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Se presenta un estudio sobre la transferencia de calor en un molde, comparando los ensayos de inyección utilizando moldes con y sin tratamiento superficial de nitruración. Simulaciones del proceso se realizaron con el uso de Asistencia Computacional a Ingeniería (CAE) para determinar los parámetros iniciales que se aplicaron en los ensayos reales en moldes instrumentados de acero P20 (con y sin tratamientos), inyectados con el polímero poliestireno cristal. Los resultados indicaron una reducción del tiempo de enfriamiento y del tiempo de proceso en el molde con el tratamiento, debido a una mejora en la conductividad térmica. A study on the heat transfer in a mold, comparing experimental injection tests using a mold with and without surface treatment (nitriding) is presented. Process simulations were carried out using Computer Aided Engineering tools (CAE) for the estimation of the initial parameters to be applied in the tests in instrumented P20 steel injection molds with the polymer crystal polystyrene. Results indicated a reduction of cooling time and of the time of the process in the mold with treatment, due to an increase of the thermal conductivity.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química. Colunas de destilação necessitam de sistemas de controle capazes de rejeitar flutuações que ocorrem com freqüência, mesmo quando o processo está operando em regime permanente. O comportamento não-linear, associado ao acoplamento das variáveis, restrições na operação, constantes de tempo elevadas e a presença de atraso na resposta geram transientes elevados quando o processo é perturbado. Uma vez que o controle destas unidades é normalmente realizado centralizado na base e no topo propôs-se uma mudança nesta configuração: a introdução de pontos de aquecimento nos pratos ao longo da coluna. Assim, o objetivo deste trabalho foi implementar uma estratégia de controle com ação distribuída para minimizar os transientes de operação de colunas de destilação. O desenvolvimento do trabalho partiu da concepção, projeto e construção de uma unidade experimental instrumentada com protocolo de comunicação digital fieldbus até o estudo e validação da estratégia proposta com testes realizados com uma mistura de etanol-água. Estudou-se a partida da coluna e definiu-se uma rotina adequada às características da unidade construída. Da mesma forma, avaliou-se o comportamento em estado estacionário para a definição dos pontos de operação. Em relação à implementação da proposta de controle distribuído, preliminarmente foi estudada a dinâmica da unidade e determinaram-se os tempos de resposta e atrasos presentes no comportamento do processo. Observou-se, por exemplo, que para uma perturbação na composição da alimentação, o novo estado estacionário (em malha aberta) foi obtido com um tempo de transição de cerca de uma hora e meia. Foi realizada a análise de sensibilidade em conjunto com testes na planta para definir os pratos a serem utilizados para o aquecimento distribuído. Obteve-se como resultado a indicação dos pratos 2 e 3 para o estudo da estratégia com ação distribuída. Em seguida, foram ajustados controladores PID para as malhas da temperatura da base e do último prato, caracterizando o controle convencional. A dinâmica deste foi comparada com a abordagem distribuída (controle na base, no topo e nos pratos da coluna). Quando avaliada a abordagem convencional e a distribuída para uma perturbação na temperatura de alimentação verificou-se a redução no tempo de transição da coluna e das oscilações na variável controlada quando utilizada a abordagem proposta. Para uma perturbação na composição da alimentação foi observado que a ação distribuída reduziu o transiente em cerca de 1h. Assim, a introdução de aquecimento distribuído ao longo da coluna mostrou-se como uma opção válida para a redução de transientes, possibilitando uma dinâmica mais rápida e menores volumes processados fora dos parâmetros de qualidade pré-definido.

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. O desenvolvimento de estratégias de produção de poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato) a partir de substratos de baixo custo buscando melhorar a incorporação de unidades de 3-hidroxivalerato ao polímero através de diferentes estratégias de alimentação de ácido propiônico foi estudado. Visando testar substratos alternativos que diminuíssem o custo de produção, foram realizados testes em frascos agitados, estudando-se o crescimento de R. eutropha em diferentes fontes de carbono. Em substituição à fonte de nitrogênio normalmente utilizada (sulfato de amônio), utilizou-se a milhocina, resíduo da maceração do milho. Experimentos em regime descontínuo alimentado foram realizados em biorreator, estudando-se a alimentação ou carência de fósforo (elemento limitante). Com o objetivo de melhorar a incorporação de unidades de 3HV ao P(3HB-co-3HV) foram aplicadas três estratégias de alimentação de ácido propiônico (regulação de pH, pulsos e alimentação contínua) em culturas conduzidas com açúcar invertido e soro de leite. Estudou-se a utilização de ácido oleico como suplemento nutricional na cultura com alimentação contínua e obtiveram-se melhores resultados de produtividade e de acúmulo de polímero, porém com menor quantidade de 3HV incorporada, em relação à cultura não suplementada. As características térmicas do polímero obtido foram comparadas ao polímero comercial e apresentaram-se muito próximas.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2021. Introdução: Preocupações globais com as crescentes demandas energéticas resultaram na emergência de processos químicos intensificados e mais sustentáveis. Na vanguarda deste compromisso está a destilação, uma vez que esta operação é reconhecidamente intensiva no consumo de energia, podendo ser responsável por mais de 40% do gasto total de uma planta industrial (MELLO et al., 2020). É consenso que a intensificação de processos compreende modificações com intuito de reduzir o tamanho dos equipamentos, aumentar o seu desempenho, diminuir o uso de utilidades e matérias-primas, e aumentar a eficiência dos processos (PONCE-ORTEGA; AL-THUBAITI; EL-HALWAGI, 2012). Comprometido com essas diretrizes, nosso grupo de pesquisa vem desenvolvendo uma unidade de destilação por filme líquido descendente, assistida energeticamente por um termossifão, denominada tecnologia Destubcal. Este aparato incorpora a destilação por filme líquido descendente, tecnologia já consolidada e estudada há décadas, com o fornecimento de calor por meio de um termossifão bifásico. Enquanto uma configuração de destilação convencional fornece calor apenas no refervedor e retira o calor no condensador de topo, a abordagem Destubcal possui uma distribuição uniforme de energia ao longo de todo o comprimento do tubo de destilação, sendo assim um equipamento mais compacto, seguro e eficiente termicamente (BATTISTI; MACHADO; MARANGONI, 2020). Estudos experimentais consolidados apontam que essa tecnologia é eficaz na separação e purificação de diversas misturas, com menor consumo de energia em relação à destilação convencional, tais como etanol-água (MARANGONI et al., 2019b, 2019a), mistura aromática de tolueno, para-xileno, meta-xileno, orto-xileno e etilbenzeno (SILVA FILHO et al., 2018), monoetilenoglicol-água (PIRES et al., 2020), e nafta petroquímica sintética (QUERINO; MACHADO; MARANGONI, 2019). Estes trabalhos apontam que a unidade Destubcal é uma opção tecnológica promissora, o que motiva a continuidade e aprofundamento dos estudos em direção a consolidar esta tecnologia como um processo de destilação avançada viável economicamente. Para isso, há uma demanda crucial em entender o comportamento dinâmico desse aparato a fim de avançar nas estratégias de controle, visando minimizar custos e maximizar a produtividade. A compreensão do comportamento da influência e interação das variáveis operacionais e, consequentemente, a otimização desses parâmetros também se mostra necessária para viabilizar futuras aplicações. Além disso, o conhecimento dos custos de capital e operação tonam-se imprescindíveis para análise da viabilidade econômica do processo e sua consolidação estratégica. Objetivo: O escopo norteador deste trabalho é oferecer contribuições científicas no campo da modelagem, do controle, da otimização e da avaliação técnico-econômica de uma unidade de destilação por filme líquido descendente em escala piloto assistida por um termossifão bifásico fechado, visando consolidar e difundir esta tecnologia como um processo viável de destilação intensificada energeticamente. Metodologia: Este estudo está dividido em capítulos, sendo que cada capítulo representa uma das contribuições propostas nos tópicos abordados. Em cada um dos capítulos utiliza-se uma metodologia particular, a fim de atingir os objetivos previamente delineados. A parte comum a todos os capítulos é execução experimental na unidade em escala piloto, que foi utilizada para realização dos ensaios experimentais, coleta de dados e validação dos modelos matemáticos desenvolvidos. O capítulo de revisão da literatura traz uma perspectiva histórica dos fundamentos conceituais, dos tipos de processos e das diferentes formas de operação já utilizadas, além dos avanços tecnológicos produzidos ao longo dos anos a respeito dos múltiplos e complexos fatores que influenciam a eficiência da destilação por filme líquido descendente. Para isso foi realizado um amplo levantamento nas bases bibliográficas Scopus e Google Scholar de trabalhos publicados e patentes depositadas relacionadas aos tópicos \"colunas de filme líquido descendente\" e/ou \"colunas de parede molhada\" desde meados do início do século XX, mais especificadamente no ano de 1942, até os dias atuais, no ano de 2020. Em seguida, para elucidar o comportamento dinâmico do aparato, uma modelagem transiente baseada em rede térmica com extensa validação experimental foi proposta. Após o modelo estar validado experimentalmente, o projeto de um controlador PID foi executado, e o modelo simulado em ambiente Simulink® a fim de avaliar o sistema de controle feedback da temperatura do termossifão atuando na potência das resistências elétricas. Posteriormente, com o intuito de avaliar o desempenho da unidade, um modelo preditivo de aprendizado de máquina baseado em redes neurais foi implementado para separação da mistura etanol-água. A temperatura de alimentação, a temperatura do evaporador e a vazão de alimentação foram as três variáveis de entrada do modelo, enquanto a fração mássica de etanol no destilado, a vazão mássica de destilado, o fator de recuperação e o fator de separação foram os quatro indicadores de desempenho avaliados. Uma vez que a topologia ideal do modelo de redes neurais foi estabelecida, uma otimização baseada em algoritmo genético foi realizada utilizando-se a modelagem de aprendizado de máquina, a fim de otimizar as variáveis operacionais do processo. Por fim, uma avaliação técnico-econômica e energética da unidade Destubcal em escala piloto foi realizada, aplicada à recuperação de etanol em grau desinfetante de 70 vol% em álcool. Essa análise foi motivada pelo aumento dramático da demanda por sanitizantes à base de etanol devido à emergência da pandemia de COVID-19, que chegou a levar à escassez em muitas cidades do Brasil. A performance da unidade foi avaliada experimentalmente com base em 64 corridas na unidade piloto, e a avaliação de custos de capital e custos operacionais foi realizada a fim de verificar a viabilidade técnica e econômica da planta como uma alternativa frente à destilação convencional de etanol. Resultados e discussão: A revisão da literatura demostrou que as colunas de filme líquido descendente representam cerca de 10,9% do total de trabalhos publicados nos últimos 80 anos. Estas colunas têm sido predominantemente usadas para pesquisas fundamentais de transferência de calor e massa. Apesar desta configuração não estar entre as maiores demandas de aplicação, ao longo dos anos vários dispositivos de película líquida descendente foram projetados, aprimorados e patenteados, tais como colunas monotubulares, colunas multitubulares, colunas verticais de placas planas, e colunas integradas energeticamente. No entanto, no que diz respeito à aplicação industrial, os conceitos de destilação de filme descendente ainda são relativamente pouco utilizados. Estudos em estado estacionário de eficiência de separação já estão bem consolidados, sendo que a maioria dos trabalhos publicados confirma a minimização do consumo de energia quando comparados às colunas de destilação convencionais. Ficou evidenciado que há lacunas de conhecimento no que tange o comportamento dinâmico destes processos de destilação. Desta forma, os desafios daqui a diante devem ser focalizados em esclarecer a dinâmica do processo, para que se avance no sentido de melhorar as estratégias de controle e otimização. Isso permitirá avançar nas melhorias operacionais da coluna para elevar essa tecnologia a um nível mais alto de viabilidade econômica. Considerando a complexidade do processo e a quantidade de variáveis que podem sofrer distúrbios ao longo do tempo, além da sensibilidade do filme descendente, o modelo transiente proposto baseado em rede térmica foi capaz de descrever o comportamento dinâmico da temperatura do termossifão com boa precisão. Os coeficientes de transferência de calor experimental e predito mostraram concordância satisfatória dentro da faixa de desvio de ± 25%, considerada admissível segundo a literatura. O controlador PID com parâmetros de sintonia ajustados pelo método Ziegler-Nichols mostrou-se mais eficiente em atingir o setpoint de temperatura desejado mais rapidamente, com menor overshoot e menor oscilação na variável manipulada, consequentemente, reduzindo o consumo de energia elétrica da unidade em 3,1%. O modelo de aprendizado de máquina baseado em redes neurais foi capaz de prever com precisão os quatro principais parâmetros de desempenho da unidade, com um coeficiente de correlação geral satisfatório de 0,95 para todos os dados. A topologia ideal do modelo de redes neurais feed-forward foi alcançada com um arranjo de 10 neurônios dentro de uma camada oculta (3:10:4). De acordo com os gráficos de generalização, as variáveis operacionais influenciaram de forma individual e sinérgica as respostas analisadas. Há uma relação de compromisso com a pureza do produto de topo, representada pela fração mássica do etanol no destilado, e a produtividade, representada pela vazão mássica do destilado. Geralmente, alta pureza é alcançada com vazões de destilado mais baixas, e alta produtividade leva à redução da pureza. Buscando extrair o máximo desempenho da unidade frente a todas as respostas simultaneamente, a otimização baseada em algoritmo genético levou a uma fração mássica de 50,6% de etanol no destilado, 4,91 kg/h de destilado, com um fator de recuperação de 84,9%, e um fator de separação de 57,4. Com relação à avaliação técnico-econômica, a análise de desempenho mostrou que sob uma vazão de alimentação de 14 L/h, uma temperatura de alimentação de 80 °C e uma temperatura de evaporador de 93 °C a unidade atinge o consumo específico mínimo de energia de 571,12 W·h/kg, com uma recuperação máxima de etanol de 40,66%. O impacto dos elementos na parcela do custo de capital mostrou que a instrumentação e controle (27,8%) e tubulação e equipamentos auxiliares (27,6%) são os custos predominantes, enquanto que o custo dos principais equipamentos de processo representa apenas 6,2%, revelando-se uma tecnologia de baixo custo e de fácil implementação. O maior gerador de custos operacionais foi a mão de obra (51,3%), visto que a unidade em escala piloto tem capacidade inferior às plantas industriais. No entanto, a unidade Destubcal gasta com utilidades cerca de 31,6 $/m3alimentado, o que representa uma economia total de 43,8% em comparação com as destilarias convencionais. Além disso, a unidade Destubcal economiza cerca de 1,78 MJ/kg (46,4%), aliada a uma redução de 59,2% na altura da coluna em comparação a uma coluna convencional, sendo considerada economicamente viável para a recuperação de etanol em grau sanitizante. Considerações finais: A integração das técnicas de destilação por filme descendente com fornecimento de calor por meio de um termossifão bifásico, que resultou na tecnologia Destubcal, representa melhorias notáveis para o campo das separações térmicas, uma vez que a combinação dessas duas tecnologias bem estabelecidas deu origem a um novo aparato de destilação, mais compacto, mais seguro e mais econômico. Como consequência dos desafios e perspectivas identificados foi possível planejar estratégias para preencher as lacunas encontradas na tecnologia Destubcal, e avançar na consolidação deste processo de destilação intensificada. O modelo baseado em rede térmica conseguiu descrever com boa precisão a dinâmica do fornecimento de calor e pode ser aplicado para o projeto de equipamentos futuros com maior capacidade de processamento e diferentes fins de separação. A modelagem de aprendizado de máquina baseada em redes neurais foi aplicada com sucesso mostrando boa capacidade preditiva, e a técnica de otimização via algoritmo genético conseguiu extrair um desempenho satisfatório da unidade em escala piloto. Por fim, a análise técnico-econômica indicou que a unidade Destubcal em escala piloto tem potencial para ser uma alternativa viável na recuperação de etanol em grau desinfetante, 70 vol% em álcool, e pode ajudar a evitar escassez deste produto causada pela pandemia atual e futuros eventos. Abstract: Worldwide efforts in process intensification led to innovative designs for distillation, notably known as an energy-intensive process. Engaged in the global trend towards more energy-efficient and sustainable technologies, our research team has been developing a novel thermosyphon-assisted falling film distillation technology, patented as Destubcal. This apparatus combines the falling film distillation, a well-consolidated technology, with the innovative supply of heat through a two-phase closed thermosyphon. Previous experimental studies by the research group pointed out that the Destubcal unit is a promising technology in separating different mixtures with energy gains, motivating the continuity towards consolidating this technology as an economically-feasible advanced distillation process. A broad and deep survey in bibliographical bases of published works and deposited patents from the beginning of the 20th Century until nowadays was realized and pointed out knowledge gaps that still limit the popularization of this technology, which must be elucidated. Based on this, the guiding goal of this work is to offer scientific contributions on modeling, control, optimization, and techno-economic evaluation of the pilot-scale thermosyphon-assisted falling film distillation unit to move forward in operational and design improvements, aiming to raise this technology to a higher level of feasibility for chemical separations. The thermal network-based dynamic modeling proposed and validated by dedicated experimental campaigns with the pilot-scale unit accurately predicted the transient behavior and steady-state temperature of the two-phase closed thermosyphon. The experimental and predicted heat transfer coefficients showed reasonable agreement within the ± 25% deviation band. A feedback control of the thermosyphon's evaporator temperature was performed in Simulink® to manage the steam chamber temperature. PID technique was adopted to achieve faster and smoother the control target, with the secondary effect to reduce mechanical stresses, increasing life cycle, and reducing energy consumption by 3.1%. From a total dataset of 64 experimental runs carried out in the pilot-scale unit, a machine learning predictive model based on artificial neural networks was developed for ethanol-water separation. Despite the high non-linearity, the machine learning approach was capable of modeling the process accurately. The optimal topology was achieved with a network arrangement of 10 neurons within one hidden layer (3:10:4), with a correlation coefficient higher than 0.95 for all data. The optimal operating conditions achieved by the genetic algorithm technique were a feed temperature of 90.6 °C, an evaporator temperature of 109.6 °C, and a feed flow rate of 26.3 L/h. The cost impact of the components associated with the construction and installation of the Destubcal unit revealed that instrumentation and control, and piping and auxiliary equipment are the predominant cost elements (more than 55%) of the capital cost, while major process equipment represent a small portion (6.2%), indicating a low capital investment cost when compared to other unconventional distillation devices. The major operating cost-driver is the labor (51.3%) since the pilot-scale unit has a lower capacity than industrial plants. However, the Destubcal unit spends on utility costs about 31.6 $/m3feed, which represents a total saving of 43.8% compared to conventional distilleries. Furthermore, the Destubcal unit saves about 1.78 MJ/kg (46.4%), with 59.2% less column height than a conventional column, being considered techno-economically feasible for sanitizer-grade ethanol (70 vol%) recovery.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2021. A complexidade do efluente têxtil, relacionada a grande quantidade de solutos em sua composição, faz com que processos convencionais de tratamento não apresentem completa degradação e gerem um volume crítico de lama, além de baixa qualidade da água resultante. O processo de Destilação por Membranas (DM) apresenta-se como uma alternativa promissora para a recuperação e reinserção da água deste efluente no processo, visto que possibilita a utilização de calor residual do processo de tingimento, resultando em um permeado de alta qualidade. Entretanto, alguns desafios para a consolidação desta tecnologia persistem, relacionados a fenômenos do processo, como a incrustação e o molhamento. A baixa resistência ao molhamento das membranas comerciais faz com que a DM ainda não seja capaz de ser aplicada à totalidade de componentes dos efluentes têxteis, como algumas classes de corantes e aditivos utilizados, como surfactantes. Neste contexto, este trabalho visou a modificação de membranas comerciais de poliamida (PA) e polipropileno (PP) utilizando a técnica de electrospraying, com blendas poliméricas contendo PVDF, PDMS com ou sem agente de cura e nanopartículas de sílica, em solução de THF:DMF 1:1, com o intuito de aumentar a hidrofobicidade e a resistência ao molhamento. A influência da concentração de polímero, cura do polímero, tempo de exposição sob o spray e concentração de nanopartículas de sílica na hidrofobicidade das membranas foram avaliadas. Ângulos de contato de 167,13º e 144,07º foram obtidos para as membranas de PA e PP, respectivamente, e estas foram caracterizadas em termos de estrutura morfológica e química (FTIR, MEV, EDX), estudo térmico (DSC), espessura, porosidade, ângulo de contato com diferentes soluções e Potencial Zeta. O potencial de remoção das membranas modificadas foi avaliado em operações de Destilação por Membranas por Contato Direto (DCDM), durante 4 h, em condições operacionais fixas. A membrana modificada de PP com a solução de porcentagem mássica 2% PVDF e 6% Sylgard (PDMS curado) foi testada com quatro diferentes classes de corantes utilizados industrialmente (reativo, disperso, direto e ácido), e apresentou fluxos de 29,7, 44,85, 29,79 e 35,41 kg m-2 h-1, respectivamente, com redução máxima de 11,6% em relação ao fluxo da membrana de PP pura. As taxas de rejeição obtidas para a membrana modificada foram maiores que 95%, e maiores que as taxas de rejeição da membrana pura com as diferentes classes de corantes. A cura do polímero PDMS, combinada com a estrutura rugosa obtida através do electrospraying, diminuiu o potencial zeta da membrana modificada na faixa de pH das soluções testadas, contribuindo para uma maior resistência ao molhamento e maior potencial de remoção de corantes. A membrana modificada de PA com a solução de porcentagem mássica 2% PVDF, 10% PDMS e 20% de nanopartículas de sílica apresentou fluxos mais baixos devido sua estrutura densa. Foi testada com os componentes do banho de tingimento de algodão (corante preto reativo e surfactante), resultando em fluxo de 0,6 e 0,39 kg m-2 h-1, respectivamente, e em taxas de rejeição superiores ao da PA pura. Este aspecto foi observado principalmente com a solução de surfactante, onde o início do molhamento foi evidenciado na membrana de PA pura. A membrana modificada de PA apresentou uma propriedade anti-incrustante mediante à deposição de corante em sua superfície. A modificação de membranas comerciais visando a criação de estruturas mais hidrofóbicas viabilizou a operação DCMD com diferentes classes de corantes e soluções de baixa tensão superficial (surfactante), com maior resistência ao molhamento e maior potencial de remoção de corante, sem comprometer a estrutura química e morfológica das membranas. Neste trabalho, a modificação das membranas comprovou a potencialidade do processo DCMD para recuperação de água de soluções contendo solutos do efluente têxtil. Abstract: The conventional processes of textile wastewater treatment show a not-completely effluent degradation and generates high sludge-volume, due to the high complexity of this effluent, related to the great number of solutes in its composition. The process of Membrane Distillation (MD) consists of a promisor alternative to water recuperation from textile wastewater and its reinsertion in the process. It enables the utilization of waste heat from the dyeing process and results in a high-quality permeate. However, some challenges to the consolidation of this technique persist, related to the fouling and wetting phenomena. The low wetting resistance of the commercial membranes makes the DM process not applicable to the whole textile effluents compounds, such as some classes of dyes and additives employed in the process, i.e., surfactants. In this context, this work aimed at the membrane modification of polyamide (PA) and polypropylene (PP) membranes, using electrospraying technique through the incorporation of polymeric blends on the membrane surface, with PVDF, cured or not-cured PDMS, and silica nanoparticles (Si NPs) in THF: DMF (1:1) solutions. The main goal of modifications was the hydrophobicity improvement and achievement of anti-wetting property. The influence of polymer and Si NPs concentration, polymer curing, and time under the spray were evaluated. Water contact angles of 167.13º and 144.07º were obtained to PA and PP membranes, respectively. These membranes were characterized in chemical and morphological structures (FTIR, SEM, and EDX), thermal analysis (DSC), membrane thickness and porosity, contact angle against different solutions, and Zeta Potential. The removal potential of modified membranes was evaluated in a Direct Contact Membrane Distillation (DCMD) operation, during four hours, in a fixed operational condition. The modified PP membrane using 2% PVDF and 6% Sylgard (cured PDMS) was tested with four different industrial dye classes (Reactive, Disperse, Direct, and Acid) and presented permeate fluxes of 29.7, 44.85, 29.79 e 35.41 kg m-2 h-1, respectively. The flux was reduced at most 11.9% comparing to the pristine PP membrane. The rejection rates reached more than 95%, and they were higher than the rejection rates of pristine PP against the different classes of dyes. The polymer curing, combined with the high roughness and hydrophobic structure obtained through electrospraying, decreased the zeta potential of the modified membrane in the pH range of dye solutions, contributing to a high wetting resistance and high rejection rates without loses in membrane porosity. The PA modified membrane using 2% PVDF, 10% PDMS, and 20% Si NPs showed lower permeate fluxes due to its dense structure. It was tested with a cotton dyeing bath compounds (reactive black dye and surfactant), resulting in permeate fluxes of 0.6 and 0.39 kg m-2 h-1. Higher rejection rates than the pristine PA membrane were achieved, mainly dealing with the surfactant solution, where the PA membrane has been beginning wetted. The PA modified membrane achieved an antifouling property against the deposition of dye particles. The modification of commercial membranes aiming to create more hydrophobic structures enabled the DCMD operation with different dye classes and low surface tension solutions (detergent), with higher wetting resistance and higher removal potential, without compromising the chemical and morphological structure of the membranes. In this work, the membrane modification proved the DCMD process?s potentiality in water recuperation from solutions containing textile wastewater solutes.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2021. No presente trabalho foram estudadas configurações da destilação por membrana de contato direto multiestágio utilizando soluções de quatro classes de corante têxtil (preto reativo, preto disperso, preto direto e preto ácido) e membranas comerciais de PVDF. Foram conduzidos experimentos com as configurações em série, paralelo contracorrente e paralelo concorrente, utilizando as mesmas variáveis operacionais (Talimentação = 60ºC, Tpermeado = 20ºC, Qalimentação = 1,5L/min, Qpermeado = 0,7L/min e tempo de experimento = 4h). Foram avaliados produção de permeado e três critérios energéticos (eficiência térmica, consumo específico de energia e GOR). Os melhores resultados de vazão mássica de produto obtidos foram para o corante preto reativo na configuração em série (?=62,37 g.h-1 ) e para o corante preto direto na configuração em paralelo concorrente (?=53,22 g.h-1 ). A análise energética demonstrou que a configuração em série se mostrou melhor. Visando a proposição de estratégias para incremento do fluxo de permeado, a configuração em série foi estudada com o uso de diferentes membranas (PVDF e PP). Esta proposta se mostrou mais eficiente quando comparada com apenas PVDF, sendo que o melhor resultado foi para o corante preto ácido (39,2% a mais de produto para a unidade com apenas PVDF). Também, foi avaliada a inserção de uma terceira unidade na configuração em série, cujos testes foram realizados com as soluções de corantes preto reativo e preto direto. Observou-se um acréscimo pequeno na quantidade de permeado de 5,7% para o corante preto reativo e de 8,5% para o direto, fato atribuído à elevação da temperatura do permeado e consequente redução da força motriz da operação. Posteriormente, foi avaliado a variação da condição operacional de vazão de permeado (1,5 L/min e 2,0 L/min) na configuração em série, com a solução de corante preto reativo. As variações de vazão se mostraram eficientes pois apresentaram aumentos de 18,3% e 26%, respectivamente. Por fim, foi também avaliada a adição de uma terceira unidade na configuração em paralelo concorrente usando o corante preto reativo, obtendo-se um valor 72,7% de vazão mássica de permeado maior que obtido para a mesma solução com duas unidades. Uma vez que todas as propostas e unidades multiestágio demonstraram ganhos de produtividade, ficou evidente que a contribuição desse trabalho para a DM aplicada à efluentes têxteis está baseada no aumento de produto final e em um melhor aproveitamento energético que a DMCD-MS proporciona. Abstract: In the present work, configurations of multistage direct contact membrane distillation (MSDCMD) were studied, using solutions of four classes of textile dye (reactive black, dispersed black, direct black, and acid black) and commercial PVDF membranes. Experiments were carried out with the configurations in series, parallel countercurrent, and parallel concurrent, using the same operational variables (Tfeed = 60ºC, Tpermeate = 20ºC, Qfeed = 1,5L/min, Qpermeate = 0,7L/min and experiment time = 4h. Permeate production and three energy criteria (thermal efficiency, specific energy consumption and GOR) were evaluated. The best permeate flux was obtained for the reactive black solution in the series configuration (?=62.37 g.h-1 ) and the direct black in the concurrent parallel configuration (?=53.22 g.h-1 ). In the energetic analysis, the series configuration was better. Aiming at proposing strategies to increase the permeate flux, the series configuration was studied using different membranes (PVDF and PP). This proposal was more efficient when compared with only PVDF, and the best result was for the acid black solution (with 39.2% more product for the same dye with only PVDF), due to the better characteristics than the PP membrane has. Also, the addition of a third unit in the series configuration was evaluated, whose tests were carried out with the solutions of reactive black and direct black. There was an increase in the amount of permeate was low: 5.7% for the reactive black and 8.5% for the direct black, a fact attributed to the rise in the temperature of the permeate and the consequent reduction in the driving force of the operation. Later, the variation of the permeate flow operating condition (1.5 L / min and 2.0 L / min) in the series configuration was evaluated with the reactive black solution. Flow variations become efficient as the compaction is 18.3% and 26% respectively. Finally, the addition of a third unit in the parallel configuration was also evaluated using the reactive black dye, obtaining a value of 72.7% of the same permeate mass flow rate greater than the compound for the solution with two units. Since all proposals and multistage units demonstrated productivity gains, it was evident that the contribution of this work to the DM applied to textile effluents is based on the increase of the final product and on better energy use that the DMCD-MS offers.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2021. A recente evolução no campo dos equipamentos de destilação levou ao desenvolvimento de novas tecnologias termodinamicamente mais eficientes. Destaca-se as colunas de destilação de filme descendente energeticamente intensificadas da Tecnologia Destubcal, que combinam as funcionalidades de uma coluna de destilação de filme descendente e um termossifão bifásico em uma única unidade compacta. Apesar do recente progresso tecnológico em busca da consolidação destas unidades na área de separação de misturas, a falta de conhecimento sobre o comportamento dinâmico destas colunas de destilação limita a progressão industrial desta tecnologia. Neste sentido, o objetivo deste trabalho é investigar experimentalmente o comportamento dinâmico do processo de separação de uma mistura binária de etanol e água nas duas unidades de destilação Destubcal (Unitubular e Multitubular), confrontando-se as duas configurações de aquecimento possíveis (isotérmico e com perfil axial de temperatura). Primeiramente, identificou-se as etapas do procedimento de partida das unidades piloto de destilação de película descendente aquecidas por termossifão bifásico, que foi caracterizada como tendo três fases distintas: (1) etapa descontínua; (2) etapa semicontínua; e (3) etapa contínua. Confrontando-se as unidades de destilação Unitubular e Multitubular frente à operação da partida, não se mostraram diferenças relevantes entre estas quanto ao tempo requerido para estabelecimento de cada etapa. Comparando-se as configurações de aquecimento isotérmico e com perfil axial de temperatura, foi evidenciado uma ligeira tendência a se obter dinâmicas de inicialização mais rápidas para a configuração de aquecimento isotérmico. Do ponto de vista energético, o procedimento de partida com a câmara de vapor operando sob a configuração de aquecimento com perfil axial de temperatura, quando comparada com a configuração de aquecimento isotérmico, propiciou uma redução na demanda energética em 30,3% para a unidade de destilação Unitubular e de 17,0% para a unidade de destilação Multitubular. Quando comparada com uma coluna de destilação convencional (dados da literatura), a destilação de filme descendente intensificada se apresenta como uma opção promissora para o enriquecimento de etanol, em que obteve-se uma economia de energia de 15,06% e redução de 62,96% na altura do equipamento de destilação. Além disso, o uso desta nova proposta tecnológica favoreceu uma dinâmica de inicialização mais rápida em relação a coluna de destilação convencional. Em segunda instância, as respostas dinâmicas das duas unidades de destilação Destubcal frente a perturbações nas principais variáveis de entrada do processo também foram investigadas. As respostas transientes obtidas permitem concluir que a câmara de vapor operando sob a configuração de aquecimento isotérmico apresentou dinâmicas mais rápidas, em ambas as unidades de destilação Destubcal. Quando se compara a mesma configuração de aquecimento, ambas as unidades de destilação Destubcal apresentaram respostas relativamente próximas. Por fim, o comportamento transiente da unidade de destilação Multitubular frente às perturbações, quando comparada com o comportamento de uma unidade de destilação convencional (dados da literatura), apresentou tendência positiva à obtenção de respostas mais rápidas frente a possíveis perturbações, evidenciando o grande potencial da tecnologia de destilação por filme descendente intensificada energeticamente para substituir as colunas de destilação convencionais. Abstract: Recent developments in equipment for the distillation field have led to the creation of new energy-efficient distillation technologies, with emphasis on thermosyphon-assisted falling film distillation columns (Destubcal Technology), which combine the functionality of a falling film distillation column and a biphasic thermosiphon device in a single apparatus. Despite the recent technological progress in the search for the consolidation of falling film distillation columns coupled to a biphasic thermosiphon device in the area of separation of mixtures, the lack of knowledge about the dynamic behavior of thermosyphon-assisted falling film distillation columns limits the industrial progression of this emerging technology. In this sense, the objective of this work is to experimentally investigate the dynamic behavior of the two Destubcal distillation columns (Single-tube and Multi-tube), applied to ethanol-water separation, confronting the two possible heating configurations (isothermal and with axial temperature profile). Firstly, the stages from the starting procedure of the falling film distillation columns heated by a two-phase thermosiphon were identified, which was characterized as having three distinct phases: (1) discontinuous step; (2) semi-continuous step; and (3) continuous step. Comparing the Single-tube and Multi-tube distillation columns with respect to the startup procedure, there were no relevant differences between them in terms of the time required to establish each stage. There is a slight tendency to obtain faster initialization dynamics for the isothermal heating configuration when compared to the heating configuration with the axial temperature profile. From the energetic point of view, the startup procedure with the steam chamber operating under the heating configuration with the axial temperature profile, when compared with the isothermal heating configuration, providing a reduction in energy demand by 30.3% for the Single-tube distillation column and 17.0% for the Multi-tube distillation column. When compared to a conventional distillation column (data from the literature), energy-intensified falling film distillation can be regarded as a promising option for ethanol enrichment, resulting in an energy saving of 15.06% and a reduction of 62.96% in distillation column height. Also, the use of this new technological proposal favored a faster startup concerning the conventional distillation column. In the second place, open-loop transient response was evaluated from the effects of disturbances on operating parameters. From obtained transient responses it was concluded that that the steam chamber operating under the isothermal heating configuration presented faster dynamics, in both Destubcal distillation columns. When comparing the same heating configuration, both Destubcal distillation columns showed relatively close responses. Finally, the transient behavior of the Multi-tube falling film distillation column in the face of disturbances, when compared to the behavior of a conventional distillation column (data from the literature), showed a positive tendency to obtain faster responses in the face of possible disturbances, showing the great potential of energy-intensified falling film distillation technology to replace conventional distillation columns.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2019 No presente trabalho buscou-se determinar as condições ótimas de um processo de destilação por membrana por contato direto (DMCD) aplicado ao tratamento de águas residuais da indústria têxtil com soluções sintéticas dos corantes preto reativo e preto disperso com a membrana plana comercial poli(tetrafluoretileno) (PTFE). Foi empregado um delineamento composto central rotacional constituído de um fatorial 23, com repetições no ponto central de alguns experimentos, ao nível de 95% de confiança. Vazão de alimentação (Va), Vazão de permeado (Vp) e Temperatura de alimentação (Ta) foram as variáveis independentes, fluxo final e a taxa de rejeição de cor as variáveis dependentes. Definiu-se que a melhor condição operacional aplicada ao tratamento das duas classes de corantes têxteis foi a mesma e igual a: Va= 4 L.min-1, Vp = 1 L.min-1 e Ta= 84 °C. Obteve-se fluxo final máximo de 40,4 kg.m-2.h-1 para o corante reativo, e 47,3 kg.m-2.h-1 para o corante disperso. Taxas de rejeição acima de 99% foram observadas nos dois casos. Os resultados obtidos a partir do planejamento experimental mostraram que quanto maior os valores da temperatura de alimentação e das vazões, maior o fluxo de permeado para ambas as classes de corantes estudadas. Foi observado que a taxa de rejeição de cor não depende das condições operacionais e sim das características das membranas e dos corantes. A caracterização das membranas utilizadas mostrou que não foi observado corantes depositados sobre a superfície e nem alteração dos grupos funcionais da membrana, aspecto importante visto que condições operacionais testadas foram acima das relatadas na literatura para tratamento de efluentes têxteis. Por fim, as condições ótimas determinadas foram aplicadas no tratamento de duas águas residuais têxteis reais: tingimento de algodão com o corante preto reativo e poliéster com o corante preto disperso. A utilização do processo DMCD não foi possível com o efluente do tingimento de algodão, o que foi atribuído à alta concentração de agentes químicos presentes levando a passagem de corante através da membrana. Já para o efluente com o corante disperso foi obtido um fluxo final de 41,9 kg.m- 2.h-1 e uma taxa de rejeição acima de 99%, valores estes próximos do obtido com as soluções sintéticas. Abstract: The objective of the present work was to determine the optimal conditions of Direct Contact Membrane Distillation (DCMD) process applied to the wastewater treatment of the textile industry with synthetic solutions of the reactive black and disperse black dyes and using a commercial flat poly(tetrafluoroethylene) (PTFE) membrane. A central rotational compound design was used, consisting of a 2³ factorial, with repetitions at the central point and some experiments at the 95% confidence level. Feed flow, (Va), permeate flow, (Vp) and feed temperature (Ta) were defined as the independent variables, and final permeate flow and the color rejection rate were the dependent variables. It was determined that the best operational condition applied to the usage of the two classes of textile dyes were the same and equal to Va = 4 L.min-1, Vp = 1 L.min-1 and Ta = 84ºC. The maximum permeate flux obtained was of 40.4 kg.m-².h-¹ for the reactive dye, and 47.3 kg.m-².h-¹ for the disperse dye. Rejection rates above 99% were observed in both cases. The results from the experimental design showed that the higher the temperature and flow values, the higher the permeate flux for both classes of dyes studied. It has been observed that the color rejection does not depend on the operating conditions but the characteristics of the membranes and the dyes. The characterization of the membranes used showed that no dyes were deposited on the surface, and no alteration of the functional groups of the membrane was observed - an important aspect since in this study the operating conditions tested were above those reported in the literature for treatment of textile effluents. Finally, the determined optimum conditions were applied in the treatment of two real textile wastewaters: cotton dyeing with the reactive black dye and polyester with the disperse black dye. The use DCMD process was not possible with the cotton dye effluent, which was attributed to the high concentration of chemical agents present leading to the passage of dye through the membrane. For the effluent with the disperse dye, a final flow of 41.9 kg.m-².h-¹ and a rejection rate above 99% were obtained, values close to that obtained with the synthetic solutions.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2018. Ciclos de batelada muito longos são necessários para completar a polimerização e impregnação do Poliestireno Expansível (EPS), se comparado com a maioria dos demais processos de polimerização. A polimerização a temperaturas mais elevadas como meio para aumentar a produtividade não é bem-sucedida devido à menor massa molar média do polímero e à maior coalescência de partículas. Sabe-se que o agente expansor, geralmente o pentano, emborracha a matriz polimérica e influencia a taxa de polimerização e a massa molar média. Uma das necessidades de processo é otimizar o tempo da adição do agente de expansão e a proporção do iniciador necessária para melhorar a produtividade geral, porém a avaliação experimental de tais parâmetros é dispendiosa, pois testes experimentais e unidades piloto demandam tempo e recursos financeiros. Neste trabalho utilizou-se o simulador de processos Aspen Polymers para avaliar diferentes condições operacionais para a produção e impregnação do EPS. Foram implementadas alterações no modelo matemático padrão do software por meio de rotinas de usuário que permitem o estudo de casos específicos possibilitando a incorporação dos efeitos de adição do agente expansor nas simulações. O modelo modificado foi validado a partir de dados experimentais obtidos da literatura e com a reprodução de parte do trabalho de Villalobos et al., (1993). Foi estudado a influência da implementação de rampas de aquecimento e da presença de diferentes teores de agente expansor na cinética da reação e na massa molar média ponderal por meio de diferentes rotas de síntese do EPS. Os principais resultados avaliados foram a conversão em função do tempo, a massa molar média e numérica em função da conversão e a distribuição de massas molares médias ao final da reação, demonstrando que ganhos de processo são possíveis apenas com a manipulação de condições operacionais e que as modificações implementadas são eficientes para o estudo de novos processos para a síntese do EPS. Abstract : Very long batch cycles are required to complete polymerization and impregnation of Expandable Polystyrene (EPS), concerning to most polymerization processes. Polymerization at higher temperature to increase productivity is not successful because of the higher average molecular weight of the polymer and particle coalescence. It is known that the blowing agent, generally pentane, embeds a polymer matrix and influences the rate of polymerization and the average molecular weight. One of the process needs is to optimize the time of addition of the blowing agent and the proportion of the initiator necessary to improve overall productivity, however, an experimental evaluation of such options is expensive, since the tests try variables and require time and financial resources. In this work the Aspen Polymers process simulator was used to evaluate different operational conditions for EPS production and impregnation. Changes were implemented in the standard mathematical model through user routines that allow the study of specific cases, which allowed the incorporation of the effects of addition of the blowing agent in the simulations. The modified model was validated from experimental data of the literature and with the reproduction of part of the work of Villalobos et al., (1993). The influence of the implementation of slope heating curves and the presence of different expander contents in the reaction kinetics and in the average molecular weight were studied through different routes of EPS synthesis. The main results evaluated were the conversion as a function of time, the average and numerical molecular weight as a function of the conversion and the distribution of average molecular weight at the end of the reaction, demonstrating that process gains are possible only with the manipulation of operational conditions and that the implemented modifications are efficient for the study of new processes for the synthesis of EPS.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2018. A destilação convencional é um processo amplamente utilizado na separação de fluidos nas indústrias. Os principais motivos para implementação de inovações tecnológicas de destilação para grandes indústrias, é a minimização das despesas de capital e os custos operacionais, aumentando a capacidade de produção. Por isso as novas tecnologias de colunas de destilação (destilação não convencional) estão ganhando mais espaço no mercado. O grupo de pesquisa DESTUBCAL apresenta ao longo dos anos estudos envolvendo destilação de filme descendente com diferentes misturas. O presente trabalho estudou experimentalmente o processo de separação de compostos aromáticos em uma unidade de destilação de filme descendente unitubular (um tubo de destilação) e uma unidade de destilação de filme descendente multitubular (nove tubos de destilação), tendo cada unidade 1 m de comprimento e 26 mm de diâmetro com pressão atmosférica assistida por termossifão. A separação de tolueno no destilado na unidade unitubular apresentou teor de 68,24% com produtividade de 2,96 kg · h-1 e consumo energético de 768 W quando a câmara de vapor operou na condição isotérmica. Em relação a coluna convencional, para produzir a mesma quantidade de tolueno no destilado foi preciso um consumo energético praticamente o dobro utilizado na unidade unitubular. O objetivo na multitubular foi aumentar a produtividade da unitubular, assim a separação de tolueno no destilado na unidade multitubular apresentou teor de 66,72% com produtividade de 44,76 kg · h-1 e consumo energético de 8640 W quando a câmara de vapor operou na condição isotérmica. Em relação a coluna convencional, para produzir a mesma quantidade de tolueno no destilado foi preciso um consumo energético de 12286,33 W. Assim, tornando o processo não convencional de destilação mais eficiente em relação ao ponto energético para produzir a mesma quantidade de separação de tolueno no destilado. Abstract : Conventional distillation is widely used in the separation of fluids in industries. The main reasons for implementing technological distillation innovations for large industries is to minimize capital expenditures and operating costs by increasing production capacity. So the new technologies of distillation columns (unconventional distillation) are gaining more space in the market. The research group DESTUBCAL presents over the years studies involving downslope distillation with different mixtures. The present work investigated the process of separation of aromatic compounds in a unitubular descending film distillation unit (a distillation tube) and a multitubular descending film distillation unit (nine distillation tubes), each unit being 1 m in length and 26 mm diameter with thermosyphon assisted atmospheric pressure. The separation of toluene in the distillate in the unitubular unit had a 68.24% yield with a yield of 2.96 kg · h-1 and energy consumption of 768 W when the steam chamber operated in the isothermal condition. In relation to the conventional column, to produce the same amount of toluene in the distillate it was necessary an energy consumption almost double used in the unitubular unit. The objective in the multitubular was to increase the productivity of the unitubular, so the separation of toluene in the distillate in the multitubular unit had 66.72% content with productivity of 44.76 kg · h-1 and energy consumption of 8640 W when the vapor chamber operated in the isothermal condition. In relation to the conventional column, to produce the same amount of toluene in the distillate, an energy consumption of 12286.33 W. was required. Thus, making the unconventional distillation process more efficient in relation to the energy point to produce the same amount of separation of toluene.