O processo de destilação extrativa com N-formilmorfolina (NFM) pode ser utilizado para separação do benzeno de uma corrente contendo hidrocarbonetos não aromáticos com seis carbonos. Cerca de 20 componentes distintos constituem a corrente de interesse. Neste trabalho, primeiramente, buscou-se o conjunto de dados experimentais disponíveis de equilíbrio de fases e coeficiente de atividade em diluição infinita para estimar os parâmetros de interação binária do modelo NRTL capaz de representar o processo de separação de uma planta existente. Os parâmetros faltantes foram estimados a partir do modelo de predição baseado em contribuição de grupos, UNIFAC. O processo de destilação extrativa foi simulado utilizando-se um simulador comercial e uma boa correlação com os dados de planta foi encontrada. A influência na operação de diversos parâmetros, como relação solvente/carga e temperatura do solvente foram estudadas. Os valores ótimos teóricos foram obtidos e podem ser implementados para melhoria do processo. Identificou-se uma extrema sensibilidade do perfil da coluna com o calor fornecido pelo refervedor, indicando que pode ser uma fonte de instabilidades. Além disso, foi identificada baixa eficiência na seção de recheio, que também dificulta a especificação dos produtos de interesse. / Extractive distillation processes with N-formylmorpholine (NFM) are industrially used to separate benzene from non-aromatics hydrocarbons of six carbons. In the process studied in this work, the stream of interest consists of nearly 20 different hydrocarbons. A new set of NRTL parameters was correlated based on literature experimental data. Both vapor-liquid equilibrium data as well as infinite dilution activity coefficient were taken into account; missing parameters were estimated with the UNIFAC group contribution model. The extractive distillation process was simulated using a commercial simulator. Very good agreement with plant data was obtained. The influence of the main parameters in operation, solvent to feed ratio and solvent temperature were studied. The theoretical optimum values were obtained and can be implemented to improve the industrial process. Extreme static sensitivity with respect to reboiler heat was observed indicating that this can be the source of instabilities. In addition a low efficiency was identified at the packing section, contributing to the products specification problem as well.

Este trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de procedimentos hierárquicos de cálculo para os parâmetros de avaliação de trocadores de calor tipo casco e tubos com precisão adequada e baixo custo computacional, facilitando a simulação e otimização de processos, implementados dentro do simulador EMSO. Com os recursos da linguagem de programação orientada a objetos disponível no simulador EMSO, foi possível estruturar a modelagem de equipamentos de troca térmica aproveitando ao máximo os conceitos de composição e herança e facilitando o desenvolvimento de novos modelos de trocadores de calor. Os modelos criados foram incorporados à biblioteca de modelos do simulador, atendendo os trocadores do tipo casco simples, casco duplo e trocadores casco e tubos multipasses conforme a designação das normas TEMA para esses equipamentos. O método de avaliação para o lado do casco é o método de Bell- Delaware amplamente descrito na literatura sobre o assunto. Para o lado dos tubos a transferência de calor e a perda de carga foram estimadas usando correlações existentes. Os procedimentos de cálculo também incluem a possibilidade de discretização do trocador para uma maior acurácia na avaliação dos coeficientes de troca térmica e na variação das propriedades físicas dos fluidos dentro do trocador. Para a validação dos modelos, várias simulações foram realizadas em uma bateria de trocadores de calor de uma unidade de destilação atmosférica de uma refinaria de petróleo. Os resultados encontrados foram satisfatórios podendo o usuário ter fácil acesso aos principais parâmetros que influenciam no desempenho do trocador de calor, ou incorporar novos procedimentos para o cálculo destes equipamentos. / The aim of this work is the development of hierarchical procedures for computing the performance parameters of shell and tube heat exchangers, with accuracy and low computational cost, facilitating the process simulation and optimization, implemented in the EMSO simulator. With the object oriented programming language resources available in the EMSO simulator, it was possible to structure the thermal exchange equipment modeling in a modular manner, making use of the composition and inheritance concepts. The models created have been incorporated into the library of simulator models, comprehending heat exchangers of type E Shell, F Shell, and multipass, in agreement with the TEMA standards for such equipment. The analysis method used for the shell side was the Bell-Delaware method, well described in the open literature. For the tube side, the heat transfer and pressure drop were estimated using the available correlations. The calculation procedures also include the discretization possibility of the exchanger for a better accuracy in the heat transfer coefficient evaluation for thermal exchange and the physical property variations of fluids inside the exchanger. For model validation, several simulations have been carried out in a series of heat exchangers of an atmospheric distillation unit of an oil refinery. The obtained results were satisfactory and the models also provide to the user an easy access to the main parameters of the heat exchanger and a flexible way to incorporate new procedures for the calculation of these pieces of equipment.

Processos de polimerização de polietileno linear de baixa densidade em fase gás normalmente removem monômeros e outros hidrocarbonetos dissolvidos do polímero formado através de um sistema de stripping com nitrogênio ou vapor. A remoção é necessária para reduzir as perdas com monômero, assegurar baixos teores de componentes voláteis no polímero final exigidos pela legislação ambiental e reduzir riscos de explosão em silos e embalagens. Para construir uma metodologia de modelagem destes equipamentos especiais, os fenômenos de solubilidade e equilíbrio polímero-hidrocarboneto, bem como da difusividade multicomponente para polímeros são revistos e acoplados em um sistema de equações de transferência de massa e energia para um sistema de leito descendente com nitrogênio ou vapor em contracorrente. As equações diferenciais parciais para o modelo de leito descendente construído com as considerações acima são resolvidas através de diferenças finitas para as coordenadas axiais e por colocação ortogonal pelo método de elementos finitos para a coordenada radial utilizando o software gPROMS. Os resultados do modelamento são comparados com dados de equipamentos industriais utilizando nitrogênio e vapor. Para ajustar as condições industriais com o modelo proposto, o comprimento de difusão dentro da partícula teve que ser ajustado para considerar a influência da morfologia das partículas e da má distribuição de gás na transferência de massa. Logo, embora um entendimento do fenômeno de stripping de hidrocarbonetos pôde ser alcançado, uma melhor representação das ineficiências na transferência de massa é fundamental para melhorar a predição do modelo. Foi também observado que as condições de processo do reator de polimerização afetam a remoção de hidrocarbonetos, exigindo novas condições ótimas de stripping para cada produto. A metodologia formulada para equipamentos de stripping de polietileno pode ser utilizada para avaliação do impacto de novos polímeros no processo ou como linha base de dimensionamento de novos equipamentos já que há pouca literatura disponível neste campo. / Gas-phase linear low density polyethylene polymerization processes normally remove monomers and other dissolved hydrocarbons from the reacted polymer in steam or nitrogen stripping systems. The stripping is performed in order to decrease the monomer losses as well as to assure low volatile components in the final polymer to mitigate explosion risks and meet environmental standards. In order to increase the knowledge of these special equipments, the separation phenomena is reviewed and a mathematical model is developed for the counter-current steam or nitrogen stripping process to remove hydrocarbons from polyethylene under a moving-bed vessel. The modeling methodology takes into account the current polymer-solvent solubility and diffusion theories, the interphase equilibrium, the mass and heat transfer for a multicomponent diffusion-limited spherical polymer particle and the plug-flow and funnel-flow solid behavior. The partial differential equation (PDE) for the moving bed model built from the above considerations is solved by the method of lines using the finite differences method for the axial coordinates and orthogonal collocation in finite elements method for the radial coordinate using the gPROMS software. The modeling results are compared with industrial polyethylene stripping equipment data using nitrogen and steam. To fit the industrial conditions to the model, the diffusion length had to be adjusted to consider the particles morphology and gas distribution influence in the mass transfer. So, although a better stripping phenomena understanding could be reached, a correct representation of the mass transfer inefficiencies is crucial to increase the model prediction capability. It was also noted that the reactor process conditions affect the equipment performance asking new optimum stripping conditions for each reactor product. The formulated methodology for polyethylene stripping equipments can be used in the new process developments or as base line for new equipment sizing since a poor literature in this field is available.

Este trabalho aborda a predição da eficiência de pratos valvulados de dois passes, de escoamento cruzado com downcomers de uma coluna de destilação industrial, através do uso de diferentes modelos com e sem o uso do método Stagnant Regions Model proposto por Lockett em 1986. Contrariando o esperado, poucos artigos foram publicados sobre as principais características de pratos valvulados e bem menos sobre eficiência de pratos valvulados de dois passes. Os resultados encontrados sugerem que a correlação de O'Connell, o modelo de Chan e Fair aplicado aos pratos valvulados de dois passes convertidos para um passe e o modelo de Chan e Fair com uso do método SRM são os que melhor predizem a eficiência de pratos valvulados de dois passes, de escoamento cruzado com downcomers, no caso estudado.Em consonância com os estudos prévios, a correlação de O'Connell subestima o valor da eficiência, mostrando-se levemente conservativa, enquanto as predições pelo uso do modelo de Chan e Fair e do modelo modificado de Chan e Fair com uso do comprimento equivalente proposto por Klemola e Ilme superestimam o valor da eficiência, mostrando-se levemente não-conservativas. / This work approaches the prediction of the efficiency of two passes, crossflow valve trays with downcomers of an industrial distillation column, through the use of different models with and without the use the Stagnant Regions Model, method proposed by Lockett in 1986.Contradicting what it could be expected, few papers were published about the main characteristics of valve trays and fewer about efficiency of two passes valve trays. The results suggest that the O'Connell's correlation, the model of Chan and Fair applied to the two passes valve trays converted for one pass valve tray and the model of Chan and Fair with SRM method are those that best predict the efficiency of two passes, crossflow valve trays with downcomers. In consonance with the previous published studies, the O'Connell'correlation underestimates the value of the efficiency, showing a slightly conservative value, while the predictions using Chan and Fair model and the modified Chan and Fair model with equivalent length proposed by Klemola and Ilme overestimates the value of the efficiency, showing a slightly non-conservative results.

O processo de destilação extrativa com N-formilmorfolina (NFM) pode ser utilizado para separação do benzeno de uma corrente contendo hidrocarbonetos não aromáticos com seis carbonos. Cerca de 20 componentes distintos constituem a corrente de interesse. Neste trabalho, primeiramente, buscou-se o conjunto de dados experimentais disponíveis de equilíbrio de fases e coeficiente de atividade em diluição infinita para estimar os parâmetros de interação binária do modelo NRTL capaz de representar o processo de separação de uma planta existente. Os parâmetros faltantes foram estimados a partir do modelo de predição baseado em contribuição de grupos, UNIFAC. O processo de destilação extrativa foi simulado utilizando-se um simulador comercial e uma boa correlação com os dados de planta foi encontrada. A influência na operação de diversos parâmetros, como relação solvente/carga e temperatura do solvente foram estudadas. Os valores ótimos teóricos foram obtidos e podem ser implementados para melhoria do processo. Identificou-se uma extrema sensibilidade do perfil da coluna com o calor fornecido pelo refervedor, indicando que pode ser uma fonte de instabilidades. Além disso, foi identificada baixa eficiência na seção de recheio, que também dificulta a especificação dos produtos de interesse. / Extractive distillation processes with N-formylmorpholine (NFM) are industrially used to separate benzene from non-aromatics hydrocarbons of six carbons. In the process studied in this work, the stream of interest consists of nearly 20 different hydrocarbons. A new set of NRTL parameters was correlated based on literature experimental data. Both vapor-liquid equilibrium data as well as infinite dilution activity coefficient were taken into account; missing parameters were estimated with the UNIFAC group contribution model. The extractive distillation process was simulated using a commercial simulator. Very good agreement with plant data was obtained. The influence of the main parameters in operation, solvent to feed ratio and solvent temperature were studied. The theoretical optimum values were obtained and can be implemented to improve the industrial process. Extreme static sensitivity with respect to reboiler heat was observed indicating that this can be the source of instabilities. In addition a low efficiency was identified at the packing section, contributing to the products specification problem as well.

Neste trabalho apresenta-se a modelagem de chamas difusivas na forma de jato, para baixo número de Mach e elevado número de Damköhler. O modelo é baseado na solução das equações na forma flamelet para a parte química e na fração de mistura para o fluxo. Este modelo descreve bem o comportamento de chamas difusivas, exceto na sua extremidade (ponta), onde geralmente surgem instabilidades. Resultados numéricos são apresentados para uma cinética química de uma e multietapas, utilizando a técnica LES (Large-Eddy Simulation) com o modelo de Smagorinsky para a viscosidade turbulenta. A discretização das equações governantes é feita em diferenças finitas, com a aplicação da técnica TVD (Total Variation Diminishing). Além disso, apresentamse mecanismos reduzidos multietapas para o metano, o metanol e o etanol, visando obter resultados realistas. A modelagem de chamas de metanol e etanol diferencia-se da modelagem de chamas de metano por ocorrer uma mudança de fase antes da combustão. Modela-se o efeito global das gotas usando uma descrição Lagrangeana que é incorporada à descrição Euleriana do escoamento, via termos fonte. Testes numéricos foram realizados para chamas difusivas de metano, metanol e etanol, e os resultados estão em concordância com os dados encontrados na literatura. / This work presents a model for a jet diffusion flame, for low Mach and high Damköhler numbers. The model is based on the solution of the flamelet equations for the chemistry and on the mixture fraction for the flow. This model describes well the behavior of diffusion flames, except at the flame tip, where instabilities can often occur. Numerical results are presented for an one-step and multi-step chemical kinetic models, using the LES (Large-Eddy Simulation) technique with the Smagorinsky model for the turbulent viscosity. The discretization of the governing equations follows the finite difference method, with the application of the TVD (Total Variation Diminishing) technique. Besides, multi-step reduced mechanisms for the methane, the methanol and the ethanol are employed, obtaining realistic results. The flame modeling of methanol and ethanol differs from the modeling of methane flames because of a phase change occurs before the combustion. The droplets global effect is modeled based on a Lagrangian description, which is incorporated into the Eulerian description of the flow through source terms. Numerical tests were carried out for methane, methanol and ethanol diffusion flames, and the results compare well with data in the literature.

Este trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de procedimentos hierárquicos de cálculo para os parâmetros de avaliação de trocadores de calor tipo casco e tubos com precisão adequada e baixo custo computacional, facilitando a simulação e otimização de processos, implementados dentro do simulador EMSO. Com os recursos da linguagem de programação orientada a objetos disponível no simulador EMSO, foi possível estruturar a modelagem de equipamentos de troca térmica aproveitando ao máximo os conceitos de composição e herança e facilitando o desenvolvimento de novos modelos de trocadores de calor. Os modelos criados foram incorporados à biblioteca de modelos do simulador, atendendo os trocadores do tipo casco simples, casco duplo e trocadores casco e tubos multipasses conforme a designação das normas TEMA para esses equipamentos. O método de avaliação para o lado do casco é o método de Bell- Delaware amplamente descrito na literatura sobre o assunto. Para o lado dos tubos a transferência de calor e a perda de carga foram estimadas usando correlações existentes. Os procedimentos de cálculo também incluem a possibilidade de discretização do trocador para uma maior acurácia na avaliação dos coeficientes de troca térmica e na variação das propriedades físicas dos fluidos dentro do trocador. Para a validação dos modelos, várias simulações foram realizadas em uma bateria de trocadores de calor de uma unidade de destilação atmosférica de uma refinaria de petróleo. Os resultados encontrados foram satisfatórios podendo o usuário ter fácil acesso aos principais parâmetros que influenciam no desempenho do trocador de calor, ou incorporar novos procedimentos para o cálculo destes equipamentos. / The aim of this work is the development of hierarchical procedures for computing the performance parameters of shell and tube heat exchangers, with accuracy and low computational cost, facilitating the process simulation and optimization, implemented in the EMSO simulator. With the object oriented programming language resources available in the EMSO simulator, it was possible to structure the thermal exchange equipment modeling in a modular manner, making use of the composition and inheritance concepts. The models created have been incorporated into the library of simulator models, comprehending heat exchangers of type E Shell, F Shell, and multipass, in agreement with the TEMA standards for such equipment. The analysis method used for the shell side was the Bell-Delaware method, well described in the open literature. For the tube side, the heat transfer and pressure drop were estimated using the available correlations. The calculation procedures also include the discretization possibility of the exchanger for a better accuracy in the heat transfer coefficient evaluation for thermal exchange and the physical property variations of fluids inside the exchanger. For model validation, several simulations have been carried out in a series of heat exchangers of an atmospheric distillation unit of an oil refinery. The obtained results were satisfactory and the models also provide to the user an easy access to the main parameters of the heat exchanger and a flexible way to incorporate new procedures for the calculation of these pieces of equipment.

Processos de polimerização de polietileno linear de baixa densidade em fase gás normalmente removem monômeros e outros hidrocarbonetos dissolvidos do polímero formado através de um sistema de stripping com nitrogênio ou vapor. A remoção é necessária para reduzir as perdas com monômero, assegurar baixos teores de componentes voláteis no polímero final exigidos pela legislação ambiental e reduzir riscos de explosão em silos e embalagens. Para construir uma metodologia de modelagem destes equipamentos especiais, os fenômenos de solubilidade e equilíbrio polímero-hidrocarboneto, bem como da difusividade multicomponente para polímeros são revistos e acoplados em um sistema de equações de transferência de massa e energia para um sistema de leito descendente com nitrogênio ou vapor em contracorrente. As equações diferenciais parciais para o modelo de leito descendente construído com as considerações acima são resolvidas através de diferenças finitas para as coordenadas axiais e por colocação ortogonal pelo método de elementos finitos para a coordenada radial utilizando o software gPROMS. Os resultados do modelamento são comparados com dados de equipamentos industriais utilizando nitrogênio e vapor. Para ajustar as condições industriais com o modelo proposto, o comprimento de difusão dentro da partícula teve que ser ajustado para considerar a influência da morfologia das partículas e da má distribuição de gás na transferência de massa. Logo, embora um entendimento do fenômeno de stripping de hidrocarbonetos pôde ser alcançado, uma melhor representação das ineficiências na transferência de massa é fundamental para melhorar a predição do modelo. Foi também observado que as condições de processo do reator de polimerização afetam a remoção de hidrocarbonetos, exigindo novas condições ótimas de stripping para cada produto. A metodologia formulada para equipamentos de stripping de polietileno pode ser utilizada para avaliação do impacto de novos polímeros no processo ou como linha base de dimensionamento de novos equipamentos já que há pouca literatura disponível neste campo. / Gas-phase linear low density polyethylene polymerization processes normally remove monomers and other dissolved hydrocarbons from the reacted polymer in steam or nitrogen stripping systems. The stripping is performed in order to decrease the monomer losses as well as to assure low volatile components in the final polymer to mitigate explosion risks and meet environmental standards. In order to increase the knowledge of these special equipments, the separation phenomena is reviewed and a mathematical model is developed for the counter-current steam or nitrogen stripping process to remove hydrocarbons from polyethylene under a moving-bed vessel. The modeling methodology takes into account the current polymer-solvent solubility and diffusion theories, the interphase equilibrium, the mass and heat transfer for a multicomponent diffusion-limited spherical polymer particle and the plug-flow and funnel-flow solid behavior. The partial differential equation (PDE) for the moving bed model built from the above considerations is solved by the method of lines using the finite differences method for the axial coordinates and orthogonal collocation in finite elements method for the radial coordinate using the gPROMS software. The modeling results are compared with industrial polyethylene stripping equipment data using nitrogen and steam. To fit the industrial conditions to the model, the diffusion length had to be adjusted to consider the particles morphology and gas distribution influence in the mass transfer. So, although a better stripping phenomena understanding could be reached, a correct representation of the mass transfer inefficiencies is crucial to increase the model prediction capability. It was also noted that the reactor process conditions affect the equipment performance asking new optimum stripping conditions for each reactor product. The formulated methodology for polyethylene stripping equipments can be used in the new process developments or as base line for new equipment sizing since a poor literature in this field is available.

Este trabalho aborda a predição da eficiência de pratos valvulados de dois passes, de escoamento cruzado com downcomers de uma coluna de destilação industrial, através do uso de diferentes modelos com e sem o uso do método Stagnant Regions Model proposto por Lockett em 1986. Contrariando o esperado, poucos artigos foram publicados sobre as principais características de pratos valvulados e bem menos sobre eficiência de pratos valvulados de dois passes. Os resultados encontrados sugerem que a correlação de O'Connell, o modelo de Chan e Fair aplicado aos pratos valvulados de dois passes convertidos para um passe e o modelo de Chan e Fair com uso do método SRM são os que melhor predizem a eficiência de pratos valvulados de dois passes, de escoamento cruzado com downcomers, no caso estudado.Em consonância com os estudos prévios, a correlação de O'Connell subestima o valor da eficiência, mostrando-se levemente conservativa, enquanto as predições pelo uso do modelo de Chan e Fair e do modelo modificado de Chan e Fair com uso do comprimento equivalente proposto por Klemola e Ilme superestimam o valor da eficiência, mostrando-se levemente não-conservativas. / This work approaches the prediction of the efficiency of two passes, crossflow valve trays with downcomers of an industrial distillation column, through the use of different models with and without the use the Stagnant Regions Model, method proposed by Lockett in 1986.Contradicting what it could be expected, few papers were published about the main characteristics of valve trays and fewer about efficiency of two passes valve trays. The results suggest that the O'Connell's correlation, the model of Chan and Fair applied to the two passes valve trays converted for one pass valve tray and the model of Chan and Fair with SRM method are those that best predict the efficiency of two passes, crossflow valve trays with downcomers. In consonance with the previous published studies, the O'Connell'correlation underestimates the value of the efficiency, showing a slightly conservative value, while the predictions using Chan and Fair model and the modified Chan and Fair model with equivalent length proposed by Klemola and Ilme overestimates the value of the efficiency, showing a slightly non-conservative results.

O processo de destilação extrativa com N-formilmorfolina (NFM) pode ser utilizado para separação do benzeno de uma corrente contendo hidrocarbonetos não aromáticos com seis carbonos. Cerca de 20 componentes distintos constituem a corrente de interesse. Neste trabalho, primeiramente, buscou-se o conjunto de dados experimentais disponíveis de equilíbrio de fases e coeficiente de atividade em diluição infinita para estimar os parâmetros de interação binária do modelo NRTL capaz de representar o processo de separação de uma planta existente. Os parâmetros faltantes foram estimados a partir do modelo de predição baseado em contribuição de grupos, UNIFAC. O processo de destilação extrativa foi simulado utilizando-se um simulador comercial e uma boa correlação com os dados de planta foi encontrada. A influência na operação de diversos parâmetros, como relação solvente/carga e temperatura do solvente foram estudadas. Os valores ótimos teóricos foram obtidos e podem ser implementados para melhoria do processo. Identificou-se uma extrema sensibilidade do perfil da coluna com o calor fornecido pelo refervedor, indicando que pode ser uma fonte de instabilidades. Além disso, foi identificada baixa eficiência na seção de recheio, que também dificulta a especificação dos produtos de interesse. / Extractive distillation processes with N-formylmorpholine (NFM) are industrially used to separate benzene from non-aromatics hydrocarbons of six carbons. In the process studied in this work, the stream of interest consists of nearly 20 different hydrocarbons. A new set of NRTL parameters was correlated based on literature experimental data. Both vapor-liquid equilibrium data as well as infinite dilution activity coefficient were taken into account; missing parameters were estimated with the UNIFAC group contribution model. The extractive distillation process was simulated using a commercial simulator. Very good agreement with plant data was obtained. The influence of the main parameters in operation, solvent to feed ratio and solvent temperature were studied. The theoretical optimum values were obtained and can be implemented to improve the industrial process. Extreme static sensitivity with respect to reboiler heat was observed indicating that this can be the source of instabilities. In addition a low efficiency was identified at the packing section, contributing to the products specification problem as well.