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Orientador: Jose Claudio Moura Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Campinas Resumo: O aperfeiçoamento do processo de obtenção oxidativa de acetaldeído exige testes de novos catalisadores, mais ativos, estáveis e seletivos. O presente trabalho procura estudar a cinética da oxidação do etanol a acetaldeído sobre catalisador de Fe-Mo. A coleta de dados, em reator integral, foi feita na faixa de temperatura de 180 - 240ºC, utilizando-se ar sintético e etanol absoluto à pressão atmosférica, em leito fixo de catalisador com. partículas de aço inoxidável. A diluição do leito catalítico foi necessária para reduzir a taxa aparente de reação por unidade de volume do leito, permitindo que o reator operasse em condições praticamente isotérmicas. Um banho termostático com fluido térmico de boas propriedades de transferência de calor foi utilizado para controlar a temperatura do reator. A interpretação dos dados foi feita pela proposta de mecanismo da reação do tipo Temkin, determinando-se a equação da taxa da reação. O mecanismo proposto para descrever a cinética admi te a adsorção do oxigênio molecular em um único sítio ativo. O catalisador de Fe-Mo apresentou melhor desempenho do que os demais conhecidos, verificando-se conversões de praticamente todo etanol, com rendimento total em acetaldeído e boa estabilidade. Com a equação da taxa obtida, fez-se a simulação de um reator operando em condições industriais, com a final idade de avaliar os efeitos da variação da temperatura de alimentação, da relação molar ar/etanol e da vazão mássica superficial no comportamento do reator quanto à sensitividade paramétrica. Utilizou-se tubos com diâmetro interno de 9,3 e 17 mm. Mostra-se a viabilidade do controle de temperatura do reator pela variação da vazão de etanol e da utilização de altos valores da relação molar ar/etanol para se evitar as faixas de inflamabilidade das misturas presente no reator. Abstract: In order to improve the oxidation process for obtaining acetaldehyde, testes of new catalysts with better activity, stability and selectivity are necessary. This work studies the kinetic of ethanol oxidation to acetaldehyde over Fe-Mo catalyst. The kinetic data, in the integral reactor, was obtained in the range of 180 to 240ºC by means of synthetic air and absolute ethanol at the atmospheric pressure, in the fixed bed of catalyst, diluted with stainless steel particles. It was necessary to dilute the catalytic bed, in order to reduce the apparent rate of reaction per unit of volume, considering that the reactor could operate in isothermal conditions. The thermostatic bath with thermal fluid, with good heat transfer properties was used to control the tcmperature of the reactor. The interpretation of the kinetic data for obtaining a rate equation was accomplished by Temkin's mechanism. The proposed mechanism considers the adsorption of the molecular oxygen in a single active site. The Fe-Mo catalyst cxhibits better performance than the best known catalysts by showing high conversions, good stability and a total yield in acetaldehyde. By means of the rate equation, a reactor simulation was possible under industrial conditions in order to evaluate the effects of temperature feed, of air/ethanol molar ratio and of the superficial mass rate or flow in the parametric sensitivity of the reactor. We have used reactor internal diameters of 9,3 and 17 mm. The control of the reactor temperature was possible by changing the ethanol rate of flow. Also, we have used high values of air/ethanol molar ratio in order to prevent the inflammability ranges of the mixtures in the reactor. Mestrado Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Fernando Ely Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Células fotovoltaicas orgânicas (OPVs) tem sido foco de intensa pesquisa devido ao seu potencial de baixo custo de produção e pela típica característica de serem flexíveis. Apesar de tais vantagens, estes dispositivos ainda têm baixa eficiência quântica (PCE). Este trabalho explora o desenvolvimento de processos de fabricação reprodutíveis e o uso de novos materiais em estruturas de dispositivo fotovoltaico. Inicialmente foi construído dispositivo padrão seguindo a estrutura de ITO/ PEDOT VpAl/ P3HT:PCBM/ Al, que corresponde à estrutura OPV mais estudada, até hoje, e que conduz a altas eficiências de fotoconversão. Foram ajustados todos os parâmetros físico-químicos para se obter as soluções mais estáveis possíveis e camadas funcionais uniformes do dispositivo padrão. Diversas modificações, neste dispositivo padrão, foram introduzidas para incrementar a eficiência quântica originalmente obtida. Primeiramente, foi testada a aplicação de PEDOT condutor e nanoparticulas (NP) de ZnO como camada buffer em substituição ao PEDOT VpAl. Posteriormente, o composto liquido-cristalino TAPCu-52 foi introduzido como material do tipo-P na camada ativa, em substituição ao polímero P3HT. Cristais líquidos também foram estudados como aditivos funcionais na camada ativa para aumentar a mobilidade dos portadores de carga e facilitar a separação do par elétron-buraco fotogerado. Por fim, buscando tornar o dispositivo completamente flexível foi realizada a substituição do eletrodo transparente de ITO por uma camada de PEDOT condutor, obtida pelo método de spray manual e ultrasônico. As caracterizações elétricas e morfológicas das células OPV, mostraram que todas as modificações feitas levaram a resultados positivos em relação ao dispositivo padrão fabricados Abstract: Organic photovoltaics (OPVs) have been the focus of research due its flexible characteristics and low cost of production. Despite such advantages these devices still have low quantum efficiency (PCE), which is an obstacle for commercialization. This work explores reliable fabrication processes and new materials for OPV structures. For comparison, we fabricated standard devices having the well studied structure ITO/ PEDOT VpAl/ P3HT:PCBM/ Al which can lead to high fotoconversion efficiencies. Physical and chemical parameters were modified to achieve stable solutions and uniform functional layers. Several modifications in this standard device were introduced in order to increase the original PCE obtained. Firstly, conductive PEDOT and ZnO nanoparticles layers were added in replacement of the PEDOT VpAl as buffer. Afterwards, the liquid-crystalline compound TAPCu-52 was studied as p-type material in the active layer to substitute the P3HT polymer. Liquid crystals were also investigated as functional additives to increase the charge carrier mobility and electron-hole separation. Finally, ITO was changed by a conductive PEDOT layer deposited by handheld and ultrasonic spray as transparent anode in order to have a more flexible device. In general, the electrical and morphological characterizations indicated that all studied modifications had positive effect on the PCE of the manufactured OPV devices Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestra em Engenharia Química

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Marcelo Embiruçu de Souza Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Em face a acirrada disputa de mercado, vivida por um mundo globalizado, o engenheiro ocupa o importante papel de responsável pela interminável busca de reduções de custos e do ponto ótimo de operação. Em meio a esse cenário, automação, controle e otimização de processos são encaradas como poderosas ferramentas nesta empreitada. Nesta tese, o caso em estudo é uma fracionadora de propileno instalada na COPENE Petroquímica do Nordeste. É feita uma profunda avaliação do sistema de controle atual e proposto sistemas de controles mais adequados para a coluna investigada. A fracionadora de propileno é uma coluna de alta pureza, classificada como uma superfracionadora. Tais colunas têm sido encaradas na área de controle de processos como um grande desafio técnico. Na abordagem do problema de controle, foi primeiramente realizado um estudo em controle de colunas de alta pureza (o que inclui as superfracionadoras), com ênfase nas características do processo importantes para o seu controle, e em experiências na aplicação de diversos sistemas de controle para processos similares ao investigado. Na etapa seguinte, um estudo detalhado da fracionadora industrial permitiu conhecer características específicas do sistema, além de avaliar a situação atual das malhas de controle. A terceira etapa é a modelagem (estacionária e dinâmica) do processo, envolvendo a realização de experimentos na planta industrial. Os modelos são urna poderosa ferramenta para o entendimento e estudo do processo, além de servir como plataforma para o projeto dos controladores e para os testes de controlabilidade. De posse do modelo são realizados estudos do grau de não linearidade e do grau de acoplamento das variáveis manipuladas. Por fim, são avaliados os desempenhos de diferentes sistemas de controles, sendo avaliados diversos aspectos, tais corno sintonia, estratégia, algoritmo e estrutura feedforward. São alcançados excelentes resultados com os sistemas de controle propostos. Problemas de saturação de sinal, instabilidade e resposta lenta são resolvidos Abstract: Nowadays, in the strong marketing dispute due to a globalize world, the engineer has an important role in looking for cost reduction and optimum operation point. In this scenery the automation, control and optimization are been sought as powerful tools to obtain gains. In this thesis, the study case is a propylene fractionator installed in COPENE Petroquímica do Nordeste. A deep evaluation is made of actual control and it is proposed a control system more suitable to the column. The propylene fractionator is a high purity column classified as superfractionator. This column class has been faced in to segment of control as a great challenge. The problem control approach was first made by a control study of the high purity column, that includes the superfractionator, with emphasis on the process characteristics that are important for its control and on experiences of applications in several control system for process similar to the one investigated. In the next step, a detailed study of industrial fractionator made possible to know specific characteristics of the system, besides evaluating the actual situation of the control loop. The third step is the modeling (stationary and dynamic) of the process, involving experiments at the industrial plant the models are a powerful tool for the understand and the study of the process, besides serving as a platform for the project of the controllers and for the controllability tests. Having the models in hand, studies are made of the degree of non-linearity and the degree of coupling of the manipulated variables. Finally, the performance of the different control systems are evaluated, under several aspects, like tuning, strategy, algorithm and feedforward structure. Excellent results are obtained with the control systems proposed. Signal saturation problems, instability and slow response are resolved. Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: A síntese de ácido acrílico via processo fermentativo é um assunto recente, com poucas informações disponíveis na literatura e, tem despertado cada vez mais interesse de pesquisadores. Através da modelagem matemática, é possível obter uma melhor compreensão de um processo em sua totalidade, através de analogias abstratas que possibilitam a predição de um fenômeno. O objetivo deste trabalho consiste no desenvolvimento de modelos determinísticos para representar o processo biotecnológico de síntese de ácido acrílico a partir de uma rota metabólica alternativa, visando estudos do comportamento estacionário/dinâmico do processo, aplicação de técnicas de planejamento experimental para identificação dos parâmetros mais relevantes e otimização dos parâmetros operacionais, com a finalidade de compreender o processo e apresentar uma metodologia alternativa para a sua produção. A partir dos modelos desenvolvidos foi possível obter perfis de concentração dos principais componentes do processo. Depois de identificadas as influências dos parâmetros operacionais, cinéticos e de projeto sobre o processo, os parâmetros operacionais de cada modelo foram otimizados através da aplicação da metodologia de superfície de resposta e do método de otimização por programação quadrática sucessiva. Com a otimização dos parâmetros foi possível encontrar condições de operação que aumentaram a concentração e o rendimento final de ácido acrílico, como também, perceber as limitações dos métodos de otimização usados. Nos modelos com cinética estruturada foram aplicadas estratégias de controle, através das quais foi possível encontrar condições ótimas, podendo com isso operar o biorreator de forma eficiente e segura, além de aumentar o rendimento final de ácido acrílico. Através da realização deste trabalho, pode-se concluir que os modelos desenvolvidos constituem um conjunto de ferramentas interessantes para predizer e investigar o comportamento do processo de síntese de ácido acrílico via processo fermentativo, uma vez que, a literatura ainda não dispõe de trabalhos de modelagem para a síntese de ácido acrílico via rotas fermentativas. Também, servir de apoio para estudos de manipulação genética visando obter microrganismos com capacidade de produzir ácido acrílico em condições economicamente competitivas Abstract: The acrylic acid synthesis by fermentative process is a recent subject, with few available information in literature and it has demonstrated each time more interest of researchers. Through the mathematical modeling, it is possible to obtain a better understanding of the process behavior if mechanistic models are developed. The purpose of this work is the deterministic model development for the biotechnological process of acrylic acid synthesis through an alternative metabolic route, aiming the studies of both the steady state and dynamic behavior of the process. To investigate the parameters interactions as well as to identify the parameters with the most significant impact on the model experimental design was used and operational parameters were optimized. The purpose is to understand the process and to present an alternative methodology for its production. From of the developed models was possible to obtain the concentration profiles of the process components main. After identified the influence of the operational, kinetic and design parameters about the process, the operational parameters were optimized through the application of the response surface methodology and the successive quadratic programming optimization method. With the optimization of parameters was possible to find out the optimal operational conditions and thus to increase the yield and acrylic acid concentration as well as to perceive the limitation of optimization methods used. In the models with structured kinetic were applied control strategies, where was possible to operate the bioreactor safe and efficiently as well as to increase the acrylic acid final yield. With the realization of this work, it follows that the models developed consist of a set of interesting tools to predict and investigate the behavior of the acrylic acid synthesis by fermentative process, whereas in the literature are not yet available works about modeling of the acrylic acid synthesis from fermentative routes, as well as can to serve as support for studies of genetic manipulation aiming at to obtain microorganisms with capacity to produce acrylic acid in competitive economically conditions Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Esta tese propõe a aplicação de Lógica Fuzzy para a modelagem de um processo de polimerização de eteno em baixa pressão para predição de propriedades de qualidade. O software de modelagem é inovador com relação à questão de relacionar como variável de saída, características da qualidade e de desempenho das resinas a partir de condições de síntese. Adicionalmente, foram propostos modelos de correlação semi-empírica de propriedades das resinas em estudo. As propostas apresentadas possibilitam o uso de simulações para obtenção de respostas rápidas, tendo aplicação em ambiente industrial Abstract: This thesis proposes an application of the Fuzzy Logic the modeling of an ethane low pressure polymerization process to predict properties related to quality. The modeling software is innovative with regard to the question of correlate out variables concerning to quality characteristics to synthesis conditions. Additionally, correlations semi-empirical models have been considered to predict resin¿s properties. The presented proposals enable the use of simulation for the attainment of fast answers for the use in industry Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: A utilização de reatores catalíticos de leito fixo nas indústrias químicas, e a necessidade de otimização e controle dos mesmos, motivaram o estudo de modelos dinâmicos e técnicas de controle, como a utilização de controladores "Feedback­Feedforward", funcionando simultaneamente. Na prática, muitos sistemas de controle "feedforward" são implementados usando sistemas de controle "ratio". O controlador "feedforward" controla as grandes e freqüentes perturbações mensuráveis e o controlador "feedback" controla quaisquer desvios que ocorram no processo devido às imprecisões do controlador "feedforward" ou outras perturbações não mensuráveis, como as alterações internas devido à desativação de catalisador. O projeto inicial do controlador "Feedback-Feedforward" foi feito através de um modelo empírico de 23 ordem obtido pelo planejamento fatorial, que apresentou "offsets" na variável controlada, mas boa previsibilidade para a variável manipulada. A construção de um novo controlador Estatístico-PID foi sugerida, de forma a eliminar os problemas anteriores e aproveitar a previsibilidade do modelo empírico através de um modelo dinâmico utilizando a lei de controle do PID em seu algoritmo. Assim, obteve-se um melhor desempenho quando comparado somente ao controlador convencional tipo PID. As variáveis de controle e manipulação foram escolhidas através de uma análise do comportamento dinâmico do reator em malha aberta, as quais permitiram a manutenção ou obtenção de um novo estado estacionário desejado. Para esta análise das variáveis também foram utilizadas técnicas estatísticas, como o planejamento de experimentos fatorial, que mostrou seus efeitos e suas interações. Como caso estudo, será considerada a oxidação do etanol a acetaldeído tendo como catalisador o Fe-Mo, cujos dados operacionais são conhecidos. O comportamento dinâmico do reator catalítico de leito fixo será descrito pelo modelo proposto por Maciel Filho, 1989. O método de resolução consiste na aplicação do método das Linhas, utilizando-se uma combinação da colocação ortogonal (Villadsen & Michelsen, 1978) na direção radial com o método de Runge-Kutta de quarta ordem para a direção axial Abstract: The use of fixed bed catalytic reactors in the chemical industry, and the necessity of controlling and optimizing these reactors, have motivated the studies of dynamic models and control techniques, such as the use of Feedback-Feedforward controllers, working simultaneously. In practice, several feedforward control systems are implemented using ratio control systems. The feedforward controller controls the big and fi'equent perturbations and the feedback controller controls any deviation that occurs in the process due to the feedforward controller imprecision, or other non-measurable perturbations, such as internal modifications due to catalyst deactivation. The first "Feedback-Feedforward" controIler design was done using a 2nd order empirical model obtained fi'om a factorial design that produced offsets in the controIled variable, but good predictability for the manipulated variable. The development of a new Statistical-PID controIler was suggested, to eliminate the problems of the first and take advantage of the predictability of the empirical model through a dynamic model using the PID controllaw in the algorithm. In this way, a better performance was obtained when compared only to the conventional controIler oftype PID. The control and manipulated variables were chosen through an analysis of the dynamic behavior of the reactor in open loop, which permits the maintenance or a new desired steady state. Statistical techniques, such as factorial planning experiments, were used for the analysis ofthese variables in order to obtain their effects and interactions. As case study, the oxidation of ethanol into acetaldehyde over Fe-Mo catalyst wiIl be considered. The dynamic behavior of the fixed bed catalytic reactor will be described by the model proposed by Maciel Filho, 1989. The solution method consists in the application ofthe Line Method, using the orthogonal collocation (Villadsen & Michelsen, 1978) in the radial direction with the fourth order Runge-Kutta in the axial direction Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Em reações altamente exotérmicas, uma das principais características dos reatores catalíticos de leito fixo está relacionada ao surgimento do ponto quente ou hot-spot, sendo sua prevenção de fundamental importância para o bom desempenho do reator, uma vez que ele pode levar ao aumento excessivo da temperatura no leito catalítico, o que poderia resultar em possíveis condições de instabilidade. Um fator importante para estabelecer limites de estabilidade e que, portanto, deve ser considerado dentro do projeto de reatores catalíticos de leito fixo, está relacionado à escolha da configuração de escoamento do fluido refrigerante. Desta forma, duas novas configurações de escoamento para o fluido refrigerante, empregando simultaneamente as configurações convencionais co-corrente e contra-corrente, são propostas. O objetivo é explorar e analisar a influência de diferentes configurações de refrigeração sobre o comportamento de reatores catalíticos de leito fixo monotubulares e multitubulares através de sua modelagem e simulação, reduzindo assim os efeitos do ponto-quente sobre o comportamento estacionário do reator. O emprego de modelos multitubulares é essencial quando existe a necessidade de se considerar detalhadamente todos os aspectos relacionados ao projeto mecânico do reator e também onde as interações existentes entre os tubos forem importantes. Dentre as configurações de refrigeração empregadas estão as formas convencionais, denominadas co-corrente e contra-corrente, e também as configurações mistas, que utilizam ambas as formas convencionais simultaneamente. Como caso de estudo é considerada a reação de oxidação parcial do benzeno em anidrido maleico sobre catalisador de pentóxido de vanádio (V2O5), a qual apresenta equações de taxa complexas e é altamente exotérmica, e representa uma importante classe dentro dos processos industriais. Para tanto foram desenvolvidos softwares escritos em FORTRAN 90 capazes de permitir ao usuário o estudo de diversas configurações de refrigeração e diferentes condições de operação e de projeto, tanto para o reator monotubular quanto multitubular, sendo ainda compatíveis com outras reações de interesse industrial, o que torna os procedimentos e a metodologia desenvolvidos de uso geral Abstract: One of the main characteristics of fixed bed catalytic reactors when high exothermic reactions are carried out is the presence of the hot-spot. Prevention of hot-spot appearance is extremely important for good reactor performance, since it can lead to an excessive increase in reactor bed temperature, which could result in unstable conditions. An important factor to establish stability limits and, therefore, to be considered during the fixed bed catalytic reactor design is the choice of the coolant flow pattern. In doing so, two new coolant flow patterns are purposed using both co-current and counter-current conventional configurations simultaneously. The main objective is to explore and analyze the influence of different cooling modes on the monotubular and multitubular fixed bed catalytic reactors behavior through their modeling and simulation, reducing in this way the effects of the hot-spot on the steady state reactor behavior. The use of multitubular models is essential when there is a need to consider in detail all aspects related to the reactor mechanical design and also where the interactions between tubes are important. Among the cooling modes used are the conventional flow patterns, called co-current and counter-current, and also the mixed flow patterns, which use both conventional forms simultaneously. As a case study, the reaction of partial oxidation of benzene to maleic anhydride over a vanadium pentoxide catalyst (V2O5) is considered, which presents complex rate equations, is highly exothermic, and represent an important class of industrial processes. Bearing this in mind, FORTRAN 90 softwares that permit the user to study different cooling modes and various operational and design conditions for both mono-tubular and multitubular reactors were developed. These softwares are compatible with other reactions of industrial interest, which makes the procedures and methodology developed for general use Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: O principal objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de um software para reconciliação de dados, detecção e identificação de erros grosseiros, estimativa de parâmetros e monitoramento da qualidade da informação em unidades industriais em estado estacionário e dinâmico. O desenvolvimento desse software focalizou atender aos critérios de modularidade, extensibilidade e facilidade de uso. A reconciliação de dados é um procedimento de tratamento de medidas em plantas de processos necessário devido ao fato da inexorável presença de erros aleatórios de pequena magnitude associados aos valores obtidos dos equipamentos de medição. Além dos erros aleatórios, por vezes os dados estão associados a erros de maior magnitude e que constituem uma tendência, ou viés. Erros desta natureza podem ser qualificados e quantificados por técnicas de detecção de erros grosseiros. É importante para aplicação de subrotinas de otimização que os dados sejam confiáveis e livres de erros tanto quanto possível. A tarefa da remoção destes erros através de modelos previamente conhecidos (reconciliação de dados) não é trivial, já sendo estudada no campo da engenharia química nos últimos 40 anos e apresenta uma crescente quantidade de trabalhos publicados. Contudo, uma parte destes trabalhos é voltada para aplicação da reconciliação sobre equipamentos isolados, como tanques, reatores e colunas de destilação, ou pequenos conjuntos destes equipamentos e não são muitos os trabalhos que utilizam dados reais de operação. Isto pode ser atribuído à dimensão do trabalho computacional associado ao grande número de variáveis. O que se propõe neste trabalho é tomar partido da crescente capacidade computacional e das modernas ferramentas de desenvolvimento, provendo uma aplicação na qual seja facilitada a tarefa de descrever sistemas de maior dimensão, para estimar dados de qualidade superior, em tempo hábil, para sistemas de controle e otimização. É importante frisar que a reconciliação de dados e a detecção de erros grosseiros são fundamentais para a confiabilidade de resultados de subrotinas de otimização e controle supervisório e também pode ser utilizada para a reconstrução de estados do processo Abstract: The main goal of this work was the development of software for data reconciliation, gross errors detection and identification, data reconciliation, parameter estimation, and information quality monitoring in industrial units under steady state and dynamic operation. The development of this software was focused on meeting the criteria of modularity, extensibility, and user friendliness. Data reconciliation is a procedure for measurement data treatment in process plants, which is necessary due the fact of the inexorable presence of random, small magnitude errors associated to the values obtained from measurement devices. In addition to the random errors, sometimes data are associated to major magnitude errors that lead to a trend or bias. Errors of this nature can be qualified and quantified through gross errors detection techniques. It is important for optimization routines that data are reliable and error free as much as possible. The task of removal of these errors using previously known models (data reconciliation) is not trivial, and has been studied for the last 40 years in the field of chemical engineering, showing an increasing amount of published works. However, part of these works is devoted to applying data reconciliation over single equipment, such as tanks, reactors, distillation columns, or small sets of these equipments. Furthermore, not much of this published work relies on real operation data. This can be regarded to the dimension of computational work associated to the great number of variables. This work proposes to take advantage of increasing computational capacity and modern development tools to provide an application in which the task of higher dimension systems description is accomplished with ease in order to produce data estimates of superior quality, in a suitable time frame, to control and optimization systems. It is worthwhile mentioning that data reconciliation and gross error detection are fundamental for reliability of the results from supervisory control and optimization routines, and can be used also to process state reconstruction Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Essa tese encontra-se focada na simulação e otimização de um reator de leito fixo com catalisador de prata para oxidação do metanol a formaldeído, utilizando técnicas de inteligência artificial (algoritmo genético e redes neurais artificiais). O formaldeído é um importante intermediário químico utilizado principalmente na produção de adesivos ou resinas empregados em vários segmentos de mercado. A sua produção pelo processo ¿Prata¿ encontra-se em desvantagem frente às novas plantas construídas com o moderno processo ¿Formox¿, catalisado por óxido de ferro-molibdênio, por apresentar menor desempenho e possuir poucas ferramentas que permitam melhorar o processo. Poucos modelos cinéticos são encontrados na literatura para o processo Prata, inadequados para a simulação do reator sob condições industriais. Há falta de dados cinéticos de qualidade para o desenvolvimento de equações da taxa e existem dificuldades experimentais em obtê-los sob condições industrialmente relevantes. Um simulador híbrido foi desenvolvido para o reator de formaldeído, empregando-se um modelo determinístico baseado na equação diferencial de balanço de massa aplicado sobre o leito fixo e uma rede neural artificial para modelar a cinética da reação, implementada como uma sub-rotina no simulador. Como dados cinéticos não se encontravam disponíveis para o ajuste da rede neural (treinamento), essa operação foi realizada através de três abordagens, usando uma associação de algoritmos genéticos e métodos de treinamento tradicionais para a rede neural, de modo a utilizar dados de processo (conversão e seletividades), amplamente disponíveis na literatura e facilmente mensuráveis em operações industriais. Tendo a rede neural sido treinada através das três abordagens apresentadas, o simulador foi capaz de estimar adequadamente o desempenho do reator, validado em comparação com dados experimentais obtidos da literatura e dados industriais. Várias simulações foram realizadas para determinar as influências de importantes variáveis operacionais no desempenho do reator, como temperatura, vazão de ar, vazão de metanol, vazão de água e tempo de residência, apresentando de forma gráfica informações fundamentais para a comunidade industrial e científica. Os resultados obtidos foram discutidos com base no mecanismo da reação e trabalhos publicados na literatura. A otimização do reator, utilizando-se o simulador validado, foi realizada através de dois métodos: algoritmo genético e SQP. O SQP foi empregado como referência nessa comparação, tratando-se de um método clássico de otimização, baseado em gradientes. Demonstrou-se que, dependendo da estimativa inicial, o SQP pode convergir para um ótimo local, muito distante do global e que o algoritmo genético sempre convergiu para o ótimo global, não dependendo de estimativas iniciais. A melhor abordagem, no entanto, mostrou ser a associação dos dois métodos para obter maior precisão com menor tempo computacional. As técnicas de inteligência artificial (redes neurais e algoritmo genético) foram perfeitamente empregadas em conjunto com equações determinísticas, gerando modelos híbridos. A modelagem da cinética da reação, bem como do reator de formaldeído foi bem sucedida, validada em diversas situações. Vários casos foram estudados, indicando a condição de operação otimizada para cada, o que permitirá às plantas de prata definir as melhores políticas operacionais para minimizarem os custos com o consumo de matéria -prima Abstract: The focus of this Thesis is the simulation and optimization of a silver catalyzed fixed-bed reactor for the oxidation of methanol to formaldehyde, using artificial intelligence techniques (genetic algorithm and artificial neural networks). Formaldehyde is a key chemical intermediate used mainly in the production of adhesives and resins for several market segments. Its production by the ¿Silver¿ process is behind new plants operated with the modern ¿Formox¿ process, catalyzed by ironmolybdenum oxide, as far as performance and optimization tools are concerned. A few kinetic models are found in literature for the Silver process but they are inadequate to simulate the reactor at industrial conditions. Lack of good quality available kinetic data makes difficult the development of rate equations and new data is not easily obtained due to constraints to run experiments at relevant industrial conditions. A hybrid simulator was developed for the formaldehyde reactor, using a deterministic model based on differential mass balance equation over the fixed-bed, and a neural network to model the reaction kinetics, implemented as a sub-routine in the simulator. As kinetic data were not available for the neural network fit (training), this operation was performed through three approaches, using an association of genetic algorithms and classical training methods, employing process information (conversion and selectivity), widely available in literature and easily measured by industrial plants. After training the neural network through the three presented approaches, the simulator was able to properly estimate the reactor performance, which was validated by comparison with literature experimental data and industrial data. Many simulations were run in order to clarify the influences of important operational variables (temperature, air flowrate, methanol flowrate, water flowrate and residence time) on the reactor performance, presenting the results in graphic format. The discussion was carried out based on the reaction mechanism and literature work, adding value to the industrial and scientific community. The reactor optimization, using the validated simulator, was made by two methods: genetic algorithm and SQP. SQP was used as a reference, consisting in a classical optimization method, gradient-based. It was demonstrated that SQP may reach a local optimum, far from the global one, depending on the initial estimate. The genetic algorithm, differently, always converged to the global optimum, not depending on initial estimates. The best approach, however, was the association of both methods in order to obtain best precision with shorter computing times. The artificial intelligence techniques (neural network and genetic algorithm) were perfectly employed here together with deterministic equations, producing hybrid models. The kinetic modeling of the chemical reaction, as well as the reactor modeling, was successful, validated in several situations. Many cases were studied, indicating the optimized conditions for each one, whose conclusions will allow Silver plants to define the best operational policies to minimize costs with raw material consumption Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Para o desenvolvimento de novas resinas poliméricas ou para a melhoria da qualidade de resinas já existentes, usualmente realizam-se experimentos em escala industrial ou em planta piloto. Entretanto, tais práticas são altamente imprecisas, demoradas, caras e levam à formação de produtos fora de especificação. Ferramentas baseadas em modelos matemáticos são alternativas atraentes para contornar essas desvantagens e, portanto, o incentivo para o desenvolvimento de políticas operacionais ótimas para os reatores de polimerização tem crescido muito nos últimos anos. Neste escopo, o presente estudo aborda o projeto de resinas de polietileno com propriedades feitas sob medida, as quais compreendem não apenas as médias da distribuição de peso molecular (DPM), mas também toda a DPM, já que algumas propriedades de uso final são melhores correlacionadas com certas frações da DPM. O caso de estudo é a polimerização do eteno em solução com catalisador Ziegler-Natta, que ocorre em uma série de reatores agitados e tubulares contínuos. Devido à presença de dois tipos de reatores, diversas resinas podem ser produzidas. Inicialmente, são realizados planejamentos fatoriais tipo Plackett-Burman para determinar as variáveis mais importantes, e portanto que devem ser consideradas como variáveis de decisão na futura otimização. Além disso, planejamentos fatoriais completos e superfícies de resposta permitem uma fácil identificação de comportamentos não lineares e um melhor entendimento do processo. Dois métodos diferentes de otimização são utilizados: algoritmos baseados em SQP (sequential quadratic programming) e algoritmo genético. No primeiro método, o processo é modelado como um sistema multi-estágio no estado estacionário, de modo que métodos de otimização dinâmica ou controle ótimo são adequados para resolver o problema ao se considerar a coordenada axial do reator tubular como variável independente ao invés do tempo. Ambos os métodos de otimização mostram ótima predição das propriedades desejadas do polímero, sendo que a performance do algoritmo genético melhora quando a solução da otimização baseada em SQP é incluída na população inicial. Abstract: In order to design new polymer grades or to improve the quality of existing polymer resins, usually pilot plant or industrial scale experiments are carried out. Such practices, though, are highly imprecise, time delayed, result in high costs and lead to off-spec products. Model based tools present an attractive alternative to overcome such disadvantages and therefore, in recent years, there is an increasing incentive to develop optimal operating policies for polymeric reactors. Whithin this scope, the present study approaches the design of polyethylene resins with tailored properties that comprehend not only average properties, but also the whole molecular weight distribution (MWD), since some end-use properties are better correlated with certain fractions of the MWD. The case study is the ethylene polymerization in solution with Ziegler-Natta catalyst, which takes place is a serie of continuous stirred and tubular reactors. Due to the presence of two types of reactors, a broad range of polymer resins can be produced. Initially, Plackett-Burman designs of experiments is carried out in order to ascertain the most important variables that should be considered as degrees of freedom for the future optimization. In addition to that, complete factorial designs and surface responses allow for an easy identification of nonlinear behaviors and a better understanding of the process. Two different methods are employed for the optimization: SQP based algorithms and genetic algorithm. For the former, the process is modeled as a multi-stage system at the steady state, in such a manner that optimal control tools are suitable to solve the problem if the axial coordinate of the tubular reactor is the independent variables, replacing time. Both methods present good prediction of the desired polymer properties and the performance of the GA improves when the solution of the SQP optimization is included in the initial population. Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Estudos demonstram que a expectativa de crescimento do consumo de papel e baixo custo de produção no Brasil pode tornar a indústria de celulose e papel do país a maior geradora de negócios neste ramo internacionalmente. O processo de produção de celulose é complexo, e apesar de muito estudado ainda há muitas lacunas que precisam ser preenchidas. Por outro lado, as redes neurais são uma solução para a modelagem de processos cujo conhecimento é incompleto ou cuja complexidade dificulta a produção de bons resultados através da modelagem determinística. O objetivo principal desta tese foi a criação de um modelo para a predição do grau de polpação da madeira a partir de dados industriais, utilizando técnicas de modelagem diferentes. O trabalho explorou principalmente a modelagem através de redes neurais, mas também se dedicou à aplicação dos dados industriais a um modelo determinístico e a sua posterior combinação com uma rede neural para o desenvolvimento de um modelo híbrido. A discussão sobre os recursos necessários para a utilização de cada técnica, bem como a comparação entre as diferentes metodologias, suas vantagens e desvantagens, também são assuntos deste trabalho. A Aracruz Celulose SA, a maior fábrica do Brasil, cedeu os dados para o desenvolvimento do modelo. A avaliação de vários modelos encontrados na literatura selecionou o modelo determinístico a ser utilizado. O modelo neural apresenta uma rede "feedforward" treinada com o algoritmo de retropropagação. Inicialmente, os dados industriais foram avaliados e apenas aqueles que mostraram trazer informação relevante foram utilizados. A estrutura e parâmetros da rede foram otirnizados de modo a melhorar a performance do modelo. A combinação do resultado do modelo determinístico com o modelo neural formaram o modelo híbrido. A fábrica não pode ceder o esperado número de conjuntos de dados para o treinamento da rede neural. No entanto, a qualidade dos dados e o rigor com que foram obtidos, conjuntamente com um cuidadoso trabalho de seleção desses dados possibilitaram a busca de soluções para o sucesso do modelo. A alternativa encontrada foi a criação de um novo conjunto de dados, obtidos através de uma curva de correlação dos dados industriais. Apesar do pequeno conjunto de treinamento, a rede neural produziu resultados satisfatórios, onde o erro entre os valores esperados e preditos foram menores que o erro experimental para a determinação de lignina remanescente. O modelo determinístico foi capaz de reproduzir a taxa de deslignificação da celulose no tempo, o que determina o grau de polpação, e portanto foi considerado adequado para a utilização no modelo híbrido. A rede híbrida gerou resultados um pouco melhores que a rede pura, e seu treinamento foi significativamente mais rápido. Um modelo de computação rápida e que reproduza os resultados esperados pode ser implementado em um sistema supervisor ou de controle para funcionar "on-line". Os resultados apresentados mostram que tanto as redes neurais puras quanto os modelos luoridos, quando bem treinados e otimizados, atendem a esses requisitos. Mostram também que é possfvel utilizar variáveis normais de processo, tomando mais viável o desenvolvimento de modelos específicos Abstract: Studies show that the expected growth of paper consumption and low production cost in Brazil may turn its pulp and paper industry into the greatest business generator in this field worldwide. The process to produce pulp is complex, and although it has been extensively researched, there are still many questions to be answered. On the other hand, neural networks may be the solution for processes whose knowledge is incomplete or whose complexity makes it harder to obtain good results with first principIe models. The main goal of this thesis was the development of a model to predict pulping degree using industrial data, with different modeling techniques. It explored mainly neural networks technique, but also did it apply the data into a first principIe model, which was later used for the development of a hybrid mode!. The discussion about the resources required for each technique, as well as the different methods, their advantages and limitations, is part of this work. Aracruz Celulose SA, the largest mill in Brazil, provided the data for the model development. The evaluation of published models set the criteria for the selection of the deterministic model to be used. The neural model presents a feedforward network trained with backpropagation algorithm. After an evaluation of the industrial data, only the variables that showed to carry relevant information were used. The network structure and its parameters were optimized in order to improve model performance. The combination of the result obtained from the deterministic model with a neural network composed the hybrid model. The mill could not provide the expected amount of training data. However, the quality of the data and the rigorous data collection procedure, as well as the careful data evaluation made it possible to search for solutions for a successful model. The alternative was the production of a new data set formed with points of the correlation curve obtained from industrial data. The difference between the expected and predicted values was lower than the experimental error inherent to the lab test for determination of remaining lignin. The fIrst principIe model was able to reproduce delignification rate, which determines the pulping degree, and therefore was considered adequate to be used in the hybrid model. The hybrid network results were slightly better than the ones obtained with the pure net and its training was appreciably faster. A model which is able to reproduce expected results in a timely fashion can be implemented in a control or supervisory system that works on-line. The results showed that when well trained and optimized, both, the pure nets and the hybrid models, fulfill these requirements. They also show that it is possible to use normal process variables, making it more feasible to develop customized models Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Silvia Azucena Nebra de Perez Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Este trabalho refere-se à análise do campo de velocidade do ar e tempo de residência dos sólios em um reator ciclônico. Os estudos são dirigidos para situações distintas daquelas em que esse aparelho é utilizado como separador. Neste caso, o equipamento opera com velocidades baixas, menores do que 10 m/s e com particulados grossos, 'd IND.P > 1/mm. Um conjunto de experimentos foi realizado no intuito de se conhecer melhor a fluidodinâmica no interior do ciclone. Os testes experimentais direcionaram-se à obtenção da distribuição bidimensional das componentes tangencial e axial de velocidade do ar e tempo de residência dos sólidos. Trabalhou-se com diversas condições de alimentação de particulados no seio da corrente fluida junto à entrada do equipamento, na faixa de concentração volumétrica, ¿10 POT.-6¿ < 'C IND.V¿ < ¿10 POT. ¿4¿. Além do estudo experimental, desenvolveu-se um modelo teórico que descreve os campos de velocidade das fases fluida e particulada e o tempo de residência dos sólidos, tendo como base as equações de conservação de massa e quantidade de movimento em sistemas particulados. Essas equações foram resolvidas por um procedimento numérico que acopla o Método das Linhas com um integrador do tipo Runge-Kutta de quarta ordem. Os resultados obtidos apresentaram boa concordância com os experimentais Abstract: This work involves the analysis of the air velocity field and particle residence time in a cyclonic reactor. ln this study the situations are distinct from those where the cyclone is used as a separation equipment. In this case gas velocities are low, less than 10 m/s, and particles are coarse, 'd IND.P > 1mm. A set of experiments were realized in order to verify fluid dynamics in the cyclone reactor. The experimental runs were performed in order to obtain two-dimensional distributions of the axial and tangencial components of air velocity and particle residence time. Particle volumetric concentrations in the fluid feed ranging from , ¿10 POT.-6¿ to ¿10 POT.-4¿ were investigated. A mathematical model describing fluid and particle velocity fields and particle residence time was also developed. The model was based on the conservation equations of mass and momentun transfer in particulate systems. The equations were solved using a numerical procedure involving the methods of lines and the '4 IND TH¿ order Runge-Kutta. The results obtained fiom this model were in good agreement wíth the experimental data Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Laercio Ender Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo:0 objetivo deste trabalho foi desenvolver e avaliar diferentes algoritmos de controle para o processo extrativo de fermentação alcoólica contínua. Para isto foram comparados controladores do tipo preditivo e adaptativo. Para o controle preditivo, foi avaliado o Controle por Matriz Dinâmica (DMC) e foi desenvolvido um algoritmo de controle preditivo baseado em modelo usando redes neurais artificiais (MPC Neural) com aprendizagem em tempo real das redes. Para o controle adaptativo, foi proposto o aperfeiçoamento do algoritmo de controle CONDEG (Controle Neural Direto Baseado no Erro Global) Modificado, desenvolvido por Duarte (2004), O algoritmo está baseado em redes neurais artificiais, com aprendizagem em tempo real, de acordo com as alterações que ocorrem no processo. Os parâmetros de penalização das ações de controle, que são parâmetros de projeto do controlador, foram ajustados ao longo do tempo através da aplicação de um algoritmo do Filtro de Kalman. Para o procedimento de investigação foi utilizada a simulação computacional para o qual todos os algoritmos de controle estudados foram implementados em linguagem de programação Fortran 90 e aplicados a um processo extrativo de fermentação alcoólica contínua para produção de etanol desenvolvido por Silva (1999). O modelo matemático utilizado foi desenvolvido por Costa et al(2001). As simulações em malha fechada realizadas utilizando os algoritmos propostos mostraram melhores resultados para os algoritmos de controle usando redes com aprendizagem ao longo do tempo e que o algoritmo de controle CONDEG Modificado usando filtro de Kalman com fator de velocidade associado foi eficiente e robusto, pois apresentou bons resultados em problemas dos tipos servos e regulador. Abstract: The objective of the present work is to develop and to evaluate the performance of predictive and adaptive controllers, applied to an extractive fermentative process. As predictive controllers the Dynamical Matrix Control (DMC) and a model predictive control based on artificial neural networks with on-line learning were considered. The adaptive controller is an improvement of the Modified Condeg strategy control (Direct Neural Control based on Global Error), developed by Duarte (2004). The strategy is based on artificial neural networks, with on-line learning, according to modifications that occur in the process. The control actions penalization parameters, that are in fact controller design parameters, are on-line adjusted through an algorithm based on Kalman filter. The performance evaluation was carried out through computer simulation with all algorithms implemented in Fortran 90,.As a case study, an extractive fermentation alcoholic process developed by Silva (1999) was taken into account with the mathematical model developed by Costa et. al (2001). The results obtained from closed-loop simulations using the proposed algorithms showed better results for the neural networks with on-line learning. The Modified Condeg wsth Kalman Filter plus velocity factor is efficient and robust for servo and regulatory applications. Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Marcelo de Carvalho Reis Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Laboratórios de pesquisa universitários são ambientes únicos com intensas atividades do conhecimento. Porém, não é raro verificar uma falta de organização sistemática de seus processos de gestão e a integração satisfatória de estratégias, missão, pessoal, infra-estrutura e atividades do conhecimento. Esta tese discute as motivações, necessidades e propõe um modelo de capacidade para a gestão estratégica desse ambiente. O modelo tem por objetivo auxiliar na avaliação e melhoria da capacidade de seus processos e servir como referência na gestão de laboratórios. O modelo é composto de 17 processos divididos em quatro grupos: gestão estratégica, infra-estrutura, gestão do conhecimento, e gestão de pessoal e cultura. Cada processo individualmente é composto de resultados, práticas base e artefatos. Os processos foram criados a partir de levantamento em quatro laboratórios de pesquisa e da literatura em gestão da pesquisa, gestão do conhecimento, modelos para gestão organizacional e modelos de capacidade de processo. O modelo é aderente às especificações da recente norma ISO/IEC 15504 para criação de modelos de capacidade de processo preenchendo uma lacuna na área de modelos de gestão de pesquisa. Cada processo pode ser avaliado individualmente segundo níveis de capacidade (incompleto, executado, gerenciado, estabelecido, previsível, em otimização) de acordo com atributos atendidos. A proposta está em linha com a tendência mundial de estabelecimento de modelos de capacidade de processos para vários domínios do conhecimento. O modelo foi validado em duas diferentes comunidades de gestores de pesquisa: os gestores de pesquisa e os gestores de pesquisa com experiência em melhoria de processos. A proposta atende aos requisitos de que é possível um modelo de capacidade de processos para a melhoria e avaliação dos processos mais relevantes nos laboratórios universitários. A sua contribuição se dá como uma ferramenta auxiliar na gestão estratégica da pesquisa universitária. Como trabalhos decorrentes, há espaço para que esse seja aprimorado com o seu uso mais intenso e às condições, tamanho e foco de cada laboratório ou domínio de atuação Abstract: University Research Laboratory (URLab) is a unique environment that performs knowledge-intensive activities. It is the live cell of research in the university environment. However, it is not rare to observe a lack of systematic organization in its management processes to consider a satisfactory integrated vision associating the strategy, mission, people, culture, infrastructure, and mainly knowledge actions. This thesis discusses the motivations, necessities and the basis of a framework for the strategic management of this environment. The proposed framework intends to assist URLabs to place its strategic management into a higher level of maturity. It is a set of 17 individual processes sorted in four main groups to know: strategic management, infrastructure management, knowledge management, and people and culture. Each individual process includes a scope, outcomes, basic practices, and work products. The framework considers the best practices investigated in some URLabs and the technical and scientific literature on knowledge management, research management, organizational management, and capability models. Each process can be placed in one of the five different hierarchical capability level (incomplete, performed, managed, established, predictable and optimizing), according to attributes fulfilled. The proposed framework uses the architecture and some of the most generic processes of the ISO/IEC 15504-5 International Standard as a reference. The ISO/IEC recently published this suite of standards, composed of five parts that provide definitions and requirements to create capability models. Nowadays, there is a tendency to spread the use of process capability assessment and improvement frameworks for different domains of the knowledge. Therefore, the framework for URLabs is in line with the tenor on process capability models. Two different communities validated the framework: the community of managers of research and the community of researchers with experience in process improvement. This framework intends to be useful as a reference to assess and improve strategic management in URLabs. It can also be useful for funding agencies as a formal mechanism to decide on grants for research, based on the URLabs' management capability profile. It is an open proposal that can be adapted and improved for different classes of URLabs in terms of size, focus, and culture Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: O processo ¿CARE¿ (¿Continuous Adsorption Recycle Extraction¿) é um sistema inovador de purificação de enzimas com grande potencial de aplicação industrial, proposto inicialmente por PUNGOR et al. (1987); é formado por dois estágios, adsorção e dessorção, sendo cada estágio aproximado por um reator perfeitamente misturado. A adsorção é por afinidade e a dessorção ocorre devido às mudanças do meio do estágio de dessorção. O mesmo opera de modo contínuo com o reciclo do adsorvente. A inclusão de um estágio intermediário de lavagem no processo ¿CARE¿ original foi proposta para melhorar as características de purificação, através da eliminação de contaminantes. Este processo é o caso de estudo deste projeto, para o qual desenvolveu-se um modelo matemático representativo através das leis da cinética e de balanços de massa nos estágios do sistema para cada componente. Os parâmetros cinéticos de adsorção e dessorção, para a enzima lisosima, foram obtidos da literatura e se adequam bem ao processo. O modelo apresentado é genérico, podendo ser aplicado para qualquer sistema que disponha dos dados cinéticos necessários. Para o desenvolvimento das estratégias de controle, uma série de simulações são efetuadas visando a familiarização com o comportamento dinâmico e estacionário do mesmo. Dessa forma é implementado um sistema de controle preditivo DMC no processo... Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital Abstract: The ¿CARE¿ process is na innovator system of enzyme purification with large potential of industrial application, firstly proposed by Pungor et al. (1987). The ¿CARE¿ is originally constituted by two stages, adsorption and desorption, each one being approximated by a perfectly mixed reactor. The adsorption stages is by affinity and the desorption stage takes place due to changes in some properties of the system, as pH for instance. The process was analysed. The objective this modification is to improve the purification characteristics, through the elimination of contaminants. In order to achieve the goal of this work, a representative mathematical model was developed using the kinetic laws and the mass balance for each component in the system stages. The adsorption and desorption kinetic parameters for the lisosyme enzyme were obtained in the literature. The model presented in this word is generic, and can be applied for other systems, since the kinetics data for these systems are available. The development of the control strategy for the ¿CARE¿ system was carried out based on a detailed study of the static and dynamic behaviour of the process. A predictive control approach based the DMC concept was designed, together with a traditional controller (PID), responsible for the control of the process purification... Note: The complete abstract is available with the full electronic digital thesis or dissertations Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador : Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: A secagem de enzimas constitui um verdadeiro desafio para a indústria de alimentos, farmacêutica, entre outras. A escolha de um método apropriado de secagem vem despertando o interesse em pesquisas com o intuito de além de preservar sua atividade enzimática original seja economicamente viável. Atualmente a secagem de enzimas é realizada em secadores tipo spray dryer e liofilizador. Na secagem por spray dryer o longo tempo de exposição do material a altas temperaturas pode ocasionar a perda parcial ou total de sua atividade e no caso da liofilização o excessivo consumo de energia, confere ao produto após seco um apreciável aumento no valor comercial. A secagem por microondas a vácuo apresenta como um método viável, pois a sua principal vantagem está sobretudo na exposição do material a um curto tempo a altas temperaturas, o que pode resultar na total preservação de sua atividade, além da redução de custos no consumo de energia, ocasionando um produto de melhor qualidade e economicamente mais barato. Dentre as enzimas utilizadas comercialmente merecem destaque as a-amilases. Elas atuam nos mais variados setores industriais, sendo utilizadas na fabricação de cerveja, bebidas destiladas, desengomagem de tecidos, bem como em suplementos digestivos. Nesta dissertação foi investigada a eficiência do processo de secagem da enzima a-amilase por spray dryer e liofilização frente a secagem por microondas sob condições de vácuo. O material desidratado pelas três técnicas foi analisado quanto à sua atividade enzimática, atividade de água e morfologia. Foi verificado através do planejamento experimental em estrela que a secagem por microondas sob vácuo é influenciada principalmente pela potência; para a secagem em spray dryer a ação da temperatura e da vazão de alimentação foram considerados como fatores importantes na atividade enzimática e na atividade de água; no estudo de secagem por liofilização foi verificado que o método de congelamento não influencia muito na qualidade do produto após a liofilização, sendo que o congelamento com nitrogênio líquido foi o mais apropriado. Através dos resultados obtidos foi verificado que a secagem por microondas a vácuo a pressão e potência moderada (0,63 bar e 550 W) foi similar ao processo de liofilização, porém cabe ressaltar que o produto obtido para ambas as técnicas apresentou pouca solubilidade em água, na liofilização o tempo de processo e o alto consumo de energia pode ser considerado como um fator limitante na escolha desta técnica. Neste caso a secagem por microondas sob condições de vácuo pode ser considerado como um método promissor Abstract: The enzyme drying is a real challenge for the food and pharmaceutical industries among others. The choice of an appropriate drying method has caused an increasing interest in researches with intuits of preserving its original enzymatic activity and making the process economically possible. At present enzymes drying is done in spray and freeze drying. In the spray drying the long period of material exposure to high temperatures can cause a partial or total activity loss and with the freeze drying the excessive energy use gives the product after dry a considerable gain in its commercial value. The drying through vacuum microwaves shows to be a feasible method once its main advantage is about alI in the material' s brief exposure to high temperatures, what helps in its total activity preservation, besides the reduction in energy consumption costs, resulting in a cheaper and better quality product. Among the enzymes used commercially the alpha-amylases is one of great importance. They act in the most different industrial sections, being used in the beer and distilled drinks manufacturing, in desize cotton fabrics as well as for digestive auxiliary. In this work the efficiency of the spray drying and freeze drying techniques for drying the Alpha-amylases enzyme compared to the vacuum microwaves drying technique was considered. The material dehydrated by all the three techniques was analyzed concerning its enzymatic and water activity as well as its morphology. Through the experimental design in star it was seen that drying through vacuum microwaves is influenced mainly by the power. In spray drying the temperature and feeding flow were considered the main influencing factors in the enzymatic and water activity. Finally, through freeze drying it was seen that the freezing method doesn't influence much the product' s quality after the freeze drying and the freezing with nitrogen was considered the most appropriate. The results showed that the drying with vacuum microwaves at moderate pressure and power (0,63 bar and 550 W) was similar to the dry freezing technique, on the other hand the product obtained by both techniques had low solubility in water. In the freeze drying the time necessary and the high energy consumption can be considered as a limitation factor when choosing a technique. In this case the drying through vacuum microwaves is considered a better choice Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Maria Helena Andrade Santana Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Objetivou-se, com o presente trabalho, desenvolver uma sistemática de preparação de inoculo celular de concentração adequada, estudar a influência das condições de preparação de um biocatalisador no comportamento do processo de oxidação do etanol a ácido acético e testar o seu desempenho na fermentação contínua. Dentro deste contexto, realizou-se experimentos envolvendo células do gênero Acetobacter livres e imobilizados em géis hidrofílicos à base de k-carragena, alginato de sódio e pectina cítrica. Os experimento foram conduzidos em frascos agitados e em biorreator de leito fluidizado trifásico não convencional, de geometria cilíndrico-cônica. A estrutura porosa dos suportes foi caracterizada através da permeabilidade de leitos constituídos por partícula de gel. Concluiu-se que tanto a natureza como a preparação da matriz do suporte são muito importantes na atividade e desempenho do biocatalisador. As variáveis envolvidas na imobilização influem conjuntamente no sucesso da fermentação acética, através de fatores físicos, químicos e biológicos. Um compromisso entre elas resultará na otimização do biocatalisador, cujas condições devem ser selecionadas em função da bactéria (muito pequena e pouco resistente à salinidade), aeração (muito intensa), produto (muito ácido) e substrato volátil (etanol). Os experimentos em biorreator demonstraram uma boa estabilidade do biocatalisador e a necessidade do controle eficiente da evaporação do etanol, devido aos elevados níveis de aeração do processo Abstract: In this work, the effects of biocatalysts preparation conditions on the behavior of ethanol oxidation process to acetic acid were studied and a cellular inoculum preparation method was developed. Experiments involving free and immobilized Acetobacter cells in hydrophilic gels containing k-carrageenan, sodium alginate or citric pectin on their composition were carried out in shaking flasks and in a non-conventional three-phase fluidized bed reactor. The porous structure of gels was evaluate by the permeability of beds composed of gel particles. The kind of support and the matrix preparation conditions affect the biocatalyst activity and stability. Due to physical, chemical and biological factors, the variables involved in the immobilization process simultaneously affect the success of the acetic fermentation. The choice of the immobilization conditions should take into account the bacteria (being too small and having low salinity resistance), the aeration demanded (too large), the reaction product (too acid) and the volatile substrate (ethanol). The tests carried out on the bioreactor showed a good mechanical stability of biocatalyst and need of an ethanol evaporation efficient control, due to high aeration levels in the system Mestrado Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: A síntese de controladores representa uma importante vertente dos desenvolvimentos atuais no campo da pesquisa acadêmica e industrial. Um controlador bem projetado pode significar sucesso no que se refere aos objetivos de produção, sendo gerados materiais com as especificações desejadas e proporcionando que o sistema opere sob certas restrições, levando em consideração aspectos relativos à operabilidade, segurança e minimização de resíduos. Para tanto, sabe-se que as etapas de modelagem são fundamentais para a delineação de estratégias de controle. No entanto, a obtenção de representações matemáticas precisas e, ao mesmo tempo, aplicáveis para controle da maioria dos processos de interesse da engenharia química é uma tarefa árdua, devido à presença de comportamentos dinâmicos não lineares e variantes ao longo do espaço e do tempo. Deste modo, busca-se a obtenção de modelos mais simples, porém dotados da imprescindível representatividade inerente aos sistemas de produção, a fim de serem projetadas estruturas de controle adequadas para cada necessidade específica. Este trabalho enfoca o desenvolvimento de um controlador híbrido preditivo baseado em modelos nebulosos (fuzzy) tipo Takagi-Sugeno para processos de polimerização, os quais apresentam dinâmicas altamente complexas e de difícil modelagem matemática, dificultando assim a aplicação de metodologias convencionais de controle. Foram considerados dois casos de estudo para análise de desempenho do controlador proposto: o processo de copolimerização em solução do metacrilato de metila e acetato de vinila, e a copolimerização industrial do eteno/1-buteno com catalisador Ziegler-Natta solúvel. Os modelos fenomenológicos de ambos os processos já se encontram descritos na literatura, sendo considerados como plantas virtuais para geração de dados dinâmicos e implementação do controlador. A partir de simulações computacionais, os modelos dinâmicos nebulosos funcionais foram construídos ¿ os quais demonstraram excelentes capacidades para predição das saídas dos processos como uma função dos dados dinâmicos de entrada ¿ sendo, posteriormente, inseridos na estrutura interna do controle preditivo DMC (Dynamic Matrix Control). A escolha do controlador DMC como base para o desenvolvimento da estrutura proposta deve-se ao fato de sua notória aplicabilidade industrial, aliada à simplicidade de projeto e execução, além de possibilitar a incorporação de restrições nas variáveis controladas e manipuladas. Por fim, foram comparados os desempenhos entre os controladores híbrido e DMC convencional para os problemas regulatório e servo, fornecendo resultados satisfatórios em ambas as situações. Isto demonstra o alto potencial do algoritmo proposto para o controle de sistemas não lineares Abstract: Controller synthesis represents an important slope of recent development in the field of academic and industry research. A well-projected controller may express the success in reference to the aim of production, and it also creates materials with desirable specification and it allows that the system operates under certain restrictions, considering aspects related to operability, safety and minimization of residue. Then, it¿s known that modeling stage is fundamental to delineation of controller strategies. However, the obtaining of precise and applicable mathematical representation to control most of relevant process in chemist engineering is an arduous task, because of the presence of nonlinear dynamic behavior and space-time variation. Therefore, it searches obtaining of simplier models, but gifted of essential representativity inherent to production system, because of this suitable control structure to each specific necessity projected. This work focus on the development of predictive hybrid controller based on fuzzy models, type Takagi-Sugeno, to process of copolymerization, that present high complex dynamic and hard mathematical modeling, what is also difficult to apply conventional methodologies of control. Two study cases that present analyze of purpose controller were considered: the process of copolymerization in solution of methyl methacrylate and vinyl acetate, and industry copolymerization of ethene/1-butene with Ziegler-Natta catalyzation. The phenomenologic models of the two processes have already described in relevant literature, and they are considered as virtual plants to create dynamic data and controller implementation. Based on computer simulation, functional dynamic fuzzy models were made ¿ they demonstrate excellent capacity to output prediction in process as a function of input dynamic data ¿ and they are, subsequently, inserted in an internal structure of DMC (Dynamic Matrix Control) predictive control. The choice of DMC controller as the base to development of proposal structure is responsible to the fact of its well-known industry applicability, allied to simplicity of the project and execution, beyond it makes possible the incorporation of restrictions in controlled and manipulated variables. Finally, the performance between hybrid controller and conventional DMC to regulatory and servo problems were compared, and it supplies satisfactory results in both situation. It demonstrates high potential of propose algorithm to control nonlinear system Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Aline Carvalho da Costa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Neste trabalho, pretende-se estudar a modelagem híbrido neural de um processo de fermentação alcoólica. O objetivo é desenvolver de forma simples e rápida modelos que sejam capazes de descrever as características mais representativas do processo, podendo ser usados para otimização, controle ou como software sensors. Para isso, combinam-se as equações de balanço de massa do processo com redes neurais, que descrevem a cinética desconhecida. São estudadas medidas secundárias, como turbidez, pH e Brix como entradas para a rede neural artificial. São usados dados experimentais por COSTA (2000) e ATALA (2000). Os resultados referentes à organização e análise dos dados experimentais e estudo das rede neurais do tipo feedforward, bem como o desenvolvimento do modelo ht'brido usando variáveis primárias e secundárias, são apresentados. Neste trabalho, são estudadas técnicas de otimização do processo de fermentaçãc alcoólica. Com este objetivo os conceitos de planejamento fatorial são usados aplicados à simulação para determinar faixas operacionais adequadas e um modelo do processo. Este modelo, juntamente com o modelo deterministico detalhado, são usados para otimizaçãc empregando-se a metodologia das superncies de resposta e programação quadrática sucessiva. Os resultados são comparados Abstract: In this work the neural hybrid modeling of an alcoholic fermentation process is studied. The objective is the simple and fast deve!opment of models capable to describe the most representative features of the process, being able to be used for optimization, control or as software sensors. For this, the mass balance equations of the process are combined with neural networks, which describe the complex kinetic. Secondary measures as turbidity, pH and Brix are also studied as input data for the artificial neural networks. From an experimental study, COSTA (2000) and A T ALA (2000), the necessary data were obtained. The referring results to the organization and analysis of the experimental data and feedforward neural network study, as well as the hybrid mode! deve!opment using primary and secondary variables, are presented. Techniques of alcoholic fermentation process optimization are studied. Wíth this objective the concepts of factorial design are applied to the simulation to determine adequate operating bands and a process mode!. This mode_ with the detailed deterministic mode!, is used for optimization using the response surface methodology and successive quadratic programming. The results are compared. Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Este trabalho descreve alterações significativas do programa computacional, DENZ, o qual é aplicado para o estudo das conseqüências de lançamentos acidentais de grandes quantidades de gases pesados, isto é, gases tóxicos e inflamáveis mais pesados do que o ar. Contém também uma discussão das razões da importância deste estudo e descreve as características e o comportamento dessas substâncias. Com estas alterações é possível rodar o programa computacional em microcomputadores. A característica mais importante na dispersão destes gases é o fenômeno do afundamento gravitacional. Esta importante característica pode levar a rápida formação de nuvens tóxicas que podem afetar pessoas que estão nas proximidades ou no sentido do vento. A segunda e importante característica de dispersão de gás denso é que, quando o afundando termina, a ação da turbulência atmosférica dilui a nuvem de tal modo que a taxa de crescimento da altura de nuvem é consideravelmente pequena, se comparada com uma pluma passiva. Isto significa que, a entrada de ar no cilindro gasoso formado é suprimida na presença de um gradiente de densidade. Como a nuvem é diluída e mais fresca, as diferenças de temperatura com os arredores são menores e a densidade se aproxima do ar circunvizinho. Desta forma ela pode ser tratada como um gás passivo, e no momento apropriado, pode ser tratada como uma ¿pluma convencional¿ que usa modelos padrões de dispersão atmosférica. A predição correta e o entendimento do fenômeno da dispersão de gases densos representa uma poderosa ferramenta para a tomada de decisões, como também pode ser empregada no treinamento de pessoas em situações emergências nas fábricas Abstract: This work describes significant alterations in the computer code, DENZ, which is applied to the study of the consequences of accidentally releasing large quantities of heavy, i.e. havier than air, toxic or flammable gases to the atmosphere. lt also contains a discussion of the reasons why the study of such substances is necessary and describes the characteristic features of their behaviour. With this alterations it is possible to run the computer code in a microcomputer PC, including the additionals graphical facilities as well as friendly interface. The most interesting characteristic of the dispersion of such type of gas is the phenomenon of gravitational driven slumping. This important feature can lead to the rapid formation of toxic clouds which may affect people standing close to the release or even upwind. The second and important feature of dense gas dispersion considered is that, once slumping is terminated, the action of atmospheric turbulence dilutes the cloud in such a way that the rate of growth of the cloud height is considerably smaller than that expected for a passive plume. This means that the entrainment of air is suppressed in the presence of a density gradient. As the cloud is diluted and becomes warmer, due to heat transfer with the surrounding, its density approaches that of the surrounding air. lt becomes increasingly like a passive gas, and, in due course may be treated as a ¿conventional¿ plume using standard models of atmospheric dispersion. The predictions allow the understanding of the dispersion phenomenon on dense gases and represent a powerfull tool to take decisions as well as can be employed in personnel training in factory emergency situations Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Mestrado

Orientadores: Liliane Maria Ferrareso Lona, Fabiano Andre Narciso Fernandes Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: : A polimerização a alta pressão em reator autoclave é uma das tecnologias empregadas na produção de polietileno de baixa densidade (PEBD) empregam altas temperaturas, que podem variar de 150 a '300 GRAUS¿C, e altas pressões, até 3000 atm. Neste trabalho de mestrado foi desenvolvido um modelo matemático dinâmico para um reator de polimerização do tipo autoclave que opera em uma planta industrial no pólo petroquímico de Camaçari ¿ BA. O reator é dotado de múltiplos pontos de alimentação de monômero e de iniciador e possui um potente agitador, o que provoca uma natureza recirculante dentro do reator. De forma a considerar a mistura imperfeita, o reator é dividido em diversas seções. Cada seção é idealizada por um modelo de escoamento composto por um segmento de mistura perfeita, CSTR, e um segmento de mistura imperfeita, PFR. O segmento CSTR considera os pontos próximos das alimentações, enquanto que o PFR considera o resto da seção. Balanços de massa e de energia são realizados para cada segmento do reator. O método dos momentos foi utilizado para a caracterização das propriedades médias do polímero formado. Controladores do tipo PID foram implementados para controlar a temperatura e manter o reator em um ponto instável de operação. O conjunto de equações diferenciais e algébricas para cada segmento foi resolvido simultaneamente. Os resultados da simulação do modelo foram comparados com dados industriais e bons resultados foram obtidos Abstract: High-pressure polymerization in autoclave reactors is one of the most currently technologies used for production of polyolefins, particularly polyethylene. Pressures until 3000 atm and temperatures covering the range from 150 to '300 DEGREES¿C are usually employed in this system. In the present work high-pressure ethylene polymerization process to produce low-density polyethylene (LDPE) have been considered. In this work was developed a dynamic mathematical model for an autoclave polymerization reactor that operates in an industry in Brazil. The reactor comprises multiple feed points of monomer, initiator and a powerful agitator, which cause a recirculating nature inside the reactor. In order to consider the imperfect mixing, the reactor is divided into several sections (reaction zones). Each sections is idealized as composed by segments: one CSTR and one PFR segment accounts for the imperfect mixing region. Mass and energy balance are given for each segment of the reactor. The method of moments was used to characterize the average properties of the polymer produced. PID control was used to maintain operation on an unstable steady state point. The set of differential and algebraic equations (for all segments) was solved simultaneously. The results were compared with industrial data and good agreement was obtained. Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: o assunto principal deste trabalho é o desenvolvimento e a aplicação da técnica de controle avançada preditiva DMC (Dynamic Matrix ControI) a um processo fermentativo contínuo de múltiplo estágios com reciclo de microorganismos, de porte industrial. O processo fermentativo considerado neste trabalho apresenta fortes não linearidades, características de sistemas distribuídos, as quais juntamente com a presença de atraso nos instrumentos de medida da concentração de açúcares dificultam muito a qualidade das ¿ações do controlador. Não se verifica na literatura trabalhos aplicando esta técnica de controle avançado (DMC) a esta importante classe de processos encontrados na Engenharia Química. A motivação para o emprego dos controladores DMC deu-se pela grande potencialidade apresentada por este algoritmo para os mais variados sistemas, inclusive considerando-o como um dos mais populares para aplicações industriais. Desta forma o presente trabalho objetivou analisar o comportamento dinâmico deste processo, definir malhas de controle, estudar e aplicar a estratégia de controle avançado preditivo DMC, tanto na forma regulatória como supervisória e comparar o desempenho deste com os obtidos utilizando-se a estratégia de controle clássica PID. O conjunto de atividades realizadas, que possibilitaram o desenvolvimento e a implementação do algoritmo preditivo DMC, pode ser considerado como um procedimento metodológico para o projeto e sintonia desta classe de controladores Abstract: The main subject of this work is the application and development of the advanced predictive control strategy, DMC 'Dynamic Matrix ControI', to an industrial continuous fermentation process in multiple stages with cells recyc1e. This fermentation process presents higher nonlinearities (a characteristics of distributed systems) and time-delay in the measurement analysis of TRS 'Total Reductor Sugars'. These facts make very difficult for the controller to define an efficient action to be taken. It is not easily found in the available literature application of predictive controLlaws for this complex and very important c1ass of chemical process. The motivation to work with DMC controllers is directly linked to the high potentiality shown by this algorithm for various systems, specially considering that this is one of the most popular control strategies in industrial applications. Concluding, the objective was to analyze the dynamic behavior of this process, to define control loops, to study and to apply this advanced predictive control strategy, DMC, to an industrial fermentation processo This was performed in two fashions: in the regulatory way and in the supervisory way. A comparison with the c1assic PID strategy is also presented. The set of the activities, that made possible the implementation of the predictive algorithm DMC, can be considered as a methodology for the design and tuning of this kind of controllers Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Eduardo Coselli Vasco de Toledo Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Mestrado

Orientador: Reginaldo Guirardello Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Esta dissertação apresenta a modelagem e simulação de um reator tipo ¿slurry bubble column¿ que opera em leito fluidizado trifásico (gás-liquido-solido) com arraste de sólidos para promover a hidroconversão de resíduos de vácuo em condições severas de temperatura e pressão. Nosso objetivo foi reproduzir os fenômenos responsáveis pelas paradas típicas de reatores de hidroconversão de leito fluidizado trifásico, que são separação de fases devido a precipitação ds asfaltenos, a deposição de coque na mistura reacional e nos mesoporos do catalisador. A fluidinâmica de baseia na solubilidade de asfaltenos na mistura constituída por destilados saturados aromáticos e resinas. Relacionamos o aparecimento de coque na mistura reacional com a precipitação de asfaltenos. Consideramos que a formação de coque no catalisador se atribui a decomposição dos asfaltanenos na supeficies do catalisador é sumultaneamente com a reação de desmetlalização. A perda de atividade do catalisador é atribida a formação de coque nos mesosporos do mesmo. Uitilizamos métodos numéricos para resolver as equações referentes à perda de atividade . OS resultados mostram que o uso de catalisador diminui a quantidade de precipitados em solução bem como a quantidade de coque produzida em meio reacional Abstract: This work presents the mode1ingand simu1ationof a three-phase catalitic reactor appied to hydrocracking of vacuum residue under severe operational conditions of temperature and pressure. Qur purpose was to mode1the main phenomena responsable for the ffequent stops on the hydrocracking reactor, which are the separationship of phases due precipitation of aspha1tenes,the coke deposition on the reactional mixture as well as in the mesopores of the cata1yst. The fluidynamic was described by the mode1 developed by Carbonell (1996). The mode1ingof the precipitation of asphaltenes was re1ated to the solubility of asphaltenes in a mixture composed by light ffaction, saturates, aromatics and resins. The production of coke on the mixture was re1ated to the precipitation of asphaltenes. The demetalizationwas re1atedto the deposition of coke on the surface of the catalyst. The modelling ofthe 10ssofthe activity of catalyst considers the deposition of coke on the mesopores of the catalyst. The results shown that the use of catalyst decrease theamount of precipitates on the mixture, and the amount of coke in the mixture Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Eduardo Coselli Vasco de Toledo Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Em nível global, a indústria de celulose e papel está começando a experimentar os beneficios dos recentes desenvolvimentos na área de modelagem e controle de processos.Técnicas avançadas de simulação e controle oferecem ferramentas que permitem a análise e o projeto eficiente para processos multivariáveis não lineares e que envolvem o projeto, a inferência, a otimização e o controle automático do processo. A indústria de celulose utiliza cozinhadores, conhecidos como digestores, que são vasos de pressão onde os cavacos de madeira são tratados com licor de cozimento (hidróxido de s ódio e sulfeto de sódio) de composição determinada, a pressão e temperatura estabeleci das, visando a produção de polpa celulósica. Dentro deste contexto, os digestores podem ser classificados como contínuo (Kamyr) e descontínuo (Batch). O objetivo deste trabalho é estudar o processo de obtenção da polpa celulósica a partir da análise dos principais fenômenos fisico - químicos que ocorrem em um digestor kraft descontínuo. As predições a partir do modelo utilizado (Mirams e Nguyen, 1994) permitem a avaliação do comportamento dinâmico e a análise da sensibilidade paramétrica do processo, observando-se quais os parâmetros operacionais e as variáveis do processo que mais influenciam o comportamento do reator. O modelo do digestor descontínuo considera a difusão nos poros da madeira iniciada durante a impregnação dos cavacos. Outra característica do modelo é a sua adaptação de modo a considerar as reações de deslignificação como reações simultâneas de três diferentes tipos de lignina, sendo que a mais reativa reage mais rapidamente. Esta abordagem apresenta um novo ponto de vista para a teoria das três fases da reação, uma vez que seus resultados podem ser interpretados como se a reação de cada lignina fosse responsável por uma fase específica da reação (deslignificação inicial, principal e residual). Com relação à solução do modelo, esta foi baseada no Método das Linhas, a qual consiste na utilização do Método da Colocação Ortogonal para a discretização das equações parciais do modelo. A integração temporal das equações diferenciais ordinárias foi resolvida pelo integrador LSODE, (V asco de Toledo, 1999). Os resultados obtidos pelo modelo reproduziram as principais características dinâmicas do sistema, possibilitando compreender as etapas principais na obtenção da celulose sob determinadas condições operacionais do digestor. Isso permite a sua utilização para estudos de controle, otimização e projeto de reator descontínuos de forma segura e eficiente Abstract: Global1y, the Kraft pulping process is beginning to get use of the benefits of the recent developments in the modeling area and process control. Advanced techniques of simulation and control offer tools that allow the analysis and efficient design of multivariable non-linear process, involving the optimization and the advanced control of the process. The pulp industry uses some equipment named digesters, which are pressure vessels where the chip of wood are treated with cooking liquor (sodium hydroxide and sodium sulfide) with defined composition, established pressure and temperature, aiming to the cellulosic pulp production. In this context, the digesters can be c1assified as continuous (Kamyr) and discontinuous digester (Batch). The aim of this work is to study the production process of the cellulosic pulp from the analysis of the Physical-Chemical Phenomena that occur in a discontinuous kraft digester. The predictions from the considered model (Mirams e Nguyen, 1994) allow the evaluation of the dynamic behavior and the analysis of the parametric sensitivity of the process, observing which is the operational parameter and variable of process that influence the most reactor behavior. The model for a descontinuous digester considers the diffusion into the wood pores initiated during the impregnation of the chips. Another characteristic of the model is its adaptation in order to consider the delignification reactions as simultaneously reactions with three different types of lignin, with the most reactive lignin reacting more quickly. This approach present a new point of view for the theory of three phases of the reaction, interpreting its results as if the reaction qf each lignin was responsible for a specific phase of the reaction (initial delignification, bulk and residual). Regarding the solution of the model it was based on "Line Method", which consist on usaged of Orthogonal Collocation for discretization of the partial differential equations. The temporal integration of the ordinary differential equations was solved by integrator LSODE (Vasco de Toledo, 1999). The obtained results from the model reproduced the main dynamic characteristics of the system, making possible the knowledge of the main stages in the production of the cellulose under determined operational conditions of the digester. These results can them be used in control, optimization and design studies in a safe and efficient way Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Gustavo Paim Valença Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Este trabalho apresenta uma metodologia para a obtenção de um catalisador ótimo utilizando-se de um formalismo teórico denominado BOC-MP "bond order conservation-Morse potential" desenvolvido por Evegeny Shustorovich (1984). Esse método é capaz de predizer a entalpia de adsorção entre moléculas e a superfície sólida do catalisador bem como, a energia de ativação para reações cataIíticas de dissociação ou recombinação. Os valores obtidos pelo método apresentam ótima correlação quando comparados a valores medidos experimentalmente. A partir da estimativa desses valores é possível o estudo da cinética da reação, através da especificação das etapas determinantes, e por conseqüência a escolha de um catalisador ótimo. O sistema escolhido para a aplicação do método é a decomposição catalítica da hidrazina, reação utilizada em tecnologia espacial no controle de atitude de satélites. Reações catalíticas são responsáveis por cerca de 90% da produção química mundial. Especificamente no caso da decomposição da hidrazina há a necessidade da compreensão das etapas de reação de decomposição, que formam, irreversivelmente, compostos de menor peso molecular. A busca de um catalisador ótimo pode representar uma economia ao sistema, visto que o catalisador utilizado hoje para a decomposição da hidrazina consiste em um catalisador de irídio suportado em alumina com 36% em peso de irídio, o que gera um alto custo, pois o irídio possui um valor cerca de dez vezes o do ouro. O interesse na pesquisa desenvolvida neste trabalho é obter metodologia que auxilie o estudo de reações catalíticas com conseqüente redução de custos com experimentos. Tal metodologia deverá atender não somente o caso em estudo, mas também deverá ser extrapolável para outros sistemas pouco conhecidos ou totalmente desconhecidos, ou naqueles em que a realização de experimentos é de difícil execução. Foi possível avaliar a influência do catalisador na energia de ativação de uma determinada etapa. Bem como, determinar três caminhos possíveis para a decomposição. Um primeiro grupo de catalisadores que favorecem a decomposição da hidrazina em nitrogênio e hidrogênio. O segundo grupo que leva a formação de amônia e nitrogênio e por fim, um que gera uma mistura destes produtos Abstract: This work presents a theoretical methodology based on the "bond order conservation and an Morse potentials" to obtain an optimum catalyst, as developed by Evegeny Shustorovich (1984). The method predicts the enthalpy of adsorption of molecules an solid surfaces as well as the activation energy for elementary catalytic steps of dissociation or recombination. The results obtained by the method present a good correlation when compared to experimental results. The results presented here allow the study of the reaction kinetics through the choice of an appropriate determining step and consequently the choice for an optimum catalyst. The method was used to investigate the catalytic decomposition of hydrazine, a reaction used in satellite attitude control. However, the methodology used has a wide scope and may be used for any catalytic reaction. In particular, in the search for an optimum catalyst it is necessary to understand the steps of decomposition through the formation of reversibly adsorbed compounds. The search for an optimum catalysts may represent savings to the system as the catalyst used in the hydrazine is a 36% w/w of iridium supported on alumina and the market price ofIridium can be as high as 10 times that of gold. The purpose of the present research is to obtain methodologies that wiIl allow the planning in the study of catalytic reactions together with experimental results and analysis. This methodology must attend not only the case studied but also other catalytic reactions, in particular those where experiments are difficult to carry out Mestrado Sistemas de Processos Químicos e Informática Mestre em Engenharia Química

Orientador: Maria Regina Wolf Maciel Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Este trabalho descreve a modelagem e otimização efetuada em um processo de síntese de resmas fenólicas novolacas em batelada. Basicamente, a finalidade da otimização é a diminuição da concentração do fenol no efluente, visto ser este um dos maiores problemas do processo, pois a atual concentração encontrada na indústria compreende-se entre 20.000 e 50.000 ppm, o qual é um valor muito alto se levar em consideração a toxidade do fenol. O permitido segundo legislações de diversos países está entre 1 e 0,0 1 ppm, conforme a classificação do emissário receptor. A otimização será, portanto, considerada na etapa de separação. O efluente é basicamente constituído de fenol e água, resultante da reação de condensação entre o fenol, o formol e a água de diluição do formol, sendo este retirado do reator, através de destilação com auxílio de um solvente. Verificou-se que na indústria (Resana S. A. Ind. Químicas), na coluna de destilação que está acoplada ao reator, o refluxo da mesma retoma ao reator. Se o refluxo retomar ao topo da coluna, a concentração do fenol diminuirá, pois a troca de massa será bem, mais efetiva. Este, portanto, é também um ponto a ser explorado na modelagem. Convém salientar que esta modelagem é bastante complexa, uma vez que envolve destilação complexa em batelada e com reação química. Como se trata de uma destilação com características próximas à azeotrópica, há a necessidade de se escolher o melhor solvente para o processo. Alguns solventes foram estudados através de análises termodinâmica, econômica e toxidade dos sistemas água-solvente-fenol. A indústria hoje usa o tolueno como solvente. Para caracterizar o processo, duas modelagens foram feitas, a primeira não considera a reação química do processo e a segunda a considera estequiometricamente. Para solucionar o sistema de equações, foi usado o método de Euler para a prnneira modelagem e o método de Runge Kutta de 4ª ordem para a segunda modelagem. Utiliza-se o método UNIFAC para a predição do coeficiente de atividade nos cálculos do equilíbrio líquido-vapor e para o cálculo do equilíbrio líquido-líquido e a equação do Virial para predizer o comportamento da fase vapor no cálculo do equilíbrio líquido-vapor. Nas simulações foram analisadas o comportamento do destilado (efluente) em relação à variações no processo, verificando-se que a performance foi altamente animadora quando comparada à normalmente encontrada na indústria. Além disso, o ciclohexano foi considerado um dos melhores solventes para a separação da mistura água-fenol Abstract: This work describes the optirnization of a novolac resm synthesis catried out m a batch reactor. Basically, the main purpose of this work is to reduce the concentration of phenol in the efluent, because this is the largest problem in the process, since in the industry the concentration of phenol in the efluent is between 20.000 and 50.000 ppm, wich is a high value if the toxity of phenol is to be considered. The maximum value of phenol according to the legislation of a lot of countries is between 1 and 0.01 pprn, depending on the classification of the emissary. The optimization will be then, considered in the separation stage. The efluent is basically compound by phenol and water, wich is resulting of the condensation reaction between phenol, phormol and the water of dilution of phormol, and it leaves the reactor by distillation adding a solvent. In the industry (Resana S. A. Ind. Químicas) was noted that in the column, wich is acoplated to the reactor, this reflux return to the reactor. If the reflux return to the top of the column, the concentration of phenol wil reduce, once the mass transfer will be increased. Therefore it is a point that will be, also, explorated in the modelling. It is important to say that this modelling is very complex because it involves batch complex distillation with chemical reaction. This distillation has characteristics of azeotropic distillation, then there is necessity to choose the best solvent for the system. Some solvents were studied by thermodynamic, economy and toxity analysis in water-so1vent-phenol systems. Nowadays, the industry applies the toluene as the solvent. To characterize the process, two kinds of modelling were made. In the first chemical reaction was not taken-into account and in the second it was considered. To solve the system of equations, was used the Euler method for the first modelling and Runge-Kutta fourth order in the second. The Unifàc method was used for the prediction of activity coeficient in the liquid phase in liquid-vapor and liquid-liquid equilibria calculations and the Virial equation was used for the prediction of vapor phase in the liquid-vapor equilibria. In the simulations were analysed the behaviour of distillate (efluent) in relation to changes in variables of this process, verifying that the behaviour was very good, mainly when compared to the one normally found in the industry. Furthermore, ciclohexane was considered as the best solvent for the separation of the water-phenol mixtures Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Por representar um importante processo de conversão da indústria petroquímica, o craqueamento catalítico é um dos processos de conversão mais estudados. Nele, moléculas de alto peso molecular são quebradas em moléculas com menor peso molecular, obtendo-se assim produtos economicamente mais desejáveis. Os estudos do processo, de sua modelagem matemática e dos seus sistemas de controle, podem garantir o conhecimento necessário para alcançar condições operacionais ótimas que levem à máxima conversão da carga. Neste contexto, este trabalho teve como objetivos: a pesquisa e utilização de uma modelagem matemática para o conversor FCC (Fluid Catalytic Cracking); o estudo do processo sob influência de um controlador PID clássico, muito utilizado em refinarias; a estruturação de uma rede neural artificial (RNA) e o seu posterior uso como modelo interno de um controlador avançado tipo preditivo desenvolvido a partir dos estudos feitos no processo de craqueamento catalítico. Em paralelo, foi cirada uma ferramenta de simulação que possibilitou o meio mais amigável e prático para realização de todas as simulações necessárias para o desenvolvimento do presente trabalho. O FCCGUI (Fluid Catalytic Cracking Graphical User Interface), nome dado ao simulador, proporciona a escolha de parâmetros de simulação, diferentes estruturas de controle (PID, DMC e MPC - baseado em redes neurais), a visualização de diferentes variáveis manipuladas, controladas e sinais de válvulas e facilidades para perturbar o sistema. Através das simulações foi possível acompanhar o comportamento das variáveis de processo em diferentes condições testadas, realizar a estruturação da rede neural e obter as respostas das variáveis controladas para os dois tipos de controladores estudados. Os resultados obtidos foram bastante satisfatórios, visto que a modelagem matemática escolhida representa bem o sistema e o controlador MPC-Neural desenvolvido se mostrou eficiente, por conseguir manter o processo estável e próximo ao set point, mesmo após a aplicação de perturbações no processo Abstract: Catalytic cracking is one of the most studied conversion processes due its importance in the petrochemical industry. In this process high weight molecules are broken into lighter ones, yielding more economically valuable products. The study about the process, its mathematical modeling, and its control systems may guarantee the necessary knowledge needed to reach optimal operational conditions which lead to maximum load conversion. In this context, the present work thesis has as main objectives the research and use of a mathematical modeling for a FCC (Fluid Catalytic Cracking) conversion unit, the study of the system under PID control loop widely used in refineries, structuring of an artificial neural network (ANN) with its use as an internal model of a predictive control system developed for catalytic cracking. Parallel to this, it was developed a computational tool which in a friendly and practical way made possible to carry out simulations needed to accomplish this work. FCCGUI (Fluid Catalytic Cracking Graphical User Interface), name given to this simulator, allows to choose simulation parameters, different control systems (PID, DMC, and MPC-ANN Based), graphical visualization of many different variables, such as manipulated and controlled variables plus valve signals, also it allows for and easy means for disturbing the system while the simulation continues. Through the simulations it was possible to follow the behavior of many process variables under different tested operational conditions, to structure the neural network, and to obtain controlled variables responses for both types of control systems studied. The obtained results were quite satisfactory since the chosen mathematical modeling represents well the system and the developed MPC-ANN controller showed to be efficient to maintain the process stable and close to the set points even after the introduction of disturbances in the process. Taking all these into account, compared to PID controller, MPC-ANN showed to be less oscillatory and to be more effective Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Jose Claudio Moura Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: A oxidação do hidrogênio em ar sobre catalisador de paládio impregnado em alumina é estudada neste trabalho. O catalisador foi preparado em laboratório através do método de impregnação da espécie ativa do sal precursor 'PdCl IND. 2¿ em suporte de 'alfa¿ alumina extrudada e sinterizada. Os dados cinéticos foram coletados em uma instalação de bancada, com as seguintes partes; Sistema de reação e sistema de análise. O reator utilizado no sistema de reação foi de leito fixo imerso em um banho termostático de óleo de silicone. A coleta dos dados cinéticos foi feita na faixa de temperatura de 110 a '150 GRAUS¿C, com razões molares ar/hidrogênio de 199, 132.33 e 110.11 e vazões de 500-1500 Nml/min de mistura reagente. Os valores pontuais das taxas de reação foram obtidos usando-se o método Spline Modificado de ajuste de curvas. A interpretação dos dados cinéticos foi realizada através do método integral de análise com modelos de ração de oxidação do hidrogênio propostos na literatura e o modelo proposto neste trabalho. Para estabelecer a equação da taxa de reação de oxidação do hidrogênio pelo modelo proposto foi utilizado a sistemática de Temkim. A validade do modelo proposto foi verificada através de tratamento matemático dos dados experimentais coletados utilizando o sistema de programas S.A.S (statistical analysis sistem). Os resultados obtidos demostraram a validade da equação da taxa de reação derivada a partir do modelo proposto na faixa de temperatura usada nos experimentos Abstract: The oxidation of hydrogen in air with a palladium/alumina catalyst is studied in this work. The catalyst was prepared in laboratory through impregnating¿PdCl IND. 2¿ in a support of 'alfa¿-alumina extruded and sisterizied. The kinetic data were collected in a bench scale experimental set up with following parts: feeding system and flow rates measurements, drying system, reaction system and analytic system. The reactor used was of fixed bed immersed in a thermostatic bath of silicone. The kinetic data covered the range of temperature from '110 GRAUS¿C to '150 GRAUS¿C with molar rates air/hydrogen of 199, 132.33 and 110.11 and flow rates of 500 ¿ 1500 Nml/min of the reacting mixture. The punctual values of the reaction rates where obtained with the Modified Spline method. The interpretation of the data was done through the integral analysis of the reaction models proposed in literature and the model proposed in this work. In order to establish the rate equation of the oxidation of hydrogen with the proposed model, it was applied the Temkim systematic. The validity of the proposed model was verified through mathematical treatment of the experimental data using the S.A.S programs. The results showed the validity of the rate equation derived from proposed model within the temperature range Mestrado Mestre em Engenharia Química

Orientador: Maria Isabel Rodrigues Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenhaira de Alimentos Resumo: A maioria dos trabalhos publicados sobre fermentação alcoólica por Saccharomyces cerevisiae apresenta parâmetros cinéticos determinados em condições muito diferentes daquelas praticadas pelas usinas nacionais. Além disso, muitos processos foram estudados em condições isotérmicas não permitindo verificar-se a influência da temperatura no rendimento e na produtividade do processo. Neste trabalho, o objetivo principal foi otimizar as condições operacionais de um processo de fermentação alcoólica usando a metodologia do planejamento fatorial e análise de superfície de resposta, de modo a maximizar o rendimento e a produtividade. Os parâmetros estudados foram: o perfil de temperatura, o tempo de residência, a concentração de células do reciclo e a distribuição de alimentação de mosto entre a primeira e a segunda dorna de fermentação em um sistema constituído por quatro reatores CSTRs ideais, em série, com reciclo de células. Através de simulações por computador, com resolução numérica por Runge-Kutta de quarta ordem das equações diferenciais ordinárias, foram obtidas as respostas de rendimento e produtividade do processo. Os parâmetros cinéticos utilizados na modelagem matemática foram obtidos de literatura, a partir de trabalhos cujas condições experimentais utilizadas foram as mais próximas possíveis da realidade nacional (substrato a partir de cana-de-açúcar, microrganismo isolado de usina e faixa de temperatura dentro das condições climáticas do país). Primeiramente, aplicou-se a metodologia de PLACKETT-BURMAN (1946) para as dez variáveis de processo estudadas, e destas selecionou-se somente parâmetros considerados importantes para cada resposta de modo a serem usados na otimização do rendimento e da produtividade. Após definidas as variáveis importantes para cada resposta, utilizou-se a metodologia do planejamento fatorial e análise de superfície de resposta e verificou-se que com a temperatura da dorna 1 em 34°C, a dorna 2 a 32°C, as dornas 3 e 4 a 30°C, os tempos de residência nas quatro dornas de l,25h, uma distribuição de alimentação de mosto 1:1 entre a primeira e a segunda dorna e uma concentração de células no reciclo de 90 kg/nr5, atinge-se um rendimento de 86,28% (99,1% de conversão) e uma produtividade de 12 g/l.h, o que corresponde a um ganho de 48,16% em relação ao processo não otimizado Abstract: The culture conditions used in most of the works published on alcoholic fermentation with Saccharomyces cerevisiae showed to be different from those used in brazilian destilleries. Besides this, many works were carried out on isothermic conditions so that the temperature effect on yield and productivity couldn't have been verified. In this work the main objective was to optimize the operational conditions of a typical large scale alcohol brasilian plant, using the factorial design and surface analyses technique in order to maximize yield and productivity. The parameters studied were: the temperature profile, residence time, cell recycle concentration and medium feed distribution between first and second stage. The fermentation system consisted of four CSTR's linked in serie, with cell recycle. Through of computer simulation, using the 4th order Runge-Kutta method, the values of yield and productivity were obtained. The kinetic parameters used in the mathematical modeling were obtained from the literature and relating to the specific brazilian fermentation conditions (sugar-cane molasses as substrate, microrganism isolated from industrial plant and the range of temperature). At first, the PLACKETT-BURMAN (1946) serening methodology was performed with ten parameters leading, to the selection of 5 parameters as the most important to optimize the yield and productivity. Further, using the surface response method, the optimal operational conditions was verified as following: the temperature of 34°C for the first stage, at second stage 32°C, at stages 3 and 4, 30°C; the residence time was the same in all stages and equal to 1.25 h; the distribution ratio between the first and second stage was 1:1 and the cell recycle concentration was 90 kg/m3.The process yield and productivity using these parameters values were respectively 86.28% and 12 g/l.h, which means a gain of 48.16% in productivity, compared to a non optimized process with similar yield Mestrado Mestre em Engenharia de Alimentos

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Apresentam-se neste trabalho a modelagem e a simulação de tres modelos matemáticos para reator trifasico, aplicados à reação de hidrogenação do o-cresol. Os modelos são unidimensionais e considerados em estado estacionario. É mostrada a formulação matemática dos modelos, considerado como tubular com fluxo "empistonado". No terceiro modelo o reator é considerado como tubular com dispersão axial. A partir de programas computacionais implementados para a simulação de cada um dos modelos, são mostrados os principais resultados (gráficos e tabelas) os quais indicam a influência dos principais parâmetros sob a performance de cada um deles, permitindo uma comparação entre os tres modelos estudados Abstract: ln this work is presenteel the moeleling anel the simulation for three mathematical models for three-phase catalytic reactor. The models are steadly-state and one-diimensional. The mathematical formulation of the models is shown, by the consieleration of the mass and energy balances. ln the first model the reactor is considered a series of perfectly mixing tanks, in the second the reactor is considered tubular without axial dispersion, and in thelast one consieler the reactor tubular with axial dispersion. By way of the computacional programs has been performed simulations for the three developed models. Are shown the principal results obtained by simulation. The effects of the parameters on the performances are analysed for each type of models Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Dailton de Freitas Rezende Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Até as duas primeiras décadas do século XX, a extração industrial de oleaginosas se fazia, exclusivamente pelo uso de prensas. As prensas, embora extraíssem um óleo de muito boa qualidade, deixavam resíduos no material sólido (torta) superiores, por exemplo a 5% para grãos como o de soja. Tais resíduos além de implicarem em perda de óleo, afetavam a qualidade da torta, que é também um dos produtos efluentes do extrator. A extração por solvente, por outro lado, é capaz de retirar o óleo, deixando resíduos inferiores a 1%. Após a extração, os sólidos são encaminhados ao dessolventizador e a micela (mistura óleo-solvente) ao sistema de destilação, composto por dois evaporadores em série e uma coluna de dessorção (stripping). A unidade de evaporação é uma das que mais demandam energia em uma planta de processamento. Assim, a modelagem matemática dinâmica deste processo com vistas à otimização do consumo energético e à avaliação do desempenho de políticas de controle torna-se um requisito decisivo para operação economicamente viável. O objetivo geral deste trabalho é desenvolver um modelo dinâmico efetuando análises de sensibilidade paramétrica para um evaporador típico da indústria de extração de óleos vegetais, visando a otimização deste processo, ou seja, a recuperação máxima de solvente e o consumo mínimo de energia. A fim de analisar as condições de operação do sistema, propôs-se um modelo matemático do sistema de evaporação com base no de TONELLI et al. (1990), consistindo em balanços mássicos global e de óleo e de balanço energético em torno do sistema de evaporação. O programa simulador foi construído em linguagem FORTRAN. Este programa, a partir de informações tais como temperatura, pressão e concentração de alimentação, assim como de quais são os componentes envolvidos, calcula propriedades termodinâmicas tais como temperaturas de ebulição, capacidades térmicas e entalpias de misturas. Desse modo, um mínimo de informações são requeridas, permitindo simulações rápidas do processo de evaporação. O programa computacional elaborado permitiu simulações rápidas e com baixos erros numéricos para o processo de evaporação do solvente em uma unidade de dessolventização do óleo após extração convencional. Este programa permitiu ainda avaliações de efeitos para os fatores influentes na evaporação. Considerando-se a intensidade das perturbações realizadas e o nível central dos fatores, o fator fração mássica de óleo na entrada foi o que apresentou o maior efeito. Já a velocidade de escoamento do vapor de água de aquecimento foi o fator com o menor efeito no teor de óleo da micela efluente Abstract: Until the two first decades of century XX, the industrial extraction of oleaginosas were carried out exclusively by mechanical process. This process allow to extracted oil of very good quality, but it leads the left residues in the solid material (pie) to be very high, for example 5% for grains as of soy. Such residues besides implying in loss of oil, affected the quality of the pie, that is also one of the effluent products of the extractor. The extraction for solvent, on the other hand, is capable to remove the oil, leaving residues to be smaller (1%). After the extraction, the solids are directed to the dessolventizador and miscella (oil-solvent mixture) to the distillation system. Witch is composed by two evaporators in series and a stripping column. The unit of evaporation is one that demands for high energy consumption in a processing plant. Thus, the dynamic mathematical modeling of this process with sights to the reduction of the energy consumption and to the evaluation of the performance of control politics becomes a decisive requirement for economically viable operation. The general objective of this work is to develop a dynamic model of the process witch allow for parametric sensitivity analyze for a typical evaporator for the vegetal oil industry extraction. The aim is to have a tool for either process optimization or maximum recovery of solvent. The deterministic mathematical model is developed through mass and energy balance equation together with heat and mass transfer parameter correlations. The simulator was build up in FORTRAN. The software uses operational information as feed temperature, concentration and pressure witch allows for the calculation of the thermodynamic properties such as thermal temperatures of boiling, capacities and enthalpies of mixtures. In this way, a minimum of information is required, allowing fast simulations of the evaporation process. Through experimental design procedure applied to the deterministic model was possible to identify the main operational variables effects as well as the impact of the extraction array variables has on the process behaviors. The mass oil fraction in the feed was found to have the largest effect. The speed of the water vapor draining for the heating zone was the factor with the loweit effect in the oil miscella effluent Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: A grande utilização dos reatores catalíticos de leito fixo na indústria química, associado com a necessidade de operação de alta performance requerendo o uso de técnicas de otimização e controle avançado tem motivado o desenvolvimento e o uso de modelos detalhados. As características heterogêneas, causadas devido a presença do sólido e ao fato do sistema ser de parâmetros distribuídos e as equações serem não-lineares, quando analisadas do ponto de vista dinâmico, podem levar a ocorrência da resposta inversa. Sem um modelo detalhado, este tipo de comportamento não pode ser predito de uma maneira segura, o que torna dificil a definição de políticas operacionais ótimas e de controle. A aplicação de um modelo heterogêneo poderia ser uma solução, mas o tempo computacional pode ser proibitivo para aplicação em tempo real. Um modelo dinâmico, bidimensional, pseudo-homogêneo modificado que procura levar em conta, de maneira efetiva, a presença do sólido, é apresentado. A reação de obtenção do acetaldeído através da oxidação do etanol sobre catalisador de Fe-Mo é utilizada como caso estudo, embora o modelo matemático determinístico para representar os fenômenos que ocorrem em um reator de leito fixo não dependa da equação da taxa. O fato da reação ser fortemente exotérmica exige a utilização de reatores resfriados por fluidos refrigerantes, e isto tem de ser considerado no desenvolvimento do modelo matemático do reator. Para a solução das equações do modelo dinâmico, propõe-se um método que consiste em aplicar o método da colocação ortogonal na direção radial e o método de Runge-Kutta de quarta ordem na direção axial e na variável tempo. Entretanto, o modelo dinâmico exige o conhecimento prévio do perfil das variáveis de estado no instante inicial. Deste modo, o modelo estacionário é apresentado como estudo para definir critérios para o modelo dinâmico. Uma extensiva análise sensitiva do reator é feita de modo a se definir critérios seguros de operação, e para isso é estudada a influência das variáveis de operação no comportamento dinâmico do reator Abstract: The development and use of detailed models have been motivated by the great application of a fixed bed catalytic reactor in Chemical Industry and the need of high profile operations that require optimization and advanced controI. The heterogeneous features, caused by the presence of solid particles and due to the fact that this is a distributed parameter system and non-linearity of the equations, when analyzed from a dynamic point of view, may cause to inverse response. Without a detailed model, this behavior can not be predicted in an accurate fashion, therefore the optimum operational and control policies become difficult to be determined. The solution could be the application of a heterogeneous model, however, the running time might be prohibitive for a real time application. A dynamic, two-dimensional, modified pseudo-homogeneous model that considers, effectively, the presence of solids particles is presented. The reaction of obtention of acetaldehyde by the oxidation of ethanol over a Fe-Mo catalyst is used as a study case, although the deterministic mathematical mode! that represents the phenomena that occurs in a fixed bed catalytic reactor does not depend on rate equation. It is necessary to use cooling reactors because the reaction is highly exothermic. This fact was considered in the mathematical model of the reactor. The method proposed to solve the equation of the dynamic model consists on the application of orthogonal collocation for radial direction and fourth-order Runge-Kutta for the axial as well as for the time. However, the dynamic model requires the previous knowledge of state variables profile at the initial time. Therefore, the stationary model is presented as a study to define the criteria for the dynamic model. An extensive analysis of the reactor is performed in order to define accurate operational criteria, and therefore the influence of operational variables in the dynamic behavior in the reactor is studied. Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Com a necessidade crescente de controladores de processos químicos com desempenho cada vez mais precisos tem sido propostas várias estratégias de controle avançado, como por exemplo o Controle Adaptativo, na solução deste problema. No presente trabalho é apresentada uma revisão geral do Controle Adaptativo, das técnicas mais comuns de estimativa de estado e identificação do processo, bem como aplicações dessas técnicas a relevantes processos químicos e biotecnológicos. Apresenta-se um tratamento sistemático tanto para o Filtro de Kalman como para o Filtro de Kalman Estendido (FKE) quando aplicados na estimativa recursiva de estados e identificação de parâmetros de sistemas estocásticos, utilizando a metodologia espaço-de-estados. Como caso estudo, considerou-se o processo de fermentação de cerveja em batelada. Este processo requer a identificação simultânea dos estados do sistema e dos parâmetros do modelo com finalidades de monitoramento automático do meio reacional. Estudou-se a influência do tempo de amostragem, presença de medidas imprecisas, e condições de convergência do FKE. Resultados obtidos por simulação são apresentados e discutidos. Neste trabalho também é apresentada uma metodologia geral para o projeto de controladores adaptativos aplicados a reatores biotecnológicos. Tomou-se como caso estudo o processo contínuo de fabricação de etanol em escala industrial. Os controladores adaptativos foram projetados utilizando as estratégias LQG e variança mínima, ambos na formulação espaço-deestados. Adotou-se um modelo simplificado do processo para finalidades de controle sendo que esse modelo é identificado em tempo real empregando um algoritmo derivado do Filtro de Kalman. Resultados obtidos por simulação mostram que os controladores adaptativos apresentam um melhor desempenho do sistema em malha fechada quando comparado com o desempenho do sistema sob a ação de um controlador clássico PID. Finalmente, apresenta-se um breve tratamento dos problemas a serem considerados no desenvolvimento de algoritmos de controle avançado do tipo adaptativo para colunas de destilação em batelada Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Maria Regina Wolf Maciel, Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Descoberta em 2006, a camada pré-sal é um reservatório de petróleo e gás que se estende ao longo da costa brasileira entre os estados de Espírito Santo e Santa Catarina, sendo muito importante para o País por possuir grandes quantidades de óleo leve de excelente qualidade. Entretanto, vários fatores fizeram com que a sua exploração envolvesse, desde o início, uma série de desafios tecnológicos a serem superados. Entre esses desafios, destaca-se a grande quantidade de gás natural associado com altos teores de CO2 e as altas pressões nas quais as correntes extraídas dos campos de produção são disponíveis. Dada a importância do gás natural como fonte primária de energia, o que é corroborado pelo aumento de consumo desse gás a cada ano, e a legislação ambiental vigente, que não permite a emissão descontrolada de CO2 na atmosfera, torna-se essencial o tratamento do gás natural produzido. Para aplicações offshore, onde o espaço é restrito, existe ainda o interesse de que a separação seja realizada na própria plataforma de maneira que o CO2 separado possa ser reinjetado para aumentar a produção de óleo. Dentro desse contexto, as colunas com leito recheado rotativo (RPB), que aplicam a tecnologia HiGee, são uma opção bastante promissora. Nesse tipo de coluna não convencional, a aplicação de altos campos centrífugos intensifica a transferência de massa e aumenta a eficiência de separação do processo, o que, consequentemente, permite uma grande redução no tamanho dos equipamentos e nos custos de construção e operação. Além disso, esse tipo de coluna é insensível ao movimento sendo, portanto, interessante para aplicações offshore. Por esses motivos, esse trabalho visa desenvolver uma metodologia usando o simulador de processos Aspen Plus® para o projeto de uma RPB, como forma de avaliar o potencial de aplicação dessas colunas de alta eficiência para a absorção de CO2 de correntes de gás natural usando o solvente carbonato de propileno. Para tanto, incialmente foi proposto um modelo matemático que viabilizasse a simulação desse novo conceito de colunas no simulador, uma vez que não existe, nos principais simuladores atualmente disponíveis, um módulo que permita sua simulação direta. Após a implementação do modelo, foi feito o dimensionamento da RPB e, em seguida, um estudo, por meio de planejamento de experimentos, para identificar a influência de algumas variáveis operacionais e de projeto na eficiência de separação. O modelo matemático foi implementado com sucesso e validado por meio teórico, permitindo a obtenção das dimensões da RPB para o caso em questão. O planejamento de experimentos permitiu, inclusive, a obtenção de uma correlação para o cálculo da altura axial e da vazão requerida de solvente, o que mostra que essa estratégia poderia ser utilizada para uma futura otimização do processo Abstract: Found in 2006, the pre-salt basin is an oil and gas reservoir that extends along the Brazilian coast between the states of Espírito Santo and Santa Catarina, being very important for the country because it stores large quantities of light oil of excellent quality. However, its exploration has involved some technological challenges to be overcome. Among these challenges, it can be highlighted the large amount of associated natural gas with a high carbon dioxide content and the high pressures in which the streams recovered from production fields are available. Given the importance of natural gas as a primary energy source, endorsed by its increasing consumption every year, and the current environmental legislation, which does not allow uncontrolled CO2 emission into the atmosphere, it is essential to treat the natural gas produced. Additionally, for offshore applications, where space is a restriction, it is of interest that separation is performed on the platform itself so that CO2 could be reinjected to increase oil production. In this context, rotating packed beds (RPB¿s), which applies HiGee-technology, are a very promising alternative. In this non-conventional column, the high centrifugal fields applied intensifies mass transfer and increases the separation efficiency of the process, which, consequently, allows a significant reduction in equipment size and in construction and operating costs. Also, this type of column is insensitive to movement being, therefore, interesting for offshore applications. For these reasons, this work aims to develop a methodology using Aspen Plus® process simulator for the design of an RPB to evaluate the potential of applying these high-efficiency columns to CO2 rich natural gas absorption using propylene carbonate solvent. To accomplish this objective, it is proposed a mathematical model to enable the simulation of this new concept column in the process simulator, since there is no specific routine for this type of equipment in the main currently available simulators. After the model have been implemented, the RPB design was performed and then a study, via design of experiments, to identify the influence of some design and operating variables on the separation efficiency. The mathematical model was successfully implemented and theoretically validated, allowing the achievement of RPB dimensions for the case in study. The design of experiments allowed, yet, the obtaining of a correlation for the rotor axial height and the required solvent flow rate, which shows this strategy could be used for future process optimisation Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestra em Engenharia Química CAPES 1566358 CNPQ 166470/2017-1

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Aline Carvalho da Costa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: A utilização do etanol como combustível tem muitas vantagens; ele tem competido economicamente com a gasolina e diversos outros combustíveis, substituindo-os em várias utilidades. Desta forma, existe um grande interesse em se otimizar todos os passos da produção de etanol. Apenas um conhecimento profundo da dinâmica do processo gera uma operação ótima, e este pode ser conseguido através de simulações realizadas usando um modelo preciso. Muitos modelos fenomenológicos foram desenvolvidos considerando condições industriais, mas estes só são válidos para condições específicas nas quais foram determinados, invalidando a predição do modelo em outras condições. Mudanças acontecem normalmente em uma unidade industrial e a re-estimação freqüente dos parâmetros do modelo é usualmente difícil e demorada. O objetivo deste trabalho é desenvolver um modelo híbrido neuronal para o processo de fermentação alcoólica usando balanços de massa combinados com redes neuronais do tipo Functional Link. Será implementado um esquema para atualização dos pesos da rede sempre que esta não descrever o comportamento dinâmico da planta. O modelo desenvolvido será usado para descrever um processo real no lugar dos modelos fenomenológicos existentes, já que estes têm sido capazes de descrever o processo apenas por curtos espaços de tempo Abstract: The use of ethanol as a fuel has many advantages; it has economically competed with gasoline and others fuels, substituting them in various uses. Thus, there is a great interest in optimizing all the steps of ethanol production. Only a detailed knowledge of the process dynamics can lead to optimal operation and this can be achieved through simulation using an accurate model. Many phenomenological models were developed considering industrial fermentations, but they are only valid for specific conditions. Changes occur frequently in an industrial unity and frequent reestimation of model parameters is usually expensive and time consuming. The objective of this work is to develop a hybrid neural model for the alcoholic fermentation process using mass balances combined with Functional Link Neural Networks. A scheme to update network weights always that it does not describe plant behavior accurately is implemented. The developed model is used to describe an industrial process substituting the existing phenomenological models, since they have been able to describe the process only for short periods Mestrado Desenvolvimento de Processos Biotecnológicos Mestre em Engenharia Química

Orientador : Milton Mori Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Um modelo de estado estacionário para simular uma planta de síntese de amônia, que contém um conversor tipo ¿quench¿ de fluxo radial é desenvolvido neste trabalho. O sistema simulado inclui conversor, separadores e trocadores de calor. O modelo é usado para determinar os efeitos das variáveis de síntese tal como taxa de hidrogênio/nitrogênio na alimentação e a temperatura de separação que podem acarretar aumentos e diminuições sobre a produção de amônia. Para a execução deste trabalho conta-se com o auxílio de um simulador de processos Abstract: A steady-state model of an ammonia synthesis loop containing one quench-type converter with radial flow is developed. The modeled system includes converter, compressors, separators, purge and recycle. The model is used to determine the effects of the synthesis loop variables upon ammonia production, for example, the 'H IND. 2¿/¿N IND. 2¿ ratio variations in the converter feed may result in increase and decrease in the ammonia production rate. A process simulator was used to aid the execution of this work Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Aline Carvalho da Costa, Jaciane Lutz Ienczak Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: O principal material lignocelulósico brasileiro, bagaço de cana-de-açúcar, tem um grande potencial energético. Este material é composto de três polímeros principais: celulose (60-50%), hemicelulose (25-30%) e lignina (25-30%). O desenvolvimento de tecnologias para utilizar os carboidratos obtidos a partir da hidrólise de celulose (glicose) e hemicelulose (xilose) para produzir bioetanol de segunda geração é promissor e muitos grupos de pesquisa fazem esforços para desenvolver este processo, visando elevar a produção de bioetanol por área de cultivo de cana-de-açúcar. Porém, a etapa de processamento do bagaço para disponibilização de açúcares gera compostos inibitórios ao metabolismo dos microrganismos, prejudicando a etapa seguinte de produção de bioetanol. Dentre os principais inibidores presentes no hidrolisado hemicelulósico estão os ácidos orgânicos fracos, como ácido acético e fórmico; produtos da degradação de pentose e hexoses, como furfural e 5-hidroximetilfurfural; e produtos provenientes da degradação da lignina, como os compostos fenólicos. O presente estudo teve como objetivo comparar o impacto de compostos inibitórios (presentes no hidrolisado hemicelulósico) no metabolismo de crescimento celular, de consumo de açúcares e de produção de bioetanol entre as leveduras Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124 e Spathaspora passalidarum NRRL Y-27907, visto que a formação de inibidores é intrínseca à obtenção do hidrolisado hemicelulósico e tratá-lo para retirada desses compostos adiciona etapas ao processo, tornando-o mais dispendioso e demorado. O trabalho objetivou ainda estabelecer estratégias de aprimoramento de parâmetros de processo, como a utilização de cepa adaptada e diferentes concentrações de biomassa iniciais como alternativas de viabilizar a fermentação do hidrolisado hemicelulósico. Baseando-se nos testes de resistência individual dos inibidores foram estabelecidas que concentrações de 2,5 g.L-1 de ácido acético e 2,0 g.L-1 de furfural são os valores limites que os hidrolisados hemicelulósicos podem conter para que se obtenha um desempenho satisfatório na fermentação com S. stipitis NRRL Y-7124. Para S. passalidarum NRRL Y-27907, concentrações de 0,5 g.L¬-1 de ácido acético, 1,0 g.L-1 de furfural, 3,0 g.L-1 de 5 HMF são os valores limites que as frações hemicelulósicas podem conter para que se obtenha um desempenho satisfatório na fermentação. O trabalho também demonstrou que uso de leveduras adaptadas durante o processo com açúcares de segunda geração resultou em melhor desempenho quando comparado com a linhagem não adaptada, observada no aumento da taxa de consumo de xilose em 32% e de 57% de aumento na taxa de produção de etanol em relação a levedura selvagem. Também foi observado que o aumento na concentração inicial de células no processo influencia positivamente o uso de hidrolisados contendo inibidor, uma vez que os meios fermentativos considerados não fermentescíveis (devido à baixa concentração de células usada no processo) tornaram-se viáveis para fermentações quando foram utilizadas densidades celulares elevadas. Quando se triplicou a concentração celular inicial, houve aumento de 5% em rendimento, resultando em aproximadamente 25 g.L-1 de etanol a mais no final do processo. Com base nos resultados, é possível estabelecer uma relação entre os inibidores e sua toxicidade para essas leveduras e compará-las entre si em relação ao seu desempenho fermentativo quando sujeitas à ação dos inibidores. O conhecimento detalhado do comportamento na presença destes compostos permite estabelecer estratégias de detoxificação do meio de fermentação e direcionamento dos microrganismos de acordo com seu grau de tolerância, objetivando processos fermentativos de maior desempenho Abstract: The main Brazilian lignocellulosic material, sugarcane bagasse, has a great energetic potential. This material is composed of three main polymers: cellulose (60-50%), hemicellulose (25-30%) and lignin (25-30%).The development of technologies to use carbohydrates obtained from the hydrolysis of cellulose (glucose) and hemicellulose (xylose) to produce second generation ethanol is promising and many research groups make efforts to develop this process, aiming at increasing the production of bioethanol by area of sugarcane cultivation. However, the stage of bagasse processing to produce sugar yields inhibitory compounds to the metabolism of the microorganisms, impairing the next stage of ethanol production. Among the main inhibitors present in the hemicellulosic hydrolysate are weak organic acids, such as acetic and formic acid; degradation products of pentose and hexoses, such as furfural and 5-hydroxymethylfurfural; and products from lignin degradation, such as phenolic compounds. The present study aims to compare the impact of inhibitory compounds present in the hemicellulosic hydrolysate on the metabolism of cell growth, sugar consumption and ethanol production among the yeasts Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124 and Spathaspora passalidarum NRRL Y-27907, since inhibitors formation is intrinsic to the hemicellulosic hydrolysate production and treating it for withdrawal of such compounds adds steps to the process, making it more expensive and time consuming. It also aims at establishing strategies to improve process parameters, such as the use of adapted strains and different concentrations of initial biomass as alternatives to enable the fermentation of the pentose fraction. Based on the individual inhibitors resistance tests it was established that concentrations of 2.5 g.L-1 of acetic acid and 2.0 g.L-1 of furfural are the limit values that the hemicellulosic hydrolysates may contain for performance satisfactory in fermentation with S. stipitis NRRL Y-7124. For S. passalidarum NRRL Y-27907, concentrations of 0.5 g.L-1 of acetic acid, 1.0 g.L-1 of furfural, 3.0 g.L-1 of 5-HMF are the limit values that the hemicellulosic fractions can contain to achieve a satisfactory performance in the fermentation. The work also demonstrated that the use of evolved yeasts during the process with second generation sugars resulted in better performance when compared to the unadapted strains, observed in the increase of the of consumption xylose rate by 32% and of a 57% increase in the ethanol production rate in relation to wild yeast. It has also been observed that the increase in the initial concentration of cells in the process positively influences the use of inhibitor-containing hydrolysates, since fermentative media considered non-fermentable (due to the low concentration of cells used in the process) have become viable for fermentations when high cell densities were used. When the initial cell concentration tripled, there was a 5% increase in yield, resulting in approximately 25 g.L-1 of more ethanol at the end of the process. Based on the results, it is possible to establish a relationship between the inhibitors and their toxicity to these yeasts and to compare them with each other in relation to their fermentative performance when subjected to the action of the inhibitors. The detailed knowledge of the behavior in the presence of these compounds allows the establishment of detoxification strategies of the fermentation medium and the targeting of the microorganisms according to their degree of tolerance, aiming at higher performance fermentative processes Mestrado Engenharia Química Mestra em Engenharia Química FAPESP CNPEM

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Laercio Ender Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Nos dias atuais com a globalização, competitividade do mercado e preocupações ambientais se faz necessários produtos com alta qualidade, baixo custo e baixa emissão de poluentes, sendo o controle de processos a principal maneira de se obter estes resultados. Por isso o grande avanço de pesquisas em busca de novas metodologias e concepções sobre desenvolvimento e controle para processos de todas as áreas. O objetivo deste trabalho é propor o aperfeiçoamento da estratégia de controle CoNDEG, (Controle Neural Direto Baseado no Erro Global), desenvolvida por ENDER (2002). A estratégia está baseada em redes neurais artificiais, com aprendizagem em tempo real, de acordo com as alterações que ocorrem no processo. Desta forma o controlador apresentará uma performance mais apropriada, quando comparado com o controlador que não apresenta esta atualização ao longo do tempo. Para desenvolvimento desta dissertação estudou-se o CoNDEG e foram propostas modificações na forma de ajuste do controlador e análise de diferentes configurações para aprendizagem on-line. A estratégia proposta CoNDEG Modificado foi implementada em linguagem de programação Fortran 90. Foram utilizados dois processos não lineares para avaliar a estratégia proposta, um reator catalítico de leito fixo (TOLEDO, 1999) e um processo fermentativo extrativo para produção de etanol (COSTA, 2001). As simulações em malha fechada realizadas utilizando o programa CoNDEG Modificado para ambos casos de estudo mostraram que o algoritmo de controle não linear proposto é eficiente e robusto, pois apresentaram bons resultados em problemas dos tipos servo e regulador Abstract: In now days with the globalization, market competitivity and environmental preoccupation, there is a real need for products with high quality, low cost and low emission of pollutants. The process control is the main form to reach such objectives. That is the reason for the great advance on researches in the investigation of new methodologies and conceptions about process development and process control in several areas. The objective of the present work is to propose the improvement of CoNDEG strategy control (Direct Neural Control based on Global Error), developed by ENDER (2002). The strategy is based in artificial neural networks, with on line learning, according to modifications that occur in the process. Hence the controller based on such approach will present better performance than a controller without on-line upgrade. In order to develop the present work the CoNDEG was studied and it was proposed some modifications on the way the controller is adjusted as well as it was carried out the analysis of different configurations for the on-line learning. The proposed modified strategy CoNDEG was implemented in Fortran 90 programming language. It was used two non-linear processes to evaluate the proposed strategy, to know, a fixed bed catalytic reactor (TOLEDO, 1999) and an extractive fermentative process for the production of ethanol (COSTA, 2001). The results obtained from c1osed-Ioop simulations using the modified CoNDEG program for both studied cases showed that the proposed non-linear control algorithm is efficient and robust for servo and regulatory applications Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Neste trabalho, é proposto um procedimento para a estimativa de parâmetros cinéticos e de transferência de calor em reatores de leito fixo. A representação matemática do reator é feita utilizando-se um modelo pseudo-homogêneo bidimensional e estacionário, onde os fenômenos de transferência de calor são levados em consideração através de. um coeficiente de condutividade térmica efetiva radial e um coeficiente de transferência de calor na parede do reator. As estimativas dos parâmetros são obtidas a partir de uma estratégia que combina o método da colocação ortogonal ao método de otimização de Marquardt, utilizando-se perfis axiais de temperatura em reatores projetados para operar em condições industriais. A escolha das melhores posições no reator para a obtenção das medidas de temperatura é feita utilizando-se critérios de sensitividade paramétrica. O ajuste dos parâmetros cinéticos, dentro de uma metodologia proposta, buscou considerar o problema de um reator industrial,onde diferentemente de uma operação em escala de laboratório, estão presentes acentuados gradientes de calor e massa. A utilização de uma técnica de planejamento fatorial permitiu avaliar os efeitos que os parâmetros de transferência de calor e massa causam sobre o ajuste cinético. A metodologia proposta foi aplicada à reação de oxidação catalítica do etanol a acetaldeído sobre catalisador de Fe-Mo. Os resultados obtidos mostraram a eficiência do método proposto, bem como a importância da localização e do número de sensores de temperatura Abstract: In this work, a procedure for the estimation of kinetic and heat transfer parameters in fixed bed reactors is proposed. A two-dimensional steady-state pseudo-homogeneous model is developed for the reactor representation, where heat transfer phenomena are taken into account by an effective thermal conductivity and the wall heat transfer coefficienl. Parameter estimations are obtained from a strategy that combines the orthogonal collocation method linked to Marquardt' s method, using axial temperature profiles from industrial conditions operated reactors. The pararnetric sensitivity criteria is used to choice the best reactor positions to take experimental measures. The parameter kinetic fit, in the proposed methodology, intended to consider an industrial reactor problem, where differently from a laboratory scale operation, accentuated heat and mass gradients are presenl. The utilization of a factorial design technique allowed to evaluate the effects that heat and mass transfer cause in parameter fit. The proposed methodology was applied to the catalytic oxidation of ethyl alcohol to acetaldehyde on Fe-Mo catalyst, considering that experimental measurements came from simulated profiles obtained from a rigorous modeling at industrial conditions. The results shown the efficiency of the proposed method and the importance of the sensor location as well as the number of sensors in the system identification Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Aline Carvalho da Costa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: O presente trabalho trata do estudo do controle e otimização de um reator tubular multifásico visando a Integração de Processos Contínuos em Tempo Real. Como caso estudo é considerado um reator de hidrogenação catalítico trifásico, para o qual é utilizado um modelo matemático determinístico representativo do processo. O comportamento dinâmico do processo de produção é estudado a fim de se determinar possíveis estruturas de controle. O controlador implementado é baseado na filosofia do Controle por Matriz Dinâmica (Dynamic Matrix Contrai - DMC), um tipo de Controle Preditivo baseado em Modelo. Para resolver o problema da otimização, são revisadas e implementadas duas técnicas, a saber: a otimização por Programação Quadrática Sucessiva (Successive Quadratic Programming - SQP) e a otimização global por Algoritmos Genéticos. Os resultados obtidos com a otimização por SQP mostram a eficiência desta técnica na otimização do reator trifásico. Os Algoritmos Genéticos são métodos de otimização globais que trabalham com uma população de soluções que evolui ao longo de gerações e converge para um ótimo global. O estudo dos Algoritmos Genéticos mostra que se trata de um algoritmo robusto e eficiente para a otimização do reator trifásico, que pode ser uma alternativa para problemas onde métodos clássicos, como o SQP, não apresentam bom desempenho. Também é feita uma proposta sobre a integração de processos em tempo real e apresentada uma forma de definir e implementar a estratégia em uma camada, com o objetivo de aplicá-la em trabalhos futuros Abstract: The present work aims to study the control and optimization of a multiphase catalyst slurry reactor, in order to deal with the Real Time Integration of Continuous Process. As the study case is considered a three-phase catalytic hydrogenation reactor, which is represented by a deterministic mathematical model. The dynamic behavior of the production process is studied in order to identify some suitable control structures. The controller implemented is based on Dynamic Matrix Control (DMC) philosophy, which is a type of Predictive Control based on Model. In order to solve the optimization problem are reviewed and implemented two techniques: optimization by Successive Quadratic Programming (SQP) and the global Optimization by Genetic Algorithms. The obtained results by SQP optimization shows the efficiency of this technique to be used for the three-phase reactor. The Genetic Algorithms are optimization methods based on population solution that evoluted through successive generations and converge to a global optimal. The studies of Genetic Algorithms show the powerful and efficiency for the optimization of the three phase reactor, that may be a potential alternative when classical methods do not work well. It is also done a propose on the over a real time integration process and presented a way to determine and to implement a strategy in one layer for the multiphase catalytic reactor Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: O sucesso de muitos processos industriais depende de uma troca de calor adequada de forma que uma operação estável com alta performance possa ser obtido. Para tanto é necessário definir procedimentos que permitam tomar decisões quanto ao projeto e operação do sistema. Neste trabalho é proposto um procedimento para avaliação da estabilidade de reatores de leito fixo com reações altamente exotérmicas. A reação em estudo é a oxidação do etanol a acetato sobre Fe-Mo. É mostrado que através da definição de coeficientes de sensitividade paramétrica e sua incorporação no modelo do sistema é possível obter informações de projeto e procedimento operacional que garantam a estabilidade do processo. De uma maneira geral, no projeto de reatores químicos duas metas principalmente são: garantir faixas de operações seguras com alta performance e minimizar o comprimento do reator. Estes conceitos são usados neste trabalho como critério de comparação entre as possíveis configurações para o fluxo do refrigerante. Diferentes esquemas para o fluxo do refrigerante são comparados através da análise dos coeficientes de sensitividade paramétrica. Os resultados obtidos mostram a vantagem do esquema concorrente Abstract: Not informed. Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: O presente trabalho trata da consideração ambiental no projeto de processos químicos. O objetivo principal é o estudo da aplicabilidade de métodos, procedimentos e técnicas emergentes como ferramentas avançadas no projeto de processos químicos, visando a prevenção da poluição. Para atingir este objetivo, foi necessária inicialmente a definição de uma metodologia abrangente de estimativa do impacto ambiental. Esta metodologia compreende um método de quantificação completa de resíduos gerados por processos químicos, através das correntes de resíduos sólidos, efluentes líquidos, e emissões gasosas primárias, secundárias e fugitivas. Inclui também um método de quantificação, a partir de um banco de dados de Fatores de Caracterização, dos danos ambientais causados por estes resíduos gerados, bem como dos danos ambientais decorrentes do consumo de recursos naturais. A partir desta metodologia, o projeto de processos foi dividido nas etapas de análise e síntese. Para a análise de um processo, foram avaliadas diferentes ferramentas hoje disponíveis para estudos ambientais. Nesta avaliação, a Análise do Ciclo de Vida (ACV) mostrou-se a ferramenta analítica mais completa e abrangente. Foi então estudada a aplicabilidade das diferentes fases de uma ACV no projeto de um processo, especificamente como ferramenta auxiliar na seleção de tecnologias e avaliação de fluxogramas alternativos. As diversas abordagens de síntese de processo foram avaliadas sob o enfoque de prevenção da poluição ambienta!. A abordagem selecionada foi a Otimização Algorítmica (Programação Numérica). O problema de otimização original, do tipo Programação Mista Inteira Não-Linear, foi decomposto em subproblemas do tipo Programação Não-Linear. Esta solução evita o uso de programas específicos, os quais tendem a dar visão estritamente matemática do problema. Como o número de variáveis inteiras (alternativas de processo) normalmente é pequeno, a solução adotada é particularmente adequada, permitindo ao engenheiro de processo incluir a sua experiência de projeto. A consideração econômica e ambiental configura a otimização como sendo um problema de tomada de Decisão com Múltiplos Objetivos. Para a solução deste problema, foram avaliados os diferentes métodos disponíveis. Exemplos de estimativa de impacto ambiental, tanto na etapa de análise quanto na de síntese, são usadas para ilustrar da aplicabilidade e limitações da abordagem proposta. Embora o objetivo específico deste trabalho seja o projeto de processo químico, considerando critérios econômicos e ambientais, a metodologia desenvolvida é aplicável a uma ampla gama de problemas de tomada de decisão com múltiplos objetivos Abstract: This thesis describes a methodology for the chemical process design with environmental consideration. The main objective is the study of applicability of methods, procedures and techniques as advanced tools in the chemical process design, with the aim of preventing pollution.To this purpose, it was necessary initially the definition of a comprehensive methodology to estimate the environmental impact. This methodology includes a method to a complete quantification of generated wastes by chemical processes, through the streams of solid waste, liquid waste, and primary, secondary and fugitive air emissions. This methodology embraces too a method to quantify, through a database of Characterization Factors, of environmental damages caused by these wastes, as well as the environmental damages originated from the natural resources consumption. With this methodology, it was possible to divide the process design in the analysis and synthesis tasks. To the process analysis, the different tools available to environmental studies were evaluated. In this evaluation, the Life Cycle Assessment (LCA) shows to be the most complete and widespread analytical tool. Then the applicability of the different phases of a LCA was studied, specifically as an auxiliary tool in the technology selection and alternative flowsheets screening. The different approaches to the process synthesis were assessed focusing in the environmental pollution prevention. The selected approach was the Algorithmic Optimization (Mathematical Programming). The original optimization problem, corresponding to a Mixed-Integer NonLinear Program, was decomposed in NonLinear Program sub problems. As normally the integer variables (design variables) number is low, the adopted solution is particularly adequate, allowing the process engineer to include his design experience. The economic and environmental consideration configures the optimization as a Decision Making with Multiple Objectives. The different methods to solve this problem were evaluated and applied. Examples of environmental impact estimation in both analysis and synthesis tasks were used to iIIustrate the applicability and limitations of the proposed approach. Although the specific objective of this work was the chemical process design considering economic and environmental criteria, the developed methodology is applicable to many others problems regarding Decision Making with Multiple Objectives Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Comparado com o estudo de crescimento de populações de microorganismo, poucos avanços tem até então aparecido sobre o desenvolvimento de modelos estruturados para a formação de produtos. O objetivo do presente trabalho é o desenvolvimento de modelos estruturados alternativos a partir da adaptação de modelos estruturados de crescimento para o processo de fermentação etanólica realizado em um biorreator do tipo torre com células imobilizadas de alta produtividade. A metodologia do trabalho envolveu a adaptação de modelos estruturados de crescimento de Saccharomyces cerevisae, os quais incluem cinética complexa para as rotas metabólicas fermentativa e respiratória. Neste procedimento aplicou-se o método de Plackett e Burman, que possibilitou analisar um grande número de parâmetros e selecionar aqueles mais importantes. As equações diferenciais parciais descrevendo os fenômenos intraparticulares e ao longo do biorreator foram resolvidas utilizando o método de colocação ortogonal e o sistema de equações diferenciais ordinárias resultante foi integrado com respeito ao tempo pela "subrotina lsodaroo. Comparou-se os resultados simulados com dados experimentais, possibilitando escolher a cinética estruturada mais adequada. Técnicas de redução foram aplicadas na direção radial particular e o modelo reduzido foi simulado sob perturbações em malha aberta para definições dos pontos de controle e variáveis manipuladas. Devido à dinâmica ser lenta, foi necessário estabelecer através de planejamento experimental, uma relação entre a variável manipulada, a concentração de substrato de entrada e o objetivo de controle (modelo feedforward). O projeto do controlador envolveu, na forma SISO, os algoritmos do tipo clássico (PID), avançados do tipo preditivo (DMC) e preditivo adaptativo (STDMC) avaliados isolados e acoplados ao modelo feedforward obtido com procedimentos estatísticos. Em conclusão, considerar a célula como um único componente é insuficiente para descrever a dinâmica do metabolismo, principalmente em culturas que sofrem mudanças drásticas nas condições operacionais. Resultados mostraram que o modelo de Rotboll adaptado foi superior, principalmente quanto na representação da variável celular. Comparou-se os resultados obtidos com os modelos reduzidos para diferentes técnicas de redução, frente aos modelos bidimensionais(não reduzidos) e dados experimentais. A aplicação de diferentes técnicas de redução foi útil na obtenção de um modelo estruturado para aplicações em simulação e controle. O estudo de controle de processo mostrou que uma ação antecipada que relacione a variável manipulada e o set-point acoplada a algoritmos de controle feedback é a melhor forma de estabilizar o processo rapidamente Abstract: Compared with growing studies of microorganism populations, few improvements on the development of structured models for product formation have appeared. The objective of the presenting work is the development of altemative dynamic structured models adapted from structured growth models for the ethanol production by fermentation accomplished on a high productivity tower bioreactor with immobilized cells. The methodology of the work involved structured models of Sacharomyces cerevisae growth that include complex kinetic for the respiratory and glicolitic metabolic pathways. In this procedure it was applyed the method of Plackett and Burman, possibiliting to analyze a large number of parameters and to identify those that may be more important. The partial differential equations describing the inside particle and the bioreactor lenght phenomena were solved by orthogonal collocation method and the resulting system of differential ordinary equations was integrated, in respect to time, through lsodar subroutine. The simulated results was compared with experimental data, possibiliting to choose the most appropriate structured kinetic. Reduction techniques were applied in the particle direction and the reduced model was simulated under disturbances in the inlet variables with open loop to define the control point and manipulated variable. Because the slow dynamic, it was necessary to establish through experimental planning, a relationship among the manipulated variable, entrance substrate concentration and the control objective (feedforward model). The controller design involved in a SISO form, the classic (PID), advanced predictive (DMC) and predictive adaptive (SIDMC) control algorithms evaluated isolated and coupled to the feedforward model obtained with statistical procedures. In conclusion, considering the cell as an only component, it is not enough to describe the metabolism dynamics mainly in cultures that suffer drastic changes in the operational conditions. Results showed that the Rotboll adapted was superior, mainly as in the representation of the cell behaviour. It was compared the results obtained with the reduced models for different reduction techniques front to the reduced ones and experimental data, verifying the possibility of using them without loosing information of the processo The application of reduction techniques was useful in obtaining an useful structured model for applications in simulation and control. The study of control showed that an early action relating the manipulated variable and the set-point coupled to control feedback algorithms is the best form of stabilizing quickly the processo Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Enzimas e proteínas vêm sendo utilizadas em inúmeros produtos nas mais diversas áreas, tais como em indústrias farmacêuticas, alimentícias, e de detergentes. No processo de produção de enzimas e proteínas estas são obtidas em meio a impurezas que precisam ser separadas para que as enzimas tenham as especificações necessárias para cada tipo de aplicação. Os processos de purificação e extração de proteínas e enzimas além de estar diretamente ligado a qualidade final do produto correspondem a uma importante parcela nos gastos de produção. Este trabalho teve como objetivo estudar computacionalmente o desempenho de diferentes configurações de sistemas de purificação de proteínas contínuos. Foram propostas e estudadas diferentes configurações derivadas do sistema CARE (Continuous Adsorption Recyc1e Extraction) de purificação de proteína que tiveram seu desempenho comparado com o desempenho do leito móvel simulado (LMS). Estudou-se também o desempenho do sistema de purificação proposto neste trabalho, o tanque de mistura móvel simulado (TMMS), que consiste da substituição das colunas do leito móvel simulado por tanques de mistura com membrana. Os modelos matemáticos de cada sistema de purificação foram obtidos a partir de um balanço de massa de enzimas e impurezas e os parâmetros cinéticos de adsorção utilizados são das enzimas lisozima e lipase. Para os diferentes sistemas de purificação obteve-se equações diferenciais ordinárias e equações diferenciais parciais que foram discretizadas em dez partes e resolvidos pelo método de Runge-Kutta de quarta ordem. Entre os sistemas de purificação estudados o que apresentou melhor desempenho foi o leito móvel simulado, seguido pelo tanque de mistura móvel simulado e finalmente os sistemas derivados do sistema CARE. O leito móvel simulado apresentou um tempo de troca ótimo no qual obteve-se alto rendimento e alto fator de purificação que são requisitos essenciais a um processo de purificação. O tanque de mistura móvel simulado foi o segundo melhor sistema de purificação pois apesar de apresentar um baixo rendimento teve um bom fator de purificação. Os sistemas derivados do sistema CARE apresentaram os menores fatores de purificação e consequentemente a menor capacidade de purificação Abstract: Enzymes and proteins have been used in countless products in a great variety of several areas, such as in phannaceutical, nutrition, and detergent industries. In the enzymes and proteins production process these are obtained with impurities that need to be separated so that the enzymes have the necessary specifications for each application type. The protein and enzyme purification and extraction processes, besides being directly tied up to the final quality of the product, correspond to an important portion in the production expenses. The objective ofthis work was to study by computer simulations the performance of different configurations of continuous systems of protein purification. Different configurations were proposed and studied. They were derived from the CARE system (Continuous Adsorption Recycle Extraction) of protein purification that had its performance compared with the performance of the simulated moving bed (SMB). The performance of the purification system proposed in this work was also studied: the simulated moving stirred tank (SMST), which consists of the substitution of the columns of the simulated moving bed by stirred tanks with membrane. The mathematical models of each purification system were obtained from a mass balance of enzymes and impurities and the kinetic parameters of adsorption used are from the lisozima and lipase enzymes. In the different purification systems ordinary differential equations and partial differential equations were obtained. They were subsequently discretizated in ten parts and solved by the Runge-Kutta of fourth order method. Among the purification systems studied, that presented better performance was the simulated moving bed, followed by the simulated moving stirred tank and finally the derived systems of the CARE system. The simulated moving bed presented an optimum time of change (time of valve rotation) in which high yield and high purification factor, which are excellent characteristic in a purification process, were obtained. The simulated moving stirred tank was the second best purification system because, in spite of presenting a low yield it showed a good purification factor. The derived systems of the CARE system presented the smallest purification factors and consequently the smallest purification capacity Doutorado Desenvolvimento de Processos Biotecnológicos Doutor em Engenharia Química

Orientador: Francisco Maugeri Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos Doutorado Doutor em Engenharia de Alimentos

Orientadores: Sandra Cristina dos S. Rocha, G. S. Vijaya Raghavan Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Este trabalho apresenta-se em duas partes que tratam do estudo da dinâmica e do recobrimento de partículas em leito de jorro bidimensional. A parte experimental desse trabalho foi realizada no laboratório de secagem (Drying Lab) da Faculty of Agricultural and Biosystems Engineering da McGill University, Montreal Canadá. A primeira parte do trabalho se ateve ao estudo dos regimes de operação em leitos de jorro. Nessa etapa foi desenvolvido um método de identificação e monitoramento de processos em leitos de jorro, a partir de somente uma das variáveis de estado, no caso a queda de pressão devida ao leito de partículas. As flutuações da queda de pressão do leito foram medidas a uma taxa de 100 medições por segundo, e a partir desses dados, uma rotina de transformada de Fourier produziu espectros que permitem a identificação e monitoramento de possíveis regimes em leitos dejorro: jorro estável, leito fixo e regime de slugging. Os experimentos foram realizados com milho e soja em dois tamanhos de leitos de jorro bidimensionais. A segunda etapa foi centrada sobre o recobrimento de partículas em leito de jorro bidimensional. Esse estudo cobriu as duas áreas de maior interesse no que se refere ao processo de recobrimento de partículas: a área farmacêutíca, com o recobrimento de comprimidos e a área agrícola, com o recobrimento de sementes. A pesquisa envolveu o estudo da transferência de calor gás-partículas, para o processo de recobrimento, e o estudo da cinética de crescimento de partículas e eficiência do processo em leitos de jorro bidimensionais, utilizando-se placas internas (draft plates). Placebo e soja foram utilizados como partículas nos experimentos realizados em dois leitos de 50 e 90 cm de largura, respectivamente. A partir dos dados experimentais obtidos, foram ajustadas correlações para a estimativa dos valores dos coeficientes de transferência de calor, para as regiões de jorro e anular, separadamente, e também para a eficiência do processo Abstract: This work is presented in two parts that focus on the study of the dynamics of coating of particles in two-dimensional spouted bed. The experimental part was carried out at the Faculty of Agricultural and Biosystems Engineering of McGill University, Montreal, Canada. The first part of the work attained to the study of operation regimes in spouted beds. It was developed a method for identification and monitoring for process in spouted beds, utilizing only one of the state variables, the bed pressure drop. The experiments were carried out with two diferent-size two-dimensional spouted beds and with com and soybeans as particles. The fluctuations of pressure drop were measured and treated with a Fast Fourier Transform (FFT) routine that produced power spectra that allow the identification and monitoring of possible regimes in spouted beds: packed beds, steady spout and slugging beds. The second part was focused on the coating of particles in two-dimensional spouted beds. The experiments utilized also two different sizes of spouted beds and placebos and soybeans as particles, covering the two most important areas of research, concerning coating of particles, the pharmaceutical and agricultural. The work included the study of gas-particle heat transfer, the kinetics of particle growing and efficiency of the coating process for two-dimensional spouted beds, utilizing draft plates. The experimental data were fit to produce correlations to estimate the heat transfer coeficient, for both regions of the spouted bed, separately, and also for the process efficiency Doutorado Engenharia de Processos Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Liliane Maria Ferrareso Lona Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: O modelo determinístico e processo homopolimerização na emulsão do estireno são aplicados em reator tubular contínuo sem e com deflectores angulares internos sob condição isotérmica e não isotérmica. Os resultados de modelagem e simulação foram realizados a estado estacionário, modelo unidimensional, coordenada cilíndrica, fluxo pistão laminar completamente desenvolvido, modelo Smith-Ewart para estimar a conversão do monômero, cinética química de Arrhenius corno modelo de velocidade finita laminar para computar a geração química. O objetivo é modelar, simular e analisar o comportamento do reator de homopolimerização na emulsão do estireno com deflectores angulares inclinados internos, e comparar com reator tubular. Os métodos experimental e matemático-dedutivo foram aplicados para obter resultados, por meio de programação computacional, usando Dinâmica de Fluido Computacional através do método de volumes finitos. As seguintes variáveis como temperatura de reação constante e variável, reator tubular sem e com deflectores, temperatura de alimentação, diâmetro de reator, processo adiabático e exotérmico, calor de reação constante e velocidade axial completamente desenvolvida foram investigados. Os efeitos de conversão de monômero, área transversal interna, temperatura axial, concentração do polímero, radicais e iniciador, outros corno densidade de polímero e monômero, perda de carga e queda de pressão foram determinados e simulados. Os produtos foram caracterizados com Número de Partículas (nucleação homogênea e heterogênea), distribuição de peso molecular, tamanho de partículas de polímero e distribuição de viscosidade. Estes resultados foram validados com resultados da literatura sob condição igualou aproximada. Os resultados sob condições não isotérmicas foram melhores que os resultados isotérmicos em termos de caracterização do polímero. Isso mostra que o desenho alternativo proposto (com deflectores) permite obter o polímero com propriedades melhores em termos de número de partículas, distribuição de peso molecular, distribuição do tamanho de partículas e viscosidade Abstract: Deterministic model and emulsion homopolymerization process of styrene are applied in continuous tubular reactor without and with internal angular baffles under isothermic and no isothermic conditions. The modeling and simulation results were approximate to steady state, one-dimensional model, cylindrical coordinate, fully developed laminar plug flow, Smith-Ewart model to estimate the monomer conversion, Arrhenius chemical kinetics as laminar finite-rate model to compute chemical source. The objective is to model, simulate and to analyze the emulsion homopolymerization reactor performance of styrene with internal-inc1ined angular baffles, and to compare with continuous tubular reactor. The experimental and mathematical-deductive methods were applied to obtain results, by means of computational programming, using Computational Fluid Dynamics (program code), finite volume method. The following variables such as constant and variable reaction temperature, tubular reactor without and with baffles, feed temperature, reactor diameter, adiabatic and exothermic process, constant reaction heat and fully developed axial velocity were investigated. The monomer conversion, internal transversal are a, axial temperature, concentration of polymer, radicals and initiator, others as density of polymer and monomer, head loss and pressure drop effects were determined and simulated. The products were characterized by partic1es number (homogeneous and heterogeneous nuc1eation), molecular weight distribution, polymer partic1es size and polymer viscosity distribution. These results were validated with literature results under same or approximate condition. The results under no isothermic conditions were better than isothermic results in terms of polymer characterization. It is shown that the proposed alternative design (with baffles) allow to obtain the polymer with better properties in terms of number of partic1es, molecular weight distribution, particle size distribution and viscosity Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química