Este trabalho apresenta o desenvolvimento e implementação computacional de técnicas de otimização de topologia para problemas governados pela equação de Poisson. O método numérico utilizado para solução numérica das equações foi o método dos elementos de contorno (MEC). Para tanto, três metodologias foram desenvolvidas. A primeira é direcionada à aplicação de algoritmos genéticos (AG) para investigar como um domínio inicialmente preenchido com cavidades aleatórias evolui durante um processo de otimização e verificar a possibilidade de se extrair topologias ótimas a partir da interpretação da solução encontrada. Os contornos externos permanecem fixos enquanto as posições e as dimensões das cavidades são otimizadas com o objetivo extremizar uma função custo especificada. O desempenho do algoritmo proposto é ilustrada com uma série de exemplos e os resultados são discutidos. A segunda metodologia apresenta um algoritmo numérico para otimização topológica baseado na avaliação da derivada topológica (DT), adotando a energia potencial total como função custo. Este procedimento é uma alternativa às tradicionais técnicas de otimização, evitando assim soluções de projeto com densidade de material intermediária. Sólidos com comportamento anisotrópico são estudados sob condições de contorno de Robin, Neumann e Dirichlet. Uma transformação linear de coordenadas é utilizada para mapear o problema original e suas condições de contorno para um novo domínio equivalente isotrópico, onde o procedimento de otimização é aplicado. A solução otimizada é então transformada de volta ao domínio original. A metodologia proposta mostrou-se particularmente atrativa para resolver esta classe de problemas já que o MEC dispensa o uso de malha no domínio, reduzindo significantemente o custo computacional. Na última parte deste trabalho foi implementada uma formulação de sensibilidade topológica para problemas de otimização de transferência de calor e massa simultâneos. Como as sensibilidades para cada equação diferencial são diferentes, utiliza-se um coeficiente de ponderação para compor a sensibilidade do problema acoplado. Isto permite a imposição de distintos fatores para cada problema, de acordo com uma prioridade especificada. Diversos exemplos são apresentados e seus resultados comparados com os da literatura, quando disponíveis, a fim de validar as formulações propostas. / This work presents the computational development and implementation of topology optimization techniques for problems governed by the Poisson equation. The boundary element method was the numerical technique chosen to solve the equations. Three different methodologies were developed aiming this objective. The first methodology is directed to the application of genetic algorithms to investigate how a domain previously populated with randomly placed cavities evolves during the optimization process, and to verify the resemblance of the final solution with a optimal design. The external boundaries remain fixed during the process, while the location and dimension of the cavities are optimized in order to extremize a given cost function. The performance of the proposed algorithm is verified with a number of examples and the results are discussed. The second methodology presents a numerical algorithm for topology optimization based on the evaluation of topological derivatives, using the total potential energy as the cost function. This procedure is an alternative to the traditional optimization techniques, avoiding design solutions containing intermediary material densities. Solids with anisotropic constitutive behavior are studied under Robin, Neumann and Dirichlet boundary conditions. A linear coordinate transformation approach is used to map the original problem into an isotropic one, where the optimization is carried out. The final solution is then mapped back to the original coordinate system. The proposed method was found to be an attractive way to solve this class of problems, since no interior mesh is necessary, which reduces significantly the computational cost of the analysis. In the last part of the present work the topological derivative approach was further developed to deal with the optimization of problems under simultaneous heat and mass transfer. Since the sensitivities for each differential equation are different, a weighting factor was used to evaluate the final sensitivities of the coupled problem. This allows the imposition of different priorities for each problem Several examples are presented and their results are compared with the literature, when available, in order to validate the proposed formulations.

Este trabalho trata de um estudo experimental da transferência de calor e de massa de um condensador evaporativo, bem como, da relação existente entre as grandezas envolvidas durante a sua operação. Para o desenvolvimento da pesquisa foi construído um condensador evaporativo de pequeno porte com dimensões proporcionais a condensadores comercialmente fabricados no Brasil para operar com R-22 como fluido refrigerante. Este condensador tem 35 colunas e 12 fileiras de tubos de cobre de 6,35 mm de externo e opera junto a uma instalação que proporciona o escoamento de R-22 por termossifao. O distribuidor de água também foi construído em cobre e o eliminador de gotas em alumínio, assim como a estrutura do condensador. As laterais e a bandeja de recolhimento de água foram construídas em vidro para permitir a visualização do escoamento da água que e aspergida sobre os tubos. A fim de variar as condições operacionais, este condensador foi acoplado a um ventilador centrifugo acionado por um conversor de freqüência e a um circuito que permitiu a variação da vazão de água aspergida sobre os tubos. Dos ensaios resultaram 79 amostras de medição, que serviram para verificar a relação existente entre grandezas, bem como avaliar os coeficientes de transferência de calor e massa. Foram determinados os coeficientes de transferência de calor médio e local para o R-22. Alem disso, foram verificadas as regiões onde ocorrem o dessuperaquecimento, a mudança de fase e o subresfriamento do fluido refrigerante, e foram confrontados os coeficientes globais de transferência de calor obtidos a partir dos dados experimentais com aqueles obtidos por correlações para as regiões de condensação e subresfriamento. Destas investigações, resultou uma correlação para o coeficiente global de transferência de calor que visa determinar esta grandeza através das condições operacionais e das características geométricas do condensador. O Maximo desvio encontrado entre os valores provenientes dos dados experimentais e aqueles calculados pela correlação foi inferior a 10%. / This work presents an experimental heat and mass transfer study of an evaporative condenser, as well as, the relationship between measured quantities obtained during its operation. A small scale evaporative condenser was built in agreement to the real size equipment geometric similarity. The small scale condenser has a bundle of 210 copper tubes, with the outer diameter equal to ¼ inch, which were arranged in 35 columns and 6 rows and operating connected to the thermosifon facility that promote R-22 flow. The spray water distributor is also built on copper and the drift eliminator on aluminum, as well as the evaporative condenser structure. This condenser bounds were constructed as a glass enclosure to allow for the spray water flow visualization. To evaluate the operational conditions, the equipment was attached to a centrifugal fan controlled by a frequency inverter and a spray water circuit which allows for water quantity changing. From the carried out tests, 79 measuring samples were obtained and used to verify the quantities relationship, as well as, to evaluate the heat and mass transfer coefficients For the R-22 were determined the local and average heat transfer coefficients. Furthermore, the dessuperheating, condensation and subcooling regions were verified and compared both, the experimental overall heat transfer coefficient and those calculated by correlations at condensation and subcooling zones. From these investigations a correlation for the overall heat transfer coefficient is proposed. Its application allows determining the coefficient using the operational conditions and the geometric condenser features. The higher deviation found between the experimental data and the presented correlation is lower to 10%.

Este trabalho propõe um modelo de transferência de calor e massa para prever a formação de gelo em um container preenchido com legumes congelados. O problema físico é modelado como um meio poroso composto pelo próprio produto e o ar em seu entorno. O regime de convecção natural é assumido dentro do container, o qual promove o transporte de massa. Como uma primeira validação, o modelo é simulado considerando diferentes temperaturas de ar externo, causadas por flutuações da vizinhança. Resultados para quatro ciclos de temperaturas foram comparados, variando separadamente a temperatura média do ar, amplitude e frequência de oscilação. De modo geral, é observado que a temperatura do produto se comporta assim como era esperado e este resultado é diretamente associado à formação de gelo dentro do container. A formação de gelo cresce com uma maior amplitude de oscilação, porém decresce com um aumento na frequência e na temperatura média. Os parâmetros do modelo foram obtidos para dois diferentes produtos: fatias de cenouras congeladas e vagens congeladas, ambos em meio ao ar. As definições de parâmetros são oriundas de revisão bibliográfica, medições experimentais e simulações numéricas. Os parâmetros encontrados para a caracterização desses meios porosos foram similares para ambos os produtos, mesmo eles possuindo diferentes geometrias. A validação experimental foi feita para as fatias de cenoura considerando dois ciclos de temperatura O modelo numérico é capaz de prever o campo de velocidades do ar, as temperaturas do produto e a formação de gelo local. Os resultados foram validados em relação a um grupo independente de resultados numéricos, tal comparação apresentou uma boa concordância. A circulação de ar encontrada é, de fato, devido à convecção natural. O comportamento da temperatura dos produtos simulados concorda com os valores medidos e os valores de temperaturas diferem por menos de 12%. Com respeito à formação de gelo, o modelo é capaz de prevê-la corretamente nas regiões mais suscetíveis a este fenômeno. Porém, a quantidade de gelo formado prevista pelo modelo (1,56 g/semana) é menor do que a experimental (4,67 g/semana), apesar de serem de mesma ordem de magnitude. O efeito de cada parâmetro no modelo é estudado visando detectar maneiras de aprimorar o modelo. Foi encontrado que os parâmetros mais importantes para a formação de gelo total são a difusividade de massa efetiva e o coeficiente de transferência de calor convectivo dentro do container. Ajustando estes parâmetros duas vezes foi possível encontrar resultados melhores com respeito à formação de gelo (3,09 g/semana). / A model of heat and mass transfer is proposed in order to predict frost formation into a closed container filled with frozen vegetables. The physical problem is modeled as a macroporous media composed by the product itself and the surrounding air. Natural convection air flow is assumed into the container, who promotes water mass transport. As a first validation, the model is simulated for several exterior air temperatures, under environmental fluctuations (boundary conditions). Results of four temperature cycles were compared, varying average air temperature, amplitude and frequency of oscillation, one by one. As a general result, it is observed that the product temperature behavior is as expected, and it is directly associated with frost formation into the container. Frost formation increases with large amplitude of oscillation, but decreases with higher frequencies and higher mean temperatures. Model parameters were obtained for two assembling: frozen slices of carrots and air, and frozen extra thin green beans and air. Parameter definition and evaluation combines literature review, measurements and numerical simulation. In general, parameters which characterize these porous media were similar for both products, even though they display different geometries. The experimental validation is performed for carrot slices with two temperature cycles The numerical model is able to predict air velocity field, air and product temperatures, and local frost formation. Results are validated in respect to a set of independent experimental results that shown a good agreement. Air flow circulation is as expected due to natural convection. Product temperature simulated behavior agrees with measurements, and temperature values differ by less than 12%. Respect to frost formation predictions, the model predicts correctly the most susceptible regions to frost formation. However, the quantity of frost formed predicted by the model (1.56 g/ week)is lower than the experimental one (4.67g/week), despite being of the same order of magnitude. The effect of each parameter in the model is study in order to detect how to improve the model. The most important parameters affecting total frost formation are effective mass diffusivity and convective heat coefficient into the storage container. Adjusting these parameters to twice, better results in terms of frost formation could be obtained (3.09 g/ week).

The aim of this dissertation is to appraise and critically reflect on the physical pertinence of governing equations and closure relations often used for the modeling of gas-phase transport phenomena in high-temperature solid-oxide fuel cells (SOFCs). More precisely, this work conducts a critical literature review on the concentration-induced voltage losses (i.e., concentration polarization) resulting from mass transfer limitations. Thus, the overall object of this work was to stress awareness of the limits of mathematical models studied and developed in the SOFC literature to date, and which are specifically related to concentration polarization processes. To a great extent, the design of SOFC porous layers is likened to that of optimizing the transport of multicomponent gas mixtures in structured porous catalysts, for which diffusional and flow limitations are of cardinal importance. In both cases, severe inconsistencies in mass transport models cannot be simply ignored and the main uncertainties in utilizing such models should be clarified. It is hoped that the information herein will serve usefully to support future developments of more consistent theoretical frameworks, thereby improving the confidence on the results of numerical simulations. The critical literature review has been carried out so to identify a number of physical inconsistences, ill-defined approximations, and misleading mathematical derivations. Along the review, it is argued that the choice (or, more properly, the lack of conceptual refinement) of a particular mathematical model can significantly impair the \"prediction\" of transport processes relevant to concentration-induced power losses in SOFCs. One of the keystones of this work was therefore to re-interpret and thus to reassess the frequently contradictory literature related to certain classes of gas-phase transport models pertinent to the evaluation of concentration polarization. With this revisionary approach, it is expected that one could reduce confusion, clear up apparent contradictions, and improve the possibility of gaining new insights. / Esta dissertação tem o objetivo de avaliar e refletir criticamente sobre a pertinência física de equações de conservação e de relações de fechamento, frequentemente utilizadas na modelagem multiescala de fenômenos de transporte em células a combustível de óxido-sólido (SOFC). Dêu-se atenção especial ao escoamento em \"microescala\" de misturas gasosas multicomponentes, dentro de meios porosos quimicamente reativos. Em outras palavras, esta monografia busca ressaltar quais os limites para aplicação de certas classes de modelos matemáticos, os quais têm sido desenvolvidos e utilizados na literatura de SOFCs até o presente momento. O projeto de camadas porosas de SOFCs assemelha-se à tarefa de otimizar processos de transporte em catalisadores estruturados, para os quais a existência de limitações de transporte por difusão e por escoamento tem importância primordial. Por esta razão, inconsistências originadas em modelos de fenômenos de transporte não podem ser, simplesmente, negligenciadas e, portanto, as principais incertezas ao se utilizar tais modelos devem ser devidamente esclarecidas. Espera-se, com efeito, que as informações contidas neste trabalho sejam úteis para futuros desenvolvimentos teóricos mais consistentes, de forma a aumentar a confiabilidade no uso de resultados obtidos por simulações numéricas.

Os óleos essenciais cítricos possuem uma ampla variedade de aplicações em diversos ramos das indústrias químicas, farmacêuticas, de alimentos, entre outras. Na indústria de cosméticos, mais precisamente no ramo de perfumaria, os ativos naturais cítricos (provenientes dos óleos de bergamota, limão, lima, mandarina, laranja, etc) são empregados nas formulações de colônias, cremes hidratantes e loções. Além disso, estes compostos são largamente utilizados como agentes aromatizantes nas indústrias alimentícias e farmacêuticas e empregados como matéria-prima para as indústrias de aromas. Com o objetivo de melhorar a qualidade dos óleos essenciais e sua capacidade aromatizante, alguns processos têm sido desenvolvidos para enriquecer a mistura com compostos oxigenados, os quais são reportados como os principais responsáveis pelo aroma característico da fruta. Tal processo é comumente conhecido como desterpenação e consiste na concentração destes compostos pela retirada de hidrocarbonetos terpênicos do óleo e pode ser realizado por meio da extração líquida ou extração por solvente. Neste contexto, esta dissertação de mestrado teve como finalidade estudar da viabilidade técnica do processo de desterpenação de óleo essencial cítrico modelo composto por limoneno e linalol. Os experimentos foram conduzidos em coluna de discos rotativos perfurados (PRDC) sob condição de temperatura controlada e pressão ambiente local. O equipamento operou de modo contínuo e contracorrente, utilizado como solventes soluções de etanol com teores de água de 30 e 40% (em massa), velocidade de rotação dos discos de 150, 200 e 250 rpm e razão entre a vazão mássica de solvente e alimentação de 0,5; 1,25; 2,5 e 3,0. Avaliou-se, também, o comportamento da densidade e viscosidade das fases extrato e rafinado oriundas da coluna de extração. Através deste estudo foi possível verificar que a tecnologia de desterpenação de óleos essenciais por meio da extração líquido-líquido é viável podendo ser aplicada à processos contínuos utilizando equipamento PRDC, por exemplo, sendo possível a obtenção de frações enriquecidas do composto oxigenado (linalol). / Citrus essential oils are used in a wide variety of applications in various branches of the chemical, pharmaceutical, food and other industries. In the cosmetics industry, specifically in the field of perfumery, natural citrus assets (from the essential oils of bergamot, lemon, lime, mandarin, orange, etc.) are used in the formulations of colonies, moisturizing creams and lotions. Furthermore, these compounds are widely used as flavoring agents in food and pharmaceutical industries and as raw material for the flavor industry. With the aim to improve the quality of essential oils and its flavoring ability, some processes have been developed to enrich the mixture with oxygenated compounds, which are reported as the main responsible for the characteristic aroma of the fruit. Such process is commonly known as deterpenation, and consists in concentration of these compounds by the removal of terpene compounds from the essencial oil and can be performed by liquid or solvent extraction. In this context, the purpose of this dissertation of master\'s degree was to carry out a study of the technical feasibility of deterpenation process of a citrus essential oil model composed by a mixture of limonene and linalool. The experiments of deterpenation were conducted in a perforated rotating discs contactor (PRDC) under controlled conditions of temperature and local environment al pressure. The equipment was operated in continuously and countercurrently mode, using as solvents ethanol solutions with 30 and 40% of water contents (by mass), rotation of discs speed of 150, 200 and 250 rpm and the mass flow rate of the solvent and feed ratio of 0.5, 1.25, 2.5 and 3.0. The behavior of the density and viscosity of the extract and raffinate phases from the extraction column was also evaluated. It was found that the deterpenation of essential oils by liquid-liquid extraction technology is feasible and can be applied to continuous processes using PRDC column extraction type, for instance, being possible to obtain enriched fractions of oxygenated compounds (linalool).

Este trabalho trata de um estudo experimental da transferência de calor e de massa de um condensador evaporativo, bem como, da relação existente entre as grandezas envolvidas durante a sua operação. Para o desenvolvimento da pesquisa foi construído um condensador evaporativo de pequeno porte com dimensões proporcionais a condensadores comercialmente fabricados no Brasil para operar com R-22 como fluido refrigerante. Este condensador tem 35 colunas e 12 fileiras de tubos de cobre de 6,35 mm de externo e opera junto a uma instalação que proporciona o escoamento de R-22 por termossifao. O distribuidor de água também foi construído em cobre e o eliminador de gotas em alumínio, assim como a estrutura do condensador. As laterais e a bandeja de recolhimento de água foram construídas em vidro para permitir a visualização do escoamento da água que e aspergida sobre os tubos. A fim de variar as condições operacionais, este condensador foi acoplado a um ventilador centrifugo acionado por um conversor de freqüência e a um circuito que permitiu a variação da vazão de água aspergida sobre os tubos. Dos ensaios resultaram 79 amostras de medição, que serviram para verificar a relação existente entre grandezas, bem como avaliar os coeficientes de transferência de calor e massa. Foram determinados os coeficientes de transferência de calor médio e local para o R-22. Alem disso, foram verificadas as regiões onde ocorrem o dessuperaquecimento, a mudança de fase e o subresfriamento do fluido refrigerante, e foram confrontados os coeficientes globais de transferência de calor obtidos a partir dos dados experimentais com aqueles obtidos por correlações para as regiões de condensação e subresfriamento. Destas investigações, resultou uma correlação para o coeficiente global de transferência de calor que visa determinar esta grandeza através das condições operacionais e das características geométricas do condensador. O Maximo desvio encontrado entre os valores provenientes dos dados experimentais e aqueles calculados pela correlação foi inferior a 10%. / This work presents an experimental heat and mass transfer study of an evaporative condenser, as well as, the relationship between measured quantities obtained during its operation. A small scale evaporative condenser was built in agreement to the real size equipment geometric similarity. The small scale condenser has a bundle of 210 copper tubes, with the outer diameter equal to ¼ inch, which were arranged in 35 columns and 6 rows and operating connected to the thermosifon facility that promote R-22 flow. The spray water distributor is also built on copper and the drift eliminator on aluminum, as well as the evaporative condenser structure. This condenser bounds were constructed as a glass enclosure to allow for the spray water flow visualization. To evaluate the operational conditions, the equipment was attached to a centrifugal fan controlled by a frequency inverter and a spray water circuit which allows for water quantity changing. From the carried out tests, 79 measuring samples were obtained and used to verify the quantities relationship, as well as, to evaluate the heat and mass transfer coefficients For the R-22 were determined the local and average heat transfer coefficients. Furthermore, the dessuperheating, condensation and subcooling regions were verified and compared both, the experimental overall heat transfer coefficient and those calculated by correlations at condensation and subcooling zones. From these investigations a correlation for the overall heat transfer coefficient is proposed. Its application allows determining the coefficient using the operational conditions and the geometric condenser features. The higher deviation found between the experimental data and the presented correlation is lower to 10%.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento e implementação computacional de técnicas de otimização de topologia para problemas governados pela equação de Poisson. O método numérico utilizado para solução numérica das equações foi o método dos elementos de contorno (MEC). Para tanto, três metodologias foram desenvolvidas. A primeira é direcionada à aplicação de algoritmos genéticos (AG) para investigar como um domínio inicialmente preenchido com cavidades aleatórias evolui durante um processo de otimização e verificar a possibilidade de se extrair topologias ótimas a partir da interpretação da solução encontrada. Os contornos externos permanecem fixos enquanto as posições e as dimensões das cavidades são otimizadas com o objetivo extremizar uma função custo especificada. O desempenho do algoritmo proposto é ilustrada com uma série de exemplos e os resultados são discutidos. A segunda metodologia apresenta um algoritmo numérico para otimização topológica baseado na avaliação da derivada topológica (DT), adotando a energia potencial total como função custo. Este procedimento é uma alternativa às tradicionais técnicas de otimização, evitando assim soluções de projeto com densidade de material intermediária. Sólidos com comportamento anisotrópico são estudados sob condições de contorno de Robin, Neumann e Dirichlet. Uma transformação linear de coordenadas é utilizada para mapear o problema original e suas condições de contorno para um novo domínio equivalente isotrópico, onde o procedimento de otimização é aplicado. A solução otimizada é então transformada de volta ao domínio original. A metodologia proposta mostrou-se particularmente atrativa para resolver esta classe de problemas já que o MEC dispensa o uso de malha no domínio, reduzindo significantemente o custo computacional. Na última parte deste trabalho foi implementada uma formulação de sensibilidade topológica para problemas de otimização de transferência de calor e massa simultâneos. Como as sensibilidades para cada equação diferencial são diferentes, utiliza-se um coeficiente de ponderação para compor a sensibilidade do problema acoplado. Isto permite a imposição de distintos fatores para cada problema, de acordo com uma prioridade especificada. Diversos exemplos são apresentados e seus resultados comparados com os da literatura, quando disponíveis, a fim de validar as formulações propostas. / This work presents the computational development and implementation of topology optimization techniques for problems governed by the Poisson equation. The boundary element method was the numerical technique chosen to solve the equations. Three different methodologies were developed aiming this objective. The first methodology is directed to the application of genetic algorithms to investigate how a domain previously populated with randomly placed cavities evolves during the optimization process, and to verify the resemblance of the final solution with a optimal design. The external boundaries remain fixed during the process, while the location and dimension of the cavities are optimized in order to extremize a given cost function. The performance of the proposed algorithm is verified with a number of examples and the results are discussed. The second methodology presents a numerical algorithm for topology optimization based on the evaluation of topological derivatives, using the total potential energy as the cost function. This procedure is an alternative to the traditional optimization techniques, avoiding design solutions containing intermediary material densities. Solids with anisotropic constitutive behavior are studied under Robin, Neumann and Dirichlet boundary conditions. A linear coordinate transformation approach is used to map the original problem into an isotropic one, where the optimization is carried out. The final solution is then mapped back to the original coordinate system. The proposed method was found to be an attractive way to solve this class of problems, since no interior mesh is necessary, which reduces significantly the computational cost of the analysis. In the last part of the present work the topological derivative approach was further developed to deal with the optimization of problems under simultaneous heat and mass transfer. Since the sensitivities for each differential equation are different, a weighting factor was used to evaluate the final sensitivities of the coupled problem. This allows the imposition of different priorities for each problem Several examples are presented and their results are compared with the literature, when available, in order to validate the proposed formulations.

Orientador: Cesar Costapinto Santana / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-07T06:44:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SilvaJunior_IvanildoJoseda_M.pdf: 3837238 bytes, checksum: 02f8a9f82e58c32dd06267574565ddda (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Este trabalho teve por objetivo a determinação de parâmetros cromatográficos envolvidos na separação dos enantiômeros do anestésico bupivacaína, visando sua utilização no projeto de uma unidade cromatográfica do tipo leito móvel simulado (LMS) com colunas quirais ,O'-bis[4-terc-buitilbenzoil]-N,N'-dialil-L-tartadiamida e exano/2- propanol/ácido acético/trietilamina (98/2/0,3/0,05 v/v) como fase móvel. Os experimentos para determinação dos parâmetros foram realizados em uma única coluna, divididos em dois conjuntos de ensaios utilizando soluções diluídas e soluções concentradas. Experimentos de pulsos com soluções diluídas dos traçadores e dos enantiômeros da bupivacaína foram realizados variando a vazão de 1,0 a 4,0 mL/min e às temperaturas de 25, 35 e 45 ºC. A detecção foi realizada no comprimento de onda de 270 nm com a finalidade de determinar as porosidades do sistema, as constantes de equilíbrio de adsorção sob condições lineares das isotermas (coeficientes de Henry), os coeficientes de dispersão axial e parâmetros de transferência de massa. Os cromatogramas mostraram que os perfis apresentam baixa dispersão e que a coluna apresenta uma alta eficiência de separação com valores de número de pratos superiores a 5000, para vazão de 1,0 mL/min. Os valores dos coeficientes de Henry foram maiores que a unidade para ambos enantiômeros, sendo que o enantiômero mais retido, S-(-)-bupivacaína, apresentou maior afinidade pela coluna quiral com maiores valores dos coeficientes de Henry. Parâmetros termodinâmicos confirmaram a maior afinidade da S-(-)-bupivacaína pela coluna com maiores valores negativos de entalpia de adsorção ( ?H0). Os coeficientes de transferência de massa globais apresentaram valores com alta ordem de magnitude aumentando com a elevação da temperatura. Os valores do coeficiente de transferência de massa foram superiores a 150 min-1 para temperatura de 25 ºC. A alta eficiência de separação deve-se, provavelmente, à rápida taxa de transferência de massa em que os processos convectivos são dominantes. Experimentos a altas concentrações (condições de sobrecarga) foram realizados com a finalidade de se determinar às isotermas competitivas não-lineares pelo método da análise frontal e também os perfis de eluição sob estas condições. As isotermas de adsorção competitivas apresentaram comportamento não-linear para a faixa de concentração utilizada e foram satisfatoriamente ajustadas ao modelo de Langmuir competitivo. Os parâmetros termodinâmicos de adsorção lineares e de transferência de massa foram utilizados para o projeto das condições operacionais da unidade LMS pela metodologia dos volumes de separação. As regiões de separação foram calculadas em que foram observadas reduções significativas nas regiões de separação com a imposição dos efeitos não-ideais. A predição de separação foi realizada pelas abordagens do leito móvel verdadeiro e do leito móvel simulado, a partir de soluções numéricas utilizando os modelos do transporte dispersivo e do equilíbrio dispersivo, respectivamente. Em ambas abordagens, os parâmetros de desempenho (pureza, produtividade e consumo de solvente) apresentaram resultados próximos / Abstract: The aim of this work was the determination of chromatographic parameters in the enantiomeric separation of anesthetic bupivacaine and design the chromatographic separation in a simulated moving bed (SMB), using 0,0'-bis[4-tert-butylbenzoyl]-N,N'- dialyl-L-tartadiamide as chiral columns and hexane/2-propanol/acetic acid/trietylamine (98/2/0,3/0,05 v/v) as mobile phase. The experiments were performed using a single column and were divided in two sets using dilute and concentrated solutions. Pulse experiments with dilute solutions of inert compounds and the bupivacaine enantiomers were accomplished at different flow rates (1.0 to 4.0 mL/min) and temperatures (25, 35 and 45 ºC). The peak responses were monitored at 270 nm. The integration of the responses gave information about the porosities, linear equilibrium adsorption constants (Henry constants), axial dispersion and mass transfer coefficients. The chromatograms showed low dispersion and high separation efficiency with 5000 plate number to the flow-rate of 1.0 mL/min.The more retained enantiomer, S-(-)-bupivacaine, has more affinity for the chiral column with higher values of Henry constants than the less retained enantiomer. Hermodynamics parameters confirm the major affinity of S-(-)- bupivacaine with high negative values of adsorption enthalpy ( ?H0). The overall mass transfer coefficient increased with increase in temperature and achieved values of high order of magnitude about 150 min-1 at 25 ºC. The high efficiency observed is probably due to the fast mass transfer which is dominating by convective effects. Experiments in overloaded conditions were realized in order to obtain the competitive equilibrium adsorption isotherms by frontal analysis, as well overload elution profiles. The competitive isotherms shown a nonlinear behaviour to the range of concentration investigated and the Langmuir competitive model represent satisfactorily the adsorption data. The linear equilibrium constants and mass transfer parameters were used to design the operating conditions in a SMB unit by separation volumes methodology. The separation regions were obtained concerning the resistances of mass transfer. It was observed a significant reduction in the separation region for different mass transfer coefficients and purity requirement. The prediction of the chromatographic SMB separation for linear conditions was performed using simulated moving bed approach and true moving bed approach (TMB). In SMB approach was used equilibrium dispersive mathematical model and for TMB approach the transport dispersive mathematical model. For these approaches, the performance parameters (purity, productivity and solvent consumption) showed practically the same values / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Biotecnologicos / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Waldir Antonio Bizzo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-09T18:51:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Codolo_MileneCosta_M.pdf: 1600775 bytes, checksum: 69ec6ddb7de37e176139ccd08583c483 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Este trabalho estuda a absorção de SO2 em uma torre de nebulização contra-corrente. Um estudo experimental foi realizado, a fim de determinar a influencia das variáveis do processo de absorção. As variáveis estudadas foram: velocidade do gás, vazão de líquido, concentração de SO2 no gás na entrada e a relação líquido/gás. Também foi analisada a formação do filme de líquido ao longo da torre, proveniente da colisão das gotas com a parede do equipamento. A análise do filme de líquido foi importante para determinar a vazão das gotas ao longo da torre. Além do estudo experimental foi desenvolvido neste trabalho um modelo para simular a transferência de massa em uma torre de nebulização para remoção de SO2. Foi analisada a transferência de massa tanto nas gotas quanto no filme de líquido. O modelo foi desenvolvido para prever a concentração de SO2 no gás na entrada da torre, pois a concentração de SO2 na saída foi imposta. O modelo mostra a principal área de absorção na torre, a influência do diâmetro da torre, a influência da velocidade da gota na absorção de SO2 e dados do modelo foram comparados com dados experimentais / Abstract: This work studies the absorption of sulfur dioxide in a counter-current spray tower. An experimental study was carried out to analyzer the process parameters of the absorption of sulfur dioxide. The parameters studied were: gas velocity, liquid flow, sulfur dioxide concentrations in the gas feed and liquid/gas rate. It was also analyzed the formation of liquid film, from the collision of drops on the wall tower. The analyzed liquid film was used to determined de liquid flow as drops along the spray tower. Besides an experimental study it was developed in this work a model to simulate the mass transfer in a spray tower to removal sulfur dioxide. Both mass transfer in the drops and mass transfer in the liquid film were analyzed. The model has been developed to predict the SO2 concentrations in the gas feed, therefore the SO2 concentrations in the gas exit was determined. The model shows the main area of absorption, the influence drop diameter, the influence of drop velocity in the absorption of SO2 and data from model were compared with experimental data / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

Nesta tese de doutorado é utilizada a técnica híbrida analítico-numérica, conhecida internacionalmente por GITT (Generalized Integral Transform Technique), para modelagem e simulação da equação de conservação das espécies químicas, na investigação do escoamento laminar incompressível, newtoniano e permanente em tubos permeáveis. O escoamento é aplicado ao processo de filtração tangencial com membranas e foram realizados dois estudos relacionados à equação convectiva-difusiva elíptica e parabólica, para as quais são utilizadas as mesmas condições de fronteira. Na modelagem a velocidade na parede permeável é considerada uniforme e os perfis de velocidade para a região de entrada do escoamento são obtidos na literatura. O modelo matemático utiliza originalmente uma expressão para a espessura da camada limite de concentração, com uma metodologia que determina a taxa assintótica, com a qual se estabelece a espessura da camada de concentração. Os resultados são apresentados com análise de convergência através de tabelas e com gráficos para o fluxo transmembrana local e médio, a correlação de Sherwood e a espessura da camada limite de concentração e ainda são comparados com outros resultados e metodologias reportadas na literatura. / In this doctoral thesis, the analytical-numerical hybrid technique, internationally known as GITT (Generalized Integral Transform Technique), is used for the modeling and simulation of the equation of chemical species conservation, in the investigation of the incompressible, Newtonian and permanent laminar flow in permeable tubes. The flow is applied to the cross-flow process with membranes and two studies related to the elliptic and parabolic convective-diffusive equation were accomplished, for which the same boundary conditions are used. In the modeling, the velocity on the permeable wall is considered uniform and the velocity profiles for the entrance region flow are obtained from the literature. The mathematical model originally uses an expression for the concentration boundary layer thickness, with a methodology that determines the asymptotic ratio, establishing the concentration boundary layer thickness. The results are presented with convergence analysis through tables and with graphs for the mean local transmembrane flux, Sherwood correlation and the concentration boundary layer thickness, and they are also compared with other results and methodologies reported in the literature.