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Para abordagem do controle não-linear geométrico, a síntese do controle e elaborada diretamente a partir da descrição do processo com a dinâmica não-linear em espaço de estados. O presente trabalho trata da aplicação dos principais conceitos e formalismos do controle não-linear geométrico para os processos multivariaveis típicos da engenharia química: o controle não-linear continuo da coluna de destilação e o controle não-linear discreto da unidade de craqueamento catalítico em leito fluidizado. A síntese e o projeto do controlador não-linear são enfocados separadamente. O projeto do controlador tem importância pratica para as aplicações industriais. O presente trabalho apresenta metodologias para a abordagem dos seguintes aspectos da aplicação multivariavel do controle geométrico não-linear: (a) como relaxar a sintonia do controlador interno de desacoplamento não-linear; (b) como definir o controlador externo como controle linear de alocação de pólos com coeficientes de hurwitz; (c) neste controlador externo, como incluir a ação integral com prevenção da saturação; e (d) como definir a dinâmica dossetpoints externos. For the geometric nonlinear control approach, the controller synthesis is elaborated directly from the nonlinear dynamics state space description of the process. This work concerns the application of the main concepts and formalisms of the geometric nonlinear control theory to typical multivariable (MIMO) chemical engineering process as illustrative case studies: the continuous nonlinear control of the distillation column and the discrete nonlinear control of the fluid catalytic cracking unit. The synthesis and the project issues of the nonlinear controller are focused separately. The controller project has the practical importance for the industrial controller applications. This work applies the methodologies to approach the following issues for the MIMO applications of the geometric nonlinear control: (a) to detune the internal nonlinear decoupling controller; (b) to define the external controller as linear pole-placement controllers with Hurwitz coefficients; (c) to include the integral action with anti-reset windup on this external controllers and (d) to define the dynamics of the external setpoints.

Nas indústrias de celulose, o processo dominante é a polpação Kraft. A polpação ou o cozimento de madeira em digestores constitui a operação central da produção de celulose, onde se processam as reações de deslignificação dos cavacos de madeira. Em geral, aí os modelos são empíricos e baseados em experimentos em escala de laboratório, e o \"scale-up\" para nível de digestores industriais torna-se tedioso e às vezes impraticável, pelo número de experimentos necessários e pela dificuldade de reprodução de todas as condições operacionais. Propõe-se neste trabalho um modelo matemático de polpação Kraft de eucalipto. O modelo consiste num sistema de equações diferenciais parciais que descrevem os efeitos combinados da cinética de polpação e da difusão de reagentes, como um reator de mistura perfeita com fases heterogêneas. Apresentam-se as previsões das simulações, comparam-se seus valores com dados experimentais. Este modelo é heterogêneo e difere dos modelos homogêneos usualmente propostos para a polpação. O primeiros permite uma abordagem das influências da espessura, massa específica e porosidade de cavacos, e também da difusão de reagentes nos cavacos durante a polpação. O presente trabalho dá ainda alguns exemplos de aplicação e tece comentários quanto ao modelo. Kraft pulping is the dominant process f the pulp industry. The pulping of wood in digesters is the central operation of the pulp production, which consists of the delignification of the wood chips. Usually, the models of the delignification are empiricals and derived from laboratory scale experiments . The scale-up for industrial applications is tedious and sometimes impracticable, requiring a large number of experiments and presenting difficulty in reproducing all the operational condictions. The present work suggests a mathematical model for the Kraft pulping of the eucalyptus. This model consists of a system of partial differential equations describing the combined effects of the pulping kinetics and the diffusion of reactants, in form of continuous stirred tank reactor with heterogeneous phases. The prediction of the values given by simulation and their comparison with experimental data are presented. Differing from the homogeneous model, the heterogeneous allows an approach to estimate the influence of the chip thickness, density, porosity and that of the diffusion of the reactants in the chips, during pulping. The present work gives further some examples of application and comments on the model.

O volume total de emissão de particulados produzidos a serem tratados, aumenta cada vez mais enquanto os limites de emissão estipulados vem em constante redução. Portanto, é necessário aprimorar os conhecimentos sobre eficiência de captura nos sistemas de lavagem de gases, avaliando seu comportamento hidrodinâmico. Foi realizada medição de dados operacionais em condição controlada e medição isocinética em condições normais de operação. Os resultados foram comparados com a avaliação dos modelos existentes de desempenho e de perda de carga. Finalmente, avaliou-se o modelo em CFD (fluidodinâmica computacional) para elucidar o comportamento no interior da unidade industrial. Um lavador industrial Venturi não é apenas a parte convergente, garganta e divergente de um Venturi, e sim todo o conjunto, desde a entrada de gases e de água até a parte de captura de gotas em separador ciclônico. A eficiência de coleta das partículas obtida experimentalmente é de 93.2%, ao passo que a eficiência teórica está entre 98,2% e 100%. Isso se explica pelas condições não ideais de operação em unidade industrial do qual os modelos foram incapazes de modelar. A perda de carga total no lavador, dada como o valor da perda de pressão do escoamento entre as seções convergente, garganta e divergente, foi superior no lavador industrial em estudo. Uma vez que a diferença entre a perda de carga somente com ar é muito diferente de quando se tem sistema ar+água, explica-se a diferença entre o perfil de pressão teórica, por simulação e por medição experimental, onde a curva de recuperação de pressão é mais acentuada nos experimentos. As medições experimentais, as elucidações de mecanismos por modelos teóricos e a simulação por CFD para verificação formam um tripé de ferramentas que devem ser utilizadas em conjunto por se tratar de operação industrial. A maioria da literatura trata de experimentos em pilotos com condições controladas, com proposição de modelos teóricos, ou trata de modelagem CFD comparada com a literatura de modelos teóricos. Aqui se apresenta a aplicação das três abordagens. The total particulate matter volume emission produced to be treated are progressively increasing, while the emission limits are in the opposite direction. Therefore, it is necessary to improve the knowledge about wet scrubber collection efficiency through its hydrodynamic behavior. Operacional data measurements in controlled conditions, and isokinetic sampling in normal operational conditions were made. The data was compared with performance and pressure drop mathematical models. Finally, the CFD (computacional fluidynamics) models were evaluated to elucidate the internal industrial equipment behavior. An industrial Venturi scrubber is not composed basically only by convergent, throught and divergent sections, but rather the whole machinery, since the inlet of gases and water and the water droplets removal in a cyclonic vessel. The experimental collection efficiency obtained was 93.2%, whereas the theorical values range from 98.2% to 100%. These results are explained by non-ideal conditions in the industrial unit. The Venturi scrubber total pressure drop, known as pressure difference between the convergent, throught and divergent sections, is higher in the industrial unit. Since the pressure drop in no water conditions is very different with the presence of water, it is explained the profile difference between theorical, simulated and experimental runs, where the recovery profile pressure is sharper in experimental data. The water fluid flow and the droplets distribution are slightly different in industrial conditions, even so with similar trends. The experimental measurements, the theorical models mechanism elucidation and the CFD simulation forms a tools tripod which must be used together since it is about an industrial operation. In the literature, is found basically of pilot scale experiments in controlled conditions, with theorical models proposition, or CFD simulation compared with theorical models. In the present study, for the first time ever, the tree aprroachs combined.

A meta-heurística de colônia de formigas vem sendo aplicada desde de 1991 para resolver diversos tipos de problemas matemáticos sendo uma parte destes problemas os de otimização de scheduling. A alocação de petróleo de curto prazo, que envolve a escolha do petróleo mais adequado para ser processado nas refinarias ao longo do tempo, pode ser modelado como um problema de scheduling. Neste trabalho, foi desenvolvido um modelo, composto por porto, terminal, oleoduto e refinaria, capaz de representar o processo de alocação de petróleo a partir da sua chegada em um navio até a refinaria em um horizonte de tempo de poucos dias. Um algoritmo de colônia de formigas foi implementado e parametrizado para essa aplicação e obteve resultado satisfatório, porém demonstrou-se moroso a medida que a dimensão do problema é aumentada. The ant colony metaheuristic has been applied since 1991 to solve several kinds of mathematical problems and part of these problems is the scheduling optimization. Short-term oil allocation, which involves choosing the most suitable oil to be processed at refineries over time, can be modeled as a scheduling problem. In this paper, a model was developed, constituted of port, terminal, oil pipeline and refinery, capable of representing the oil allocation process starting from its arrival on a ship and finishing at the refinery during a time horizon of a few days. An ant colony algorithm was implemented and parameterized for this application and a satisfactory result was obtained, but it gets slower as the dimension of the problem increases.

Atualmente, o Brasil é o maior fabricante de celulose branqueada de eucalipto do mundo. Geralmente as fibras virgens de Eucalyptus spp. são utilizadas na fabricação de papéis para imprimir, tissue e especiais. Papéis para embalagens, tipicamente Kraftliners, precisam de uma grande resistência mecânica e são produzidos principalmente a partir de pastas Kraft de coníferas não branqueadas. Por outro lado, nanoceluloses fabricadas a partir de biomassa são consideradas um dos materiais sustentáveis mais interessantes para o século, com excelentes propriedades como baixa densidade, elevadas propriedades mecânicas, alta hidrofilicidade, grande área superficial com reatividade química e elevado valor econômico. Desde 2012 o uso de nanoceluloses na fabricação de papel ganhou impulso. As nanoceluloses têm sido adicionadas em pastas mecânicas e Kraft branqueadas para fabricação do papel, incrementando notavelmente as suas propriedades mecânicas, mas há preocupações sobre a diminuição da drenabilidade, da porosidade e da opacidade do papel. Poucos estudos foram desenvolvidos visando a aplicação de nanoceluloses em fibras não branqueadas, ainda que tenham aplicações em pastas branqueadas e/ou mecânicas. Portanto, o presente trabalho visa desenvolver o uso de nanoceluloses para melhorar as propriedades mecânicas em fibras não branqueadas. Em primeiro lugar, tomaram-se os finos primários do branqueamento de celulose de Pasta Kraft de Eucalipto como a matéria-prima para produzir dois tipos de nanocelulose. A celulose microfibrilada (MFC) é produzida diretamente por homogeneização mecânica utilizando equipamento Masuko. A celulose nanofibrilada (CNF) é produzida por oxidação mediada por TEMPO e homogeneizada por GEA. Em segundo lugar, selecionaram-se com as fibras virgens de Pasta Kraft Marrom de Pinho (PKPM) com número Kappa 36,1 e Pasta Kraft de Eucalipto Não Branqueada (PKEP), obtida na saída de estágio de deslignificação com oxigênio, com número Kappa 9,21, e todas as fibras foram refinadas até atingir o mesmo grau Shopper-Riegler (33±1 SR). Os experimentos com PKPM são conduzidas como uma referência a papéis Kraftliners tradicionais, com ou sem nanocelluloses. Também obteve folhas manuais com pasta branqueada Kraft de eucalipto, adicionando nanoceluloses, para compreender o efeito da lignina presente em PKEP. A receita e os aditivos químicos aplicados aqui são os mesmos que na produção industrial. Os principais resultados são: o uso de CNF (ou MFC) e agentes químicos, separadamente, na pasta PKEP, aumenta as resistências mecânicas dos papéis, no entanto, quando aplicadas CNF (ou MFC) em PKMP sem aditivos químicos, as resistências à tração e a estouro diminuem, e a resistência ao rasgo permanece constante. Como a terceira parte do estudo, delineamento de experimentos teve a configuração composto central com o ponto central em 1% de CNF (ou MFC) e 1% de agentes químicos (polímero+amido+cola), e seus pontos axiais foram 0,3%-1,7% de CNF (ou MFC), e 0,15%-0,85% de agentes químicos. O ponto ótimo de equilíbrio dos índices de rasgo (mN.m2/g) /estouro (kPa.m2/g) /tração (N.m/g) de (10,00/2,25/36,56 para CNF e 12,88/4,25/57,62 para MFC), obteve-se com a adição de 1,03% de CNF e 0,65% de amido, ou com a adição de menos de 0,01% de MFC e de 1% de amido. Finalmente, foram aplicadas CNF ou MFC por impregnação direta no centro da direção-z, considerando que o papel tem forças que interagem em 3D. Os resultados mostram que a PKEP atinge a qualidade do Kraftliner de pinus obtendo um índice de tração de 52,58 N.m/g utilizando 1% de CNF, ou 47,40 N.m/g utilizando 1% de MFC. Também, o custo de utilização do CNF ou MFC na fabricação do papel é avaliado, resultando em estimativas de 0,9494 US$/kg ou 0,3036 US$/kg, com a adição de 1% de CNF ou 1% de MFC, respectivamente, em pasta PKEP. Este trabalho mostra que a aplicação de nanocelulose em Kraftliner tradicional com fibras de pinus com todos os agentes químicos não tem vantagens reais. No entanto, o uso de CNF e MFC tecnicamente e economicamente tem vantagens superiores em pasta Kraft de eucalipto não branqueada (e deslignificada com oxigênio), obtendo-se propriedades superiores às de fibras longas. Nowadays, Brazil is the largest manufacturer of Bleached Eucalyptus Kraft Pulp in the world. Mostly the Eucalyptus spp. virgin fibres are used in papermaking to manufacture printing, tissue and specialty papers. Packaging papers, typically Kraftliners, have high demands for mechanical strength and are made mostly from Unbleached Softwood Kraft Pulp. Other side, nanocelluloses from biomass are considered one of the most interesting sustainable materials for the Century, with excel properties such as low density, high mechanical properties, high hydrophilicity, large surface area with chemical reactivity and high economic value. Since 2012 the use of nanocellulose in papermaking experienced a great momentum. Nanocelluloses are added in bleached or mechanical pulp in papermaking to increase significantly the mechanical properties, but there are concerns about the decreasing of the drainability, the porosity and the opacity of the paper. A very few studies were developed on the application of nanocelluloses in an unbleached Kraft pulp, even there are its applications on bleached pulps and mechanical pulps. Therefore, the present work aims to develop the application of nanocelluloses to increase the mechanical properties of the unbleached fibers, specifically for Kraftliners, and show the way to replace the softwood fibers with the low-cost hardwood fibers. Firstly, the primary fines from bleaching area of Eucalyptus Kraft pulp, obtained from an industrial residue, was the raw material for nanocellulose production of two nanocelluloses. The microfibrillated celluloses (MFC) are produced with direct mechanical homogenization using Masuko. The nanofibrillated cellulose (NCF) is produced with oxidation mediated by TEMPO and homogenization using GEA. Secondly, as virgin fibers were selected the Unbleached Pine Kraft Pulp (USKP) with Kappa number 36.1 and the Unbleached Eucalyptus Kraft Pulp (UEKP) just after the oxygen delignification stage with the Kappa number 9.21. All the fibres (USKP and UEKP) was refining at the same Shopper-Riegler (33±1 SR). USKP experiments are conducted as reference to traditional Kraftliners, with or without nanocelluloses. Also the virgin bleached Eucalyptus Kraft pulp with nanocelluloses addition for the handsheet paper helps to understand the role of lignin in UEKP. The recipe and chemicals applied here are the same of the industrial production. The main results are: the use CNF (or MFC) and chemical agents, separately, in UEKP, promote the mechanical resistances, however when applied CNF (or MFC) in UPKP without chemicals, the tensile and burst properties decreased and tear remains constant. As the third group of the study, the design of the experiments was conducted in the star configuration with centre point as 1% CNF (or MFC) and 1.00% chemical agents (polymers+starch+chemical agents) and, the axial points were 0.3%-1.7% NCF (or MFC) and 0.15%-0.85 of chemical agents. The optimum point from the balanced tear (mN.m2/g) /burst (kPa.m2/g) /tensile (N.m/g) index point of view with 10.00/2.25/36.56 for (1.03% CNF and 0.65% starch) and 12.88/4.25/57.62 for (

A gaseificação utiliza o conteúdo intrínseco de carbonos e hidrogênios das matérias primas sólidas ou líquidas na geração de uma mistura de hidrogênio (H2), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) e metano (CH4). Tal mistura pode ser utilizada como matéria prima na síntese de novos produtos ou como combustível. A gaseificação pode ser utilizada no processamento de uma gama variada de produtos, independentemente de suas características ou estado físico. A utilização de biomassa como insumo da gaseificação vem sendo cada vez mais explorada e estudada, já que apresenta benefícios não somente na esfera ambiental, mas também em âmbitos econômicos e sociais. A vinhaça é um subproduto do processo de produção de álcool, que contém grandes concentrações de nutrientes e matéria orgânica em sua composição. A sua utilização hoje está limitada a fertirrigação e a aplicações isoladas em biodigestão e outros, que não são suficientes para o consumo da produção anual crescente do resíduo. Seu uso na gaseificação permitiria o aproveitamento do conteúdo orgânico da mesma e a produção de gases de alto valor agregado. Como a umidade do insumo interfere negativamente na eficiência da gaseificação clássica, a aplicação da mesma para matérias primas com alto teor de líquidos não é recomendada. Uma alternativa viável seria a utilização do meio gaseificante supercrítico, que resulta em rendimentos constantes, independentemente da umidade da corrente de entrada do reator. O presente trabalho consiste no projeto de um módulo de gaseificação de vinhaça em água supercrítica, a ser instalado como uma unidade anexa a usinas de açúcar e álcool. Ele compreende o projeto conceitual e análise de viabilidade deste módulo, incluindo estimativas de CAPEX (Capital Expenditure) e OPEX (Operation Expenditure) e uma análise de sensibilidade dos mesmos. O estudo apresenta ainda o estado da arte do conhecimento e da tecnologia de gaseificação com água supercrítica (SCWG), relacionando os gargalos a serem resolvidos, assim como os ganhos intrínsecos da definição conceitual do projeto. The gasification process uses the carbon and hydrogen content in a given solid or liquid feedstock to produce a gaseous mixture of hydrogen (H2), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2) and methane (CH4). This mixture can be used as a precursor in the synthesis of new products or directly as a fuel. The gasification can be used in the processing of a wide range of materials, regardless of its characteristics or physical state. The use of vinasse as a gasification feedstock has been increasingly explored and studied, since its appeal lies not only on the environmental sphere, but as well on economic and social scope. Vinasse is a byproduct of the ethanol/ sugar producing process and contains large concentrations of nutrients and carbon organic matter in its protein-rich composition. The use of this fluid is limited today to fertirrigation and isolated applications, that are not enough for the consumption of its growing production. The possibility of gasifying the vinasse would allow a more profitable use of the fluid. In the classical gasification, the moisture content of the product being gasified impairs the yield of the reaction. So, for liquid feedstock its use is not recommended. One viable alternative for this case would be the use of the supercritical water as a reaction medium, which results in constant yields regardless of the moisture content of the raw material. This work consists on the design of module for vinasse gasification in supercritical water, to be installed as a unit, attached to an alcohol/ sugar plant. It comprises the conceptual design and feasibility study of the module, including CAPEX and OPEX estimates, plus a sensitivity analysis. The study also presents the state of the art of the knowledge associated to SCWG technology, relating bottlenecks to be solved, as well as the intrinsic gains from conceptual design definition.

Este trabalho tem como objetivo propor e avaliar um novo método para controle antissurto de compressores dinâmicos. É sabido que compressores dinâmicos são sujeitos ao fenômeno de surto, o qual pode danificar gravemente os componentes do compressor e provocar distúrbios de produção. O surto pode surgir a partir da ocorrência de distúrbios (por exemplo, fechamento da válvula de descarga do compressor) os quais, sem ação antissurto, fariam com que o ponto de operação se deslocasse para uma região de baixas vazões delimitada por uma linha conhecida como linha de surto. Portanto, compressores dinâmicos sempre são equipados com mecanismos antissurto: tipicamente uma válvula de reciclo de ação rápida controlada por um controlador PI antissurto. Dado que o surto se desenvolve extremamente rápido, usualmente não se permite que o compressor opere muito próximo da linha de surto. Esse objetivo de controle (manter o compressor afastado da linha de surto) é conflitante com objetivos de eficiência energética, pois os pontos de maior eficiência estão localizados próximos a essa linha. Logo, é desejável operar o compressor utilizando a mínima margem de surto que ainda garanta que a ação antissurto seja efetiva. Este trabalho propõe um método para ativação da ação antissurto no compressor com o objetivo de atingir uma ação mais rápida que o controle PI tradicional. O método proposto se baseia no cálculo offline das aberturas necessárias para a válvula de reciclo para cada possível combinação das posições dos atuadores do sistema, considerando um conjunto discreto pré-definido de valores dentro da faixa de valores de cada atuador. Esse processo gera uma tabela auxiliar para uso online. Os valores da tabela auxiliar são utilizados para gerar valores de referência para um controlador por realimentação, o qual é responsável por garantir que a trajetória do sistema irá do estado inicial no momento da ativação do controle antissurto para o estado estacionário desejado. Diversos cenários de distúrbio são simulados para diferentes controladores por realimentação e comparados com o controle antissurto PI tradicional. Os resultados mostram que a estratégia proposta é um candidato para melhorias na prática atual de controle antissurto, mas um controle por realimentação adequado deve ser selecionado e avaliado também considerando o aspecto de robustez, o qual é brevemente considerado no escopo deste trabalho. This work aims at proposing and evaluating a novel method for anti-surge control of dynamic compressors. Dynamic compressors are known to suffer from surge, which can severely damage compressor components and disturb production. Surge may arise by the occurrence of disturbances (e.g. compressor discharge valve closure) that would bring its operating point to a region at low flows delimited by the so called surge line. Therefore, dynamic compressors are always equipped with anti-surge mechanisms: typically a fast actuating recycle valve controlled by a PI anti-surge controller. Since surge develops extremely fast, the compressor is usually not allowed to operate too close from the surge line. This control objective (keep the compressor away from the surge line) is conflicting with energy efficiency requirements, since higher efficiency operating points are located close to the surge line. Therefore, it is desirable to operate the compressor using the smallest possible surge margin that still guarantees anti-surge action is effective. This work proposes a method for triggering the compressor anti-surge action, aiming at a faster action than traditional PI control. The proposed anti-surge control method relies on an offline computation of necessary recycle valve openings for each possible combination of the system actuators positions, considering a predefined discrete set of values from the actuators positioning ranges. This generates a look-up table for online use. The values from the look-up table are used to identify the necessary compressor flow set-point for a feedback controller, which is responsible for ensuring that the system trajectory goes from the state upon anti-surge activation to the desired steady state. Several disturbance scenarios are simulated for different feedback controllers and compared to the traditional PI anti-surge controller. Results show that the proposed strategy is a candidate for improvements in current anti-surge control practice but an adequate feedback control strategy must be chosen and evaluated also under the consideration of robustness, which is slightly considered in the scope of this work.

No processo de fabricação do papel, a formação é muito importante, pois impacta na qualidade do produto assim como na maquinabilidade e produção. Para uma boa formação, um sistema de retenção e drenagem com aditivos eficientes é muito importante. Desta forma uma sílica nanopartículada, devido a sua área superficial, pode ser a diferença neste sistema e na resistência a úmido na fabricação de papel. Através de testes que simulam a floculação padrão (espalhamento de luz dinâmico) tentou-se identificar qual seriam as variáveis (pH, concentração iônica do meio, tamanho de nanopartícula) que influenciariam no processo de floculação assim como verificar qual o mecanismo e o que ocorre com o floco durante a floculação/defloculação/refloculação. Utilizando como modelo uma máquina de papel offset que usa fibra de celulose branqueada e carga verifica-se a condição de fabricação (receita) e o sistema de retenção e drenagem utilizado atende os parâmetros de resistência e formação da folha de papel. Constatou-se que o pH exerce uma influência no tamanho do floco formado e que o mecanismo de refloculação, para diferentes tipos de cisalhamento, são diferentes. A concentração ideal de sílica e polímero pode ser otimizada a fim de trazer uma redução de custo e melhoria do processo. In the process of paper manufacturing, formation is important to product quality, runnability and production. To have a good formation, a retention and drainage system with efficient chemicals is important. Thus silica nanoparticles, because their surface area, may be the difference in this systems and wet resistance in the paper manufacture. Using flocculation tests (light dynamic scattering equipment) were identified what conditions (pH, ionic concentration, size particle) had some influence on the flocculation process and verify what is the mechanism and what do happen with the floc during the flocculation/deflocculation/reflocculation. To have an offset paper machine using bleached cellulose and filler, it checked if the mill`s recipe and the retention and drainage system correspond the level of resistance and formation required. I found the pH has had influence in the floc and have had differences in the reflocculation mechanism when submitted to different shears (sonification and stirring). The polymer and silica dosage can be optimized to a saving cost and to improve the process.

Os novos processos de impressão têm exigido novas características do papel. Entre os novos processos encontram-se as impressões digitais, em especial, a impressão por jato de tinta. Este tipo de impressão é baseado na ejeção de uma gota de tinta por um orifício em uma cabeça de impressão, que atinge o substrato formando um pixel. A definição das imagens formadas neste tipo de impressão é, portanto, dependente das características da tinta e, principalmente, do substrato. O presente trabalho tem por objetivo caracterizar as propriedades do papel que são importantes para a impressão por jato de tinta, desde o momento em que a tinta atinge a superfície do papel até a sua absorção. As propriedades consideradas neste estudo foram: a rugosidade, a porosidade e as propriedades químicas da superfície. A rugosidade foi avaliada pelos métodos tradicionais da área de papel e celulose (baseados em vazão de ar), por método perfilométrico e, qualitativamente, por imagens obtidas por microscopia eletrônica de varredura (MEV). Para a porosidade foi utilizado um método tradicional, além de porosimetria de intrusão de mercúrio e microtomografia de raios X, e a composição química da superfície foi avaliada por espectroscopia por energia dispersiva (EDS) e espectroscopia Raman. A partir dos resultados obtidos, as propriedades do papel foram qualificadas e as suas influências no espalhamento e absorção de líquidos em geral foram identificadas. Além da caracterização das propriedades superficiais e porosimétricas do papel, as correlações entre as propriedades e os diferentes métodos utilizados na sua determinação foram discutidas. Os métodos de análise tradicional não conseguem caracterizar os papéis em níveis de resolução capazes de fornecer informações sobre a influência das propriedades estudadas na impressão por jato de tinta. Ao mesmo tempo, a caracterização do papel para este tipo de impressão e a compreensão das influências das propriedades do papel no espalhamento e absorção de tinta e líquidos em geral só é possível quando as propriedades são analisadas em conjunto. The new printing processes have required new features of the paper. Among the new printing processes are the digital printing, in particular, the inkjet printing. This type of printing is based on the ejection of an ink drop through a hole in a print head, which reaches the substrate forming a pixel. The resolution of the images formed in this type of printing is therefore dependent on the characteristics of the ink, and especially of the substrate. The present work aims to characterize the properties of paper that are important to the inkjet printing, from the moment the ink hits the paper surface to its absorption. The properties considered in this study were: roughness, porosity and chemical properties of the surface. The roughness was evaluated by traditional methods in pulp and paper sector (based on air flow), by profilometry and qualitative using images obtained by scanning electron microscopy (SEM). For the porosity, a traditional method was used, and also mercury intrusion porosimetry and X-ray microtomography. The chemical composition of the surface was evaluated by energy dispersive spectroscopy (EDS) and Raman spectroscopy. From the results obtained, the paper properties were described and their influence on the spreading and absorption of liquids in general have been identified. Besides the characterization of the paper surface properties and porosity, the correlations between the properties and the different methods used for measurement were discussed. The traditional analysis methods can not characterize the paper in levels of resolution capable of providing information about the influence of the properties studied in inkjet printing. At the same time, to characterize paper for this printing process and to understand the influences of the paper properties on the spreading and absorption of inks and liquids in general the paper properties have to be analyzed together.

No presente trabalho, foi desenvolvido um modelo para o escoamento em reator de membrana do tipo contator ativo, através da abordagem de dinâmica dos fluidos computacional (CFD), utilizando o código comercial ANSYS FLUENT. O modelo incluiu todo o módulo de membrana constituído por uma membrana tubular e um casco metálico. A reação modelo estudada foi a hidrogenação parcial de 1,5-ciclooctadieno, realizada pelo bombeamento da mistura reacional, dissolvida em n-heptano, através da membrana, a partir das extremidades do tubo. Como catalisador, considerou-se a presença de nanopartículas de Pd impregnadas na membrana. O meio poroso foi aproximado por leito granular representado pela equação de Ergun, tendo como parâmetros a porosidade e o tamanho de grão da membrana de alfa-Al2O3 . O valor para o tamanho de grão foi adotado como equivalente ao diâmetro de partícula determinado com uso do código aberto de estereologia ImageJ, do instituto Nacional de Saúde dos Estados Unidos. O modelo de turbulência adotado foi o RNG k-epsilon. Um estudo de sensibilidade incluiu simulações comparando escoamento desprezando reações como escoamento reativo, variação da velocidade, alteração da saída do fluxo e ativação de modelo de turbulência no meio poroso. Foram realizadas simulações de defeitos estruturais na membrana, correspondendo a regiões de porosidade alterada, com e sem perda de sua uniformidade azimutal. Conclui-se que a presença de defeitos estruturais que afetem a uniformidade azimutal da membrana pode resultar em sensível alteração do escoamento em CMRs. This study focused on the development of a model for the flow in a reactor membrane of the type active contactor, approached through computational fluid dynamics (CFD), using the commercial code ANSYS FLUENT. The model included the entire membrane module, consisted of a tubular membrane and a metal shell. The model reaction studied was the partial hydrogenation of 1,5-cyclooctadiene initiated by the pumping of the reaction mixture, dissolved in n-heptane, through the membrane, from the ends of the tube. As a catalyst, the study considered the presence of impregnated Pd nanoparticles in the membrane. The porous medium was approximated by a granular bed as represented by the Ergun equation, having as parameters the porosity and the grain size of the alfa-Al2O3 membrane. The value for the grain size was adopted as equivalent to particle diameter determined through the open source stereology software ImageJ, of the National Institute of Health USA. The turbulence model used was the RNG k-epsilon. A sensitivity study included simulations of flow neglecting and including reactions, speed variation, change the flow outlet and activation of turbulence model in the porous media. Simulations of structural defects in the membrane were performed, defining regions of porosity changes with and without loss of azimuthal uniformity. The conclusion was that the presence of structural defects that affect the azimuthal uniformity of the membrane can result in marked alteration of the flow regime in CMRs.

O setor brasileiro de celulose é um importante pilar da economia nacional. Só em 2010 a exportação de celulose trouxe para o País US$ 4,7 bilhões. Dada a sua importância, este setor já foi alvo de vários estudos de competitividade. No entanto, a mudança no cenário concorrencial global, marcada pela entrada de novos agentes, requer uma avaliação da posição competitiva do Brasil frente aos concorrentes emergentes. Neste contexto, este trabalho teve como objetivo identificar os novos players, descrever a dinâmica concorrencial nos principais mercados, propor ferramentas adequadas para avaliar os resultados dos países exportadores de celulose de fibra curta, e explicar as razões de liderança entre os países exportadores. A fim de mensurar os resultados dos países fornecedores, foi empregada uma função de subcusto translog restrita para obtenção da elasticidade de substituição entre as polpas de fibra curta dos principais países exportadores. Para essa análise foram considerados, separadamente, os mercados americano e chinês. Os resultados obtidos foram analisados levando-se em conta aspectos técnicos da polpas de fibra curta, com foco na morfologia das fibras, e também o histórico de formação dos setores de celulose no Brasil, na Indonésia (fornecedor emergente, principal fornecedor de celulose de fibra curta para a China) e no Canadá (fornecedor tradicional de celulose, principal concorrente do Brasil nos Estados Unidos). Foram também avaliadas as barreiras de mercado à polpa indonésia a partir do testemunho de funcionários e dirigentes de fábricas de papel na América do Norte, Europa e Ásia. As observações feitas sobre a organização setorial e tecnológica dos concorrentes foram comparadas aos modelos correntes de catch up tecnológico a fim de se identificar comportamentos que contribuam para a extensão da teoria nesta área. Os resultados do trabalho indicam que a competitividade brasileira no setor de celulose se apoia na produtividade florestal, resultado da acumulação de competências tecnológicas relacionadas ao eucalipto. Isso garante a competitividade brasileira frente aos concorrentes tradicionais. Frente à polpa indonésia, que vem acumulando competências tecnológicas relacionadas à acácia, a polpa brasileira é competitiva hoje. A manutenção da competitividade da polpa brasileira frente à indonésia no futuro dependerá da intensidade de investimentos em inovação feitos por ambos os países. Pulp industry is a mainstay of Brazilian economy. In 2010, Brazilian pulp exports totaled US$ 4.7 billion. Given its importance, this industry has been the focus of several studies on competitiveness. However, the change in the competitive global scenario, marked by the entry of new players, requires an assessment of Brazil\'s competitive position towards emerging competitors. In this context, this work aimed to identify new players, to describe the dynamics of competition in key markets, to propose appropriate tools to assess the performance of hardwood pulp exporting countries, and explain the reasons for leadership among the exporting countries. In order to measure the supplier countries results, a restricted translog subcost function was applied to obtain the elasticity of substitution between hardwood pulp from the main exporters. This analysis was performed for both the U.S. and Chinese markets. Results were evaluated considering technical features of hardwood pulp, especially fiber morphology, and also a historic appraisal of pulp industry establishment in Brazil, Indonesia (emerging supplier, main hardwood pulp supplier to China) and in Canada (traditional pulp supplier, Brazil\'s main competitor in the U.S.). Market barriers to the entry of Indonesian pulp were also assessed based on the personal testimony of employees and executives of paper mills in North America, Europe and Asia. Observations on the competitors industry and technology setup were compared to current models of technological catch up in order to identify behaviors or patterns that contribute to the extension of the theory in this area. The results of this study indicate that the competitiveness of the Brazilian pulp industry is based on forest productivity, which result from the accumulation of technological capabilities related to eucalyptus. This ensures Brazilian competitiveness against traditional competitors. Compared to the Indonesian pulp industry, which has been accumulating technological capabilities related to acacia, the Brazilian pulp is currently competitive. Maintaining the competitiveness of Brazilian pulp against the Indonesian in the future will depend on the intensity of innovation investments made by both countries.

Um polieletrólito catiônico (poliamina), com baixo peso molecular e elevada densidade de carga, normalmente aplicado como agente coagulante do lixo aniônico, foi usado para estudos de retenção e drenagem na fabricação de papel. O uso do carboximentil celulose de sódio para simulação do teor de lixo aniônico e seu efeito na retenção de cargas minerais foi uma característica importante para este trabalho. Pode ser observado que o aumento da dosagem do polímero catiônico tanto melhora a retenção de cargas minerais, avaliada pela turbidez do filtrado, quanto melhora a drenagem do sistema, avaliada pela velocidade de escoamento. Entretanto, elevadas dosagens deste polímero comprometeram os resultados destes parâmetros devido à inversão de carga do sistema. Pode também ser confirmado que forças de cisalhamento excessivas prejudicam a retenção de cargas minerais. Ademais, um polianfótero, com peso molecular e densidade de carga elevados, contendo grupos positivo (N-[3-(N,N-dimetilamino)propil]acrilamida), negativo (ácido metileno butanodióico) e nulo (acrilamida) na mesma cadeia, foi testado como agente de resistência a seco do papel. Todos os estudos em nível molecular sobre o comportamento do polianfótero em solução e o seu comportamento de adsorção sobre superfícies modelos carregadas, em diferentes condições de pH e de força iônica, foram importantes para explicar tanto dos fenômenos de adsorção, envolvendo fibras celulósicas e polianfótero, quanto o seu efeito na resistência mecânica do papel. Foi observado que a solubilidade do polímero aumenta à medida que o pH se distancia do seu ponto isoelétrico, pHPIE 7,3, e reduz para valores de pH próximos ao pHPIE. O tamanho das estruturas do polianfótero depende do pH do meio de dispersão. As características de tamanho do polianfótero tanto sob a forma de cadeias individuais ou quanto sob a forma de agregados, foram medidas através da técnica de espalhamento dinâmico de luz. As propriedades viscoelásticas das camadas adsorvidas e a quantidade de polímero adsorvida foram medidas através da técnica da balança microgravimétrica com dissipação de energia. Estas duas determinações, associadas às imagens no microscópio de força atômica, foram importantes para o entendimento dos resultados práticos do uso do polianfótero como agente de resistência a seco do papel. Maiores resultados de resistência do papel, avaliada através da resistência à tração, foram alcançados para valores de pH próximos ao ponto isoelétrico onde foram encontrados o seguinte: (1) maiores tamanhos para as estruturas do polímero em solução, (2) maior quantidade de massa nas camadas adsorvidas e (3) a formação de camadas mais viscoelásticas. O fenômeno de separação de fases, associado à mudança da solubilidade do polímero em solução devido ao balanço dos grupos positivos e negativos ionizados ao longo da faixa de pH estudada, foi considerado o principal aspecto para a variação em tamanho dos agregados. Embora este polímero tenha apresentado comportamento antipolieletrólito devido à expansão da sua cadeia e ao aumento da densidade de carga com o aumento da força iônica, considerando o efeito da força iônica para pH 4,3, o comportamento de adsorção do polianfótero foi avaliado como o comportamento de um polieletrólito monocarregado de alta densidade de carga. Maiores e menores quantidades de massas adsorvidas foram encontradas para valores intermediários e extremos de força iônica, respectivamente. As interações eletrostáticas foram consideradas as principais responsáveis pela adsorção do polímero sobre superfícies carregadas. Entretanto, a blindagem de cargas foi considerada a explicação para os baixos valores de massa adsorvida para valores mais elevados de força iônica. A cationic polyelectrolyte (polyamine), with low molecular weight and high charge density, usually applied as anionic trash coagulant, was used for the retention and drainage studies in the papermaking. The use of sodium carboxymethyl cellulose to simulate the anionic trash content and its effect on the filler retention was an important feature of the work. It could be noted that the increasing of the cationic polymer dosage improves both the filler retention, evaluated by the turbidity of the filtrate, and the system drainage, evaluated by the flow speed. However, high dosages of this polymer compromised the results of these parameters due to the reversal of the system charge. It can also be confirmed that excessive shear forces affect the filler retention. Furthermore, a polyampholyte, with high molecular weight and charge density, containing positive (N-[3-(N,N- dimethylamino)propyl]acrylamide), negative (methylene butanedioic acid), and neutral (acrylamide) groups in the same chain, was tested as a dry strength agent. All of the studies at molecular level concerning to the polyampholyte behavior in the solution and its adsorption behavior on charged model surfaces at different conditions of pH and ionic strength, were important to explain both the adsorption phenomena, involving cellulosic fibers and polyampholyte, and its impact on the paper strength. It was observed that the polymer solubility increases as the pH moves away from its isoelectric point, pHIEP 7.3, and decreases when the pH approaches close to pHIEP. The sizes of the structures of the polyampholytes depend on the pH of the dispersion medium. Also the size characteristics of polyampholyte, both in individual and aggregated forms, were measured by dynamic light scattering technique. The viscoelastic properties of adsorbed layers, as well as the amount of the adsorbed polymer, were measured by quartz crystal microbalance technique with energy dissipation. These two measurements, associated with the atomic force microscopy images, were important to understand the practical results of polyampholyte usage as a dry strength agent. Best results of paper strength, evaluated by paper strength index, were achieved at pH close to the isoelectric point on which one were found the following features: (1) larger sizes of the polymer structures in solution, (2) higher amount of mass in the adsorbed layers, and (3) the formation of more viscoelastic layers. The phase separation phenomenon, associated with the change in the solubility of the polymer due to the balance of the positive and negative groups throughout the studied pH range, was considered the main aspect for the variation in size of the aggregates. Although this polymer shows antipolyelectrolyte behavior due to the expansion of the its chain and the increasing in charge density with the ionic strength, considering the effect of ionic strength at pH 4.3, the adsorption behavior of polyampholyte was evaluated as a monocharged polyelectrolyte behavior with high charge density. Major and minor amounts of adsorbed masses were found for intermediates and extremes values of ionic strength, respectively. The electrostatic interactions were considered the main cause of the adsorption on charged surfaces. However, the electrostatic screening was considered the explanation for the low values of adsorbed mass at higher values of ionic strength.

A madeira é a principal variável de custo na produção de polpa celulósica. A polpa celulósica obtida a partir da madeira de folhosas é principalmente utilizada para produção de papéis de escrita e impressão assim como, a produção de papéis para fins sanitários; para estes usos normalmente a polpa celulósica deve ser branqueada. Mundialmente, várias espécies de madeira de folhosas são utilizadas para produção de polpa celulósica de fibra curta, estando entre as principais o híbrido Eucalyptus grandis x Eucalyptus urophylla (Brasil), Betula pendula (Finlândia) Eucalyptus globulus (Portugal). Este projeto teve por objetivo: i-avaliar e comparar o desempenho de madeiras de principais espécies utilizadas mundialmente, para produção de polpa celulósica de fibra curta, considerando os aspectos relacionados à qualidade da madeira e polpa, o consumo de reagentes químicos na polpação e também os aspectos relacionados ao rendimento e a capacidade de produção de polpa celulósica; ii-fornecer informações estratégicas para o setor celulósico nacional com relação as possíveis ameaças e as oportunidades apresentadas pelos materiais não utilizados no Brasil, visando o conhecimento e posicionamento em competitividade destas madeiras no mercado mundial de celulose e papel; iii-fornecer subsídios para o programa genético e de melhoramento florestal; iv-posicionar a polpa celulósica de Eucalyptus grandis x Eucalyptus urophylla em relação as suas principais concorrentes. Para realização deste trabalho foram coletadas 5 árvores de todas as espécies, sendo considerado o diâmetro médio do povoamento, transportando a madeira em forma de discos e transformadas em cavacos de forma manual; com relação à madeira foram determinadas, densidade básica, dimensões de fibras, composição química e análise anatômica através da microscopia eletrônica de varredura; as condições de cozimento foram ajustadas visando à obtenção de polpa branqueável (número kappa de 17±0.5). Os resultados obtidos mostraram que as espécies de Eucalyptus globulus e E. grandis x E. urophylla 2 apresentaram melhor desempenho no processo de polpação; atingiram a mesma intensidade deslignificação (expressa como número kappa), sendo necessário menor nível de álcali ativo. As matériasprimas citadas apresentaram maior rendimento, maior viscosidade e menor teor de ácidos hexenurônicos. As diferentes matérias-primas estudadas neste trabalho apresentaram características bastante distintas que implicam em diferentes eficiências nos processos de polpação e branqueamento. Wood is the main variable in the cost of pulp production, besides being a strong component in the final quality of the paper product. Pulps obtained from hardwoods are mainly used in the production of printing and writing papers as well as tissue papers; for these uses, the pulp must be bleached. Several species of hardwoods are used in the production of pulp worldwide. The main ones are the hybrid Eucalyptus grandis x Eucalyptus urophylla (Brazil), E. globulus (Portugal), Betula pendula (Finland). The objectives of this research was: 1) to evaluate and compare the performance of woods from the main species used worldwide for hardwood cellulose pulp production, considering the aspects regarding the quality of the wood and pulp, chemicals consumption during pulping, and aspects related to the yield and capacity pulp production; 2) to supply strategic information for the Brazilian pulp and paper sector regarding possible threats and opportunities presented by materials which are not used in Brazil in order to know and compete with these woods in the world market of pulp and paper. In order to accomplish this work, chips were manually obtained from disks. Regarding the wood, the basic density, fibers dimensions, chemical composition and anatomic analysis were conducted. The cooking conditions were adjusted in order to obtain the bleachable pulp (kappa number 17±0.5). The results had shown that the species of Eucalyptus globulus from Portugal and hybrid of Eucalyptus grandis x Eucalyptus urophylla 2 had better performance in the kraft pulping process; they had reached the same delignification level, as number kappa, requiring lesser active alkali. The mentioned raw materials showed higher yield, greater viscosity and minor levels of acid hexenurônicos. The raw-materials considered in the research showed clearly distinct characteristics that lead to differences in the pulping and bleaching processes efficiencies and strategies.

Este trabalho apresenta uma avaliação comparativa de desempenho termodinâmico de sistemas térmicos em uma unidade industrial de fabricação de celulose e papel Kraft. Foram coletados dados de projeto e operação para o sistema atual de utilidades e de um novo sistema em fase de implantação. A análise exergética é utilizada como ferramenta de avaliação quantitativa e qualitativa para os principais componentes do sistema de cogeração de energia: caldeiras de força, caldeiras de recuperação química, turbinas e válvulas redutoras. Diferentes critérios de desempenho globais e relativos são determinados através de balanços simultâneos de energia e entropia (balanços exergéticos). As irreversibilidades ou entropia gerada nos sistemas são determinadas através da exergia destruída. Esta abordagem revela os principais pontos onde a energia é degradada em sua qualidade, indicando onde devem ser buscadas alternativas de otimização termoeconômica para um melhor aproveitamento dos recursos energéticos disponíveis. This work presents a comparative evaluation from thermodynamic performance view of thermal systems in a Kraft pulp and paper mill. The design information and the data of the industrial operation were collected for the current utility system and for the new system that has been buit. The exergy analysis is applied as the quantitative and qualitative evaluation tool for the main energy conversion systems: power boilers, chemical recovery boiler, turbines and throttling valves. Different global and relatives performance criteria are estimated by simultaneous energy and entropy balances (exergy balances). The irreversibility or generated entropy in the systems is determined by the destroyed exergy. This approach reveals the places where energy quality is mainly degraded and shows where alternatives for optimization must be sought for a better use of the available energetic resources.

O desafio para a área de monitoramento de processos, em indústrias químicas, ainda é a etapa de detecção, com a necessidade de desenvolvimento de sistemas confiáveis. Pode-se resumir que um sistema é confiável, ao ser capaz de detectar as situações anormais, de modo precoce, e, ao mesmo tempo, de minimizar a geração de alarmes falsos. Ao se ter um sistema confiável, pode-se empregá-lo para auxiliar o operador, de fábricas, no processo de tomada de decisões. O objetivo deste estudo é apresentar uma metodologia, baseada na técnica, modelo oculto de Markov (HMM, acrônimo de ?Hidden Markov Model?), para se detectar situações anormais em caldeiras de recuperação química. As aplicações de maior sucesso de HMM são na área de reconhecimento de fala. Pode-se citar como aspectos positivos: o raciocínio probabilístico, a modelagem explícita, e a identificação a partir de dados históricos. Fez-se duas aplicações. O primeiro estudo de caso é no ?benchmark? de um sistema de evaporação múltiplo efeito de uma fábrica de produção de açúcar. Identificou-se um HMM, característico de operação normal, para se detectar cinco situações anormais no atuador responsável por regular o fluxo de xarope de açúcar para o primeiro evaporador. A detecção, para as três situações abruptas, é imediata, uma vez que o HMM foi capaz de detectar alterações, abruptas, no sinal da variável monitorada. Em relação às duas situações incipientes, foi possível detectá-las ainda em estágio inicial; ao ser o valor de f (vetor responsável por representar a intensidade de um evento anormal, com o tempo), no instante da detecção, próximo a zero, igual a 2,8% e 2,1%, respectivamente. O segundo estudo de caso é em uma caldeira de recuperação química, de uma fábrica de produção de celulose, no Brasil. O objetivo é monitorar o acúmulo de depósitos de cinzas sobre os equipamentos da sessão de transferência de calor convectivo, através de medições de perda de carga. Este é um dos principais desafios para se aumentar a eficiência operacional deste equipamento. Após a identificação de um HMM característico de perda de carga alta, pôde-se verificar a sua capacidade de informar o estado atual e, por consequência, a tendência do sistema, de modo similar à um preditor. Pôde-se demonstrar também a utilidade de se definir limites de controle, com o objetivo de se ter a informação sobre a distância entre o estado atual e os níveis de alarme de perda de carga. The greatest challenge faced by the area of process monitoring in chemical industries still resides in the fault detection task, which aims at developing reliable systems. One may say that a system is reliable if it is able to perform early fault detection and, at the same time, to reduce the generation of false alarms. Once there is a reliable system available, it can be employed to help operators, in factories, in the decisionmaking process. The aim of this study is presenting a methodology, based on the Hidden Markov Model (HMM) technique, suggesting its use in the detection of abnormal situations in chemical recovery boilers. The most successful applications of HMM are in the area of speech recognition. Some of its advantages are: probabilistic reasoning, explicit modeling and the identification based on process history data. This study discusses two applications. The first one is on a benchmark of a multiple evaporation system in a sugar factory. A HMM representative of the normal operation was identified, in order to detect five abnormal situations at the actuator responsible for controlling the syrup flow to the first evaporator. The detection result for the three abrupt situations was immediate, since the HMM was capable of detecting the statistical changes on the signal of the monitored variable as soon as they occurred. Regarding to the two incipient situations, the detection was done at an early stage. For both events, the value of vector f (responsible for representing the strength of an abnormal event over time), at the time it occurred, was near zero, equal to 2.8 and 2.1%, respectively. The second case study deals with the application of HMM in a chemical recovery boiler, belonging to a cellulose mill, in Brazil. The aim is monitoring the accumulation of ash deposits over the equipments of the convective heat transfer section, through pressure drop measures. This is one of the main challenges to be overcome nowadays, bearing in mind the interest that exists in increasing the operational efficiency of this equipment. Initially, a HMM for high values of pressure drop was identified. With this model, it was possible to check its capacity to inform the current state, and consequently, the tendency of the system (similarly as a predictor). It was also possible to show the utility of defining control limits, in order to inform the operator the relative distance between the current state of the system and the alarm levels of pressure drop.