pollutant volumes expelled by the chimney, according to the emission rates measured directly at the source. The program inserted these emissions into the grid point corresponding to the location and height above the surface of the emission source. The simulations were configured with the following parameterization schemes: for cloud microphysics Goddard Cumulus Ensemble; for the long and short wave radiation treatment it was used the Goddard and the Rapid Radiative Transfer Model for general circulation models; for the cumulus parameterization the scheme it was used the Grell 3D Ensemble Scheme; and for the surface layer and planetary boundary layer schemes, the similarity theory of the Fifth-Generation National Center for Atmospheric Research/Penn State Mesoscale Model (MM5) and the Yonsey University, respectively. The choice of this combination of schemes was defined from an initial study of the sensitivity of the model to the change of parametrizations. The results of the numerical experiments altering the topography were validated from the monitoring data of the meteorological stations and the air quality belonging to the company responsible for the enterprise associated to the source. It was observed that the simulations with the SRTM data expressed the terrain of the region of study closest to reality, representing the heterogeneous aspect of the terrain, highlighting the peaks and valleys. The results of the meteorological validations using the new topographic data indicated an improvement in the simulations of the meteorological variables: temperature, relative humidity, wind speed and precipitation. The experiments with the GTOPO and SRTM topographic data in WRF/Chem model, configured with the hourly emissions of the Candiota source, reproduced the winds behavior that transported the SO2 to the monitoring stations according to the observed data. However, different patterns were identified in the pollutant concentrations between the two simulations of the model, associated to the wind flows represented by the experiments. The topography resolution affected in the simulation of SO2 due to the increase of the surface forcing induced by the terrain. This increase in the forcing influenced the advection of the SO2 plume, resulting in different patterns of SO2 concentrations at the grid point corresponding to the monitoring stations. However, the results of simulations of SO2 concentrations, both hourly and in the approach of daily averages, did not indicate a linear relationship between the use of high resolution data and the improvement in the representation of SO2 by WRF/Chem model.

Orientador: Waldir Antônio Bizzo / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-16T12:36:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Codolo_MileneCosta_D.pdf: 5194998 bytes, checksum: 83f254711e409c3aa28cb436b2164840 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Este trabalho apresenta uma avaliação experimental da absorção de SO2 e um estudo preliminar da absorção de NO em uma torre de nebulização. O estudo experimental de absorção de SO2 foi realizado com solução de NaOH em diferentes condições de operação, variando a vazão de solução, vazão de gás e bicos pulverizadores de pressão. Assim, foi possível avaliar a influencia do tempo de residência do gás, da relação L/G e dos bicos pulverizadores de pressão. Além disso, analisa a absorção de SO2 ao longo da coluna, retirando amostras do interior da torre. O estudo experimental de absorção de NO na torre de nebulização avalia o desempenho de uma torre projetada para absorção de SO2 na absorção de NO. Os ensaios de absorção de NO foram realizados em meio ácido com soluções de peróxido de hidrogênio (H2O2) e de peróxido de hidrogênio (H2O2) com sulfato ferroso (FeSO4), em diferentes condições de operação, a fim de avaliar a influência do tempo de residência do gás, da relação L/G, da concentração de peróxido de hidrogênio e da presença de sulfato ferroso na solução. Além do estudo experimental, este trabalho apresenta um estudo teórico da absorção de SO2, utilizando dados provenientes do estudo experimental. As simulações realizadas mostraram a importância do diâmetro de gota, a influência da vazão de gás e a evolução da velocidade e desaceleração das gotas ao longo da torre / Abstract: This work presents an experimental evaluation of SO2 absorption and a preliminary study of NO absorption into a spray tower. The experimental study of the absorption of SO2 was carried out with NaOH solution in different operation conditions, varying the liquid flow rate, the gas flow rate and pressure spray nozzles. Therefore, it was possible evaluate the influence of gás residence time, L/G ratio and pressure spray nozzles. Besides, it analyses the SO2 absorption along the column, taking samples from inside of the tower. The experimental study of NO absorption in the spray tower evaluates the performance of a designed tower for SO2 absorption in the NO absorption. The NO absorption tests were carried out in acid environment, with hydrogen peroxide solutions and hydrogen peroxide (H2O2) solutions with ferrous sulfate (FeSO4), in different operation conditions, in order to evaluate the influence of gas residence time, L/G ratio, hydrogen peroxide concentration and the presence of ferrous sulfate in the solution. Besides the experimental study, this work presents a theoretical study of SO2 absorption, using data from experimental study. The performed simulations showed the importance of the diameter of the droplet, the influence of gas flow rate and the evolution of velocity and deceleration of the droplets along the tower / Doutorado / Termica e Fluidos / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Gustava Paim Valença / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-24T00:06:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Campos_Kurts_M.pdf: 1571455 bytes, checksum: be3e0b10fcf0076c5a292b9ff9f8e965 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Em parques industriais produtores de ácido fosfórico, um grande problema é a quantidade de rejeito gerado, o fosfogesso (gesso com impurezas de ácido fosfórico e sulfúrico). A estocagem deste material no meio ambiente resulta em problemas graves para a fauna e flora nos locais onde é depositado. Neste trabalho, a viabilidade técnica de uma alternativa para o problema de descarte deste subproduto é discutida a partir da recuperação do dióxido de enxofre (SO2) de fosfogesso para utilização em plantas de ácido sulfúrico. Algumas simulações de processo das plantas de ácido sulfúrico serão apresentadas, apontando alternativas industriais para utilização de SO2 recuperado / Abstract: In industrial parks that produce phosphoric acid, the major problem is the amount of waste generated: the phosphogypsum (gypsum with impurities such as phosphoric and sulfuric acid). The storage of this material in the environment results in serious problems for wildlife and flora in places where it is deposited. An alternative to the problem of disposal of this waste as well as its technical feasibility is discussed, recovering sulfur dioxide SO2 from phosphogypsum for use in sulfuric acid plants. In this work, some simulations of sulfuric acid operation were made and the proposal is presented, pointing out the best alternative for SO2 reuse from phosphogypsum / Mestrado / Engenharia de Processos / Mestre em Engenharia Química

Do competitivo mercado de produção de açúcar demanda-se um produto detentor de maior qualidade e menor custo. A qualidade do açúcar relaciona-se com o estudo das propriedades físico-químicas da sacarose durante o processo de clarificação. Na produção de açúcar branco utiliza-se o dióxido de enxofre em operação unitária de clarificação. No entanto, o uso desse reagente encontra restrições na indústria alimentícia e nos sistemas agroindustriais, em consequência de suas emissões na atmosfera, assim como, de reações alergênicas possivelmente relacionadas à exposição de resíduos de dióxido de enxofre em alimentos, em indivíduos sensíveis. Tecnologias alternativas, como o uso de peróxido de hidrogênio e de ozônio têm sido propostas. Do uso do peróxido de hidrogênio, de acordo com a literatura consultada, tem-se a diminuição de viscosidade, em conjunto com o aumento de pureza do xarope, pela remoção de compostos não açúcares. Dessa forma, o peróxido de hidrogênio é um eficiente agente oxidante de moléculas produtoras de cor, levando-as a parcial ou total degradação, com destruição permanente de substâncias corantes. A aplicação de peróxido de hidrogênio, no tratamento do caldo de cana-de-açúcar, foi considerada, no presente estudo, em três cenários distintos - com peróxido de hidrogênio na proporção 0,6 gH2O2/kgcaldo, na proporção de 1 gH2O2/kgcaldo e na proporção de 5 gH2O2/kgcaldo em substituição ao dióxido de enxofre - utilizado em método corrente, nas usinas. O escopo deste estudo, pois, constitui a análise de viabilidade econômico-financeira do peróxido de hidrogênio como agente de redução de cor de caldo, em operação unitária de clarificação, em substituição total ao uso de dióxido de enxofre. De fato, foram considerados os valores de investimento da proposta com uso de peróxido de hidrogênio em relação à estrutura padrão, com os insumos relativos a cada situação, pois a adequação da etapa de clarificação pode ser utilizada em lugar da implantação de uma nova unidade produtiva. Os valores encontrados para a clarificação de açúcar, com uso de peróxido de hidrogênio em substituição à sulfitação, considerando a descrição operacional com ganhos técnicos e insumos necessários, foram maiores, pois o investimento imobilizado em equipamentos foi maior, assim como o preço dos insumos. Das situações consideradas, houve aumento de R$ 0,16/saca50kg açúcar, em relação ao peróxido de hidrogênio utilizado em proporção 0,6 gH2O2/kgcaldo; de R$ 0,30 /saca50kg açúcar, em relação ao peroxido de hidrogênio na proporção de 1 gH2O2/kgcaldo e R$ 1,66 / saca50kg açúcar, em relação ao peroxido de hidrogênio na proporção de 5 gH2O2/kgcaldo. Percebe-se, dessa forma, a possibilidade de substituição do reagente majoritariamente utilizado, pelo proposto; considerando, ainda, a parceria entre setores privado e público, em consequência de demanda da sociedade por produtos alimentícios isentos de resíduos de enxofre, e do repasse de custos não demasiadamente oneroso para as usinas açucareiras. Todavia, fatores outros, concernentes à qualidade do produto final, como a tendência de degradação de sacarose, as questões ambientais e de saúde pública, assim como os ganhos energéticos devem ser analisados. / The competitive market of sugar production demands a better product with higher quality and lower cost. Sugar quality involves the physical-chemical properties of sucrose during the clarifying process. In white sugar production, sulfur dioxide is used in the clarifying process. However, this reagent has restrictions in food industry and agribusiness systems due to, sulfur dioxide emissions to the atmosphere, as well as its potentially allergenic reactions, concerning exposure to sulfur dioxide residues in foods, in sensitive individuals. Alternative technologies, using hydrogen peroxide and ozone have been proposed. The use of hydrogen peroxide, according to literature, promotes viscosity reduction and syrup purity increase, through the removal of non-sugar compounds. Therefore, hydrogen peroxide is a powerful oxidizing agent that causes partial or total color molecules degradation, causing permanent destruction. The application of hydrogen peroxide, in sugarcane juice, considered in this study has three distinct situations: 0.6 gH2O2/kgsugarcane juice proportion, 1 gH2O2/kgsugarcane juice proportion and 5 gH2O2/kgsugarcane juice proportion, replacing sulfur dioxide - used in the current method. This study scope is the economic viability of hydrogen peroxide, replacing sulfur dioxide in clarifying operation. The investment values using hydrogen peroxide in relation to standard structure were considered rather than the implementation of a new production unit. The hydrogen peroxide values, in clarifying process were higher, considering operational description by technical profits and necessary inputs, because the investment in equipment and input prices were higher. There was an increase of R$ 0.16 bag 50kg sugar using 0.6 gH2O2/kgsyrup; R$ 0.30 /bag 50kg sugar when the proportion was 1 gH2O2/kgsyrup and R$ 1.66/ bag 50kg sugar when the proportion was 5 gH2O2/kgsyrup. Therefore, there is a great possibility of replacing the main reagent used as alternative, including the partnership between private and public sectors the society demands for food products free of sulfur residue presenting production costs less expensive for the sugar industry. However, other factors, related to final product quality, such as sucrose degradation tendency, environmental and public health issues, as well as the energy gains should be analized.

O objetivo deste trabalho foi o analisar o impacto da resolução dos conjuntos de dados topográficos nas simulações das concentrações de dióxido de enxofre (SO2) emitido por uma fonte localizada no Sul do Brasil. Para isso foram realizadas duas simulações aplicando o modelo regional Weather Research and Forecasting acoplado com a química (WRF/Chem), configurado com duas representações do terreno de diferentes resoluções espaciais. Foram utilizados os dados padrão do modelo com melhor resolução, Global 30 Arc-Second Elevation (GTOPO), com aproximadamente 1 km, e inserido no bancos de dados do modelo as informações de terreno em alta-resolução do Radar Shuttle Topography Mission (SRTM) (30 metros). Para as emissões antrópicas do modelo foi elaborado um programa capaz inserir os volumes do poluente SO2 de forma horária expelidos pela chaminé, de acordo com as taxas de emissão medidos diretamente na fonte. O programa representou a emissão do poluente no ponto de grade correspondente a localização e a altura acima da superfície da chaminé da fonte. As simulações foram configuradas com os seguintes esquemas de parametrização: para microfísica de nuvens foi utilizado o Goddard Cumulus Ensemble; os esquemas de radiação de onda longa e curta foram o Goddard e o Rapid Radiative Transfer Model para modelos de circulação geral da atmosfera (MCGA); para a parametrização de cumulus o esquema utilizado foi o Grell 3D Ensemble Scheme; e para os esquemas de camada superficial e camada limite planetária foram utilizados os da teoria da similaridade do Fifth-Generation National Center for Atmospheric Research/Penn State Mesoscale Model (MM5) e o Yonsey University, respectivamente. A escolha desta combinação de esquemas foi definida a partir de um estudo inicial da sensibilidade do modelo à mudança das parametrizações. Os resultados dos experimentos numéricos alterando a topografia foram validados a partir dos dados de monitoramento das estações meteorológica e da qualidade do ar pertencentes à empresa responsável pelo empreendimento associado à fonte. Foi observado que as simulações com os dados SRTM expressaram o terreno da região de estudo mais próximo à realidade, representando o aspecto heterogêneo do relevo, ressaltando os picos e os vales. Os resultados das validações meteorológicas utilizando os dados topográficos indicaram melhoras nas simulações das variáveis meteorológicas: temperatura, umidade relativa, velocidade do vento e precipitação. Os experimentos com os dados topográficos GTOPO e SRTM no modelo WRF/Chem, configurado com as emissões horárias da fonte de Candiota, reproduziram o comportamento dos ventos para transporte de SO2 até as estações de monitoramento conforme os dados observados. Porém foram identificados padrões diferentes na representação das concentrações do poluente entre as duas simulações do modelo, associados aos escoamentos dos ventos representados pelos experimentos. A resolução da topografia afetou na simulação de SO2 devido ao aumento da forçante superficial induzida pelo terreno. Este aumento na forçante, influenciou a advecção da pluma de SO2, resultando em diferentes padrões das concentrações de SO2 no ponto de grade correspondente às estações de monitoramento. Contudo, os resultados das simulações das concentrações de SO2, tanto de forma horária quanto na abordagem das médias diárias, não indicaram uma relação linear entre a utilização de dados em alta resolução e a melhora na representação do SO2 pelo modelo WRF/Chem. / The objective of this work was to analyze the impact of the higher resolution topographic data sets in the simulations of the Sulfur dioxide (SO2) concentrations emitted by a source located Southern Brazil. Two simulations were performed applying the Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry – WRF/Chem, configured with two representations of the terrain with different spatial resolutions. The standard data of the model with the best resolution (approximately 1 km), Global 30 Arc-Second Elevation (GTOPO), and was inserted in the model databases the high-resolution (30 meters) terrain information of the Radar Shuttle Topography Mission (SRTM). For the anthropic emissions of the model, a program was developed capable of inserting the hourly SO2 pollutant volumes expelled by the chimney, according to the emission rates measured directly at the source. The program inserted these emissions into the grid point corresponding to the location and height above the surface of the emission source. The simulations were configured with the following parameterization schemes: for cloud microphysics Goddard Cumulus Ensemble; for the long and short wave radiation treatment it was used the Goddard and the Rapid Radiative Transfer Model for general circulation models; for the cumulus parameterization the scheme it was used the Grell 3D Ensemble Scheme; and for the surface layer and planetary boundary layer schemes, the similarity theory of the Fifth-Generation National Center for Atmospheric Research/Penn State Mesoscale Model (MM5) and the Yonsey University, respectively. The choice of this combination of schemes was defined from an initial study of the sensitivity of the model to the change of parametrizations. The results of the numerical experiments altering the topography were validated from the monitoring data of the meteorological stations and the air quality belonging to the company responsible for the enterprise associated to the source. It was observed that the simulations with the SRTM data expressed the terrain of the region of study closest to reality, representing the heterogeneous aspect of the terrain, highlighting the peaks and valleys. The results of the meteorological validations using the new topographic data indicated an improvement in the simulations of the meteorological variables: temperature, relative humidity, wind speed and precipitation. The experiments with the GTOPO and SRTM topographic data in WRF/Chem model, configured with the hourly emissions of the Candiota source, reproduced the winds behavior that transported the SO2 to the monitoring stations according to the observed data. However, different patterns were identified in the pollutant concentrations between the two simulations of the model, associated to the wind flows represented by the experiments. The topography resolution affected in the simulation of SO2 due to the increase of the surface forcing induced by the terrain. This increase in the forcing influenced the advection of the SO2 plume, resulting in different patterns of SO2 concentrations at the grid point corresponding to the monitoring stations. However, the results of simulations of SO2 concentrations, both hourly and in the approach of daily averages, did not indicate a linear relationship between the use of high resolution data and the improvement in the representation of SO2 by WRF/Chem model.

Devido à escassez de dados espectroscópicos sobre as interações de aminas aromáticas com SO2 e devido também à importância que complexos de transferência de carga assumem numa série de processos, inclusive biológicos, realizou-se um estudo objetivando a caracterização dessa interação através de várias técnicas espectroscópicas, como a espectroscopia Raman, no Infravermelho, no visível-ultravioleta e de Ressonância Magnética Nuclear. A partir dos dados obtidos nesses estudos concluímos que ocorre transferência de carga da amina para o SO2 ; essa transferência ocorre a partir do orbital ocupado de maior energia da amina , localizado principalmente no átomo de nitrogênio, para o orbital vago de mais baixa -energia do SO2 (π * ) localizado no a-tomo de enxofre. Os espectros vibracionais mostram que não é possível correlacionar as frequências de estiramento do SO2 complexado com o pKb (ou potencial de ionização) da base e sugerem que fatores estéricos podem ser importantes, influenciando o recobrimento dos orbitais do doador e do aceptor. No caso particular da ANI.SO2 , alterações na região de estiramento N-H do espectro no infravermelho , indicam que muito provavelmente ocorre a formação de ligações de hidrogênio entre a amina e o SO2 além da interação através do átomo de nitrogênio. ° comportamento termocrômico dos complexos foi investigado através de espectroscopia Raman à baixa temperatura. As informações preliminares obtidas sugerem que o desaparecimento da côr é devido a uma depopulação dos estados vibracionais excitados, a partir dos quais se efetuam as transições eletrônicas com fatores de Franck-Condon muito favoráveis / The shortage of spectroscopic data on the interactions between amines and SO2, together with the relevance that molecular complexes have in several process, including biological ones, stimulated us to study these systems by Raman, Infrared, Visible-Ultra violet and NMR spectroscopic techniques. From the data obtained, it\'s possible to conclude that there is charge transfer from the HOMO of the amines, which is localized mainly at the nitrogen atom, to the LUMO of SO2, localized at the sulfur atom. The vibrational spectra show that it is impossible to correlate any of the SO2 vibrational bands to the pKb of the donor and suggest that steric hindrance may play an important role in such interations, affecting the overlap of donor and aceptor orbitals; in the case of ANI.SO2 , the band shape in the N-H stretching region led us to conclude that hidrogen bonding between the amine and SO2 occurs, together with the specific interation through the nitrogen atom. The complexes show Pré-Resonance Raman Effect and from its study one concludes that SO2 belongs to the chromophoric group. The thermochromism that the complexes present was investigated by Raman Spectroscopy at low temperature. The informations obtained strongly suggest that the vanishing of its colour may be atributed to a depopulation of an vibrational excited state from which the charge transfer eletronic transition can occur with apreciable Franck-Condon factors.