Search

Solution of nonlinear optimization problems with equality and inequality constraints is a hard task and tend to be more complex when involves a large number of variables. Energy and control systems and chemical plants are represented by this type of problem. With technological and computational progress, its necessary use effective tools that can handle with characteristics of this type of systems, effectively solving optimization problem. In this work, we solve two classical problems of nonlinear optimization with constraints of chemical process in free software Scilab, using the function fmincon, in order to evaluate the performance of the algorithm for solving constrained nonlinear programming problems. Results are compared with optimal conditions obtained with Matlab. Free software shows a good performance, achieved effective results and finding points thata results in a increase of 16% in objective function to investiment return of Williams-Otto plant, showing itself an efficient alternative for the development of research and technology in this field. Resolver problemas de optimización no lineal con restricciones de igualdad y desigualdad es una tarea difícil y tiende a ser aún más difícil cuando involucra una gran cantidad de variables. Los sistemas de potencia, control y plantas industriales están representados por este tipo de problemas y con los avances tecnológicos y computacionales se necesitan herramientas útiles que puedan abordar las características de este tipo de sistemas, resolviendo eficazmente el problema de optimización. En esto trabajo, se resuelven dos problemas clásicos de optimización no lineal con restricciones de procesos químicos, utilizando el software libre Scilab, a través de una función fmincon disponible, con el fin de evaluar el desempeño del algoritmo para la resolución de problemas de programación no lineal. Los resultados obtenidos se compararon con las condiciones óptimas utilizando el software Matlab. El software libre presenta un buen desempeño en la resolución de los problemas propuestos, logrando resultados efectivos, encontrando condiciones óptimas que resultaron en un incremento de 16% en la función objetivo para el problema de maximizar el retorno de la inversión de la planta de Williams-Otto, si se muestra una alternativa eficaz para el desarrollo de investigaciones y tecnologías en esta área. A resolução de problemas de otimização não-linear com restrições de igualdade e desigualdade é uma tarefa difícil e tende a ser ainda mais difícil de ser resolvido quando envolve um grande número de variáveis. Sistemas de energia, controle e plantas industriais são representados por este tipo de problema e com o avanço tecnológico e computacional, é necessário ferramentas eficazes que consiga lidar com as características deste tipo de sistema, resolvendo de maneira eficaz o problema de otimização. Neste trabalho, dois problemas clássicos de otimização não-linear com restrições de processos químicos são resolvidos a partir do software livre Scilab, utilizando a função fmincon, de modo a avaliar o desempenho do algoritmo para a resolução de problemas de programação não-linear restrita. Os resultados obtidos foram comparados com as condições ótimas obtidas através do software Matlab. O software livre apresentou um bom desempenho na resolução dos problemas propostos, alcançando resultados eficazes, encontrando condições ótimas que resultaram em um aumento de cerca de 16% na função objetivo para o problema de maximização do retorno do investimento da planta de Williams-Otto, se mostrando uma alternativa eficaz para o desenvolvimento de pesquisas e tecnologias nesta área.

Um dos fatores mais importantes para o bom desempenho de um controlador preditivo é a utilização de um modelo nominal que represente o processo de forma confiável, sendo a etapa de identificação deste modelo a parte mais trabalhosa e demorada de um projeto de implementação de MPC. Comumente, para processos que apresentam grande não linearidade na região normal de operação é utilizada a estratégia de controlador robusto para incertezas no modelo, ou então, abordagens de controladores com múltiplos modelos, visto a complexidade da utilização de modelos não lineares. Este trabalho apresenta uma alternativa para casos de sistemas não lineares, uma estratégia de controle adaptativo que altera o modelo nominal do controlador sempre que este tem uma queda de performance. Esta nova abordagem se mostrou muito interessante, visto que tem uma complexidade computacional menor do que as abordagens Robustas e de Múltiplos Modelos. Esta técnica de MPC Adaptativo com Múltiplos Modelos e com função de chaveamento foi estudada em dois processos, uma coluna separadora de C3/C4 e um sistema de leito catalítico. Em ambos os casos os resultados se mostraram interessantes, pode-se alterar o modelo nominal do controlador, obtendo um ganho de desempenho. Em um terceiro caso foi estudado a estratégia de combinação politópica de modelos, utilizando além da função de chaveamento, uma rotina de identificação dos pesos de cada modelo na combinação politópica. Esta abordagem também apresentou resultados interessantes, tendo sua estabilidade garantida para casos onde as incertezas estão somente nos ganhos dos modelos. One of the most important factors for the good performance of a predictive controller is the use of a nominal model that reliably represents the process, with the identification step of this model being the most laborious and time-consuming part of a project to implement MPC. Commonly for processes that present non-linearity in the normal region of operation, the strategy of robust controller is used for uncertainties in the model or approaches of multiple models MPC, considering the complexity of using non-linear models. This work presents an alternative for non-linear systems, an adaptive control strategy that changes the nominal model of the controller whenever it has a performance drop. This new approach proved to be very interesting, since it has less computational complexity than the Robust and Multiple Model approaches. This Adaptive MPC technique with Multiple Models and switching function was studied in two processes, a C3 / C4 separating column and a fluidized catalytic cracking. In both cases, the results were interesting. It was possible to change the controller nominal model, obtaining a performance gain. In a third case, was studied the polytopic model combination strategy, using in addition to the switching function, a routine for identifying the weights of each model in the polytopic combination. This approach also presented interesting results, having its stability guaranteed for cases where the uncertainties are only in the gains of the models.

A digestão anaeróbia e as fotossínteses oxigênica e anoxigênica são processos usados para a recuperação e produção de energia. Nestes processos, a aplicação de modelos biotermodinâmicos permitiria analisar o comportamento e estimar rendimentos celulares e eficiências energéticas. Porém, realizar cálculos termodinâmicos de maior exatidão para reduzir os erros porcentuais nos processos anaeróbios, e incorporar a energia dos fótons nos balanços dos processos fotossintéticos, dificulta a aplicação dos modelos biotermodinâmicos nestes processos. A partir deste problema, esta pesquisa visa desenvolver um modelo biotermodinâmico dos processos anaeróbios e fotossintéticos de recuperação de energia com produção de metano e hidrogênio. O modelo está baseado em modelos biotermodinâmicos que usam semi-reações e se incorporam as influências de variáveis físico-químicas (i.e. temperatura e pH) em condições diferentes da padrão, assim como aos fótons e sua energia nas semi-reações fotossintéticas. Os resultados permitem estabelecer, por exemplo, que a digestão anaeróbia separada (fermentação e metanogênese) atinge uma eficiência entre 10 e 12% maior na recuperação de energia que a digestão anaeróbia completa, e que a produção de hidrogênio é mais eficiente com cianobactérias e bactérias anoxigênicas por meio da nitrogenase, que com microalgas por meio da hidrogenase. Assim, a aplicação do modelo biotermodinâmico permitiu avaliar as condições de espontaneidade das reações biológicas e estimar rendimentos e eficiências para a análise dos processos anaeróbios e fotossintéticos de recuperação de energia. The anaerobic digestion and the oxigenic and anoxigenic photosynthesis are processes for energy production and recovery. For these processes, the application of biothermodynamic models would allow to analyse their dynamic and estimate the cell yields and the energetic efficiencies. However, the application of these models is hindered by the complexity in including both precise thermodynamic calculations in anaerobic processes and the photon energy in balances for photosynthetic processes. Inside this framework, a biothermodynamic model of anaerobic and photosynthetic processes of energy recovery with methane and hydrogen production is developed in this work. The model is based on biothermodynamic models that use half-reactions and incorporate the effect of physicochemical parameters (i.e. temperature and pH) different to the standard conditions, together with the photons and their energy on photosynthetic half-reactions. Results indicate that separated anaerobic digestion (fermentation and methanogenesis) reaches efficiencies between 10 to 12% higher in energy recovery than the complete anaerobic digestion, and the hydrogen production is more efficient on cyanobacteria and anoxigenic bacteria, through nitrogenase, than on microalgae, through hydrogenase. Thus, the use of biothermodynamic model allowed to evaluate the spontaneity conditions of biological reactions and to estimate yields and efficiency for analyse of anaerobic and photosynthetic processes for energy recovery.

Não recebi financiamento Chemical plants are increasingly complex and integrated with recycle streams promoting energy integration and increasing process yield. This results in a complex dynamic behavior which can interfer in control systems design. Decentralized control systems are an alternative although this methodologie is not always e ective once that interactions between process units are not considered. In this work, decentralized coordinated optimization with severous methods of coordination is applied to a reactor- ash systems and Williams-Otto plant, getting satisfatory results for these chemical plants. Then, we develop a control system to complex chemical plants that are decomposed in subsystems, combine decentralized coordinated optimization with strategies of plantwide control theory to ensure that processes operate in conditions comply with global and local demands, minimizing the e ect of disturbances in the system and avoiding snowball e ect, characteristics of this type of systems since both methodologies consider the interconnections of the systems. The methodology is applied to design of control systems to Williams-Otto plant, because of complexity of its optimization problem and high f interaction between its process units. The result is a control systems of complex chemical plants with high performance and e ciency, with smooth actions in face of fast disturbances and minimizing their e ects along the plants. Futhermore, there is the importance of applying plantwide control theory in the proposed system, even if decentralized coordinate optimization is used that, alone, does not guarantee the performance and e ectiveness of the designed system. As plantas químicas industriais estão cada vez mais complexas e integradas, com a presença de correntes de reciclo promovendo a integração energética e o aumento do rendimento do processo. Isto resulta em um comportamento dinâmico complexo, que pode dificultar o projeto de um sistema de controle eficaz para a planta. Sistemas de controle descentralizado são uma alternativa. Porém, esta metodologia nem sempre é eficaz uma vez que as interações entre as unidades de processamento da planta não são consideradas. Neste trabalho, a otimização descentralizada coordenada a partir de diferentes métodos de coordenação é testada para um sistema composto de um reator e um vaso flash e para a planta de Williams-Otto, obtendo resultados satisfatórios para as plantas químicas selecionadas. Posteriormente, desenvolveu-se uma estrutura de controle para Plantas químicas complexas que são decompostas em subsistemas, aliando a otimização descentralizada coordenada com estratégias de controle plantwide, de modo a garantir que o processo opere em condições que atendam as demandas globais e locais, minimizando o efeito das perturbações no sistema e evitando o “efeito bola de neve", característico deste tipo de sistema, uma vez que ambas metodologias consideram as interconexões do sistema que compõem a planta química. A metodologia é aplicada a planta de Williams-Otto em virtude da complexidade de seu problema de otimização e a alta influência das interações entre as unidades de processamento para o comportamento do sistema. Isto resulta em um sistema de controle de plantas químicas complexas com alto desempenho e eficiente, com respostas suaves às perturbações rápidas e minimização da propagação dos efeitos destas na planta. Além disto, verifica-se a importância de se aplicar heurísticas de controle plantwide na eficacia do sistema proposto, mesmo que este utilize a otimização descentralizada coordenada que, de maneira isolada, não garante o desempenho do sistema projetado.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Solid-state fermentation is characterized by the growth of microorganisms in absence of free water. In one hand, it is advantageous because simulates their natural environment, enabling the use of agro industrial residues in natura. On the other hand, it limits heat transfer between elements, restricting control over the temperature of the medium. In fact, the microbial growth and the product formation dynamics are directly affected by the environmental conditions and variations can be harmful to the process productivity. As a consequence, the temperature increase caused by metabolic heat needs to be avoided. Studies concerning the microbial dynamics dealing with these variations are scarce. Moreover, it was not found any control laws, with guarantee of stability, which was designed for a reference tracking and to minimize the disturbances effects. Thus, two fronts need to be addressed for the solid-state fermentation viability: the development of a mathematical model able to estimate the effects of environmental changes in the process; and a temperature control system able to handle the heat from microbial metabolism. The model was used in a computational algorithm in order to determine if there was a temperature profile that would be more favorable to the products formation. In this work two control laws were studied, a proportional integrative, because it is the most widespread in the industry, and a model base predictive controller, because of its multivariable control versatility. Both control laws were simulated and then implemented in an eleven liters agitated drum bioreactor. Some of the various methods for PI controller parameters settings had their performance and relative stability requirement evaluated. The one that was proved stable was implemented in the bioreactor. Due to the uncertainties of the fermentation process, a self-adjustment mechanism was added to the predictive controller, in spite of the developed mathematical model, in order to avoid some estimation mistakes caused by some non-estimated states of the real process. The controller achieved an adequate performance with this approach. The results showed that the microorganisms were more efficient at a constant 32°C temperature. In addition, both developed controllers presented appropriate results facing the fermentation process requirement, with mean deviances from the referential temperature below 0,6°C and a maximum error of 2,8°C. Uma das características da fermentação em estado sólido é que ela ocorre na ausência de água livre. Isso a torna vantajosa por simular o ambiente natural dos microrganismos com possibilidade de uso de resíduos agroindustriais in natura. Por outro lado, dificulta a transferência de calor entre os elementos do processo e, com isso, a capacidade de controlar a temperatura do meio fica debilitada. Por sua vez, a dinâmica do crescimento microbiano e a formação de produtos de interesse estão diretamente relacionadas às condições ambientais, cujas variações podem ser prejudiciais à produtividade do processo. Ao mesmo tempo, o calor gerado pelo metabolismo microbiano aumenta a temperatura do processo, que necessita ser regulada. Estudos que revelam como os microrganismos se comportam frente essas variações são escassos. Além disso, não foram encontradas leis de controle para a FES, com garantia de estabilidade, a fim de se minimizar os efeitos dos distúrbios. Duas frentes se destacam para a viabilização da FES: o desenvolvimento de um modelo matemático capaz de estimar os efeitos das variações das condições ambientais na dinâmica do processo e um sistema de controle da temperatura apropriado para lidar com os distúrbios gerados pelo crescimento celular. Em conjunto com a modelagem matemática, foram empregados mecanismos computacionais para averiguar qual seria o perfil de temperaturas que mais favorece à formação dos produtos. Por sua vez, foram estudados dois tipos de controladores: os proporcionais integrativos, pela ampla aplicação industrial, e os preditivos baseados em modelo, pela versatilidade no controle multivariável. Os sistemas de controle foram testados em um biorreator de 11 litros de volume nominal. Dentre várias, algumas metodologias para ajuste dos controladores proporcionais integrativos foram avaliadas nos quesitos desempenho e estabilidade relativa durante a fase de simulações. A metodologia que se provou estável nos testes realizados foi implementada no biorreator. Já para o controlador preditivo, frente às incertezas do processo fermentativo, foi necessário desenvolver um mecanismo de auto ajuste do modelo desenvolvido, a fim de que os erros dos estados não estimados do processo real fossem compensados e o controlador tivesse um desempenho adequado. Os resultados mostraram que o microrganismo, Aspergilus niger 3T5B8, produz uma quantidade maior de metabólitos de interesse a uma temperatura constante de 32°C. Além disso, ambos controladores utilizados apresentaram resultados apropriados aos requisitos do processo fermentativo, ou seja, com desvio médio da temperatura de referência menor do que 0,6°C.

Neste trabalho foram desenvolvidas duas técnicas de sintonia para controladores preditivos por modelo. Ambas visam minimizar a soma do erro quadrático entre respostas do sistema em malha fechada e trajetórias de referência pré-definidas; a primeira resolve um problema de otimização lexicográfica enquanto a segunda resolve um problema de otimização de compromisso. As vantagens dos métodos apresentados são: maior automatização, definição de objetivos de sintonia intuitiva que considera especificações na dinâmica do processo, uma métrica no domínio do tempo e é capaz de incluir o conhecimento do engenheiro de controle em uma técnica de sintonia confiável. Um estudo de caso no sistema de craqueamento catalítico ilustrou a flexibilidade de definição dos objetivos da técnica lexicográfica. Um estudo de caso sobre uma coluna de fracionadora de óleo pesado em malha fechada com um controlador preditivo por modelo comparou ambas as estratégias de sintonia desenvolvidas aqui e pode-se concluir que a técnica lexicográfica dá prioridade aos objetivos importantes enquanto a técnica de compromisso calcula uma solução média, com respeito aos objetivos. A técnica de compromisso foi comparada a um método de sintonia da literatura quanto a aplicação em um controlador preditivo de horizonte infinito com targets para as entradas e controle por faixas das saídas com uma coluna de destilação. Observou-se que a técnica desenvolvida aqui é computacionalmente mais rápida e não requer a escolha de uma solução não-dominada dentre um conjunto de soluções de Pareto. Aplicações reais de controle preditivo são severamente afetadas por incerteza de modelo. Estendeu-se as técnicas desenvolvidas aqui para considerar o caso de incerteza multi-planta, calculando parâmetros de sintonia robustos para controladores nominais, visando tratar o compromisso entre performance e estabilidade e robustez da malha fechada. Um controlador preditivo de horizonte infinito foi sintonizado de forma robusta e comparado com um controlador preditivo robusto em malha fechada com um modelo de separadora C3/C4. Observou-se que este consegue controlar melhor o processo, entretanto, tem um tempo de computação duas ordens de grandeza maior que o controlador nominal, em operação on-line. Two multi-objective optimization based tuning techniques for Model Predictive Control (MPC) were developed. Both take into account the sum of the squared errors between closed-loop trajectories and reference responses based on pre-defined goals as tuning objectives; one solves a lexicographic optimization to obtain an optimum set of tuning parameters (LTT), whereas the other solves a compromise optimization problem (CTT). The main advantages are an automated framework, and straightforward goal definition, which are capable of taking into account a specification on the process dynamics, a time-domain metrics, and of embedding the control engineers knowledge into a reliable approach. A fluid catalytic cracking tuning case study unveiled the goal definition flexibility of the LTT, with respect to output tracking and variable coupling. A heavy oil fractionator in closed-loop with a MPC case study compared both tuning techniques developed here, and it was observed that the LTT in fact prioritizes the main objectives, whereas the CTT yields an average solution, in terms of the tuning objectives. The CTT was compared to another multi-objective tuning technique from the literature, in the tuning of a MPC with input targets and output zone control in closed-loop with a crude distillation unit model. The simulation results showed that the CTT allows for faster results, regarding the computational time to compute the tuning parameters and there is no need of a posteriori decisions to select the best non-dominated solution. Real MPC applications are strongly hindered by model uncertainty. This limitation was addressed by the extension of the tuning techniques to account for multi-plant model uncertainty, thus obtaining optimum robustly tuned parameters for nominal controllers, addressing the trade-off between robustness and performance. A robustly tuned Infinite Horizon MPC (IHMPC) was compared to a Robust IHMPC, in closed-loop with a C3/C4 splitter system model. It was observed in a simulation that even though the latter yields better output responses, it is two orders of magnitude slower than the former in online operation.

Financiadora de Estudos e Projetos Anaerobic systems have been widely studied and used in treatment of wastewater from agriculture and others. Among the existing technologies, there are the EGSB (Expanded Granular Sludge Bed) reactors, which have emerged as improvement of UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) reactors. It was sought to evaluate the performance of an EGSB reactor using synthetic swine wastewater as substrate, increasing the volumetric organic load (2, 4, 8, 10 and 15 kgCOD.m-3.d-1) and the upflow velocity (6 and 10 m.h-1). Efficiencies higher than 83% were obtained in removal of COD, however there was a buildup of volatile acids and a possible microbial imbalance after the application of the load 10 kgDQO.m-3.d-1. The reactor showed homogeneity in microorganisms along the reactor, with the presence of bacilli of different sizes, coccus, and similar to the genera Methanosaeta and Methanosarcina. It was developed a mathematical model aiming to study in more detail the hydrodynamics of EGSB, generally regarded as continuous complete mix reactors (CSTR). For that, it was used a phenomenological model based on the mass balance of the reactor, and after the adjustment to the experimental data, it was observed that the EGSB reactor can be worked as a series of five continuous complete mix reactors (CSTR), three in the tube region and two in the separator region with kinetic intrinsic rate at approximately 7,5.10-5 L.mgSSV-1.h-1 and kinetic rate constant decreasing with increase in organic load. Sistemas anaeróbios vêm sendo muito estudados e utilizados no tratamento de efluentes agroindústrias, entre outros. Dentre as tecnologias existentes, têm-se os reatores EGSB (Expanded Granular Sludge Bed), que surgiram como aperfeiçoamento dos reatores UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket). Buscou-se avaliar o desempenho de um reator EGSB utilizando água residuária sintética de suinocultura como substrato, aumentando a carga orgânica volumétrica (2, 4, 8, 10 e 15 kgDQO.m-3.d-1) e a velocidade ascensional (6 e 10 m.h-1). Foram obtidas eficiências superiores a 83% na remoção de DQO, porém ocorreu acúmulo de ácidos voláteis, e provável desequilíbrio microbiano após aplicação da carga de 10 kgDQO.m-3.d-1. O reator apresentou certa homogeneidade nos microrganismos presentes ao longo do reator, com presença de bacilos de diferentes dimensões, cocos, e microrganismos semelhantes aos gêneros Methanosaeta e Methanosarcina. Desenvolveu-se um modelo matemático buscando estudar de maneira mais detalhada a hidrodinâmica do EGSB, geralmente considerados como reatores contínuos de mistura completa (CSTR). Para isto, utilizou-se um modelo fenomenológico, baseado no balanço de massa do reator, e após ajuste aos dados experimentais, observou-se que o reator EGSB pode ser trabalhado como uma série de cinco reatores contínuos de mistura completa (CSTR), sendo três na região do tubo do EGSB e dois na região do separador, com constante cinética intrínseca de aproximadamente 7,5.10-5 L.mgSSV-1.h-1 e com constante cinética aparente diminuindo com o aumento da carga orgânica.

Financiadora de Estudos e Projetos In general, the chemical processes can be represented using mathematical models, in the case of lumped systems include ordinary differential equations, or, partial differential equations, when distributed parameter systems using methods is necessary in both cases numerical resolution in these models, with the purpose to simulate, analyze and control the process. The implementation of control systems in chemical processes, brings with it many advantages, among these, the improvement and stability in production rates, ensuring product quality and the possibility of a safe operation of the process. Thus, in the last 30 years, different control methodologies were developed, one of the most used techniques, the Model Predictive Control Based on. Its success is due to the fact that this type of control accepts constraints on input variables and process output, determining the future of this movement, while optimizing an objective function can lead to the output of the process until the desired set point. The objective of this project is to implement the Model Predictive Controller with Nonlinear (CPNL ) for a reactor pulp bleaching by the use of chlorine dioxide, whose mathematical model is comprised of partial differential equations, thus being a model parameter distributed. Implementation of the controller, the plant is discretized by the Finite Difference Method and the process model is solved with the technique of Orthogonal Collocation. The integration of the resulting ordinary differential equations systems is performed by the method of Runge-Kutta. The Predictive Controller was compared with a Controller Proportional-Integral (PI). Studies have shown that CPNL has better performance, with faster response and values of the Integral Absolute Error (IAE) and Integral Square Error (ISE) smaller than those calculated for the PI controller. Em geral, os processos químicos podem ser representados mediante modelos matemáticos que, no caso dos sistemas de parâmetros concentrados, incluem equações diferenciais ordinárias, ou então, equações diferenciais parciais, quando são sistemas de parâmetros distribuídos, sendo necessário nos dois casos o uso de métodos numéricos na resolução destes modelos, com a finalidade de simular, analisar e controlar o processo. A implementação de sistemas de controle em processos químicos, traz consigo múltiplas vantagens, entre essas, a melhora e a estabilidade nas taxas de produção, a garantia da qualidade do produto e a possibilidade de uma operação segura do processo. Desta forma, nos últimos 30 anos, foram desenvolvidas diferentes metodologias de controle, sendo uma das técnicas mais empregadas, o Controle Preditivo Baseado no Modelo. Seu sucesso se deve ao fato de que este tipo de controle aceita restrições nas variáveis de entrada e saída do processo, determinando os movimentos futuros deste, além de otimizar uma função objetivo para conseguir levar a saída do processo até o Set-Point desejado. Assim, o objetivo deste projeto é implementar o Controlador Preditivo com Modelo Não Linear (CPNL ) para um reator de branqueamento de celulose, mediante o uso de dióxido cloro, cujo modelo matemático está constituído por equações diferenciais parciais, sendo assim, um modelo de parâmetros distribuídos. Na implementação do controlador, a planta é discretizada, mediante o Método das Diferenças Finitas e o modelo do processo é resolvido com a técnica de Colocação Ortogonal. A integração dos sistemas de equações diferenciais ordinárias resultantes é realizada mediante o método de Runge- Kutta. O Controlador Preditivo foi comparado com um Controlador Proporcional-Integral (PI). Os estudos mostraram que o CPNL possui melhor desempenho, apresentando uma resposta mais rápida e valores da Integral do Erro Absoluto (IAE) e a Integral do Erro Quadrático (ISE) menores que os calculados para o controlador PI.

In light of the scientific evidence for global warming, the United Nations established the Framework Convention on Climate Change and defined the Kyoto Protocol that provided opportunities for sustainable social and economic development. The Clean Development Mechanism (CDM) is one of the protocols applicable to developing countries such as Brazil. Opportunities for industries to reduce greenhouse gas (GHG) emissions can be led by thermal energy integration studies. In addition, sustainable processes can result in energy savings as well as help to mitigate GHG emissions. This work presents a study of heat exchanger network (HEN) synthesis in order to reduce energy consumption and GHG emissions, and the benefits are evaluated in terms of energy savings and carbon credits for CDM projects. It was proposed to two case studies using HEN data from literature, one concerns burning fossil fuels, and other one was evaluated the bagasse combustion. Both studies were applied the Aspen Energy Analyzer® software and its performance of the design of the HEN employed the Automatic Retrofit and Automatic Recommend Designs features were evaluated too. GHG emissions were mitigated; the first case confirmed that the carbon credits improve Capital Expenditure Index, returning 13% less in payback depending on fossil fuel price. The second case presents a maximum value of reduction of 26.2% burning bagasse, 7.7% GHG emissions, 30% increase power generation, together with 19,411 carbon credits per year. Em virtude da constatação inequívoca do aquecimento global, foi estabelecida pela Organização das Nações Unidas (ONU) a Convenção-Quadro sobre Mudança do Clima. No seu âmbito, foi criado o Protocolo de Quioto, que define mecanismos que enquadram responsabilidades e obrigações, abrindo oportunidades de desenvolvimento social e econômico sustentável. Um dos mecanismos estabelecido é o Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL), o único aplicável a países em desenvolvimento como o Brasil. Assim, no âmbito industrial existem várias oportunidades de redução das emissões de gases de efeito estufa (GEE) aliados a trabalhos de integração energética. Além do comprometimento sustentável, é possível obter cenários economicamente viáveis devido à redução de energia associada à mitigação das emissões de GEE. O objetivo deste trabalho foi estudar a síntese de rede de trocadores de calor (RTC) na redução do consumo de utilidades e de emissões de GEE, além de contabilizar os benefícios gerados na economia de combustíveis e a obtenção de créditos de carbono ligados a projetos que promovem o desenvolvimento limpo. Foram realizados dois estudos de casos com os dados da RTC obtidos da literatura, um referente à queima de combustíveis fósseis e outro referente à combustão do bagaço. Em ambos os estudos foi utilizado o software Aspen Energy Analyzer®, tendo como opções as ferramentas Automatic Retrofit e Automatic Recommend Designs, sendo estas avaliadas quanto ao seu desempenho na otimização da RTC. Foram mitigadas as emissões dos GEE, sendo que o primeiro caso foi comprovado que os créditos de carbono promovem um retorno financeiro mais rápido de até 13% dependendo do combustível fóssil e no segundo foi obtida uma redução de até 26,2% da queima do bagaço, 7,7% das emissões de GEE, geração extra de energia elétrica de até 30% e crédito de carbono de até 19.411 t CO2 ao ano.

Universidade Federal de Sao Carlos The increasing concern about environmental impacts caused by human activities has led scientists to look for ways to settle the situation. As regards chemical industries, one of the main focuses of this concern is the energy saving. Over several studies down the years, the idea of Pinch technology has risen up as one of the main and most efficient techniques of energy integration so far. It is based on the division of the problem into two systems starting from Pinch point, in which retrofits and/or synthesis of heat exchanger networks are realized separately, grounded on Thermodynamics principles. Nevertheless, at times, the calculation needed for this methodology can be tedious and time consuming. For that effect, there is the need to use software s to execute faster the initial calculations that Pinch method demands, in order to make it easier the future project of heat exchanger networks. The purpose of this work was to create a computer program in Scilab® language, for application of basic principles of Pinch analysis. Five case studies were presented to illustrate and test the performance of the new program. Furthermore, some of the main properties of this technique are presented, proving to be very interesting and inspiring for the rising or new researches in the area. From this work, it can be concluded that Pinch analysis is a relatively simple and efficient way to the retrofit and synthesis of heat exchanger networks, being able to be used in the solution of a several range of problems. Thus, energy savings associated to capital savings are possible, making it easier to exist a quality deal between the environment and profitability of chemical industries. Besides, the new program implemented in Scilab® has shown up to be a really efficient tool in the application of the method, facilitating the learning of users recent presented to Pinch technology and also being useful to more experienced designers, presenting satisfactory results regarding energy optimization of processes. A crescente preocupação com impactos ambientais causados por atividades humanas tem levado cientistas a buscar alternativas para amenizar a situação. No que se refere a indústrias químicas, um dos focos principais dessa preocupação é a economia de energia. Através de vários estudos realizados ao longo dos anos, surgiu então a ideia da tecnologia Pinch, uma das principais e mais eficientes técnicas de integração energética existente. É baseada na divisão do problema em dois sistemas através do ponto Pinch, nos quais são realizados reprojetos e/ou sínteses de Redes de Trocadores de Calor (RTC) separadamente, fundamentados em princípios da Termodinâmica. No entanto, por vezes, os cálculos necessários a essa metodologia podem ser demorados e tediosos. Por esta razão, há a necessidade do uso de softwares para efetuar mais rapidamente os cálculos iniciais do método Pinch, facilitando, então, o futuro projeto de redes de trocadores de calor. O objetivo deste trabalho foi criar um programa computacional em linguagem Scilab®, para aplicação dos princípios básicos da análise Pinch. Cinco estudos de caso foram apresentados para ilustrar e testar o desempenho do novo programa. Ademais, são apresentadas algumas das principais propriedades relativas a esta técnica, mostrando-se bastante interessantes e inspiradoras para a realização de novas pesquisas dentro da área. Através deste trabalho, conclui-se que a análise Pinch é uma maneira relativamente simples e eficaz para síntese de RTC, podendo ser utilizada para a resolução de uma vasta gama de problemas. Desta forma, é possível uma recuperação energética aliada à economia de capital, possibilitando um acordo de qualidade entre meio ambiente e lucratividade das indústrias químicas. Ademais, o programa computacional implementado em Scilab® mostrou-se uma ferramenta bastante eficiente para aplicação do método, facilitando o aprendizado da tecnologia Pinch por usuários iniciantes e também sendo útil para projetistas mais experientes, apresentando resultados satisfatórios no que se refere à otimização energética do processo.

Orientadores: José Roberto Nunhez, Everton Moraes Matos Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: O escoamento de fluidos é, sem dúvida, de grande importância na indústria, especialmente no transporte de fluidos entre as unidades de operação. Sistemas multifásicos são bastante comuns, e em muitos casos, também ocorrem processos de transferência de massa e energia, como é o caso dos fornos de pré-aquecimento na indústria petroquímica. O escoamento gás-líquido nessas linhas é muitas vezes complexos, pois durante a vaporização da carga ocorre também o craqueamento térmico do petróleo. É comum nestas operações a formação de coque no interior do tubo, o que é muito indesejável. Para entender as condições nas quais esta formação de coque é minimizada, ou aumentada, foi proposto um modelo uidodinâmico computacional para simular o escoamento bifásico gás - liquido do petróleo no interior desses tubos. O modelo foi implementado na plataforma OpenFOAM, ao qual foram acrescidas novas rotinas para a estimativa das temperaturas e concentrações através das equações de conservação de massa e energia. O modelo k - epsilon foi utilizado para descrever a turbulência e dois modelos de vaporização foram utilizado para caracterizar a mudança de fase. Uma formulação não conservativa foi adotada na escrita das equações do modelo para maior estabilidade numérica em altas frações volumétricas. Foi também implementada uma rede cinética dependente da temperatura para descrever o craqueamento térmico. Através do modelo foi possível simular o escoamento tridimensional de petróleo no interior de um tubo com as dimensões da planta obtendo como resultado os perfis de velocidades, temperaturas e concentrações das fases líquida e gasosa Abstract: Fluid flow is of great importance in the industry, especially for its transport between the operating units. Multiphase systems are very frequent. In many cases, mass and energy transfer processes, such as the case of preheating furnaces in petrochemical industry, are also observed. The gas-liquid flow in these lines is often complex, because during the vaporization of the charge it also occurs the petroleum thermal cracking. It is common in these operations the very undesirable formation of coke inside the tube. With the aim of understanding under which conditions the formation of coke is minimized or increased it was proposed a computational fluid dynamic model for simulating the petroleum gas-liquid two-phase flow inside of these tubes. The model was implemented on the OpenFOAM software, to which new routines for the calculation of temperatures and concentrations using the equations of conservation of mass and energy were added. The model k - epsilon was used to describe the turbulence and two vaporization models were used to characterize the phase change. A non-conservative formulation was adopted for describing the equations of the model in order to obtain numerical stability at high volumetric fractions. It was also implemented a temperature dependent kinetic net to describe the thermal cracking. With this model it was possible to simulate the three-dimensional flow of petroleum inside a tube with real industrial dimensions as a result of the gas and liquid phase's profiles of velocities, temperatures and concentrations Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Universidade Federal de Sao Carlos This work investigated numerical methods in the solution of mathematical models of fixed-bed reactors. For the reactors modeling and simulation, two numerical methods were used: sequencing method (SM) and finite volume method (FVM). There were also proposed two mathematical models: the pseudo-homogeneous model and the dimensionless one, which is based on the Peclet (Pe) and Biot (Bi) numbers. A horizontal-flow anaerobic immobilized sludge (HAIS) reactor developed in bench scale and after a scale-up, reducing the COD in the wastewater treatment was simulated by sequencing method, varying the numbers of mesh; a tubular fixed-bed reactor with biomass immobilized for the startup period of lactic acid fermentation, also simulated by sequencing method and compared with experimental data; and was also evaluated the precision of sequencing and finite volume methods over the reactor s profile, varying the Peclet e Biot numbers. The models development was based on studies about hydrodynamics and biochemistry kinetics. Both methods described satisfactorily the behavior of the reactors in the performed simulations, but in high values of Peclet, the finite volume method generated inadequacies such as oscillatory responses and over the limit. This paper is an elucidation to sequencing method, which besides its huge range and simplicity, still is not so studied neither known, because it s a recent method. Este trabalho investigou metodos numericos na solucao de modelos matematicos para reatores de leito fixo. Para a modelagem e simulacao dos reatores, foram utilizados dois metodos numericos: metodo da sequencia (SM) e metodo dos volumes finitos (FVM). Foram propostos dois modelos matematicos: o pseudo-homogeneo e o adimensional, sendo este ultimo baseado nos numeros de Peclet (Pe) e Biot (Bi). Um reator anaerobio horizontal de leito fixo (RAHLF) desenvolvido inicialmente em escala de bancada e posterior aumento de escala na reducao da DQO de aguas residuarias foi simulado pelo metodo da sequencia, variando-se o numero de malhas; um reator tubular de leito fixo com biomassa anaerobia imobilizada no periodo da partida da fermentacao de acido latico, tambem simulado pelo metodo da sequencia e comparado com dados experimentais; e avaliou-se a precisao dos metodos da sequencia e dos volumes finitos sobre o perfil da concentracao de um reator, variando-se os valores de Peclet e Biot. O desenvolvimento dos modelos foi baseado em estudos sobre caracteristicas hidrodinamicas do sistema e de cinetica bioquimica. Ambos os metodos descreveram satisfatoriamente o comportamento dos reatores nas simulacoes realizadas, porem em valores elevados de Peclet, o metodo dos volumes finitos gerou inadequacoes como respostas oscilatorias e superiores ao limite. Este trabalho foi uma elucidacao ao metodo da sequencia, que apesar da sua grande abrangencia e simplicidade, por ser um metodo recente, ainda e pouco estudado e conhecido.

Universidade Federal de Sao Carlos Clavulanic acid (CA) is a β-lactam antibiotic produced industrially by submerged cultures of the filamentous bacterium Streptomyces clavuligerus. Due to its importance, several studies on the purification of clavulanic acid have been conducted at the Department of Chemical Engineering of the Federal University of São Carlos DEQ-UFSCar. As a natural sequence of these works, a need has been identified for greater knowledge about the CA adsorption process by mathematically modeling the incorporation of the phenomenon of CA degradation in the sites of resin through a first order reaction. Because amino acids stand out among the principal molecules that are found in fermented broth, it has become imperative for the development of the process to evaluate purification in terms of the amino acids present during the purification process. Some of these amino acids, e.g., tyrosines, present physicochemical properties similar to those of clavulanic acid. The process of batch absorption can be simulated by a mathematical model, providing kinetic and transport parameters involved in absorption. A mathematical model of the clavulanic acid purification process in a fixed-bed absorption column was developed to determine the rupture curve. The modeling allowed for the determination of several important process parameters, such as transport parameters and the intrinsic kinetic constants of absorption. A sensitivity analysis demonstrated that the mass transfer coefficient strongly influences the results of the model. The simulation of the process led to the conclusion that the process is limited both by the degradation stage during absorption and by the mass transfer, indicating that both factors must be taken into account in the analysis of this type of process in a fixed-bed column. It was also found that the degradation of CA in the resin sites is a factor that does not allow the rupture curve to reach the value of C/Co equal to 1, which explains the low yield of the CA process during absorption. This work also aimed to apply the sequencing method to solve the partial differential equations that represent the mathematical model which describes the adsorption of CA in Amberlite IRA-400 resin and to compare it with the finite difference method which is more commonly employed. The application of the proposed methodology in the clavulanic acid purification process in a packed column showed a good performance, with a rupture curve very similar to that obtained by the finite difference method, thus demonstrating the efficiency of the proposed method. O ácido clavulânico (AC) é um antibiótico beta-lactâmico produzido industrialmente por culturas submersas da bactéria filamentosa Streptomyces clavuligerus. Devido a esta importância, alguns trabalhos sobre purificação do ácido clavulânico vêm sendo desenvolvidos no DEQ-UFSCar. Como seqüência natural desses trabalhos, surgiu a necessidade de um conhecimento maior do processo de adsorção do AC por meio da modelagem matemática a incorporação do fenômeno de degradação do AC nos sítios da resina, através de uma reação de primeira ordem. Como dentre as principais moléculas que se encontram no caldo fermentado destacam-se os aminoácidos, tornou-se imprescindível para o desenvolvimento do processo avaliar a purificação em termos dos aminoácidos presentes durante o processo de purificação. Alguns destes aminoácidos, como por exemplo, as tirosinas apresentam propriedades físico-químicas próximas à do ácido clavulânico. O processo de adsorção em batelada pode ser simulado através de um modelo matemático, obtendo-se parâmetros cinéticos e de transporte envolvidos na adsorção. Uma modelagem matemática do processo de purificação do ácido clavulânico em coluna de leito fixo foi desenvolvida para obter a curva de ruptura. A modelagem permitiu a determinação de vários parâmetros importantes do processo tais como parâmetros de transporte e as constantes cinéticas intrínsecas de adsorção. Análise de sensibilidade demonstrou que a coeficiente de transferência de massa exerce forte influência nos resultados do modelo. Pela simulação do processo foi possível concluir que o processo é limitado tanto pela etapa de degradação durante a adsorção quanto pela transferência de massa, indicando que ambos devem ser levados em conta na análise do processo deste tipo de processo em coluna de leito fixo. E, também, verificou-se a degradação do AC nos sítios da resina é um fator que não permite que a curva de ruptura não atinja o valor de C/Co igual a 1 o que explica o baixo rendimento do processo do AC durante o processo de adsorção. Este trabalho teve também como finalidade aplicar o método da seqüência na resolução das equações diferenciais parciais que representam o modelo matemático que descreve a adsorção de AC na resina Amberlite IRA- 400 e compará-lo com o método de diferenças finitas que é mais comumente utilizado. A aplicação da metodologia proposta ao processo de purificação do ácido clavulânico em coluna recheada mostrou seu bom desempenho, cuja curva de ruptura é bem próxima da curva de ruptura obtida pelo método de diferenças finitas, mostrando, assim, a eficiência da metodologia proposta.

The design of plantwide control systems has received increasing attention in the last years. The modern chemical plants usually consist of hundreds of interconnected elementary processes and unit operations (large scale complex systems). These plants are usually characterized and dominated by large and highly integrated and automatized installations, with several recycle streams, more heat integration and fewer inventories. All these factors lead to high interactions among the subunits caused by material and energy recycle and, consequently to the need for a perspective beyond individual units. The plantwide system control design procedure is not clear and the literature is scarce about this issue, comparatively with simple unit design. In this way, a large challenge for the Chemical Engineer in the last decades has been designing control systems that operate with safety and bring the performance objectives needed to control these complex plants. The main objective of this project is to study the plantwide control problem aiming, particularly, the choice of controlled variables and the coordination of several decentralized controllers to avoid conflicting control actions. The results presented in this thesis show that the work objective was reached successfully, due to a significant contribution to plantwide control study. O projeto de sistemas de controle de plantas inteiras ( plantwide ) tem recebido muita atenção nos últimos anos. As plantas químicas modernas são, usualmente, formadas por centenas de processos elementares e operações unitárias interconectados. Dessa forma, essas plantas são, normalmente, caracterizadas e dominadas por instalações enormes, altamente integradas e automatizadas, com muitas correntes de reciclo e menos inventários. Todos esses fatores levam a grandes interações entre as unidades, causadas pelo reciclo de material e de energia, e, portanto, à necessidade de perspectivas de controle que não se restrinjam a unidades individuais. O procedimento de projeto de sistemas de controle dessas plantas inteiras não é muito claro e a literatura ainda é escassa sobre o assunto, comparativamente com o projeto de controladores de unidades simples. Dessa forma, um grande desafio para o Engenheiro Químico nas últimas décadas tem sido o projeto de sistemas de controle que operem com segurança e atinjam os objetivos de desempenho necessários para o controle dessas plantas complexas. Por esses motivos, o principal objetivo deste trabalho é estudar o problema do controle plantwide visando, em particular, a escolha de variáveis a serem controladas e a coordenação de diversos controladores descentralizados de forma a evitar ações de controle conflitantes. Os resultados apresentados nesta tese mostram que o objetivo do trabalho foi alcançado com sucesso, visto que há uma contribuição significativa ao estudo de controle plantwide .

Universidade Federal de Minas Gerais This work studied the horizontal-flow anaerobic immobilized biomass (HAIB) for the treatment of wastewater, developed in the Department of Hydraulics and Sanitation of the School of Engineering of São Carlos - USP. For the simulation and modeling of RAHLF, data of two HAIB were used, and; when the regime is the dynamic, one in bench scale treating wastewater containing poisonous substances (BTEX) and when the regime is the stationary, other in pilot scale treating sewer sanitarium. The study was divided in two parts: stationary regime and transient regime. In the first case the models were analyzed: pseudo - homogeneous with and without axial dispersion and the heterogeneous with axial dispersion; in the second case, the models were analyzed: pseudo - homogeneous and heterogeneous. The models of the first case were resolved respectively for the numeric methods of Runge - Kutta, of the finite differences and of the orthogonal collocation. In those models, when if it despised the axial dispersion the kinetic constant of first order was adjusted. Already in the other two models acted in this same case, they were adjusted the kinetic constant of first order and the coefficient of axial dispersion simultaneously. All of the methods numeric employees in the first case described the tendency of variation of the concentration well along the reactor and inside the particle, making possible the convergence of the solutions. The models without axial dispersion foresaw concentration values in the exit closest of the experimental values than the models with dispersion, and this, for his/her time foresaw closer values to the experimental ones in the intermediate points. In the second case, the models were solved through two methods, the method of the finite differences and the method of the sequence. The methods got to solve the equations that describe the behavior of the reactor satisfactorily and they show that the answer of the exit in the reactor is appropriately made calculations. Este trabalho estudou o reator anaeróbio horizontal de leito fixo (RAHLF) para o tratamento de águas residuárias, desenvolvido no Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos USP. Para a simulação e modelagem do RAHLF, foram utilizados dados de dois RAHLFs, sendo que; quando o regime é o dinâmico, um em escala de bancada tratando águas residuárias contendo substâncias tóxicas (BTEX) e quando o regime é o estacionário, outro em escala piloto tratando esgoto sanitário. O estudo foi dividido em duas partes: regime estacionário e regime transiente. No primeiro caso foram analisados os modelos: pseudo homogêneo com e sem dispersão axial e o heterogêneo com dispersão axial; no segundo caso, foram analisados os modelos: pseudo homogêneo e heterogêneo. Os modelos do primeiro caso foram resolvidos respectivamente pelos métodos numéricos de Runge Kutta, das diferenças finitas e da colocação ortogonal. Nesses modelos, quando se desprezava a dispersão axial a constante cinética de primeira ordem foi ajustada. Já nos outros dois modelos representados neste mesmo caso, foram ajustados simultaneamente a constante cinética de primeira ordem e o coeficiente de dispersão axial. Todos os métodos numéricos empregados no primeiro caso descreveram bem a tendência de variação da concentração ao longo do reator e no interior da partícula, possibilitando a convergência das soluções. Os modelos sem dispersão axial previram valores de concentração na saída mais próximo dos valores experimentais do que os modelos com dispersão, e este, por sua vez previram valores mais próximos aos experimentais nos pontos intermediários. No segundo caso, os modelos foram solucionados através de dois métodos, o método das diferenças finitas e o método da seqüência. Os métodos conseguiram resolver satisfatoriamente as equações que descrevem o comportamento do reator e mostram que a resposta da saída no reator é adequadamente calculada.

Universidade Federal de Sao Carlos This work studied the anaerobic horizontal reactor of fixed bed (RAHLF)for treatment of waste waters, developed in the Department of Hydraulics and Sanitation of the School of Engineering of São Carlos USP by investigating some mathematical models with two different RAHLFs conditions in different scales: the first in pilot scale by treating domestic and other in bench scale by treating synthetic substratum. The pseudo-homogeneous and heterogeneous models were investigated by considering or not the substratum dispersion in the axial direction. The models were resolved numerically by fourth order Runge-Kutta method, orthogonal collocation and finite differences. The values were compared to reactor experimental values. In the pseudo-homogeneous resolution model with dispersion by using the reactor data in pilot scale was adjusted the axial dispersion coefficient to 1,65.10-3 m2.s-1, after that was used in the solution of the heterogeneous model. The benches reactor values were used to obtain the dispersion coefficient as Zero. The parameter kinetic variation in the reactor was investigated by verifying that this variation is not responsible for the difference between the experimental data and those previewed by the model. Este trabalho estudou o reator anaeróbio horizontal de leito fixo (RAHLF) para tratamento de águas residuárias, desenvolvido no Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos USP, investigando alguns modelos matemáticos com as condições de operação de dois RAHLFs em diferentes escalas: um em escala piloto tratando esgoto doméstico e outro em escala de bancada tratando substrato sintético. Foram investigados os modelos pseudo-homogêneos e heterogêneos, e estes por sua vez, considerando ou não a dispersão axial. Os modelos foram resolvidos numericamente utilizando os métodos de Runge-Kutta de quarta ordem, colocação ortogonal e diferenças finitas, comparando os valores obtidos pelos modelos com os valores experimentais dos reatores. Na resolução do modelo pseudo-homogêneo com dispersão utilizando os dados do reator em escala piloto foi ajustado o coeficiente de dispersão axial com valor de 1,65.10-3 m2.s-1, o qual foi posteriormente utilizado na solução do modelo heterogêneo. Utilizando os dados do reator em escala de bancada o ajuste forneceu um coeficiente de dispersão igual a zero. A variação do parâmetro cinético ao longo do reator foi investigada, verificando que esta variação não é responsável pelo desvio entre os dados experimentais e os previstos pelo modelo.

Orientador: Rubens Maciel Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: As Redes Neurais Artificiais (RNA) são ferramentas computacionais, com um grande número de aplicações em técnicas de modelagem e controle de processos. Tal fato deve-se à sua capacidade em aprender com suficiente exatidão o comportamento do sistema, gerando modelos genéricos com potencial para projeto de controle não linear, quando equações do modelo são desconhecidas ou somente informações parciais de estados do processo estão disponíveis. Os modelos obtidos através de redes neurais permitem levar em consideração as não linearidades do processo, bem como as interações entre as suas variáveis. O trabalho desenvolvido explora o uso de redes neurais em estratégias de controle multivariável, enfatizando situações em que estas são utilizadas como modelos dinâmicos na geração de predições, bem como na definição de estratégias de controle totalmente baseadas em redes neurais com aprendizagem on-line. A aprendizagem on-line das redes utilizadas permite a sua adaptação continuamente ao longo do tempo, treinando-as em situações não abordadas na etapa de aprendizagem off-line. A aprendizagem oif-line das redes neurais é realizada a partir de um conjunto consistente de dados históricos de perturbações e respostas do processo, a qual deverá garantir, no mínimo, um desempenho satisfatória da rede neural, para a partida do sistema de controle. Explora-se também, a utilização de modelos estáticos do processo, baseados em redes neurais, acoplados à rotina de otimização on-line, objetivando identificar as melhores condições operacionais deste processo para atender especificações de referências preestabelecidas. Dentro deste contexto, foram desenvolvidas estratégias de controle multivariável explorando as potencial idades das redes neurais, seja como modelo de processos e/ou como controladores, enfatizando a aprendizagem on-line. Para o desenvolvimento deste trabalho foram implementados diversos programas computacionais, em linguagem de pragramação Fortran 90, relativos aos algoritmos de controle propostos/avaliados Os resultados alcançados mostram a eficiência das técnicas abordadas, comprovando o potencial do uso das redes neurais em estratégias de controle The artificial neural networks are computational tools with a great number of applications in modeling techniques and process control. Such fact is due its capacity to learn sufficiently accurate models and give good nonlinear control when model equations are not known or only partial state information is available. Neural network approach allows taking into account in an elegant and adequate way process non-linearities as well as variable interactions. The developed work explores the use of the neural networks in multivariable control strategies as dynamic models for predictions as well as in the definition of the control strategy based on neural networks with on-line learning. The off-line learning of the neural networks is accomplished with a consistent group of historical data of perturbations and responses of the process, which should guarantee at least a satisfactory performance of the neural network for starting of the control system. It is also explored the use of static models of the process, based on neural networks, coupled with a on-line optimization routine, objectifying to identify the best operational conditions to attend specifications of the process. In this context, multivariable control strategies were developed exploring the potentialities of the neural networks as process model and/or as controllers, emphasizing the on-line learning. Several computational programs were implemented for the developrnent of this work in Fortran 90 language program relative to the control algorithms proposed and evaluated. The obtained results show the efficiency of the approached techniques, checking the potential of the use of the neural networks in control strategies Doutorado Doutor em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Desde a concepção do processo a solvente para a extração de óleos vegetais, no início deste século, tem-se utilizado produtos petro-derivados como agentes de extração. Muito embora a qualidade destes agentes tenha melhorado significativamente ao longo dos anos, a fração hexana (atualmente utilizada) ainda traz consigo inconvenientes tais como a toxidez, a não-renovabilidade e a elevada inflamabilidade. Solventes em condições supercritícas, mais comumente o dióxido de carbono, por outro lado, vêm sendo empregados para a extração de produtos naturais, conferindo aos mesmos altas qualidades e, se feitos operar em ciclo, não produzem impacto ambiental. Objetivando investigar a viabilidade da tecnologia supercrítica com relação ao processo convencional de extração de óleos vegetais a hexano, faz-se revisões do consumo energético durante a operação e da problemática da modelagem do processo extrativo. Para contribuir com dados operaciQnais, pouco comuns, uma proposta de modelagem apresentada na literatura para a extração semi-contínua com dióxido de carbono supercrítico é adaptada para solução numérica e simulada em computador para estudos de sensibilidade paramétrica e de desempenhos para controladores clássicos (Proporcional) e avançados (Por Matriz Dinâmica: DMC). A análise de sensibilidade paramétrica, conduzida por intermédio de planejamentos fatoriais completos, mostrou ser possível por manipulação da velocidade de percolação do solvente, os controles das concentrações de óleo nas fases ao longo do período de extração, ocoDidas perturbações nos teores inicial de óleo dos sólidos e do solvente que ganha o extrator. Os controladores clássicos e avançados mostraram-se capazes de controlar o processo extrativo. Para as malhas de controle com entradas e saídas simples (SISO), aqui analisadas, o controlador clássico apresentou melhor desempenho que o DMC. Entende-se porém, que para malhas com múltiplas entradas e saídas (MIMO), mais prováveis na prática, estratégias de controle mais complexas que a clássica e mais adequadas que a por Matriz Dinâmica, como aqui adaptada para a extração semi-contínua, serão necessárias Abstract: Since it was proposed in 20's, the solvent extraction process for oilseeds has employed petrol-derived solvents. Even thought these extraction agents have been significantly improved in quality, the hexane (nowadays used) still presents detrimental features such as toxicity, non-renewability as well as high flammability. Supercritical solvents, most often the carbon di oxide, on the other hand, have been applied to extract natural products, giving them high qualities and, if operated in a closed cycle, producing no environmental impacts. Intending to investigate the viability of the supercritical extraction process for lipids and to compare it with the conventional liquid hexane extraction process, the state of the art on the mathematical modelling and operational costs was up to dated. To contribute with operational data, not common in the literature, a dynamic model fur a semi-batch supercritical extraction with carbon dioxide was adapted to a numerical solution and simulated on a microcomputer. This numerlcal solution made possible a study of parameter sensitivity and analyses of performances for the cIassical Proportional and advanced DynamicMatrix (DMC) controllers. The analyses ofparameter sensitivity, made by means of a factorial design, had shown that tbe solvent superficial velocity can be used to control oil concentrations in the solid and in the solvent phases, after disturbances in the initial solid oil concentration and solvent inlet concentration.Both kinds of analysed controllers, specially the cIassical Proportional, showed good performances for controlling the residual oil in the solids and the solvent oil content, after disturbances in the initial oil content of the fed solids and in the solvent ínlet concentration. However, in situations in what multiple inputs and outputs are involved, control strategies more complex than the classical Proportional and more suitable than the DMC, as adapted here to the semi-continuous extraction, wiII be necessary to good performances Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Doutorado Doutor em Engenharia Química