Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-03-20T13:04:38Z No. of bitstreams: 1 TARCISIO DAVID KONNA NUNES SANTOS - DISSERTAÇÃO PPGEQ 2016..pdf: 1645201 bytes, checksum: 6f9773a951b06aacdb26ff5287e21e18 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-20T13:04:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TARCISIO DAVID KONNA NUNES SANTOS - DISSERTAÇÃO PPGEQ 2016..pdf: 1645201 bytes, checksum: 6f9773a951b06aacdb26ff5287e21e18 (MD5) Previous issue date: 2016-03-23 / Este trabalho propôs um modelo matemático para um reator do tipo CSTR (continuous stirred-tank reactor) partindo de dados experimentais da cinética da reação de transesterificação entre o óleo de soja e o acetato de metila, tendo como catalisador uma enzima, a Candida Antartica. Um volume foi proposto para reator para que o tempo médio de residência da mistura reacional fosse suficiente tal que o rendimento esperado, com base nos dados obtidos pelo Matlab®, fosse obtido na saída do reator. O estudo reacional fluidodinâmico foi feito utilizando o software comercial ANSYS® versão 15.0. Duas configurações do reator foram propostas otimização, afim de tornar o processo o mais homogêneo possível, tentando atingir as configurações do reator de mistura perfeita. Os impelidores utilizados foram o tipo pás retas inclinadas e o ripo Ribbon (Âncora), afim de avaliar qual dos impelidores consegue o rendimento satisfatório com menor potência de operação. A potência requerida foi determinada através das equações para misturadores mecânicos, sendo avaliado apenas como variável a rotação das pás. / This work proposes a mathematical model to a reactor of CSTR-type (Continuous Stirred-tank reactor) starting from experimental data of the kinetics of transesterification of soybean oil and methyl acetate, with the catalyst enzyme, Candida Antarctica. A reactor volume was proposed for the average residence time of the reaction mixture was sufficient such that the expected yield, based on data obtained by Matlab, was obtained in the reactor outlet. The reaction fluid dynamic study was done using the commercial software ANSYS® version 15.0. The optimization of the reactor was proposed by comparing the reactor operation with two impellers separately in order to make the process more homogeneous as possible, trying to achieve the perfect blend of reactor configurations. The impellers used were the type inclined straight blades and Ribbon RIPO (Anchor), to determine which of the impellers can the satisfactory performance with lower power operation. The required power was determined by the equations for mechanical mixers, being rated only as a variable rotation of the blades

ALes gaz issus des procédés de pyrolyse-gazéification de la biomasse doivent être épurés. Ils contiennent des vapeurs condensables (goudrons), des aérosols, des particules solides fines, des composés soufrés et des métaux alcalins qu’il s’agit d’éliminer avant leur utilisation sur des turbines (production d’électricité) ou comme gaz de synthèse. Les expériences rapportées dans ce travail concernent les vapeurs condensables et leur conversion par craquage thermique. Les vapeurs sont produites par pyrolyse de la biomasse dans un premier réacteur (RP) à 540°C. Elles sont ensuite craquées dans un réacteur parfaitement auto-agité par jets gazeux (RPAA) associé en série avec le RP. Le RPAA fonctionne à plus haute température (550-1030°C) et le temps de séjour de la phase gazeuse dans le craqueur est compris entre 0,1 et 1 s. Tous les produits de réaction (charbon, vapeurs condensables et gaz permanents) sont récupérés et analysés. Le RPAA étant uniforme en température et en concentration, la détermination de constantes de vitesse à temps de séjour donné est assez aisée à partir de bilans de matière en vapeurs et gaz. Des schémas réactionnels globaux rendant compte du craquage des vapeurs en gaz mais aussi de leur possible maturation en composés plus réfractaires sont proposés et leurs constantes de vitesse optimisées à partir des résultats expérimentaux. Ces modèles permettent de simuler le craquage thermique d’une charge type issue d’un gazogène. On détermine les conditions optimales de fonctionnement (température, temps de séjour) du réacteur de craquage qui aboutissent à une concentration en vapeurs condensables la plus faible possible. On comparera ainsi l’efficacité du craquage thermique à celle des autres procédés d’épuration des goudrons. / Pyrolysis and gasification processes give rise to gases containing by-products such as condensable vapors (tars), aerosols, dust, sulfur compounds and inorganics which may considerably lower the efficiency of catalysts (if chemical synthesis is foreseen) or cause severe damages to motors and turbines (in case of electricity production). Hence, efficient gas treatments are needed. The experiments reported in the present work are related to thermal cracking of condensable vapors. These vapors are produced in a first reactor by biomass pyrolysis (PR) at 540°C. They undergo further cracking in a second vessel, a continuous serf stirred tank reactor (CSSTR), assembled in series with the PR. The CSSTR is operated at temperatures ranging from 550 to 1030°C and gas phase mean residence times ranging from 0,1 to 1 s. Reaction products (char, condensable vapors and permanent gases) are recovered and analyzed. Temperature as well as composition are uniform at any point of the CSSTR. Therefore, it is easy to derive values of kinetic constants from mass balances at a given residence time. Global vapor cracking schemes including gas formation as well as possible maturation into more refractory compounds are proposed. Their kinetic constants are optimized from the experimental results. These models are used to simulate the thermal cracking of a typical load flowing out from a gasifier. Optimal operating conditions of the cracking reactor (in terms of temperature and residence time) are determined to reach the lowest condensable vapors concentration. Thus, efficiency of thermal cracking can be compared to other gas treatment processes.

Le procédé de captage du dioxyde de carbone (CO2) par combustion fonctionnant en boucle chimique (Chemical Looping Combustion (CLC)) permet de produire de l’énergie à partir du méthane tout en captant le CO2 produit par la combustion. Ce procédé met en oeuvre un matériau porteur d’oxygène (NiO/NiAl2O4) qui est utilisé pour fournir de l’oxygène lors de la combustion du méthane et qui est ensuite régénéré sous air. Le matériau utilisé se dégrade au cours du temps ce qui accroît les coûts du procédé et diminue ses performances. L’étude présentée ici a pour objectif de déterminer quel est l’impact des phénomènes thermiques et chimiques sur la dégradation du matériau porteur d’oxygène. Les mécanismes réactionnels représentant la réduction et l’oxydation du porteur d’oxygène ont été déterminés et validés grâce à des études expérimentales et à la modélisation d’un réacteur parfaitement auto-agité (RPAA) et d’un réacteur à écoulement piston. L’importance du contrôle du dépôt de carbone dans le procédé a été démontrée. Ensuite, les paramètres cinétiques des réactions représentant la réduction de l’oxyde de nickel ont pu être déterminés grâce à un modèle original du RPAA, puis validés dans le réacteur piston. L’intérêt du RPAA pour la détermination de paramètres cinétiques dans le cas du procédé CLC a été présenté. Les paramètres obtenus permettent de prédire de manière correcte toutes les réactions même si un travail complémentaire est nécessaire pour obtenir une meilleure précision des résultats. Finalement, un mécanisme de dégradation du matériau porteur d’oxygène déduit des résultats expérimentaux a été proposé. Ce mécanisme décrit la production importante de fines particules se dissociant des grains et leur rôle dans les phénomènes d’agglomération observés. Le matériau support, supposé inerte, jouerait un rôle dans l’apport d’oxygène. La méthodologie développée dans ce travail pourrait être adaptée à l’analyse et la caractérisation d’autres matériaux porteurs d’oxygène / The Chemical Looping Combustion (CLC) process produces energy by combustion of methane while capturing the carbon dioxide (CO2). An oxygen carrier (NiO/NiAl2O4) is used to deliver oxygen during the combustion of methane. It is then regenerated by air. The oxygen carrier material degrades over time, which increases the costs of the process and reduces its performance. The present study aims at determining the impacts of thermal and chemical phenomena on the oxygen carrier degradations. The reaction mechanisms corresponding to the reduction and oxidation of the oxygen carrier are determined and validated through experimental studies and the modeling of a continuously auto-stirred tank reactor (CASTR) and a plug flow reactor. The importance of controlling the quantity of deposited carbon in the process is illustrated. Then, the kinetic parameters of the reactions representing the reduction of nickel oxide are determined with an original model of the CASTR and validated in the plug flow reactor. The interest of using the CASTR for the determination of kinetic constants of the reactions involved in CLC process is presented. The obtained parameters give a good description of all reactions even if additional work is required to obtain a better precision of the results. Finally, a degradation mechanism of the oxygen carrier has been proposed. This mechanism describes the large production of fine particles separated from the grains and their role in the observed agglomeration phenomena. The support material, supposed to be inert, provides some of its oxygen. The methodology developed in this work could be adapted for the analysis and the characterization of other oxygen-carriers

This master's thesis analyses fluid flow in an open cylindrical tank with vortex using numerical simulation. The theoretical part introduces a set of equations governing fluid flow and relations used to describe vortex motion. A general overview of terms used in computational fluid dynamics is presented. The experimental section consists of three parts. The vortex modelling is performed using ANSYS Fluent software. Data are consequently analysed within ANSYS CFD-Post software tool. Special focus is put on the vortex shape that is fitted with a curve corresponding to a probability density function of the Cauchy distribution. Results are then plotted in MATLAB software.

Användningen av kommunalt avfall för att producera förnybar energi, huvudsaklig biogas, uppfyller 8 av Sveriges 16 miljökvalitetsmål. Två typer av rötningsprocesser som används är kontinuerligt omrörda tankreaktorer (CSTR) och pluggflödesreaktorer (PFR). Rapportens syfte är att direkt jämföra de två reaktorkonfigurationerna, PFR och CSTR, med samma substratblandning. Båda reaktortyperna drevs med samma belastning (5,2 g VS/L dag), hydraulisk retentionstid (30 dagar) och driftstemperatur (520C). Två PFR-reaktorer drevs med återcirkulation av rötrester. Under projektets gång mättes olika parametrar, vilka var: pH, total gasvolym och gassammansättning, FOS/TAC (organiska syror/alkalinitet), flyktiga fettsyror (VFA), ammonium-kvävekoncentration och TS (torrsubstanshalt) och VS (organiska ämnen). Studieresultatet var uppdelat i två sektioner. Avsnitt 1 sammanfattar uppstartsperioden, där alla tre CSTR (D1-R, D2-NR och C1-NR) kördes i icke-återcirkulerande läge. Uppstartsperioden gjordes för att säkerställa reaktorernas stabilitet och det gällde att uppnå en liknande baslinje för detektion. Inom studien accepterades avvikelser för baslinjen inom intervallet 0-5%. För uppstartsperioden varierade den specifika metanproduktionen med 2 % mellan D1-NR och D2-R, D1-R och C1-NR med 6 %, och D2-NR och C1-NR med 8 %. För ammoniak-koncentrationen var skillnaden mellan D1-R och D2-NR 2 % och mellan D1-R och C1-NR 9 %, mellan D2-NR och C1-NR, 7%. Med dessa variationer togs beslutet att utesluta reaktor C1-NR från den experimentella perioden för projektet. Avsnitt 2 jämför PFR och CSTR återcirkulerat/icke återcirkulerat läge. En CSTR drevs med 30 % återcirkulation av rötrest och en CSTR drevs i icke-återcirkulationsläge. Att jämföra PFR och CSTR återcirkulerat/icke återcirkulerat läge visade att PFR:erna övervann båda CSTR:erna när det gäller den specifika metanproduktionen. Där PFR producerade 395±93 NL/KgVS och 372±42 (N)L/KgVS CSTR med återcirkulation 280±10 (N)L/KgVS och den icke-återcirkulerade CSTR producerade 250±7 (N)L/KgVS. NH4+-N-nivåerna mellan PFR och CSTR visade en skillnad på 1 g/L, där PFR var den med högre NH4+-N (2,53±0,39 g/L för PFR-A och 2,73±0,43 g/L för PFR-T). En av skillnaderna mellan de återcirkulerade och de icke-återcirkulerade CSTR:erna var VFA-koncentrationen. VFA-koncentrationen i de återcirkulerade var 1,05±0,90 g/L och 0,43±0,25 g/L i de icke-återcirkulerade. VFA-koncentrationen för PFR var i genomsnitt 0,28±0,12 g/L och 0,40 ±0,16 g/L. Graden av nedbrytning i CSTRs var 90-91%, och 63-65% i PFR. Den är möjligen felberäknad och visar en inkonsekvens mellan reaktorernas prestanda och specifik metanproduktion. / The use of municipal waste to produce renewable energy, in the form of biogas, fulfils eight of Sweden's sixteen environmental quality objectives. The most common technology to produce biogas is anaerobic digestion (AD). Two common types of AD processes are continuously stirred reactors (CSTR) and plug flow reactors (PFR). The thesis aims at directly comparing the two reactor configurations using the same substrate mix. For this, two PFRs (PFR-T and PFR-A) and three CSTRs (D1-R, D2-NR and C1-NR) were setup. All reactors were operated at the same organic loading rate (5.2 g VS/L-day), hydraulic retention time (30 days) and operational temperature (52°C). During the project, various parameters were measured to evaluate the reactor performance, such as pH, total gas volume and gas composition, FOS/TAC (organic acids/alkalinity), volatile fatty acids (VFA), ammonium-nitrogen concentration, and solid and volatile solid of digestate.   The study result was divided into two sections. Section 1 summarises the start-up period (42 days), where the CSTRs and the PFRs were operated under non-recirculation mode. The start-up period was done to ensure the stability of the reactors and was concerned with achieving a similar baseline for performance. For the start-up period, the specific methane production between D1-R and D2-NR varied by 2% while the variation between C1-NR and D2-NR was 8%. Likewise, for the ammonia concentration, the difference between D1-R and D2-NR was 2%, while C1-NR differed by 9% from D2-NR. Based on these findings, the decision was taken to exclude reactor C1-NR from the experimental period of the project.  Section 2 compares the PFR and CSTR. One CSTR was operated with 30% recirculation of digest, while the other CSTR was operated in non-recirculation mode. The two PFRs were operated with recirculation of digestate. The experiments showed that the PFRs outperformed both CSTRs regarding the specific methane production. The PFRs produced 395±93 (N)L/kg-VS and 372±42 (N)L/kg-VS. In contrast, the CSTR with recirculation reached 280±10 (N)L/kg-VS and the non-recirculated CSTR produced 250±7 (N)L/kg-VS. The NH4+-N levels for the PFRs and CSTRs showed a 1 g/L difference, with a higher value for the PFRs (2.53±0.39 g/L for PFR-A, and 2.73±0.43 g/L for PFR-T). One of the significant differences between the recirculated and the non-recirculated CSTRs was the VFA concentration. The VFA concentration in the recirculated and non-recirculated reactor was 1.05±0.90 g/L and 0.43±0.25 g/L, respectively. The VFA concentration for the two PFRs was on average 0.28±0.12 g/L and 0.40 ±0.16 g/L. The degree of degradation in the CSTRs was 90-91% compared to 63-65% in the PFRs. The degree of degradation is possibly miscalculated and shows an inconsistency between the reactor performance in terms of specific methane production.

Proportional, integral and derivative (PID) controller tuning guidelines in process industry have been in place for over six decades. Nevertheless despite their long design history PID tuning has remained an ‘art’ and no single comprehensive solution yet exists. In this study various considerations, with new and different perspectives, have been taken into account in PID tuning design. This study explores the issue of PID tuning from a practical point of view with particular focus on robust design in the presence of typical problems in process industry: process changes, valve stiction effects and unmeasured disturbances. The IMC tuning rule is recommended for setpoint tracking, while in the case of regulation, a newly proposed tuning rule, based on a combination of IMC and Ziegler-Nichols method, is demonstrated to give satisfactory results. The results were evaluated by simulation and were also validated on a computer-interfaced pilot scale continuous stirred tank heater (CSTH) process. / Chemical Engineering

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Les systèmes réels sont généralement de nature non-linéaire, et leurs modélisations etsurveillance restent une tâche difficile à accomplir. Néanmoins, avec les progrès technologiqueson dispose maintenant d'un atout de taille sur ces systèmes qui est les données.Ce travail présente une technique de diagnostic de défaut et de modélisation basée en grandepartie sur la méthode d'apprentissage automatique « Les Machines à Vecteurs de Support,SVM » qui est basée sur les données. La méthodologie proposée est appliquée à différentessystèmes multivariables et non linéaires, à savoir : un procédé de traitement des eaux usées, unsystème éolien et un réacteur chimique parfaitement agité.L'objectif de cette thèse de doctorat est d'examiner la possibilité d'extraire le maximumd'information à partir de données afin de surveiller efficacement le comportement de systèmesréels et de détecter rapidement tout défaut qui peut compromettre leur bon fonctionnement. Lamême méthode est utilisée pour la modélisation des différents systèmes. Plusieurs défis ont étérelevés tels que la complexité du comportement des systèmes, le grand nombre de mesuresvariant à différentes échelles de temps, la présence de bruit et les perturbations. Une méthodegénérique de diagnostic de défauts est proposée par la génération des caractéristiques de chaquedéfaut suivie d’une étape d'évaluation de ces caractéristiques avec une amélioration du transfertde connaissances en modélisation.Dans cette thèse ont a démontré l'utilité de l'outil Machines à Vecteurs de Support, enclassification par la construction de modèles de décision SVM dédiés à l'évaluation descaractéristiques de défaut, et aussi en tant qu'estimateur non linéaire/ou pour la modélisation parl'utilisation des machines à vecteurs de support dédiés pour la régression (SVR).La combinaison de SVM et d’une méthode basée sur le modèle "observateur" a été aussi étudiéeet a été nécessaire dans certains cas pour garantir un bon diagnostic de défauts. / Real systems are usually nonlinear and their modeling and monitoring remains adifficult task. However, with advances in technology and the availability of big amounts of data,we have a facility to operate these systems.This work presents a methodology for fault diagnosis and modeling which is in large part basedon the method of Support Vector Machines (SVM) which data-based. The proposedmethodology is applied to various nonlinear multivariable systems including: wastewatertreatment processes, wind turbines and stirred tank reactors.The objective of this PhD is to examine the possibility of extracting the maximum of informationfrom data to effectively monitor the behavior of real systems and rapidly detect any faults whichmay impair their proper functioning. The same method is used for modeling the differentsystems. Several challenges were identified and surmounted such as the complexity of thesystem behavior, large amount of data varying at different time scales, the presence of noise anddisturbances. A generic method of fault diagnosis is proposed for the generation of the faultcharacteristics followed by an evaluation of these characteristics as well as an improved transferof knowledge in modeling.In this thesis the usefulness of the tool Support Vector Machines in Classification has beendemonstrated by the construction of decision models dedicated to evaluating the characteristicsof faults, and also its usefulness for modeling/ or as estimator for the nonlinear systems usingsupport vector machines dedicated for regression (SVR).The combination of SVM and a method based on models “observer” was also considered andwas found to be interesting in some cases to ensure proper fault diagnosis.