Orientador: Rubens Maciel Filho / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-23T11:34:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Maia_JulioPereira_D.pdf: 8705466 bytes, checksum: e604d7a471ca19eb99492912d431174b (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Esta tese apresenta um estudo de estratégias de esquemas de controle em unidades de destilação a vácuo de refinarias de petróleo, com o uso de dados e informações de uma refinaria brasileira, de modo a se desenvolver uma simulação representativa do processo, onde uma diferença global máxima de 5% entre os resultados de simulação e os dados de saída reais foi obtida. A simulação foi executada com alto nível de detalhamento, com cálculos de queda de pressão, dimensionamento de sistemas de bombeamento e uso de internos de coluna comerciais. Uma análise paramétrica foi executada para a verificação das variáveis mais influentes do processo. A simulação em estado estacionário resultante foi então convertida para o regime dinâmico, onde um esquema de controle equivalente ao esquema de controle da planta real foi implementado. Este esquema de controle foi submetido a um conjunto de perturbações usuais ao processo real, produzindo respostas dinâmicas do processo para cada perturbação aplicada. Pela análise das dinâmicas destas respostas e das respostas do sistema em malha aberta, um esquema de controle alternativo foi proposto e verificado da mesma maneira que o esquema de controle equivalente. Malhas de controle específicas para quantificar a qualidade dos produtos, tendo por base o índice ASTM D86 foram inseridas. A comparação entre os dois esquemas de controle por meio das respostas dinâmicas na qualidade dos produtos, considerando como parâmetro o ISE (Integral Squared Error) das malhas de cada esquema para comparação, apresentou uma redução média do erro em 70% na qualidade dos produtos principais / Abstract: A petroleum vacuum distillation unit study on control scheme strategies is developed in this work. Real plant data and information is gathered from a Brazilian Refinery to develop a representative simulation of the process, which had achieved a maximum 5% overall difference from the plant results. The simulation was set to be highly detailed, including pressure drop calculations, pumping system and the use of commercial column internals (packing and plates) in it. A parametric analysis was carried in order to verify the most influent variables in the process, with respect to temperature profiles, product flows and product qualities. The resultant steady state simulation was then converted into dynamic regime, when a control scheme equivalent to the real plant control scheme was implemented. This control scheme was then subjected to a set of common perturbations that occur in the real process, producing the dynamic response of the process to each perturbation applied. By analyzing the dynamics of these responses and the open loop responses, an alternative control scheme is proposed and verified in the same manner the later one was. A specific control loop was proposed to account a petroleum product quality index, such as ASTM D86 95% recovery. The comparison of the control schemes by means of the dynamic responses considering the correlated ISE (integral squared error) of each scheme has shown an average error reduction of 70% in the main products quality / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

Der ehemalige Salzbergbau im Raum Staßfurt führt seit dem 19. Jahrhundert zu Subrosion und teils bruchhaften Deformationen und damit verbundenen Senkungen und Vernässungen im Stadtgebiet. Im Rahmen eines Forschungsverbundvorhabens unter Federführung der BGR sollen in dieser Arbeit die grundlegenden strömungsdynamischen Prozesse im Salinar und Deckgebirge der betroffenen geologischen Formationen aufgeklärt werden. An Bohrkernen aus den entsprechenden Bereichen werden Durchflussexperimente durchgeführt und die Fluiddynamik im Inneren der Proben mittels Positronen-Emissions-Tomographie dreidimensional dargestellt. In Kooperation mit der Bundesanstalt für Materialforschung- und prüfung Berlin und dem Geologischen Institut der Johannes-Gutenberg Universität Mainz werden diese PET-Messungen der Fluiddynamik mit hochauflösenden computertomographischen Messungen der internen Struktur der Proben in Übereinstimmung gebracht. Die beobachteten Fließmuster sollen mittels einer Lattice-Boltzmann-Simulation nachvollzogen und dadurch das grundlegende Verständnis der Strömungsdynamik in diesen Gesteinen erweitert werden. Langfristig soll dies zu einer Verbesserung des Verständnisses der Grundwasserdynamik auf regionaler Ebene führen.:1 Einleitung 1 1.1 Die Stadt Staßfurt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Bildgebende tomographische Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.4 Die PET in den Geowissenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.5 Ziel der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 Geologische Übersicht 9 2.1 Allgemein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.1 Das Zechsteinmeer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.2 Das Subherzyne Becken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.3 Der Staßfurt-Egelner Salzsattel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2 Stratigraphie und Hydrologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.1 Stratigraphische Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.2 Anstehende Wässer und deren Migration . . . . . . . . . . . . . . . 15 3 Die Positronen-Emissions-Tomographie 19 3.1 Entstehung des Bildes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2 Die Auflösung des Bildes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2.1 Die Grenzen der Ortsauflösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2.2 Messfehler und Bildrekonstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2.3 Konsequenzen für die Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4 Material und Methoden 27 4.1 Die Bohrkerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.2 Die Injektionslösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.3 Probenvorbereitung und Experimentverlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.4 Auswertemethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.4.1 Visualisierung und Datenverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.4.2 Bestimmung hydrodynamischer Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . 34 4.4.3 Variographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 5 Ergebnisse 47 5.1 Chemische Analysen der Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 5.2 PET- und CT-Daten und resultierende Durchbruchkurven . . . . . . . . . . 50 5.2.1 Hauptanhydrit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.2.2 Unterer Buntsandstein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.2.3 Mechanisch belastetes Steinsalz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.2.4 Hohlraumversatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 5.3 Ermittlung raumbezogener Parameter in der Literatur und mit den vorhandenen Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.4 Variographischer Abgleich verschiedener Datensätze . . . . . . . . . . . . . 72 5.4.1 Aussagekraft von Variogrammen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 i 5.4.2 Vergleich von Messung und Modellierung mittels 3D-Variographie . 79 6 Diskussion 93 6.1 Diskussion der PET-Daten und Durchbruchkurven . . . . . . . . . . . . . . 93 6.2 Diskussion der Ermittlung raumbezonener Parameter . . . . . . . . . . . . . 100 6.3 Diskussion des variographischen Abgleichs verschiedener Datensätze . . . . 101 6.4 Auswirkungen auf das hydrologische Modell Staßfurts . . . . . . . . . . . . 102 7 Ausblick 105 Literatur 109 Anhang xi A Bohrpunkte und Lösungen xiii B 3D-Variographie des mechanisch belasteten Salzkerns xv C Hydrodynamische Parameter xvii C.1 Bohrkern aus der Leine Formation z3A3 - Hauptanhydrit . . . . . . . . . . xvii C.2 Bohrkern aus dem Unteren Buntsandstein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xviii C.3 Mechanisch belasteter Bohrkern aus dem z2Na Staßfurt-Steinsalz . . . . . . xix C.4 Bohrkern aus dem Hohlraumversatz des Grubenbaus Leopoldshall I /II . . . xx C.5 Probe aus gepresstem Kaolinit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi D Quelltext wichtiger Funktionen xxiii D.1 Datenreduktion - Ausschneiden des Bohrkerns . . . . . . . . . . . . . . . . . xxiv D.2 Vergröberung der Auflösung eines PET-Bildes . . . . . . . . . . . . . . . . . xxiv D.3 Verteilung der Maximalwerte und deren Histogramme . . . . . . . . . . . . xxv D.4 Empirische Variogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxv D.5 Richtungsabhängige Variogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxvi D.6 Dreidimensionale Variogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxix D.7 Ebenenweise Variogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxxi E Liste der Kooperationspartner xxxiii

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Bestimmung des erforderlichen Deckwerkssteindurchmessers für eine Böschung an einer deutschen Binnenwasserstraße, welche unter der Belastung des Bugstrahlrudereinsatzes eines böschungsnah fahrenden Schiffes steht. Hierbei wird ausschließlich der Betrachtungsfall einer losen Steinschüttung (bestehend aus den Wasserbausteinen der geläufigen Größen- bzw. Gewichtsklassen) geschildert. Für die Bestimmung der Belastung des beschriebenen Bugstrahlrudereinsatzes wird auf die dreidimensionale hydronumerische Modellierung (3D-HN-Modellierung) zurückgegriffen. Der wesentliche Fokus innerhalb der 3D-HN-Modellierung liegt auf der Ausarbeitung der vorherrschenden turbulenten Strukturen, welche sowohl dem turbulenten Grundcharakter des Propulsionsstrahls als auch der Strahlumlenkung durch die bestehende Querströmung zugeordnet werden. Diesbezüglich präsentiert die Arbeit geeignete Modellannahmen (z. B. für die Berücksichtigung der Schiffsgeschwindigkeit), Randbedingungen (z. B. für den Propeller des Bugstrahlruders) sowie grundlegende Bedürfnisse an die Diskretisierung des Modellgebietes (z. B. aufgrund der Grenzschicht-Theorie von ebenen Wänden). Als Grundlage für die beschriebene Untersuchungsabsicht wird in einem ersten Schritt ein Überblick zur bestehenden Literatur bzw. zu den bestehenden und angewandten Ansätzen der Deckwerksbemessung infolge der Belastung eines Propulsionsstrahls bereitgestellt. Weiterhin müssen Erfahrungen zur Wirkungsweise einer Querströmung auf die Strahlausbreitung gesammelt und eingebunden werden. Aufgrund der böschungsnahen Fahrt des Schiffes steht dem umgelenkten Propulsionsstrahl ein zusätzlich beengter Ausbreitungs-raum zur Verfügung, welcher ebenfalls in die Betrachtungen einfließt. Auf Grundlage der beschriebenen Rahmenbedingungen wird die Wahl eines geeigneten Modellierungsansatzes innerhalb der 3D-HN-Modellierung vorgestellt. Damit die vorhandenen turbulenten Strukturen hinsichtlich ihrer Wirkungsweise an der Böschung erfasst werden können, bindet die vor-liegende Arbeit eine von Söhngen (2014) aufgestellte Auswertemethodik der bemessungsrelevanten, böschungsnahen Belastungsgrößen ein. Hierbei wird verstärkt auf die Rolle des Belastungsbetrags, der Belastungsorientierung sowie der Belastungsdauer eingegangen. Entsprechend der geschilderten komplexen Strömungssituation müssen geeignete Versuchsparameter definiert werden, welche in der Lage sind, potenzielle Gesetzmäßigkeiten der Strahlausbreitung und der daraus resultierenden Böschungsbelastung aufzuzeigen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit stehen die Einflüsse der Schiffsgeschwindigkeit, der Bugstrahlruderleistung sowie des Böschungsabstandes im Vordergrund, wohingegen weitere Einflussgrößen (wie z. B. die Böschungsneigung) unverändert bleiben. Im Anschluss an die Generierung der zeitlichen Belastungsverläufe an der Böschung beschreibt die vorliegende Arbeit ein Vorgehen zur Entkopplung der 3D-HN-Modellierung von der Mobilisierung eines Deckwerkssteins. Hierfür dienten Modellsteine aus physikalischen Modellversuchen der Bundesanstalt für Wasserbau als Datengrundlage für die Durchführung einer Computertomographie eines kompletten Modelldeckwerkes. Die daraus gewonnenen Einzelsteingeometrien werden hinsichtlich ihrer Ergebnisqualität interpretiert und abschließend mit den ermittelten Belastungsverläufen der 3D-HN-Modellierung innerhalb einer Festkörperbewegung vereinigt.:Symbolverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Einführung und Motivation 1.1 Einleitung 1.2 Abgrenzung und Zielstellung dieser Arbeit 1.3 Methodisches Vorgehen 1.4 Gliederung der Arbeit 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Konstruktionsarten von Bugstrahlruderanlagen 2.2 Propellerstrahltheorien 2.3 Vereinfachte Strahltheorie 2.4 Strahlausbreitung 2.4.1 Freie Strahlturbulenz 2.4.2 Propellerstrahl des Bugstrahlruders 2.4.3 Flüssigkeitsstrahlen in einer Querströmung 2.5 Erosionspotenzial des Propellerstrahls 2.5.1 Bewegungsbeginn von Gesteinspartikeln 2.5.2 Einfluss turbulenter Schwankungen 2.5.3 Deckwerksbemessung 2.6 Zusammenfassung 3 Numerische Modellierung turbulenter Fließprozesse 3.1 Grundlagen der 3D-HN-Modellierung 3.1.1 Erhaltungsgleichungen 3.1.2 Diskretisierung 3.1.3 Modellierungsstrategien 3.2 Aufbau und Wirkung der Wandgrenzschicht 3.3 Detached Eddy Simulation 3.4 Modellierung der Strömung innerhalb der Bugstrahlruderanlage 3.4.1 Ansatz einer ebenen Scheibe 3.4.2 Reale Propellergeometrie 3.5 Erfassung der böschungsnahen Strömungsverhältnisse 3.5.1 Abbildung der Böschung in der 3D-HN-Modellierung 3.5.2 Modellgebiet und Parametervariationen 3.5.3 Methodik zur Erfassung der Böschungsbelastung 3.5.4 Übertragung der Berechnungsergebnisse auf ein reales Schüttsteindeckwerk 3.6 Zusammenfassung 4 Deckwerksbelastung des Bugstrahlruders eines fahrenden Schiffes 4.1 Modellgebiet und Berechnungsdaten 4.2 Anströmung zum Bugstrahlruder 4.3 Strahlausbreitung 4.3.1 Strahlausbreitung innerhalb der Bugstrahlruderanlage 4.3.2 Strahlausbreitung außerhalb der Bugstrahlruderanlage 4.4 Böschungsbelastung 4.4.1 Belastungsschwerpunkt 4.4.2 Strahlangriffswinkel und modifizierter Strahlangriffsbeiwert 4.4.3 Deckwerkssteinbemessung 4.5 Zusammenfassung 5 Festkörperbewegung 5.1 Datengrundlage 5.2 Computertomographie 5.3 Aufbereitung der Einzelsteingeometrien 5.4 Ergebniskontrolle 5.5 Übergang zur Festkörperbewegung 6 Fazit und Ausblick Literaturverzeichnis Anhang / The present thesis addresses the reckoning of the required embankment stone diameter at German federal inland waterways, in order to guarantee a sustainable embankment stability against the bowthruster jet of closely passing by vessels. In doing so, the exclusive case being examined is armourstones in bulk (common classes of coarse particles and mass). From a systematic point of view the three-dimensional hydrodynamic modeling approach is used to determine the incoming strains of the bowthruster jet. Within this approach one of the main emphases is to highlight the prevailing turbulent structures, which can be assigned to the fundamental turbulent character of the jet as well as towards the bending of the jet entering a crossflow. In this regard the thesis presents suitable model assumptions (e.g. the consideration of the vessel movement), boundary conditions (e.g. the turning propeller) and model area requirements (e.g. due to the boundary layer theory at walls). As a basis for the described research intention an overview of the existing literature on bowthruster jets as well as the currently used design approach for armourstones in bulk is given. Furthermore, knowledge of the jet bending mechanism due to a crossflow has to be provided and included. Additionally, the role of the limited space between the vessel and the embankment has to be pointed out, as it forces the jet propagation to modify greatly. In consequence of the mentioned framework conditions, a suitable modeling approach which is able to comprehend the broad manifestations of turbulence is chosen. In order to achieve knowledge about the strain mechanism of the bended bowthruster jet on the embankment, the present thesis includes an evaluation algorithm given by Söhngen (2014). Within the evaluation algorithm the importance of the strain magnitude, the strain orientation as well as the strain duration is emphasized. In accordance with the outlined complex flow situation appropriate research parameters have to be defined, which enable the detection of potential regularities within the bended jet propagation as well as within the resulting strains on the embankment. Therefore, the present thesis primarily deals with the speed of the vessel, the installed capacity of the bowthruster and the embankment distance of the vessel, whereas additional influence quantities (e.g. the slope angle of the embankment) remain constant. Following the generating process of the embankment strains, an approach which detaches the three-dimensional hydrodynamic modeling of the strains from the mobilization of an individual armourstone is introduced. The required model stones originated from experimental modeling approaches of the Federal Waterways Engineering and Research Institute and were processed in order to conduct a computer tomography of a complete embankment model. Subsequent to the computer tomography the isolated stone geometries were processed, leading towards a reunification with the embankment strains within a rigid body simulation approach.:Symbolverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Einführung und Motivation 1.1 Einleitung 1.2 Abgrenzung und Zielstellung dieser Arbeit 1.3 Methodisches Vorgehen 1.4 Gliederung der Arbeit 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Konstruktionsarten von Bugstrahlruderanlagen 2.2 Propellerstrahltheorien 2.3 Vereinfachte Strahltheorie 2.4 Strahlausbreitung 2.4.1 Freie Strahlturbulenz 2.4.2 Propellerstrahl des Bugstrahlruders 2.4.3 Flüssigkeitsstrahlen in einer Querströmung 2.5 Erosionspotenzial des Propellerstrahls 2.5.1 Bewegungsbeginn von Gesteinspartikeln 2.5.2 Einfluss turbulenter Schwankungen 2.5.3 Deckwerksbemessung 2.6 Zusammenfassung 3 Numerische Modellierung turbulenter Fließprozesse 3.1 Grundlagen der 3D-HN-Modellierung 3.1.1 Erhaltungsgleichungen 3.1.2 Diskretisierung 3.1.3 Modellierungsstrategien 3.2 Aufbau und Wirkung der Wandgrenzschicht 3.3 Detached Eddy Simulation 3.4 Modellierung der Strömung innerhalb der Bugstrahlruderanlage 3.4.1 Ansatz einer ebenen Scheibe 3.4.2 Reale Propellergeometrie 3.5 Erfassung der böschungsnahen Strömungsverhältnisse 3.5.1 Abbildung der Böschung in der 3D-HN-Modellierung 3.5.2 Modellgebiet und Parametervariationen 3.5.3 Methodik zur Erfassung der Böschungsbelastung 3.5.4 Übertragung der Berechnungsergebnisse auf ein reales Schüttsteindeckwerk 3.6 Zusammenfassung 4 Deckwerksbelastung des Bugstrahlruders eines fahrenden Schiffes 4.1 Modellgebiet und Berechnungsdaten 4.2 Anströmung zum Bugstrahlruder 4.3 Strahlausbreitung 4.3.1 Strahlausbreitung innerhalb der Bugstrahlruderanlage 4.3.2 Strahlausbreitung außerhalb der Bugstrahlruderanlage 4.4 Böschungsbelastung 4.4.1 Belastungsschwerpunkt 4.4.2 Strahlangriffswinkel und modifizierter Strahlangriffsbeiwert 4.4.3 Deckwerkssteinbemessung 4.5 Zusammenfassung 5 Festkörperbewegung 5.1 Datengrundlage 5.2 Computertomographie 5.3 Aufbereitung der Einzelsteingeometrien 5.4 Ergebniskontrolle 5.5 Übergang zur Festkörperbewegung 6 Fazit und Ausblick Literaturverzeichnis Anhang

Molecular biophysics is a rapidly evolving field aimed at the physics-based investigation of the biomolecular processes that enable life. In this thesis, we explore two such processes: the thermodynamics of DNA bending, and the mechanism of the RecQ DNA helicase. A computational approach using a coarse-grained model of DNA is employed for the former; an experimental approach relying heavily on single-molecule fluorescence for the latter. There is much interest in understanding the physics of DNA bending, due to both its biological role in genome regulation and its relevance to nanotechnology. Small DNA bending fluctuations are well described by existing models; however, there is less consensus on what happens at larger bending fluctuations. A coarse-grained simulation is used to fully characterize the thermodynamics and mechanics of duplex DNA bending. We then use this newfound insight to harmonize experimental results between four distinct experimental systems: a 'molecular vise', DNA cyclization, DNA minicircles and a 'strained duplex'. We find that a specific structural defect present at large bending fluctuations, a 'kink', is responsible for the deviation from existing theory at lengths below about 80 base pairs. The RecQ DNA helicase is also of much biological and clinical interest, owing to its essential role in genome integrity via replication, recombination and repair. In humans, heritable defects in the RecQ helicases manifest clinically as premature aging and a greatly elevated cancer risk, in disorders such as Werner and Bloom syndromes. Unfortunately, the mechanism by which the RecQ helicase processes DNA remains poorly understood. Although several models have been proposed to describe the mechanics of helicases based on biochemical and structural data, ensemble experiments have been unable to address some of the more nuanced questions of helicase function. We prepare novel substrates to probe the mechanism of the RecQ helicase via single-molecule fluorescence, exploring DNA binding, translocation and unwinding. Using this insight, we propose a model for RecQ helicase activity.