O crescimento acelerado da população mundial e o consequente aumento da produção de bens de consumo tem impulsionado uma crise na disponibilidade de recursos naturais, principalmente os hídricos. Diante da escassez de recursos hídricos, processos de tratamento de efluentes industriais e domésticos que visam o descarte zero de líquido (ZLD - Zero Liquid Discharge) vêm sendo cada vez mais estudados. Atualmente, diversos processos têm sido empregados com este propósito. No entanto, ainda há a geração, juntamente com a água recuperada, de uma corrente composta por uma solução salina concentrada, cuja composição normalmente é constituída por diferentes tipos de sais inorgânicos. Uma das formas de alcançar o descarte zero de líquidos é por meio da implementação de um processo adicional de separação, sendo a cristalização evaporativa considerada viável para essa finalidade. O emprego deste processo é limitado ao controle das características morfológicas das partículas obtidas, visto que estas influenciam diretamente na efetividade de separação dos processos subsequentes à cristalização (filtração, centrifugação). Além disso, efluentes industriais são soluções complexas, e a utilização da cristalização envolve a presença de mais de um sal em solução (co-cristalização). Este processo é pouco investigado na literatura científica, logo, a determinação de condições de processos visando controlar a características destas partículas não é trivial. Neste trabalho, foram estudados o efeito da taxa de evaporação e da presença de sementes na morfologia, composição, tamanho e hábito de partículas de cloreto de sódio e sulfato de cálcio obtidas por co-cristalização evaporativa em bateladas. Os resultados serviram para a determinação de parâmetros de operação para a co-cristalização visando a obtenção de partículas com elevado tamanho médio e baixa dispersão de tamanhos. Taxas de evaporação elevadas favoreceram a obtenção de aglomerados de partículas. A presença de sulfato de cálcio em solução resultou em partículas maiores, menos polidispersas e com menor grau de aglomeração. Tal resultado foi considerado positivo, visto que, estas características são desejáveis para a separação dos cristais da solução mãe. Foi também observado que as sementes de hemihidrato atuam inibindo a aglomeração dos cristais de NaCl. O aumento da quantidade de sementes destes sais culminou na obtenção de partículas menos aglomeradas, porém houve um alargamento das distribuições de tamanho de partículas. Nos experimentos em que foram utilizadas sementes de ambos os sais, o mesmo efeito na aglomeração foi observado. Em todos os experimentos com semeadura de hemihidrato, foi observada a aglomeração deste sal com o NaCl, que foi intensificada com o aumento da taxa de evaporação e com o aumento da concentração de sementes. Foi identificada a possibilidade de recuperação de ambos os sais e obtenção - em determinadas condições - de mais de 90% do NaCl com até 99,50% de pureza. / The accelerated growth of the world population and the consequent increase in the production of consumer goods, has driven to a crisis in the availability of natural resources, especially water. Due to the scarcity of water resources, industrial and domestic wastewater treatment processes that aim the Zero Liquid Discharge (ZLD) have been increasingly studied. Nowadays, several processes have been used for this purpose. However, in all of them, there is still the generation of a brine composed of a concentrated salt solution, concomitantly with the recovered water, whose composition is normally constituted by different types of inorganic salts. One way to achieve the ZLD is through the implementation of an additional separation process, for which the evaporative crystallization is considered technically viable for this purpose. The use of this process is limited to the control of the morphological characteristics of the particles obtained, since this influences directly the separation effectiveness of the downstream processes to crystallization (filtration, centrifugation). Besides, industrial effluents are complex solutions and its crystallization involves the presence of more than one salt in solution (cocrystallization). This process is still not well investigated on scientific literature, thus, the determination of process conditions aiming to control the characteristics of these particles is not trivial. In this work, the effect of the evaporation rate and the presence of seeds on the morphology, composition, size and habit of sodium chloride and calcium sulfate particles obtained by batch evaporative co-crystallization were studied. The results were used to determine the operating parameters for the cocrystallization in order to obtain particles with high average size and narrow dispersion of sizes. High evaporation rates favored the obtaining of agglomerated particles. The presence of calcium sulfate in solution resulted in larger particles, less polydisperse and with less degree of agglomeration. Such result was considered positive, since, these characteristics are desirable for the separation of the crystals from the solution. Seeds of hemihydrate inhibited the agglomeration of the NaCl crystals. The increase in seed load of hemihydrate culminated in obtaining less agglomerated particles, but there was an increase in particle size distributions. In the experiments in which seeds of both salts were used, the same effect in the agglomeration was observed. In all experiments with seeds of hemihydrate, agglomeration of this salt with NaCl was observed, which was intensified with increasing evaporation rate and increasing seed amount. It was identified the possibility of recovery of both salts and, for certain conditions, obtaining more than 90% of NaCl with up to 99.50% purity.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-09-03T20:13:43Z No. of bitstreams: 1 FABIANA PIMENTEL MACÊDO FARIAS - TESE PPGEP 2006..pdf: 6819431 bytes, checksum: 61825d33b2b61b2732d80e7e82b96b05 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-03T20:13:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FABIANA PIMENTEL MACÊDO FARIAS - TESE PPGEP 2006..pdf: 6819431 bytes, checksum: 61825d33b2b61b2732d80e7e82b96b05 (MD5) Previous issue date: 2006-04-19 / Os ciclones são equipamentos utilizados em processos químicos, em diversas operações unitárias, com o objetivo de promover a separação de sólido e/ou líquido de uma corrente gasosa e secar sólidos. Neste sentido, o presente trabalho propõe um estudo teórico da termofluidodinâmica de um ciclone como secador. O modelo matemático considera escoamento tri-dimensional, turbulento e estacionário para a fase gasosa, e o modelo Lagrangeano para as partículas. As equações diferenciais que representam o fenômeno físico foram resolvidas numericamente pelo método dos volumes finitos, com esquema de interpolação UPWIND para os termos convectivos e o algoritmo SIMPLEC para o acoplamento pressão-velocidade. Como aplicação, a metodologia foi usada para predizer a secagem do bagaço de cana-de-açúcar em um ciclone. As simulações foram realizadas utilizando o código computacional CFX-3D. Resultados do teor de umidade, temperatura e variações dimensionais da partícula, distribuição de velocidade, pressão e temperatura do ar de secagem, para diversas condições do ar, geometria do ciclone e velocidade inicial da partícula são apresentados e analisados. Constatou-se o caráter tridimensional do escoamento gás-partícula no interior do ciclone com presenças de regiões de zonas de recirculação e de inversão de fluxo, apresentando razoável concordância com os dados experimentais. Verificou-se que a cinética de secagem, o aquecimento e o tempo de residência das partículas são afetadas pelas condições do ar de secagem e geometria do ciclone, e quando comparadas com dados experimentais apresentaram boa aproximação. O ciclone com seção de entrada quadrada se mostrou mais eficiente, do ponto de vista de secagem, quando comparados com os dutos de seção retangulares vertical e horizontal. / Cyclones are equipments very used in chemical processes, in several units operations. Their aim is to promote the solid and/or a liquid separation from a gas stream and dry solids. In this sense, the present work proposes a theoretical study of thermal fluid dynamics of a cyclone as dryer. The mathematical model considers three-dimensional, turbulent and stationary flow for gas phase, and Lagrange model for particles. The governing equations were solved numerically with the finite-volumes method, using UPWIND interpolation scheme for convective terms and algorithm SIMPLEC for pressure-velocity coupling. As an application, the methodology was used to predict the sugar cane bagasse drying in a cyclone. Simulations had been carried out using the computational code CFX-3D. Results of the moisture content, temperature and dimensional variations of the particles and velocity, pressure and temperature distributions of the air drying, to several air conditions, shape of the cyclone and initial velocity of particle is presented and analyzed. Three-dimensional gas-particle flow, recirculation zones and inversion flow were verified inside the cyclone. Numerical data fitted well experimental ones. It was verified that the kinetic drying, temperature and residence time of the particles were affected by air drying conditions and cyclone geometry. Cyclone with square inlet section were more efficient to dry than cyclone with vertical and horizontal rectangular section duct.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:24:46Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2003-07-29Bitstream added on 2014-06-13T19:52:30Z : No. of bitstreams: 1 polizelli_ma_me_sjrp.pdf: 386712 bytes, checksum: 4da4b1926f587468426c2913c5bcace4 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Neste trabalho foram obtidos coeficientes de perda de carga para válvulas e acessórios no escoamento de soluções aquosas modelo de bentonita, goma xantana e sacarose. Na determinação das propriedades reológicas das soluções foi usado um reômetro tipo Searle. Os dados experimentais foram ajustados aos modelos de Ostwald-de Waele, Bingham e Herschel-Bulkley, para as soluções consideradas puramente viscosas, e para a solução considerada viscoelástica foi ajustado o modelo de Carreau. Nos estudos de perda de carga foram usados os seguintes acessórios e válvulas: válvula borboleta com diferentes ângulos de abertura, válvula macho totalmente aberta e aberta pela metade, união e curvas de 180°, 90° e 45°. Todas as válvulas e acessórios são do tipo sanitário, construídos em aço inoxidável. O equipamento usado para as medidas experimentais de perda de carga foi calibrado previamente com etileno glicol. Para fluidos puramente viscosos, os coeficientes de perda de carga foram ajustados pelo método dos dois-ks, e para o fluido viscoelástico os mesmos coeficientes, foram ajustados a um modelo proposto neste trabalho. Os coeficientes de determinação, r2, para os ajustes ficaram entre 0,964 e 0,999 e, 0,636 e 0,997 para escoamento laminar e turbulento de fluidos puramente viscosos respectivamente e entre 0,804 e 0,999 para o fluido viscoelástico. O equipamento apresentou resultados experimentais melhores no regime laminar de escoamento. / In this work pressure drop coefficients were obtained in different fittings and valves in flow aqueous solution of bentonite, xanthan gum and sucrose. For the determination of rheological properties of the solutions a viscometer Searle was used. The experimental data were fitting to the Ostwald-de Waele, Bingham and Herschel-Bulkley models, for viscous fluids, and Carreau model for viscoelastic fluids. In the studies of friction losses the following fittings and valves were used: butterfly valve with different opening angles, plug valve totally opened and opened half, union and bends of 180°, 90° and 45°. All of the valves and fittings are of the sanitary type, manufactured in stainless steel. The apparatus used for the experimental measurements of pressure drop was previously calibrated with etileno glicol. The coefficients were adjusted by two-ks method, for purely viscous fluids, and by a proposed model in this work for viscoelastic fluid. The determination coefficients, r2, ranged from 0.964 to 0.999 and 0.636 to 0.997 for laminar and turbulent flow of viscous fluids, respectively, and from 0.804 to 0.999 for viscoelastic fluid. The apparatus and the calculus and fitting methods shown better performance to laminar flow.

O crescimento acelerado da população mundial e o consequente aumento da produção de bens de consumo tem impulsionado uma crise na disponibilidade de recursos naturais, principalmente os hídricos. Diante da escassez de recursos hídricos, processos de tratamento de efluentes industriais e domésticos que visam o descarte zero de líquido (ZLD - Zero Liquid Discharge) vêm sendo cada vez mais estudados. Atualmente, diversos processos têm sido empregados com este propósito. No entanto, ainda há a geração, juntamente com a água recuperada, de uma corrente composta por uma solução salina concentrada, cuja composição normalmente é constituída por diferentes tipos de sais inorgânicos. Uma das formas de alcançar o descarte zero de líquidos é por meio da implementação de um processo adicional de separação, sendo a cristalização evaporativa considerada viável para essa finalidade. O emprego deste processo é limitado ao controle das características morfológicas das partículas obtidas, visto que estas influenciam diretamente na efetividade de separação dos processos subsequentes à cristalização (filtração, centrifugação). Além disso, efluentes industriais são soluções complexas, e a utilização da cristalização envolve a presença de mais de um sal em solução (co-cristalização). Este processo é pouco investigado na literatura científica, logo, a determinação de condições de processos visando controlar a características destas partículas não é trivial. Neste trabalho, foram estudados o efeito da taxa de evaporação e da presença de sementes na morfologia, composição, tamanho e hábito de partículas de cloreto de sódio e sulfato de cálcio obtidas por co-cristalização evaporativa em bateladas. Os resultados serviram para a determinação de parâmetros de operação para a co-cristalização visando a obtenção de partículas com elevado tamanho médio e baixa dispersão de tamanhos. Taxas de evaporação elevadas favoreceram a obtenção de aglomerados de partículas. A presença de sulfato de cálcio em solução resultou em partículas maiores, menos polidispersas e com menor grau de aglomeração. Tal resultado foi considerado positivo, visto que, estas características são desejáveis para a separação dos cristais da solução mãe. Foi também observado que as sementes de hemihidrato atuam inibindo a aglomeração dos cristais de NaCl. O aumento da quantidade de sementes destes sais culminou na obtenção de partículas menos aglomeradas, porém houve um alargamento das distribuições de tamanho de partículas. Nos experimentos em que foram utilizadas sementes de ambos os sais, o mesmo efeito na aglomeração foi observado. Em todos os experimentos com semeadura de hemihidrato, foi observada a aglomeração deste sal com o NaCl, que foi intensificada com o aumento da taxa de evaporação e com o aumento da concentração de sementes. Foi identificada a possibilidade de recuperação de ambos os sais e obtenção - em determinadas condições - de mais de 90% do NaCl com até 99,50% de pureza. / The accelerated growth of the world population and the consequent increase in the production of consumer goods, has driven to a crisis in the availability of natural resources, especially water. Due to the scarcity of water resources, industrial and domestic wastewater treatment processes that aim the Zero Liquid Discharge (ZLD) have been increasingly studied. Nowadays, several processes have been used for this purpose. However, in all of them, there is still the generation of a brine composed of a concentrated salt solution, concomitantly with the recovered water, whose composition is normally constituted by different types of inorganic salts. One way to achieve the ZLD is through the implementation of an additional separation process, for which the evaporative crystallization is considered technically viable for this purpose. The use of this process is limited to the control of the morphological characteristics of the particles obtained, since this influences directly the separation effectiveness of the downstream processes to crystallization (filtration, centrifugation). Besides, industrial effluents are complex solutions and its crystallization involves the presence of more than one salt in solution (cocrystallization). This process is still not well investigated on scientific literature, thus, the determination of process conditions aiming to control the characteristics of these particles is not trivial. In this work, the effect of the evaporation rate and the presence of seeds on the morphology, composition, size and habit of sodium chloride and calcium sulfate particles obtained by batch evaporative co-crystallization were studied. The results were used to determine the operating parameters for the cocrystallization in order to obtain particles with high average size and narrow dispersion of sizes. High evaporation rates favored the obtaining of agglomerated particles. The presence of calcium sulfate in solution resulted in larger particles, less polydisperse and with less degree of agglomeration. Such result was considered positive, since, these characteristics are desirable for the separation of the crystals from the solution. Seeds of hemihydrate inhibited the agglomeration of the NaCl crystals. The increase in seed load of hemihydrate culminated in obtaining less agglomerated particles, but there was an increase in particle size distributions. In the experiments in which seeds of both salts were used, the same effect in the agglomeration was observed. In all experiments with seeds of hemihydrate, agglomeration of this salt with NaCl was observed, which was intensified with increasing evaporation rate and increasing seed amount. It was identified the possibility of recovery of both salts and, for certain conditions, obtaining more than 90% of NaCl with up to 99.50% purity.

O processo de osmose reversa produz um permeado com elevada pureza, pois a membrana é praticamente uma barreira absoluta para partículas sólidas, coloides, íons e orgânicos. No entanto, alguns parâmetros devem ser controlados para proteger a membrana de oxidações por cloro, incrustações por partículas metálicas, compostos orgânicos e por sais concentrados acima ou próximos da supersaturação. Este processo é consolidado em aplicações de dessalinização e desmineralização para geração de água de nobre, porém requer maior avanço conceitual e prático em tratamento de efluentes em função das características particulares em termos de contaminantes para cada tipo de efluente. A presença de sais de metais alcalinos terrosos pode formar inscrustação (scaling) por precipitados indesejados, tais como: sulfato de bário (BaSO4), sulfato de estrôncio (SrSO4), carbonato de estrôncio (SrCO3), carbonato de cálcio (CaCO3) e hidróxido de magnésio (Mg(OH)2), além de sílica (SiO2). Para redução do potencial de scaling, podem ser aplicados na água compostos anti-incrustantes, bem como soluções para ajuste de pH para dissolução de cristais de certos compostos incrustantes, porém estas aplicações são dependentes do estudo de impacto nos processos e equipamentos (JANG et al., 2002). Este estudo foi realizado com o efluente de uma refinaria no Brasil após ser tratado pela ETAC (Estação de tratamento de águas contaminadas). Este efluente foi submetido a um novo processo de remoção de sais dissolvidos baseado em sistema de osmose reversa integrado com precipitação. Foram também analisados os índices de saturação dos sais dissolvidos nas correntes de alimentação e de rejeito do sistema de osmose reversa, de modo a verificar a incrustação de sais nas membranas e dimensionar adequadamente a unidade sem a adição de anti-incrustantes. Também foi verificado o atendimento da qualidade da água de permeado do sistema de osmose reversa com os requisitos de qualidade de água recomendados pela ASME (American Society of Mechanical Engineers) para caldeiras a vapor. Neste estudo foi identificado que, mediante uma dosagem que eleve o pH da solução para o valor de 9,5 no precipitador, é possível precipitar 90% dois íons presentes e que em valores de pH maiores (maiores dosagens) essa eficiência de precipitação diminui. Nesta condição, o consumo de reagentes Na2CO3 e Na2SO4 foi de 3,23 mmol e para o MgCl2 foi de 0,16 mmol por litro de efluente bruto a ser tratado. O pré-tratamento de precipitação antes do sistema de osmose reversa pode reduzir a precipitação de sais superfície das membranas. Nas condições aplicadas neste estudo, foram atingidas as reduções de sais de barita em 96%,de sílica em 91,6% e complexos de apatita em 99,97%. Esta melhoria reflete diretamente na vida útil das membranas visto que a precipitação de barita e de sílica são os maiores complicadores de remoção nas membranas mesmo que seja realizada a limpeza química. Para avaliação do custo de investimento e de consumo de químicos, também foi desenvolvido um estudo de implantação de uma unidade de capacidade de tratamento de 150 m3/h. Esta vazão foi definida como referência com base no estudo de produção de efluentes pelas refinarias no Brasil. O custo de implantação e de operação foi aplicado na avaliação de três cenários distintos que poderiam haver a necessidade de implantação do sistema de reúso na refinaria, tais como: implantação em uma refinaria nova em local com baixa disponibilidade de água para captação ou com grande variação sazonal do aquífero, expansão da refinaria sem alterar as plantas com sistema de tratamento água e tratamento de água desmineralizada existentes e de expansão da refinaria com a possibilidade de implantação de novos sistemas de tratamento de água e tratamento de água desmineralizada. Os resultados apresentam que os cenários estudados foram favoráveis a iniciativa de implantar o sistema de reúso nas refinarias. / The reverse osmosis process produces a permeate with high purity because the membrane is almost an absolute barrier to solid particles, colloids, and organic ions. However, some parameters must be controlled to protect the membrane from oxidation by chlorine, inlays for metal particles, organic compounds and salts above concentrated or near supersaturation. This process is consolidated in desalination and demineralization applications for boiler water generation, but requires more conceptual and practical advances in wastewater treatment according to the particular characteristics in terms of contaminants for each type of wastewater. The presence of alkaline earth metal salts may form unwanted precipitates such as barium sulfate (BaSO4), strontium sulfate (SrSO4), strontium carbonate (SrCO3), calcium carbonate (CaCO3) and magnesium hydroxide (Mg(OH)2) and silica (SiO2). This phenomenon of fouling salts is also known as \"scaling\". To reduce the scaling potential is usual to apply anti-fouling compounds, as well as pH adjustment to dissolve crystals of certain fouling compounds, but these applications are dependent upon impact study on processes and equipment (Jang et al., 2002). This study was conducted with the wastewater of a refinery in Brazil after being treated by ETAC (Wastewater Treatment Plant). The wastewater was subjected to a new process for removal of dissolved salts based on reverse osmosis system integrated with precipitation. The saturation index of the dissolved salt was also analyzed in the feed and concentrate streams of the reverse osmosis system, in order to verify salts fouling the membranes and properly sizing the unit without the addition of antifoulants. It was also checked the water quality in the permeate of the reverse osmosis with the quality requirements of water recommended by the ASME (American Society of Mechanical Engineers) for steam boilers. In this study it was identified through a dose that raise the pH to a value of 9.5, that it is possible to precipitate 90% of the ions dissolved in the wastewater and at higher pH (higher doses) this precipitation efficiency decreases. In this condition, the consumption of reagents Na2CO3 and Na2SO4 was 3.23 mmol and MgCl2 was 0.16 mmol per liter of raw wastewater to be treated. The pre-treatment with precipitation before the reverse osmosis system can reduce the precipitation on the surface of the membranes of barite salts in 96%, 91.6% to silica, and for complex apatite mineral of 99.97%. This improvement directly reflects the life-time of the membranes since the precipitation of barite and silica are the most complicating particles to the membranes even if chemical cleaning is applied. To evaluate the cost of investment and consumption of chemicals, it has also developed a study of deployment of a unit treatment capacity of 150 m3/h. This flow was defined as a reference based on the study of production of wastewater by refineries in Brazil. The cost of deployment and operation was applied in the evaluation of three different scenarios that could be a need to reuse the water in the refinery, such as: implementation of a new refinery in location with low water availability for pickup or large variation seasonal aquifer, refinery expansion without changing the plants water treatment system, and demineralized water treatment and existing refinery expansion with the possibility of developing new water treatment systems and treatment of demineralized water. The results show that the scenarios studied were favorable to initiative of introducing the system of reuse in refineries.

Este trabalho tem por objetivo comparar dois modos de operação de destilação em batelada: com refluxo constante e composição do destilado constante. Desenvolveuse um modelo matemático para a destilação em batelada de uma mistura binária (metanol-etanol) para operação com cada um destes modos. O modelo consiste basicamente dos balanços de massa e entalpia, relações e diagramas de equilíbrio líquido-vapor (composição de equilíbrio, temperaturas de bolha e orvalho da mistura), estimativa das propriedades físico-químicas da mistura (calor específico, calor latente de vaporização), determinação do número de estágios ideais necessários à separação (pelo método de McCabe-Thiele), cálculo de cargas térmicas no refervedor e condensador, consumo de utilidades (vapor de água e água de resfriamento), estimativa do tempo de destilação e alguns aspectos econômicos sobre o processo (custos de equipamentos e operacionais, capacidade de produção, lucro mensal). Implementou-se em uma planilha eletrônica este modelo para as simulações matemáticas e análise técnico-econômica do processo. Em escala de laboratório (foram realizados, ao todo, oito ensaios, quatro de refluxo constante e quatro de refluxo variável, utilizando uma coluna de pratos perfurados), constatou-se uma boa concordância entre estes resultados experimentais e os calculados a partir da modelagem. Em seguida, estudaram-se, isoladamente em cada modo de operação e de modo comparativo, as principais variáveis de processo (taxa de refluxo, composição do destilado, quantidade de carga, vazão de destilado, etc.) através de simulações matemáticas, tanto no cenário de uma unidade existente como no caso do projeto de uma instalação nova. Para uma instalação existente, verificou-se, que no modo de destilação com composição de destilado constante, mantendo-se a vazão do vapor de topo constante, o tempo de destilação é menor, a capacidade de destilação é maior, resultando em maior lucro mensal. Para uma instalação a ser projetada, de novo, o processo mais vantajoso é o de refluxo variável e vazão de vapor do topo constante, pois requer menores áreas dos trocadores de calor para uma dada separação num tempo fixo de processo. No entanto, para o processamento de uma dada quantidade num mesmo tempo, à medida que se adota, no projeto, um número maior de estágios de separação na coluna, a diferença de lucro mensal torna-se praticamente indistinta para os modos de destilação estudados. / The aim of this study is to compare two operational methods of batch distillation of a binary system (methanolethanol): constant reflux and constant distillate composition. A phenomenological modeling concerning each mode was developed. It was based on material and enthalpy balances, equilibrium relationships, estimation of physical properties (specific heat and latent vaporization heat of mixtures), determination of ideal stages number (using McCabe-Thiele method), calculation of rebolier and condenser thermal loads and areas, steam and cooling water requirement, distillation time and some economical aspects. The mathematical model was implemented into an electronic spreadsheet. The predicted values were compared to experimental results from eight tests carried out in a laboratory sieve tray column (four at constant reflux and four at constant distillate composition), and a good consistency was found. Then several case studies concerning each distillation mode as well as the comparative performance were accomplished through mathematical simulations. Evaluation of the basic process variables such as reflux rate, initial load, distillate composition and flow rate was done. Rating of an existing plant and design of a new installation were considered in this process analysis. For an existing installation, lower distillation time, as well as higher distillation capacity and monthly profit were observed when distilling with constant distillate composition, keeping constant the flow rate of vapor from the column top. This process is also the more advantageous one when designing a new plant since smaller heat exchanger areas are required. However, to process a quantity in a same time, in a design of a new plan, as number of separation stages increases, monthly profit becomes almost the same among the studied distillation modes.

Flotação é uma operação unitária à base de química de superfície que envolve a captura de partículas hidrofóbicas por bolhas de ar na suspensão aquosa, na qual são transportadas para a superfície, com posterior remoção desta camada de espuma. Por outro lado, porque as partículas hidrofílicas não aderem a bolhas de ar, elas tendem a afundar e ir para o fluxo inferior do tanque de flotação. A separação de apatita-ganga através de flotação de espuma é o controle eficaz dos fenômenos de molhabilidade, que, por sua vez, determina a seletividade do processo. A regulação da interação de minerais (apatita e ganga) com moléculas de água (natureza hidrofílica) e também com as bolhas de ar (natureza hidrofóbica) é conseguida com a adição de reagentes químicos (coletores, modificadores e espumantes) na polpa de flotação. Adsorção de reagentes químicos na interface mineral/solução é o método mais eficaz para promover a hidrofobicidade das partículas de apatita (favorecendo sua flotação) e também reforçar a hidrofilicidade dos minerais de ganga, inibindo sua flotação. Este trabalho tem o objetivo de construir uma curva de calibração para o coletor Berol®867 através do método colorimétrico de Bradford, método na presença do corante Coomassie Brilliant Blue. Medidas simulando condições típicas de flotação foram também realizadas em laboratório. Medições em soluções de flotação foram realizadas pelo tensiômetro IP6000 que baseia-se no método da pressão máxima de bolha (MPMB) na qual é muito mais adequado para líquidos puros, mas não para soluções aquosas contendo surfactantes. Por conseguinte, os valores de L/G obtidos por MPMB são deterministicamente superiores aos gerados pelo Método com Wilhelmy (MPW), que é considerada como sendo adequada para soluções contendo tensioativos, mas não suficientemente robusta para aplicações industriais in-situ. / Froth flotation is a chemistry-based surface unit operation that involves the capture of hydrophobic particles by air bubbles in aqueous slurry, followed by levitation and collection in a froth layer. Conversely, because hydrophilic particles do not adhere to air bubbles, they are likely to sink and go to the underflow of the flotation cell. The selectivity of apatite-gangue separation via froth flotation is determined by the efficient control of the wetting phenomena. Adding chemical reagents to the flotation pulp, like collectors or frothers, it is possible to regulate the interfacial affinity of each mineral, apatite or gangue, turning them hydrophilic or hydrophobic. Adsorption of chemical reagents onto interfaces is the most effective approach to promote the hydrophobicity of the mineral, which is desired to float, and also the reinforcement of the wettability by water of the minerals which are desired to sink. This work had as objective to construct a calibration curve for the Berol®867 collector through the Bradford colorimetric method in the presence of Coomassie Brilliant Blue dye. Measurements simulating typical flotation conditions were also run at the laboratory. Measurements of flotation solution performed by tensiometer IP6000 are based on the Maximum Bubble Pressure Method (MBPM) which is very suitable for pure liquids, but not for aqueous solutions containing surfactants. Therefore, the values of ?LG yielded by MBPM are deterministically higher than those yielded by the Wilhelmy Plate Method (WPM), which is regarded as suitable for surfactant solutions but not sufficiently robust for in-situ industrial applications.

Flotação é uma operação unitária à base de química de superfície que envolve a captura de partículas hidrofóbicas por bolhas de ar na suspensão aquosa, na qual são transportadas para a superfície, com posterior remoção desta camada de espuma. Por outro lado, porque as partículas hidrofílicas não aderem a bolhas de ar, elas tendem a afundar e ir para o fluxo inferior do tanque de flotação. A separação de apatita-ganga através de flotação de espuma é o controle eficaz dos fenômenos de molhabilidade, que, por sua vez, determina a seletividade do processo. A regulação da interação de minerais (apatita e ganga) com moléculas de água (natureza hidrofílica) e também com as bolhas de ar (natureza hidrofóbica) é conseguida com a adição de reagentes químicos (coletores, modificadores e espumantes) na polpa de flotação. Adsorção de reagentes químicos na interface mineral/solução é o método mais eficaz para promover a hidrofobicidade das partículas de apatita (favorecendo sua flotação) e também reforçar a hidrofilicidade dos minerais de ganga, inibindo sua flotação. Este trabalho tem o objetivo de construir uma curva de calibração para o coletor Berol®867 através do método colorimétrico de Bradford, método na presença do corante Coomassie Brilliant Blue. Medidas simulando condições típicas de flotação foram também realizadas em laboratório. Medições em soluções de flotação foram realizadas pelo tensiômetro IP6000 que baseia-se no método da pressão máxima de bolha (MPMB) na qual é muito mais adequado para líquidos puros, mas não para soluções aquosas contendo surfactantes. Por conseguinte, os valores de L/G obtidos por MPMB são deterministicamente superiores aos gerados pelo Método com Wilhelmy (MPW), que é considerada como sendo adequada para soluções contendo tensioativos, mas não suficientemente robusta para aplicações industriais in-situ. / Froth flotation is a chemistry-based surface unit operation that involves the capture of hydrophobic particles by air bubbles in aqueous slurry, followed by levitation and collection in a froth layer. Conversely, because hydrophilic particles do not adhere to air bubbles, they are likely to sink and go to the underflow of the flotation cell. The selectivity of apatite-gangue separation via froth flotation is determined by the efficient control of the wetting phenomena. Adding chemical reagents to the flotation pulp, like collectors or frothers, it is possible to regulate the interfacial affinity of each mineral, apatite or gangue, turning them hydrophilic or hydrophobic. Adsorption of chemical reagents onto interfaces is the most effective approach to promote the hydrophobicity of the mineral, which is desired to float, and also the reinforcement of the wettability by water of the minerals which are desired to sink. This work had as objective to construct a calibration curve for the Berol®867 collector through the Bradford colorimetric method in the presence of Coomassie Brilliant Blue dye. Measurements simulating typical flotation conditions were also run at the laboratory. Measurements of flotation solution performed by tensiometer IP6000 are based on the Maximum Bubble Pressure Method (MBPM) which is very suitable for pure liquids, but not for aqueous solutions containing surfactants. Therefore, the values of ?LG yielded by MBPM are deterministically higher than those yielded by the Wilhelmy Plate Method (WPM), which is regarded as suitable for surfactant solutions but not sufficiently robust for in-situ industrial applications.

A cristalização assistida por destilação com membranas (membrane distillation crystallization, MDC) se destaca como uma alternativa aos processos convencionais de cristalização evaporativa com múltiplos estágios e/ou recompressão mecânica de vapor para dessalinização de soluções aquosas concentradas com descarga zero de líquido (zero liquid discharge, ZLD) no meio ambiente. Os principais atrativos da MDC são as condições operacionais mais brandas de temperatura e pressão, o que possibilita o emprego de fontes de calor de baixa entalpia e instalações menos requisitadas mecanicamente. Entretanto, por ser um processo de separação que envolve membranas, a formação de incrustação se destaca como inconveniente. Assim sendo, grande parte dos estudos em MDC têm sido voltados para essa questão, com foco na operação de destilação com membranas (membrane distillation, MD), quando o produto de interesse é a água recuperada. Nesse contexto, esta tese amplia o conhecimento na área, sendo estudados os fundamentos de cristalização e a sua relação com parâmetros selecionados do processo. Dessa forma, estudos teórico-experimentais foram conduzidos investigando os mecanismos de cristalização predominantes nesse, de maneira a ampliar a abrangência das teorias clássicas de cristalização. No primeiro capítulo, realizou-se uma revisão bibliográfica a fim de apresentar os fundamentos tecnológicos, bem como as características, limitações e desafios para consolidação em escala industrial da MDC. No segundo capítulo, foi definido o conhecimento científico produzido através da especificação de objetivos. No terceiro capítulo, a operação MD na configuração DCMD (direct contact membrane distillation) foi caracterizada utilizando equações matemáticas para o cálculo do fluxo de vapor. Os valores calculados foram validados com experimentos em escala de bancada. Foi possível identificar que a difusão ordinária molecular é o mecanismo de transporte de massa dominante nos poros da membrana, e quantificar os fenômenos de polarizações de temperatura e de concentração adjacentes à superfície da membrana. No quarto capítulo, a cristalização foi integrada com a DCMD e explorada em uma unidade de bancada. Os processos elementares e acessórios de cristalização predominantes foram esclarecidos como sendo nucleação primária heterogênea (incrustação por cristalização), nucleação secundária (abrasão de cristais) e crescimento cristalino molecular (aumento de tamanho). O quinto capítulo versou sobre uma estratégia proposta para reduzir a nucleação primária heterogênea, força motriz da incrustação por cristalização na membrana. Com base nos processos elementares e acessórios de cristalização identificados, foi avaliada uma modificação na MDC, a submersão de membranas em cristalizador, a qual foi implementada em escala de bancada. Essa modificação se mostrou mais sensível à formação de incrustação, com possibilidade de se encontrar condições favoráveis, uma vez que foi possível operar o processo durante três horas sem desenvolvimento de incrustação na membrana (tempo máximo investigado), mas precisa ser melhor investigada. Por último, no sexto capítulo abordou-se a nucleação primária heterogênea, relacionando esta com a queda de fluxo de vapor e com a distribuição de sólidos formados. O equacionamento do sistema validado no terceiro capítulo foi aplicado para quantificação da supersaturação local na membrana e respectiva associação com os mecanismos de cristalização. Observou-se que o aumento de fluxo aumenta a supersaturação local, que aumenta a nucleação primária heterogênea, sendo essa responsável pela formação de cristais que permaneceram aderidos na membrana (incrustação por cristalização) e que foram soltos em solução (suspensão). Os cristais soltos em solução são predominantes. A fluidodinâmica de escoamento (geometria dos módulos de membranas) associada à supersaturação local (fluxo de vapor) impactam no desprendimento de cristais na membrana originados por nucleação primária heterogênea. Com o aumento de supersaturação local, o desprendimento de cristais em suspensão é favorecido em módulo de membranas do tipo fibras ocas, enquanto não afeta o módulo do tipo tubular. Em seu conjunto, esta tese contribui para a melhoria do entendimento de aspectos fundamentais selecionados do processo MDC e para o emprego deste conhecimento em situações de interesse prático. / Membrane distillation crystallization (MDC) stand as an alternative to conventional evaporative crystallization processes with multiple-stage evaporator and/or mechanical vapor recompression towards concentrated brine desalination aiming at zero liquid discharge (ZLD) in the environment. The major advantages of MDC are the moderate temperature and pressure conditions, which allow the use of low enthalpy heat sources and facilities less mechanically required. However, as in membrane separation processes, membrane fouling plays an important role in MDC. Therefore, most MDC studies have been focused on that, with emphasis on membrane distillation (MD) operation, when the product of interest is the recovered water. In this context, this thesis extends the knowledge in the field, wherein the crystallization fundamentals and its relation with selected process parameters were studied. Thus, theoretical and experimental approaches were carried out in order to investigate the prevailing crystallization mechanisms in the process, so the range of the current crystallization theories could be extended. In the first chapter, a literature review was carried out in order to introduce selected fundamental concepts, as well as the process characteristics, limitations and challenges for industrial consolidation. In the second chapter, the scientific knowledge produced by this work was defined in its objectives. In the third chapter, the MD operation in direct contact configuration (DCMD) was characterized using mathematical equations for the calculation of vapor flux and validated with experimental data in a bench scale unit. The dominant mechanism of mass transport in porous media was found to be the ordinary molecular diffusion and the temperature and concentration polarization effects were quantified in the vicinity of membrane surface. In the fourth chapter, the crystallization operation was integrated with DCMD and investigated in a bench scale unit. The elementary and accessory crystallization mechanisms were highlighted as heterogeneous primary nucleation (crystallization fouling), secondary nucleation (crystal abrasion) and crystalline molecular growth (increase in size). The fifth chapter describes a strategy proposed in order to reduce heterogeneous primary nucleation, the driving force of membrane crystallization fouling. Based on the featured crystallization mechanisms, a modification in the conventional MDC operation was evaluated, the submersion of membranes into the crystallizer vessel, which was implemented in a bench scale unit. The preliminary results showed that this modification is more sensitive to crystallization fouling, with possibility to find promising conditions, once it was possible to operate during three hours without development of crystallization fouling (maximum period of time investigated), but further investigation is needed. Lastly, in the sixth chapter, the primary heterogeneous nucleation mechanism was explored, associating it to flux decay and solid distribution in the unit. The system equations validated in the third chapter were applied in order to quantify the supersaturation ratio generated in the vicinity of membrane surface and respective association with crystallization mechanisms. It was observed that increasing the vapor flux, the local supersaturation ratio also increase and, as consequence, the primary heterogeneous nucleation as well. This mechanism is responsible for the formation of crystals that remained adhered on membrane surface (crystallization fouling) and released in solution (suspension). The portion of crystals loose in solution was predominantly formed. The fluid dynamic of flow (geometry of membrane module) associated with the local supersaturation ratio (vapor flux) impact in the detachment of crystals in the membrane surface, originated by heterogeneous primary nucleation. With an increase in the local supersaturation ratio, the detachment of crystals is increased in the hollow fiber membrane module, while in the tubular module the detachment of crystals does not change. As a whole, this thesis contributes to a better understanding of MDC selected fundamental aspects and to the use of this knowledge in practical situations.

A literatura corrente possui informações limitadas sobre o projeto da área de troca térmica de tanques com jaqueta, serpentina helicoidal, serpentina espiral e chicana tubular vertical, em operação com fluidos não-Newtonianos. A presente tese teve por objetivo principal analisar a transferência de calor, potência consumida e ampliação de escala em tanques com impulsores mecânicos na agitação de fluidos não-Newtonianos com duas superfícies de transmissão de calor, chicana tubular vertical e serpentina em espiral. O trabalho também visou fornecer métodos de ampliação de escala de tanques com agitação para fluidos não-Newtonianos que sigam o modelo reológico da lei das potências. A unidade experimental contemplou dois tanques de acrílico, com volume de 10 litros e 50 litros, respectivamente, chicanas tubulares verticais e serpentina em espiral. Os impulsores mecânicos utilizados foram o axial com 4 pás inclinadas a 45° e o radial turbina com 6 pás planas. Como fluidos utilizaram-se soluções aquosas de carboximetilcelulose (0,5%, 1,0% e 1,5%), solução aquosa de carbopol 940 (1,5%), solução aquosa de sacarose (50%) e água. Todos os experimentos foram conduzidos em batelada. Com os dados obtidos, empregou-se o uso de regressões para a obtenção da Equação de Nusselt, as quais forneceram valores de coeficiente de determinação ajustados entre 0,83 e 0,89 com Reynolds no intervalo de 20 a 405000, Prandtl na faixa de 4 a 6400 e índice reológico do modelo da lei das potências entre 0,45 e 1,00. Observou-se que no aquecimento realizado com a chicana tubular vertical, o impulsor radial forneceu coeficientes de convecção 20% acima quando comparado com o impulsor axial, entretanto o consumo de potência foi cerca de 66% maior em relação ao impulsor axial. No caso da serpentina espiral, o impulsor axial promoveu coeficientes de convecção por volta de 15% superiores em relação ao impulsor radial com um consumo de potência 65% menor. Desse modo, em processos em que não é necessária uma elevada turbulência, recomenda-se o uso do impulsor axial com a serpentina espiral, porém, se o processo demandar uma turbulência significativa, deve-se usar o impulsor radial com a chicana tubular vertical. Em uma última análise, os modelos não-lineares obtidos para ampliação de escala forneceram erros entre 11% e 20% na predição da rotação no tanque industrial, os quais são válidos para Reynolds modificados de Metzner e Otto (1957) na faixa de 20 a 4000 e para fluidos não-Newtonianos pseudoplásticos com índices reológicos entre 0,45 e 1,00. / Current literature has limited information on the design of the thermal exchange area of tanks with jacket, helical coil, spiral coil and vertical tuber baffle, in operation with non-Newtonian fluids. The main purpose of this thesis was to analyze heat transfer, power consumption and scale-up in tanks with mechanical impellers in the agitation of non-Newtonian fluids with two heat transfer surfaces, vertical tube baffle and spiral coil. The work also aimed to provide methods of scale-up tank scale with agitation for non-Newtonian fluids that follow the rheology model of the law of powers. The experimental unit included two acrylic tanks, with a volume of 10 liters and 50 liters, respectively, vertical tube baffles and spiral coil. The mechanical impellers used were the 45° pitched blade turbine (PBT) and the Rushton turbine (RT). Aqueous solutions of carboxymethylcellulose (0.5%, 1.0% and 1.5%), aqueous solution of carbopol 940 (1.5%), aqueous solution of sucrose (50%) and water were used as fluids. All the experiments were conducted in batch. With the obtained data, we used the regressions to obtain the Nusselt Equation, which provided coefficient of determination values adjusted between 0.83 and 0.89 with Reynolds in the range of 20 to 405000, Prandtl in the range of 4 to 6400 and rheological index of the power law model between 0.45 and 1.00. It was observed that in the heating performed with the vertical tube baffle, the RT provided convection coefficients 20% higher when compared to the axial impeller, however the power consumption was about 66% higher in relation to the PBT. In the case of the spiral coil, the PBT promoted convection coefficients around 15% higher than the RT with 65% lower power consumption. Thus, in processes where high turbulence is not required, it is recommended to use the PBT with the spiral coil, but if the process requires significant turbulence, the RT must be used with the vertical tubular chassis. In a final analysis, the nonlinear models obtained for scaling provided errors between 11% and 20% in the prediction of rotation in the industrial tank, which are valid for Metzner and Otto (1957) modified Reynolds in the range of 20 to 4000 and for non-Newtonian pseudoplastic fluids with rheological indexes between 0.45 and 1.00.