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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Many of the existing technologies for the treatment of leachate from landfills are not always able to achieve a satisfactory efficiency in the removal of pollutants. Thus, the simple distillation process is suggested in this master's proposal as a pre-treatment alternative for a landfill leachate. The distillation process consists of the technique of separating more volatile components from less volatile ones, by means of heating and partial vaporization followed by condensation. Among the existing techniques, distillation deserves to be highlighted for not using coagulants or chemical products and, consequently, for not generating large amounts of excess sludge at the end of the treatment. Thus, this work aimed to evaluate the efficiency of the distillation process as an alternative pre-treatment for leachate. To carry out the tests, samples of raw and concentrated leachate were collected at the Santa Maria landfill, in Rio Grande do Sul. The samples were submitted to the simple distillation process set up at the Environmental Engineering Laboratory at the Federal University of Santa Maria. During the process, the parameters of temperature, process time and amount of distilled leachate were monitored, in order to obtain the optimal conditions for the distillation of the leachate. After the first 30 minutes of testing, with an average heating mantle temperature of 265ºC, it is possible to notice the beginning of the distillate production, which is visually colorless. The possibility of being able to incorporate this technique into a sanitary landfill plant, using the gas generated by the degradation of waste as a source of energy to start the process, is very promising, innovative and sustainable. It is important that after treatment, the effluent meets the discharge standards for liquid effluents established by CONAMA Resolutions No. 430/2011 and CONSEMA No. 355/2017, which was achieved after applying the distillation process as a pre-treatment step. In addition, ecotoxicological tests were carried out with Eisenia andrei earthworms, using the crude distilled leachate. The objective of the bioassays was to evaluate the toxicity of the treated effluent to an organism of the terrestrial ecosystem in the event of a spillage/leakage in the soil. However, the results were somewhat inconclusive, due to the occurrence of deaths in the control treatment. A reason for such behavior can be attributed to the non-feeding of organisms during the exposure period. Muitas das tecnologias existentes para o tratamento de lixiviados de aterros sanitários nem sempre conseguem atingir uma eficiência satisfatória na remoção de poluentes. Com isso, o processo de destilação simples é sugerido nesta proposta de mestrado como uma alternativa de pré-tratamento para um lixiviado de aterro sanitário. O processo de destilação consiste na técnica de separação de componentes mais voláteis dos menos voláteis, por meio de aquecimento e vaporização parcial seguida de condensação. Entre as técnicas existentes, a destilação merece destaque por não empregar coagulantes nem produtos químicos e, consequentemente, por não gerar grandes quantidades de lodo excedente ao final do tratamento. Dessa forma, este trabalho teve por objetivo avaliar a eficiência do processo de destilação como alternativa de pré-tratamento para lixiviados. Para a realização dos ensaios, foram coletadas amostras de lixiviado bruto e concentrado no aterro sanitário de Santa Maria, no Rio Grande do Sul. As amostras foram submetidas ao processo de destilação simples montado no Laboratório de Engenharia do Meio Ambiente, na Universidade Federal de Santa Maria. Durante o processo foram monitorados os parâmetros de temperatura, tempo do processo e quantidade de lixiviado destilado, visando obter as condições ótimas de destilação do lixiviado. Após os primeiros 30 minutos de ensaio, com uma temperatura média da manta de aquecimento de 265ºC, foi possível notar o início da produção do destilado, este visualmente incolor. A possibilidade de poder incorporar esta técnica a uma planta de aterro sanitário, utilizando o próprio gás gerado pela degradação dos resíduos como fonte de energia para dar início ao processo, é bastante promissora, inovadora e sustentável. É importante que após o tratamento, o efluente atenda aos padrões de lançamento de efluentes líquidos estabelecidos pelas Resoluções CONAMA nº430/2011 e CONSEMA nº355/2017, as quais foram alcançadas após aplicação do processo de destilação como etapa de pré-tratamento. Além disso, foram realizados ensaios ecotoxicológicos com minhocas Eisenia andrei, utilizando o lixiviado bruto destilado. O objetivo dos bioensaios foi avaliar a toxicidade do efluente tratado a um organismo do ecossistema terrestre caso ocorresse o despejo diretamente no solo. Entretanto, os resultados mostraram-se um pouco inconclusivos, devido a ocorrência de mortes no tratamento controle. Uma justificativa para tal comportamento pode ser atribuído a não alimentação dos organismos durante o período de exposição.

Distillation is a method used to separate components of a homogeneous mixture. In order to reduce experimentation costs and seek more accurate results in different scenarios, computer simulation has contributed considerably to the segment. This work aimed to simulate an ethanol-water distillation process using real data from a scientific article. Through an exploratory bibliographic research and using the software ChemSep, tabulated results of temperatures, enthalpies, entropies, saturated liquid, molar fractions and mass flows were obtained, in addition to a graphic demonstration and stimulated further research, especially in computational simulation focused on for Chemical Engineering. A destilação é um método utilizado para separar componente de uma mistura homogênea. Para se reduzir custos com experimentação e buscar resultados mais precisos em diversos cenários, a simulação computacional tem contribuido consideravelmente para o segmento. Este trabalho teve o objetivo de simular um processo de destilação etanol-água utilizando dados reais de um artigo científico. Através de uma pesquisa bibliográfica exploratória e utilizando o software ChemSep, obteve-se resultados tabelados de temperaturas, entalpias, entropias, líquido saturado, frações molares e vazões mássicas, além de demonstração gráfica e se estimulou o aprofundamento em pesquisa, especialmente em simulação computacional voltado para a Engenharia Química.

As aguardentes vínicas envelhecidas são percepcionadas como produtos destatuse elevada qualidade, com longa história e tradição em Portugal. Apesar de a nível mundial este sector ter registado um aumento no volume e valor das vendas nos últimos anos, a nível nacional não existe informação disponível. O objectivo principal deste trabalho consiste assim na caracterização do sector das aguardentes vínicas em Portugal. A metodologia seguida incluiu a recolha de dados oficiais, a realização de entrevistas exploratórias a entidades do sector e o inquérito a produtores. Os resultados obtidos revelaram que a tecnologia de produção de aguardentes vínicas envelhecidas segue, em Portugal, os procedimentos estabelecidos como boas práticas a nível internacional. No entanto, uma fracção importante dos produtores não realiza sub-processos relevantes, como a destilação, o que poderá constituir um constrangimento à diversidade, tipicidade e qualidade das aguardentes vínicas envelhecidas portuguesas. Entre 2014 e 2018, os dados disponíveis apontam para uma estagnação do sector, com volumes anuais de vendas próximos dos 850.000 litros e um peso muito reduzido das Denominações de Origem. Os produtores consideram que o sector apresenta fraco dinamismo e que os volumes comercializados são reduzidos, faltando inovação, interesse e investimento. O peso excessivo da burocracia associada às numerosas questões legais que regulam a actividade, a elevada carga fiscal, a reduzida dimensão e a falta de procura (condicionada pelo desconhecimento dos consumidores sobre estes produtos), são as questões apontadas como principais entraves ao crescimento do sector. Em conclusão propõem-se algumas medidas de incentivo ao seu desenvolvimento.

Cinnamomum stenophyllum (Meisn.) Vattimo-Gil (Lauraceae) is a native and vulnerable Brazilian species restricted to the Atlantic Forest. The leaf essential oil obtained by hydrodistillation was characterized for the first time by two-dimensional gas chromatography with time-of-flight mass spectrometry (GC × GC-TOFMS). This analysis resulted in the tentatively identification of 80 compounds, showing the superior performance of this method in comparison to the seven compounds identified by GC–MS. The identified compounds included 8 ketones, 7 monoterpene hydrocarbons, 30 oxygenated monoterpenes, 4 sesquiterpene hydrocarbons and 23 oxygenated sesquiterpenes, showing that the C. stenophyllum oil contained mostly oxygenated mono and sesquiterpenes. The oil cytotoxicity was tested against two human cancer cell lines, colon adenocarcinoma (HCT-116) and breast cancer carcinoma (MCF-7), and the non-tumor retinal pigment epithelial cells (RPE) using the colorimetric MTT assay. Both cancer cell lines were sensible to leaf essential oil, with IC50 50 μg/mL), suggesting selectivity to cancer cells. The results showed that the C. stenophyllum leaf essential oil has a cytotoxic potential, presenting several compounds already known as biologically active against tumor cells. Keywords: Cinnamomum stenophyllum, Essential oil, GC×GC-TOFMS, Oxygenated mono- and sesquiterpenes, Cytotoxic activity

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Visando a sustentabilidade e o avanço tecnológico, esforços coletivos são realizados de modo a encontrar formas de desenvolvimento mais adequadas à capacidade de suporte do ecossistema. O Brasil se destaca por diversas atividades relacionadas aos setores agrícola e florestal, dentre elas pela exportação de óleos essenciais, substâncias aromáticas voláteis e complexas obtidas a partir de materiais botânicos. A diversidade de funções químicas encontradas nos óleos essenciais oferece uma variedade de usos, sendo matéria-prima importante para diversas indústrias. O primeiro capítulo deste trabalho é uma revisão de literatura sobre óleo essencial de eucalipto, como é comumente denominado o óleo essencial de espécies de Eucalyptus e Corymbia, no que tange os pré-tratamentos do material vegetal, a extração e usos. O segundo capítulo refere-se à otimização da extração do óleo essencial de Corymbia citriodora, de forma a obter o maior rendimento empregando-se tempo de extração de 1, 2 e 3 horas e massa de folhas de 0,5; 1,0 e 1,5 Kg. O maior rendimento em óleo essencial foi obtido com 0,5 kg de folhas, durante duas ou três horas de extração. Foram encontrados cinco componentes com a prevalência do citronelal, em proporções maiores que 80%. Portanto, os parâmetros de extração alteram o rendimento e a composição do óleo essencial de Corymbia citrodora. O terceiro capítulo trata do armazenamento das folhas de Corymbia citriodora para a extração de óleo essencial em temperatura ambiente e refrigeradas à 5°C, por um mês. Nas folhas não refrigeradas houve perda de cerca de 40% do óleo essencial entre a primeira e última semanas. As amostras não refrigeradas perderam significativamente mais massa que as refrigeradas. Três componentes foram identificados na maioria das amostras, com grande predominância do citronelal, com valores superiores à 90%. O armazenamento de folhas não refrigeradas não é recomendado. Não houve alterações na composição entre folhas refrigeradas e não refrigeradas, ou ao longo do tempo de armazenamento. O armazenamento de folhas refrigeradas, por períodos de até duas semanas, pode ser realizado sem perda significativa de rendimento. Palavras-chave: Citronelal. Destilação a vapor. Eucalipto. Pré-tratamentos. Aiming at sustainability and technological advancement, collective efforts are carried out in order to find forms of development that are more suited to the ecosystem's support capacity. Brazil stands out for several activities related to the agricultural and forestry sectors, among them the export of essential oils, volatile and complex aromatic substances obtained from botanical materials. The diversity of chemical functions found in essential oils offers a variety of uses, being an important raw material for several industries. The first chapter deals with a literature review on eucalypts essential oil, as the essential oil of Eucalyptus and Corymbia species is commonly called, regarding the pre-treatments of plant material, the extraction, and uses of the essential oil. The second chapter refers to the optimization of the extraction of Corymbia citriodora essential oil, in order to obtain the highest yield using extraction times of 1, 2 and 3 hours and leaf mass of 0.5; 1.0 and 1.5 kg. The highest yield of essential oil was obtained with 0.5 kg of leaves, during two or three hours of extraction. Five components were found with the prevalence of citronellal, in proportions greater than 80%. Therefore, the extraction parameters alter the yield and the composition of the essential oil of Corymbia citrodora. The third chapter deals with the storage of Corymbia citriodora leaves for essential oil extraction at room temperature and refrigerated at 5°C for one month. In the unrefrigerated leaves, there was a loss of about 40% of the essential oil between the first and last weeks. The unrefrigerated samples lost significantly more mass than the refrigerated ones. Three components were observed in most samples, with a great predominance of citronellal, with values above 90%. Storage of unrefrigerated leaves is not recommended. There were no changes in composition between refrigerated and unrefrigerated leaves, or over storage time. The storage of refrigerated leaves, for periods of up to two weeks, can be carried out without significant loss of yield. Keywords: Citronellal. Eucalypts. Pre-treatments. Steam distillation.

A destilação é uma operação unitária de suma importância em diversos processos industriais. É utilizada para purificar e separar diversos compostos, e seu funcionamento se baseia na diferença de volatilidade entre os componentes presentes na operação. O objetivo do presente trabalho foi construir uma coluna de destilação de pratos perfurados removíveis para práticas laboratoriais dos alunos da Universidade Federal do Triângulo Mineiro, a qual ainda permita estudar os efeitos de algumas variáveis: número de pratos, refluxo, condição de alimentação, carga térmica empregada e composições nas correntes de saída. Para tais análises, os modelos termodinâmicos utilizados foram validados através de dados experimentais e simulados. As simulações foram feitas através dos softwares livres COFE®, ChemSep® e Excel®. Os parâmetros foram avaliados levando em consideração a saída de água praticamente pura no fundo da coluna e uma corrente de topo de etanol anidro deixando a coluna. Adaptações para otimização tanto da estrutura disponível e operação do equipamento quanto dos resultados são as propostas deste trabalho. Distillation is an important unit operation in several industrial processes. It is used to purify and separate various compounds, and it is based on the difference in volatility between the components present in the operation. The objective of the present work was to build a distillation column of removable perforated stages for laboratory practices of students at the Universidade Federal do Triângulo Mineiro, which also allows to study the effects of some variables: number of stages, reflux, feeding condition, thermal load employed and compositions in the output currents. For such analyses, the thermodynamic models used were validated through experimental and simulated data. The simulations were performed using the free software COFE®, ChemSep® and Excel®. The parameters were evaluated taking into account the exit of nearly pure water at the bottom of the column and an overhead stream of anhydrous ethanol leaving the column. Adaptations in order to optimize both the available structure and equipment operation as well as the results are the purposes of this work. La destilación es una operación unitaria muy importante en varios procesos industriales. Se utiliza para purificar y separar diversos compuestos, y su funcionamiento se basa en la diferencia de volatilidad entre los componentes presentes en la operación. El objetivo del presente trabajo fue construir una columna de destilación de platos perforados removibles para prácticas de laboratorio de estudiantes de la Universidade Federal do Triângulo Mineiro, que además permite estudiar los efectos de algunas variables: número de platos, reflujo, condición de alimentación, carga térmica empleados y composiciones en las corrientes de salida. Para tales análisis, los modelos termodinámicos utilizados fueron validados a través de datos experimentales y simulados. Las simulaciones se realizaron utilizando el software libre COFE®, ChemSep® y Excel®. Los parámetros se evaluaron teniendo en cuenta la salida de agua prácticamente pura por el fondo de la columna y una corriente superior de etanol anhidro saliendo de la columna. En este trabajo se proponen adaptaciones para optimizar tanto la estructura disponible y el funcionamiento de los equipos como los resultados.

O presente relatório de estágio foi elaborado com base nas atividades desenvolvidas no estágio curricular do Mestrado em Tecnologia Química, realizado na Destilaria Ferreira Gomes & Filhos S.A.. A Ferreira Gomes & Filhos, situada em São Pedro de Tomar, transforma e valoriza os subprodutos das indústrias vitivinícolas. Este estágio consistiu, maioritariamente, na realização diária de análises de rotina à matéria-prima (borra de vinho) que deu entrada na Destilaria e aos produtos finais e intermédios dos processos de produção nomeadamente da lavagem e processamento de bagaço de uva e da produção de aguardente vitícola. As análises realizadas mais importantes foram a determinação do teor alcoólico com ebuliómetro ou com alcoómetro, a determinação da acidez volátil e fixa pelo método de Cazenave-Ferré, a determinação do teor de humidade e a cromatografia gasosa usada para determinar a qualidade das borras de vinho. Na parte final do estágio foi realizado um estudo preliminar para implementar e calibrar dois métodos de análise, determinação do teor alcoólico e tartárico, em amostras de piquetas (caldo resultante do processo de lavagem de bagaço de uva na banda difusora) no espetrofotómetro NIRS (Near-Infrared Spectroscopy) devido à sua rapidez de análise. Para as referidas calibrações o teor alcoólico foi determinado por ebuliometria, sendo este um método que já está validado no laboratório de controlo de qualidade da Destilaria, e o teor tartárico foi determinado por espetrofotometria UV/VIS, sendo este um método que foi implementado pela primeira vez no decurso deste estágio. Em relação aos resultados deste estudo, pode-se afirmar que os resultados do teor alcoólico no NIRS foram considerados exatos, ao contrário dos resultados do teor tartárico.

Orientador: Maria Regina Wolf Maciel Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: O processo de separação de misturas homogêneas e não ideais é um problema comum nas indústrias. A separação de misturas complexas pode ser realizada a baixa pressão, para evitar a degradação de componentes sensíveis ou ainda, com a utilização de destilação com reação química para eliminar azeótropos e/ou aumentar a volatilidade relativa dos componentes a serem separados. A destilação reativa é uma técnica utilizada há muitos anos na indústria, porém, somente, recentemente, é que a modelagem matemática do problema permitiu que se desenvolvessem algorítmos para calcular e simular o processo de destilação onde ocorre simultaneamente o equilíbrio líquido-vapor- e o equilíbrio químico. Neste contexto, a destilação reat!va é uma das aplicações industriais mais efetivas para separar misturas complexas, uma vez que é baseada no conceito de reatores multifuncionais, isto é, na combinação de reações químicas com a destilação fracionada em um mesmo equipamento. Neste trabalho de tese, foram estudados os processos de destilação a baixas pressões para separar mono e diglicerídeos de glicerol, ácidos graxos e água, e o de destilação reativa para eliminar o fenol da mistura azeotrópica com água. Neste último, o reagente utilizado foi o anidrido acético com a formação de ácido acético e acetato de fenila. O esquema proposto demonstrou ser uma eficiente alternativa para a descontam inação de águas residuais. O simulador de processo HysysPlant@ foi utilizado para simular as destilações em estado estacionário e os resultados obtidos são inéditos na literatura publicada, contribuindo, portanto, com os desenvolvimentos na área de separação de misturas complexas. Para permitir a simulação da destilação reativa para separação do azeótropo água- fenol com anidrido acéticoé necessário se ter a cinética da reação. Como não existem na literatura dados experimentais deste sistema, neste trabalho foram apresentados alguns métodos para permitir a estimativa da cinética. Além disso, uma análise das misturas azeotrópicas formadas foi também realizada, para permitir a caracterização termodinâmica do sistema e, com isto, propor a separação física dos vários componentes. Este trabalho foi desenvolvido no I:aboratório de Desenvolvimento de Processos de Separação /DPQ/FEQ/UNICAMP Abstract: The separation process of homogeneous and non ideal mixtures is a common problem in chemical industries. The complex mixture separations may happen at low pressure to prevent thermal degradation or using reactive distillation to eliminate existing azeotropes and/or in order to increase the rei ative volatility of the components to be separated. Reactive distillation has been used in industrial applications for many years ago, but only recently, with the availability of mathematical models, it is possible to develop algorithms in order to calculate and to simulate the distillation process where the vapor-liquid and the chemical equilibria occur simultaneously. So, in this way, reactive distillation is one. of the most effective industrial applications in order to separate complex mixtures, since it is based on the concept of multifunction reactors or, in other words, on the combination of chemical reactors with fractionating distillation in a single equipment. In this work, two important processes were studied. The first one was the separation of mono and diglycerides from glycerol, fatty acids and water using low pressure distillation. The second one was the proposition of a new reaction scheme to carry out the separation of the diluted system composed by phenol and water, using acetic anhydride as reactant forming acetic acid and phenyl acetate as product. The scheme seems to be a simple and efficient alternative to the decontamination of wastewaters. It was necessary, also, to develop methodologies to calculate the reaction kinetic and characterization of the mixtures being studied in the second case. Computational steady state simulations were performed using Hysys.Plant@ commercial simulator. The results obtained are inedit in the published literature, contributing, so, with the developments in co.mplex mixture separations. This work was developed in the Separation Process Development Laboratory, at the School of Chemical Engineering, at UNICAMP Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Orientador: Mario de Jesus Mendes Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Uma das maiores dificuldades encontradas no estudo dos processos de separação por estágios é a grande dimensão dos modelos do processo. Assim, a simulação desses processos envolve um elevado número de equações algébrico-diferenciais não-lineares ocasionando um elevado esforço computacional. Vários pesquisadores têm proposto estratégias que reduzam a dimensão dos modelos, estas técnicas recebem o nome de métodos de redução de ordem e os modelos por ela obtidos são denominados modelos de ordem reduzida. Este trabalho tem como objetivos o desenvolvimento de modelos de ordem reduzida para sistemas de processos de separação por estágios usando a metodologia da colocação ortogonal discreta, a seleção da melhor estratégia de colocação, assim como a seleção do algoritmo mais adequado para a solução das equações do modelo reduzido visando selecionar aquela combinação de estrutura de modelo e de algoritmo que permita obter uma simulação adequada e custo computacional mínimo. A aplicação do método da colocação ortogonal é estendida à solução de equações às diferenças, a partir do desenvolvimento de uma metodologia que unifica o uso do método da colocação ortogonal tanto para a solução de equações diferenciais quanto para a de equações às diferenças. Os resultados obtidos nas simulações realizadas demonstram a viabilidade da aplicação da colocação ortogonal discreta na simulação de colunas de destilação em estado estacionário. O esquema de colocação ortogonal mista levou a uma melhor aproximação em relação à colocação ortogonal mista modificada, além de uma redução considerável no tempo computacional em comparação com o modelo completo Abstract: One of the largest difficulties found in the analysis of staged separation processes is the great dimension of their models. Thus, the simulation of these processes involves a high number of algebraic-differential equations, causing a high computational effort. Several researchers have been proposing order reduction strategies, that is reduce the dimension of the models. This work has as objectives the development of reduced order models for systems of staged separation processes through collocation strategies, the selection of the best collocation strategy, as well as the selection of the algorithm more adapted for the solution of the equations of the model seeking that combination of model structure and of algorithm that allows to obtain an appropriate simulation and minimum computational cost. The application of the method of orthogonal collocation is extended to the solution of differences equations, starting from the development of a methodology that unifies the use of orthogonal collocation for the solution of differential equations as well as for the one of differences equations. The results obtained in the simulations demonstrate the viability of the application of discrete orthogonal collocation in the simulation of distillation columns in stationary state. The discrete mixed orthogonal collocation led to a better approach than the modified mixed orthogonal collocation. Besides, a considerable reduction in the computational time in comparison to the complete model was obtained. 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: A caracterização de sistemas é fundamental na escolha do processo de separação mais adequado. O tipo de sistema a ser separado tem importância na viabilidade do processo, na otimização e minimização da geração de poluentes. Este trabalho tem como objetivo caracterizar vários tipos de sistemas, entre eles, sistemas de interesse industrial como etanol I água e água I fenol, e outros sistemas contendo aminas, para fins de estudo sistemático. As principais etapas deste trabalho são: gerar dados do equilíbrio de fases líquido(líquido) - vapor de diversos sistemas de interesse industrial, avaliar as composições individuais e globais das fases líquidas para cada sistema, calcular a existência ou não de azeótropos binários e ternários, homogêneos e heterogêneos, utilizando-se o programa (AZEOT.EXE) desenvolvido no Laboratório de Desenvolvimento de Processos de Separação (LDPS) por Perioto et ai. (1997); desenvolver uma metodologia de linhas de equilíbrio "pseudo- binários" para avaliar o desempenho de solventes para aplicação em processos de destilação extrativa e azeotrópica; calcular os fatores de separação aij em função da temperatura, pressão e composição de todas as fases em equilíbrio para os sistemas considerados. A metodologia utilizada permite a determinação da composição das três fases em equilíbrio na região de miscibilidade parcial sem que seja necessário fornecer estimativas iniciais. O programa também calcula o "flash" trifásico e fornece dados de equilíbrio que podem ser usados para gerar as superfícies de equilíbrio. Será feita uma análise da influência dos parâmetros utilizados no programa, uma vez que estes afetam, de forma significativa, os resultados obtidos. Para isto, será utilizada uma ferramenta de grande utilidade hoje, o simulador comercial de processos HYSYS Abstract: The characterization of multicomponent systems is fundamental in the choice of the most appropriate process for a mixture separation. The system behavior influences the choice and the kind of equipment to be used. Besides, it determines the available solvents. The main objective of this work is to characterize several types of systems. Among them, systems of industrial interest such as ethanol / water and water / phenol, and other systems containing amines, as part of a systematic study. To accomplish this objective, the work was divided in the following steps: generation of vapor - (liquid) - liquid equilibrium data of several systems of industrial interest, using the program (AZEOT.EXE), developed by Perioto et alo (1997) in the Laboratory of Separation Process Development (LDPS); evaluation of the individual and global compositions ofthe liquid phases for each system; determination ofthe existence or not of binary and ternary, homogeneous and heterogeneous azeotropes; development a methodology which makes use of pseudo-binary equilibrium lines to evaluate the performance of solvents for application in extractive and azeotropic distillation process; calculation of the separation factors aij of all the phases in equilibrium for the considered systems, as a function of the temperature, pressure and composition. The methodology used in this work allows the determination of the composition of the three poses in equilibrium in the area of partial miscibility, with no need to supply initial estimates. The program also calculates the three phase flash and supplies equilibrium data toot can be used to generate the equilibrium surfaces. An analysis of the influence of the parameters used in the program will be made, considering that affect, in a significant way, the obtained results. To do this, a tool of extreme importance, the commercial simulator HYSYS, will be used. Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Maria Regina Wolf Maciel Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Há sempre a necessidade da redução de gastos em várias etapas da indústria química e nas suas ramificações. No que diz respeito à minimização da geração de poluentes, há diversos processos de tratamento aplicados às correntes aquosas residuais, contudo os gastos para adequação destas correntes com a legislação vigente podem ser altos, de modo que é fundamental obter-se uma compreensão melhor dos processos de separação empregados nos tratamentos de tais correntes. Neste trabalho, dois sistemas foram estudados: fenol/água e etanol/água, onde ambos necessitam da adição de um solvente para promover a separação. O primeiro sistema é encontrado em diversos segmentos da indústria química e com concentrações variadas, necessitando de algum processo de separação para recuperar o fenol e possibilitar o descarte da corrente aquosa em um corpo receptor. O segundo sistema, etanol/água., está presente em destilarias de álcool, onde os processos de separação, que produzem correntes residuais aquosas, necessitam ser otimizados, minimizando a quantidade de solvente presente até atingir os limites aceitáveis ao meio ambiente. Três processos de separação foram abordados: extração líquido-líquido, destilação azeotrópica e destilação extrativa. Utilizou-se para isso o simulador comercial de processos HYSYS.Process (Hyprotech). Os solventes utilizados para promover a separação do sistema etanol/água foram: etilenoglicol, cic1ohexano e benzeno; e para a separação do sistema água/fenol foram: tolueno, n-hexano e metil-isobutil-cetona (MIBK). Variáveis dos processos de separação foram analisadas, objetivando uma melhor adequação da corrente residual, perante os limites de parâmetros ambientais estabelecidos. Dentre os processos utilizados com os diferentes solventes, a extração líquido­líquido, utilizando o MIBK (metil-isobutil-cetona), foi o que promoveu a separação do fenol/água com as menores concentrações de poluentes (fenol e solvente) na corrente aquosa final, estando dentro dos parâmetros ambientais exigidos pela legislação. E para o sistema etanol/água, o processo de destilação azeotrópica com o ciclohexano foi o que apresentou as menores concentrações de poluente (solvente) na corrente aquosa final Abstract: There is always the necessity of reducing cost in the several stages of the chemical industry and its ramifications. fu respect to the minimization of wastewater generation, there are several treatment processes applied to the wastewater, however the cost to adapt these effluents to the current legislation can be high, so that it is fundamental to obtain a better comprehension ofthe separation processes used in the treatment of such effluents. Fu this work, two systems were studied: phenol/water and ethanol/water, where both of them need the addition of a solvent to promote the separation. The fust system is found in several segments of the chemical industry and with varied concentrations, needing a separation process to recover the phenol and to allow one to discard the wastewater in a receiver body. The second system, ethanol/water, is present in a1cohol distilleries, where the separation processes, which produce wastewaters, need to be optimized, minimizing the quantity of present solvent until acceptable limits to the environrnent are reached. Three separation processes were studied: liquid-liquid extraction, azeotropic distillation and extractive distillation. The commercial simulator HYSYS.Process (Hyprotech) was used. The solvents used to promote the separation of the system water/ethanol were ethyleneglycol, cyclohexane and benzene; and for the separation of the system water/phenol were toluene, n-hexane and methyl-isobutyl-ketona (MIBK). Variables of the separation processes were analyzed, aiming a better adaptation of the wastewater, before the limits of established environrnental parameters. Among the processes used with the different solvents, the liquid-liquid extraction, using MIBK was the process that promoted the separation of phenol/water with the lowest concentrations of contaminants (phenol and solvent) in the wastewater, being in accordance with environrnental parameters demanded by the legislation. And for the system ethanol/water, the azeotropic distillation process with cyclohexane was the process that presented the lowest concentration of solvent in the wastewater Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador : Maria Regina Wolf Maciel Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Misturas binárias com comportamento ideal e não ideal são estudadas nesta dissertação. O processo de destilação convencional é estudado para misturas binárias e ternárias ideais. As misturas n-hexano/n-heptano e n-hexano/n-heptano/n-octano foram estudadas. Dois processos de separação são estudados e comparados para a mistura binária não-ideal: destilações azeotrópicas homogênea e heterogênea, as quais apresentam diferentes comportamentos dinâmicos. A mistura etanol/água é considerada para este estudo visando otimização de variáveis para a minimização de energia consumida no processo. Novas alternativas de processo foram estudadas, sob o ponto de vista da substituição de solventes e de projeto. As considerações de substituição do solvente etileno glicol, usado na destilação azeotrópica homogênea e do benzeno, usado na destilação heterogênea, são extremamente importantes do ponto de vista de minimização de geração de poluentes. Estudos de comportamentos dinâmicos dos sistemas foram feitos para os três processos de destilação estudados. Foram perturbadas positiva e negativamente a vazão de alimentação, a vazão de solvente, a composição da corrente de alimentação e a carga térmica do refervedor. Os sistemas ideais apresentaram respostas semelhantes qualitativamente frente às perturbações. Para os sistemas não ideais, as perturbações podem acarretar diminuição na pureza dos produtos, a energia no refervedor pode não ser suficiente para vaporizar a alimentação excedente, podem diminuir a temperatura na base da coluna de destilação. Um comportamento oposto pode ser obtido ao se perturbar a coluna em outra direção Abstract: Binary mixtures presenting ideal and non ideal behaviors are studied in this work. The process of conventional distillation is studied for binary and ternary ideal mixtures. The n-hexane/n-heptane and n-hexane/n-heptane/n-octane mixtures were studied. Two processes of separation are studied and compared for the binary non-ideal mixture: azeotropic homogeneous and heterogeneous distillations, which present different dynamic behaviors. The mixture ethanol/water is considered for a study of optimization of many variables to minimize the energy consumed in the process. New alternatives of process were studied, from the point of view of the substitution of solvent. The considerations of substitution of the solvent ethylene glycol, used in the homogeneous azeotropic distillation and of benzene, used in the heterogeneous distillation, are extremely important from the point of view of minimization of generation of pollutants. Studies of dynamic behaviors of the systems were made for the three distillation processes. Positive and negative perturbations were generated in the feed flow, the solvent flow, the composition of feed flow and the heat flow of reboiler. The ideal systems presented similar responses qualitatively front to the disturbances. For the non ideal systems, the disturbances can cause reduction of the products purity, the energy in the reboiler may not be enough to vaporize the exceeding feed, they can also decrease the temperature in the bottom of the column. An opposing behavior can be obtained if the disturbance happens in another direction 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

Orientador: Teresa Massako Kakuta Ravagnani Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: As observações experimentais do comportamento hidrodinâmico de dispersões que se formam sobre os pratos mostram que estas apresentam bolhas grandes e jatos de gás que fazem com que a eficiência de separação decaia acentuadamente. Com o objetivo de aumentar a eficiência da transferência de massa nas dispersões sobre um prato perfurado sem vertedor, foi acrescentado um leito de particulas a ser fluidizado pelas correntes de liquido e vapor. Nestas condições o presente trabalho estuda o efeito da adição de diversas quantidades de particulas de policloreto de vinila (O, 2, 4, 8 e 16g) a serem fluidizadas pelo liquido e vapor da dispersão, de forma a evitar a formação ou permitir a quebra de bolhas de grande diâmetros ou jatos de vapor, aumentando assim a interfacial entre as fases liquida e vapor. Para tal foi utilizada uma coluna de 5 cm de diâmetro com apenas um prato perfurado com 21% de área livre. A coluna foi operada em refluxo total, fixando-se a composição em 20, 40, 60, 80 e 90% de etanol e variando-se a vazão de vapor desde o limite minimo correspondente ao ponto de minima retenção de dispersão no prato, para operações sem sólidos ou de minima fluidização para as operações com sólidos, até seu limite máximo, que corresponde ao ponto onde a dispersão ocupa todo o espaço do estágio...Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital Abstract: Not informed. Mestrado Sistemas de Processos Químicos e Informática Mestre em Engenharia Química

Orientador : Albert James Kascheres Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica Mestrado

Orientador: Maria Regina Wolf Maciel Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: A destilação é um processo de separação difusional através do qual misturas podem ser separadas em componentes puros, usando como agente de separação o calor e/ou a massa. De acordo com a natureza da alimentação e com as especificações de produto desejadas, este processo pode ser simples, ou complexo, como os que geralmente se encontra na indústria. O projeto para a coluna de destilação tem sido estudado há muito tempo e, hoje, com a ajuda dos computadores e dos simuladores comerciais, modelos mais rigorosos estão sendo aplicados para simular em condições mais reais o comportamento destas colunas. Estes cálculos, no entanto, são complexos e, geralmente, cálculos "shortcut" são realizados primeiramente, para gerar estimativas iniciais aos métodos rigorosos. No entanto, cálculos "shortcut" como as equações de Fenske e Underwood, para o número de estágios mínimo e a razão de refluxo mínima teóricos, que estão disponíveis na maioria dos programas de simulação, não são aplicáveis a misturas complexas, fazendo, então, com que os cálculos rigorosos sejam mais complicados tanto do ponto de vista de convergência, quanto do ponto de vista de possibilidades fisicas do processo. O presente trabalho consiste na avaliação das propriedades limites operacionais usando o simulador comercial, HYSIM. Para o número de estágios mínimo, um número de estágios fixo é usado no inicio, para a primeira simulação, depois, o número de estágios é reduzido gradualmente até o ponto onde não se consiga mais convergência. Então, o menor número de estágios com os quais é possível que a coluna convirja, seria o número de estágios mínimo prático. O ponto de alimentação é o ótimo em cada caso. Para calcular a razão de refluxo mínima prática, é preciso o procedimento oposto. O número de estágios é incrementado até que a energia no refervedor permaneça constante, a um valor mínimo, com o aumento do número de estágios. Esta configuração, do número de estágios e da localização ótima de alimentação, para a razão de refluxo mínimo prático seria já o projeto ótimo em termos de consumo de energia. Embora este procedimento pareça simples, é trabalhoso e demorado. A sua vantagem é que trabalha para qualquer mistura que o simulador suporte, simples ou complexa e os resultados são confiáveis. Finalmente, também como parte do trabalho com o simulador HYSIM, demonstra-se que é possível simular configurações de colunas complexas como o caso da coluna Petlyuk Resumo: A destilação é um processo de separação difusional através do qual misturas podem ser separadas em componentes puros, usando como agente de separação o calor e/ou a massa. De acordo com a natureza da alimentação e com as especificações de produto desejadas, este processo pode ser simples, ou complexo, como os que geralmente se encontra na indústria. O projeto para a coluna de destilação tem sido estudado há muito tempo e, hoje, com a ajuda dos computadores e dos simuladores comerciais, modelos mais rigorosos estão sendo aplicados para simular em condições mais reais o comportamento destas colunas. Estes cálculos, no entanto, são complexos e, geralmente, cálculos "shortcut" são realizados primeiramente, para gerar estimativas iniciais aos métodos rigorosos. No entanto, cálculos "shortcut" como as equações de Fenske e Underwood, para o número de estágios mínimo e a razão de refluxo mínima teóricos, que estão disponíveis na maioria dos programas de simulação, não são aplicáveis a misturas complexas, fazendo, então, com que os cálculos rigorosos sejam mais complicados tanto do ponto de vista de convergência, quanto do ponto de vista de possibilidades fisicas do processo. O presente trabalho consiste na avaliação das propriedades limites operacionais usando o simulador comercial, HYSIM. Para o número de estágios mínimo, um número de estágios fixo é usado no inicio, para a primeira simulação, depois, o número de estágios é reduzido gradualmente até o ponto onde não se consiga mais convergência. Então, o menor número de estágios com os quais é possível que a coluna convirja, seria o número de estágios mínimo prático. O ponto de alimentação é o ótimo em cada caso. Para calcular a razão de refluxo mínima prática, é preciso o procedimento oposto. O número de estágios é incrementado até que a energia no refervedor permaneça constante, a um valor mínimo, com o aumento do número de estágios. Esta configuração, do número de estágios e da localização ótima de alimentação, para a razão de refluxo mínimo prático seria já o projeto ótimo em termos de consumo de energia. Embora este procedimento pareça simples, é trabalhoso e demorado. A sua vantagem é que trabalha para qualquer mistura que o simulador suporte, simples ou complexa e os resultados são confiáveis. Finalmente, também como parte do trabalho com o simulador HYSIM, demonstra-se que é possível simular configurações de colunas complexas como o caso da coluna Petlyuk Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Mario de Jesus Mendes Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Campinas Resumo: São apresentadas e discutidas as estruturas básicas dos modelos estático e dinâmico de colunas de destilação, as metodologias usadas para a sua implementação e algumas dificuldades associadas à simulação. Os modelos em questão são usados para a simulação tática e dinâmica de uma coluna típica de destilação de álcool, e aplicados a. análise do comportamento do sistema para uma dada configuração de controle. Utilizam-se, conjuntamente, os métodos UNIQUAC e UNIFAC, na determinação da termodinâmica do equilíbrio líquido-vapor,o que generaliza a simulação efetuada para misturas cujos dados termodinâmicos não estão disponíveis na literatura. Para a simulação do regime estacionário da coluna de destilação são utilizados o método Naphtali-Sandholm e o método aqui chamado de Alternativo, baseado na sequência das diferentes decisões apresentadas por Friday-Smith. A comparação das soluções numéricas apresentadas pelos dois métodos conduzem a perfis aproximadamente idênticos na coluna. Contudo, em termos de tempo de computação o método de Naphtali-Sandholm revelou-se sempre mais rápido. Na simulação do regime transiente da coluna são utilizados dois métodos para a integração das equações do balanço material, o método de Euler-modificado e o de Runge-Kutta. Quanto a precisão eles demonstraram serem equivalentes. Mas, quanto ao tempo dispendido nos cálculos, o método de Eüler-modificado demonstrou necessitar de um menor tempo. A simulação dinâmica da coluna de destilação a base de etanol e água em malha aberta mostrou que, para as perturbações introduzidas, o tempo de resposta da coluna se situa entre 120 e 140 minutos. A simulação dinâmica da coluna em malha fechada mostrou que, nas condições indicadas, o sistema de controle apresenta um comportamento estável. Abstract: The basic structures of the static and dynamic models of distillation columns as well as the utilized methodology for their implementation and some difficulties associated to the simulation are presented and discussed. The models are used for static and dynamic simulation of atypical alcohol distillation column and applied in the analyses of the system behaviour for a given control configuration. The UNIQUAC and UNIFAC methods are used in connection for determining the thermodynamics of the liquid-vapor equilibrium, generalizing the simulation for mixtures with thermodynamical data not available in the literature. For the simulation of the distillation column in steady-state conditions, one has used the Naphtali-Sandholm method and, also, the Alternative method, here defined, based in the sequence of different decisions presented by Friday-Smith. A comparison between the numerical solutions of the two methods shows a close proximity for the calculated profiles. Nevertheless, in terms of computational time, the Naphtali-Sandholm methods resulted faster. In the unsteady simulation, two methods are utilized for the integration of the mass balance equations: the modified Euler method and the Runge-Kutta method. Both have shown to be equivalent in terms of precision of the results. As far as computational time, the modified Euler method has shown to be faster. The dynamic simulation of the distillation column for ethanol and water in open loop has shown that, for the introduced perturbation, the response time lies between 120 and minutes. The dynamic simulation in closed loop has shown in the indicated conditions, the control system has a stable behavior. Mestrado Mestre em Engenharia Química

Orientador: Maria Regina Wolf Maciel Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Para eliminar completamente fatores de correção empíricos, como as eficiências utilizadas no modelo de estágios de equilíbrio, Krishnamurthy e Taylor, em 1985, descreveram um modelo de estágios de não equilíbrio para processos de separação multicomponentes que considera a transferência simultânea de massa e energia entre as fases líquida e vapor. Enquanto no modelo de estágios de equilíbrio, descrito pelas equações MESH, existem 2nc+1 equações para cada estágio (nc é o número de componentes), no modelo de estágios de não equilíbrio existem 5nc+3 equações para cada estágio: balanços de massa por componente na fase líquida, balanço de energia na fase líquida, balanços de massa por componente na fase vapor, balanço de energia na fase vapor, balanços de massa por componente na interface, balanço de energia na interface, equações de somatório na interface e relações de equilíbrio por componente na interface. Neste trabalho, é desenvolvido um algoritmo para resolver as equações do modelo de estágios de não equilíbrio resultantes de simulações em estado estacionário.O algoritmo é formulado de maneira que as equações que descrevem o modelo e o método de solução são independentes dos métodos utilizados para predizer os fluxos de transferência de massa e energia, e das propriedades físicas, de transporte e termo dinâmicas do sistema. As equações não lineares são resolvidas simultaneamente utilizando o procedimento descrito por Naphtali e Sandholm e o método de convergência de Newton-Raphson. Para o condensador e o refervedor, as equações do modelo de estágios de equilíbrio são utilizadas, dependendo das especificações feitas (fluxo de destilado, razão de refluxo, fração molar do componente mais volátil, produto de fundo, calor no refervedor, calor no condensador) e do tipo de condensador (total ou parcial). Os perfis de composição e temperatura para cada fase, preditos pelo software DISNON desenvolvido para a simulação de colunas de destilação multicomponente de pratos, utilizando o algoritmo do modelo de estágios de não equilíbrio descrito neste trabalho, são comparados com os perfis do modelo de estágios de equilíbrio utilizando a eficiência global de Murphree para diversos sistemas multicomponentes, ideais e não ideais. No trabalho, os perfis do modelo de estágios de não equilíbrio ficaram próximos dos perfis do modelo de estágios de equilíbrio com 50% de eficiência. Verificou-se que os valores dos coeficientes de transferência de massa influenciam em todos os perfis, enquanto que os coeficientes de transferência de energia somente influenciam nos perfis de temperatura. A exatidão do modelo de estágios de não equilíbrio é basicamente limitada pela exatidão da correlação utilizada para calcular os coeficientes de transferência de massa. A consideração de equilíbrio térmico não altera os perfis de composição ou de temperatura na fase líquida e interface, somente altera o perfil de temperatura na fase vapor, e conseqüentemente, o calor que deve ser fornecido ao refervedor e o calor que deve ser removido do condensador. Os resultados obtidos, neste trabalho, revelam o grande potencial da modelagem de estágios de não equilíbrio na simulação dos processos de separação, por se tratar de um modelo bem realista, mas, tem a desvantagem de requerer um tempo computacional alto Abstract: To completely eliminate empirical correction factors like efficiencies used in the equilibrium stage model, Krishnamurthy and Taylor in 1985, described a nonequilibrium stage modeI for multicomponent separation processes which accounts the simultaneous mass and energy transfers between the liquid and vapor phases. While in the equilibrium stage model, described by the MESH equations, there are 2nc+1 equations for each stage (nc is the number of components), in the nonequilibrium stage model there are 5nc+3 equations for each stage: vapor phase component material balances, liquid phase component material balances, interface component material balances, vapor phase enthalpy balance, liquid phase enthalpy balance, interface enthalpy balance, interface equilibrium relationships and interface summation equations. In this work, it is developed an algorithm to solve the nonequilibrium stage model equations resulting from steady state simulations. The algorithm is formulated in such a way as to make the describing equations and the method of solving them, independent of the methods used to predict the transfer rates, as well as physical and thermodynamic properties of the system. The nonlinear equations are solved simultaneously using the Naphtali and Sandholm procedure and the Newton-Raphson method with reasonable initial estimates. For the condenser and reboiler the equilibrium stage model equations are used, depending on the specifications made (distillate, reflux ratio, fraction of the key component, bottom product, reboiler heat, condenser heat), and the type of condenser (total or partial). The composition and temperature profiles for each phase, predicted by the DISNON software developed to simulate multicomponent distillation in bubble-cap-tray columns, using the nonequilibrium stage model described in this work, are compared with the profiles given by the conventional equilibrium stage model using the global Murphree efficiency for several multicomponent ideal and nonideal systems. In the work, the nonequilibrium stage model profiles converged to equilibrium stage model profiles with global efficiency around 50%. It was also verified, that the mass transfer coefficients values alter all the profiles, while the energy transfer coeficients only alter the temperature profiles. The accuracy of the nonequilibrium stage model is limited by the accuracy of the correlation used to estimate the mass transfer coeficients. The assumption of thermal equilibrium gives the same composition, interface and bulk liquid temperature profiles but the buIk vapor temperature profile and the input of heat in the reboiler and the output of heat in the condenser are considerably modified. The results, in this work, reveal that the nonequilibrium stage model has a large potential for separation processes simulations because it is a realistic model; but, has the disadvantage of requiring a large computer time Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: João Alexandre Ferreira da Rocha Pereira Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Campinas Resumo: O presente trabalho descreve o estudo do comportamento de uma coluna de destilação com pratos perfurados sem vertedores. A formação das dispersões líquido e vapor sobre os pratos é analisada em função das vazões das fases, propriedades físicas do sistema envolvido e características geométricas dos pratos perfurados utilizados, tendo-se variado a área livre de escoamento dos pratos de 8,3% a 28,5% em uma coluna de 0,099m de diâmetro e 12 estágios. O sistema destilante utilizado nos experimentos foi o etanol-água. Os resultados experimentais mostram, sob condições destilantes o refluxo total e parcial, a formação das dispersões com regimes de escoamentos das fases dos tipos borbulhamento, "Froth" e em regime formado parcialmente por um "spray", como também a ocorrência de movimentos oscilatórios na dispersão. A altura da dispersão formada sobre os pratos foi estudada e correlacionada com os prâmetros geométricos dos pratos (área livre, diâmetro do orifício), taxas de escoamento (vazão de líquido e vapor) e propriedades físicas do sistema destilante (viscosidade, tensão superfical e massa específica do vapor e líquido), por meio da análise adimensional. Os resultados obtidos permitiram desenvolver correlações para a predição das velocidades superficiais máximas e mínimas de operação estável da coluna a refluxo total em função da área livre de escoamento dos pratos. Foram realizados estudos dos perfis de concentração de etanol na coluna em função de variáveis operacionais. Abstract: Not informed. Mestrado Mestre em Engenharia Química

Orientador: Teresa M. K. Ravagnani Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Na separação de sistemas líquido-líquido miscíveis, o processo mais utilizado é a destilação e, sendo assim, seu estudo se toma bastante necessário. O projeto de uma coluna de destilação requer o conhecimento do comportamento hidrodinâmico do sistema destilante. Um dos parâmetros hidrodinâmicos mais importantes é o "hold-up" (do gás ou do líquido), que é diretamente relacionado com a área interfacial e tempo de contato entre as duas fases da dispersão. O "hold-up" de gás ou de líquido é facilmente determinado pela medida da altura de líquido retido. No presente trabalho, a altura de líquido retido foi medida em pratos perfurados sem vertedor em uma coluna de 5,5cm de diâmetro interno. Foram utilizados dois sistemas submetidos a destilação e em refluxo total, o sistema homogêneo etanol-butanol e o heterogêneo água-butanol, que são classificados segundo Zuiderweg e Harmens (1958) como sistemas neutro e negativo respectivamente. Vários experimentos foram realizados variando-se a área livre de escoamento do prato (10 a 21%), as vazões e as composições das fases vapor e líquida. Os efeitos dessas variáveis sobre os regimes de escoamento, a altura de líquido retido, a altura da dispersão, o "hold-up" líquido e a faixa de operação da coluna foram estudados. Foram observados três tipos de regimes de escoamento sobre o prato. "Froth", "Spray" e transição entre estes dois tipos de regimes. Observou-se que os regimes do tipo "Spray" e transição foram favorecidos por altos valores de área livre e baixos valores de velocidade de vapor. Verificou-se que a altura de líquido retido, para ambos os sistemas estudados, era fortemente influenciada pela velocidade de vapor e área livre de escoamento do prato, mas não sofreu influência significativa da composição. Verificou-se que a altura da dispersão apresentou um comportamento semelhante ao da altura de líquido retido. Verificou-se também, que o "hold-up" líquido,para o sistema etanol-butanol, sofreu influência do tipo de dispersão sobre o prato, mas para o água-butanol, pouca influência deste parâmetro foi observada. São propostas equações empíricas para a altura de líquido retido baseadas em dados experimentais dos sistemas etanol-butanol e água-butanol em função das vazões e propriedades físicas (viscosidade, massa específica e tensão superficial) das fases vapor e líquida e parâmetros geométricos dos pratos (diâmetro dos orifícios e área livre de escoamento). As correlações representam bem os resultados experimentais Abstract: Not informed. Mestrado Sistemas de Processos Químicos e Informática Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Sandra Lucia da Cruz, João Alexandre F. R. Pereira Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Os benefícios a serem ganhos com a automação de processos em batelada são muitos: aumento de produção, melhoria de qualidade, redução de custos e maior segurança operacional. A destilação em batelada, que está sendo largamente empregada na indústria, oferece grande flexibilidade de operação, porém o seu caráter não-linear e não-estacionário faz com que o controle e a automação se tomem um desafio. Os trabalhos experimentais sobre destilação em batelada são muito poucos, principalmente na área de controle. Além disso, os sistemas estudados apresentam comportamento ideal, não se encontrando nada na literatura a respeito de sistemas não-ideais. Considerando a carência de trabalhos práticos, o interesse pela automação de processos e a crescente importância da destilação em batelada, o presente trabalho estudou experimentalmente a operação de uma coluna de destilação em batelada em escala piloto controlada automaticamente por um microcomputador conectado "on-line" ao processo. A interface entre o micro e o processo foi feita através de uma placa conversora Analógica-Digital/Digital-Analógica (AD/DA). Foram desenvolvidas estratégias de controle para manter constante a composição do destilado (variável controlada) variando-se a razão de refluxo (variável manipulada). A primeira etapa do trabalho consistiu na elaboração de um programa simulador da coluna, com o qual foram testadas diferentes estratégias de controle. Três estratégias que se mostraram eficientes a nível de simulação foram, então, implementadas na prática. São elas: controle adaptativo auto-ajustável, controle por antecipação baseado no balanço de massa e controle proporcional baseado na simulação da coluna. Para implementar experimentalmente os algoritmos de controle, foi necessário considerar alguns aspectos não presentes a nível de simulação, tais como inferência da composição e presença de ruídos nos sinais.Devido ao alto custo e complexidade dos medidores de composição, desenvolveu-se um método para inferência da composição de sistemas binários não-ideais a partir da medida de temperatura. Um termopar foi conectado na base e outro no topo da coluna. Para diminuir o nível de ruído da temperatura lida pelo computador, foram feitos testes com alguns filtros digitais. As sub-rotinas de filtragem digital e inferência da composição foram inseridas no programa de aquisição de dados e controle. A cada período de amostragem, as saídas analógicas dos sensores de temperatura eram amplificadas, convertidas em sinais digitais, lidas e filtradas pelo computador. As temperaturas lidas eram utilizadas para inferência da composição da mistura no refervedor e do vapor no topo da coluna. A partir dos dados atuais e, a depender da estratégia de controle escolhida, dos dados passados, calculava-se a razão de refluxo necessária para manter a pureza do destilado no valor especificado.A razão de refluxo era, então, implementada através de uma válvula magnética controlada pelo computador. Os testes foram feitos com o sistema não-ideal etanol/água e com o sistema ideal etanol/l-propanol. Os três controladores apresentaram bom desempenho. Comparando-se os resultados obtidos com as três estratégias de controle, pode-se concluir que, para uma mesma precisão de controle, a diferença entre os tempos de batelada não é significativa. Porém, o perfil de razão de refluxo do controlador por antecipação é mais suave do que os perfis obtidos com os controladores adaptativo e proporcional. A influência do nível de ruído das medidas de temperatura sobre a inferência da composição depende das propriedades termodinâmicas da mistura a ser destilada. Para o sistema etanol/água na faixa X IND. EtOH > 0,60 , foram observadas grandes oscilações nos valores de composição pois, nesse caso, a precisão de + ou - 1°C não é suficiente para uma boa inferência.No entanto, para o binário etanol/l-propanol, essa precisão mostrou ser adequada para toda faixa de composição (O < ou = X IND. EtOHS < ou = 1,0) Abstract: The benefits to be gained from automation of batch processes are many: increased production, improved product quality, lower costs and greater safety. Batch distillation, which has been widely used in industry, provides operating flexibility but its non-linear and unsteady behaviour makes control and automation a challenge. Experimental works on batch distillation are rare, mainly in control area, and they are limited to ideal systems. Works with non-ideal systems have not been found in literature. Considering the lack of practical works, the interest in process automation and the growing importance of batch distillation, the present work studied experimentally the operation of a pilot-scale batch distillation column controlled by a microcomputer connected on-line to the process. The interface between the computer and the process was achieved by an AD/DA converter. Control strategies were developed to keep the distillate purity (controlled variable) constant by varying the reflux ratio (manipulated variable). The first step was the development of a batch distillation column simulator to test different control strategies. Simulation results of three controllers were good, so they were implemented experimentally: a self-tuning regulator (STR), a feed forward controller (FC) based on mass balance and a proportional controller (PC) based on simulation results. Some issues which were not taken into account in the column simulation, such as inference of composition and presence of noise, had then to be considered. Because of the high cost and complexity of on-line analysers, a methodology was developed to infer compositions of non-ideal binary systems from temperature measurements. The top column and still temperatures were measured with thermocouples. In order to reduce the noise leveI, different digital filters were implemented and tested. At each sampling period, the computer sent a digital signal to select the top or bottom thermo couple channel. The analogue output signals of the temperature sensors were amplified, converted to digital signals, read and filtered by the computer. The temperature measurements were used to infer the top vapour composition and the still composition. The current data and, depending on the chosen control strategy, the past data were used to calculate the reflux ratio to keep the distillate purity at the set-point. The reflux ratio was then implemented with a magnetic valve controlled by the computer. Tests were carried out with the non-ideal system ethanol/water and with the ideal system ethanol/l-propanol. The three controllers have shown good performance. For the same control accuracy, the difference in batch time was negligible.The main difference was found to be in the reflux ratio profile. The FC's reflux ratio profiles were smoother than the ones obtained with the STR and with the Pc. The influence of the noise of temperature measurements on the inferred compositions depends on the thermodynamic properties of each system. For the ethanol/water system, a higher leveIof oscillationswas present when the top vapour composition was above 0.6 because the available precision of + or ¿ 1ºC was not good enough to infer accurate composition values. However, for the ethanol/l-propanol system, this precision has shown to be suitable for the full composition range 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: Sergio Persio Ravagnani Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Este trabalho tem por finalidade efetuar a modelagem de uma coluna de destilação extrativa salina em estado estacionário e levantar, através de simulação, as principais características desse processo. Para tal, analisa-se o caso da obtenção de etanol anidro com o emprego de três diferentes sais, quais sejam, o cloreto de cálcio, o cloreto de lítio e o acetato de potássio. A adição de determinados sais ao binário etanol-água altera substancialmente a composição da fase vapor em equilíbrio. O ponto de azeotropia deste sistema é deslocado para um valor maior de composição de etanol ou, dependendo do sal, é totalmente eliminado. Deste modo, o uso de sais como agentes de separação representa uma alternativa frente aos processos convencionais de obtenção de etanol anidro. Entre algumas das vantagens deste processo está a possibilidade de redução do consumo específico de energia e das dimensões da coluna de fracionamento. Para a modelagem da coluna formam-se três tipos de funções discrepância a partir da aplicação dos balanços de massa e energia e das relações de equilíbrio para todos os componentes voláteis em todos os estágios. Os sais não são incluídos na formação destas funções, e seus valores de vazão determinados mediante balanço material... Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital Abstract: Not informed. 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: A Unidade de Destilação é uma das mais importantes no refino de petróleo. Sua importância está no fato desta unidade ser responsável pelo fracionamento inicial do petróleo em diversos produtos (frações) como Nafta, Querosene, Diesel, entre outros. Algumas das frações obtidas são retiradas como produtos finais e outras podem ser processadas em outras unidades da refinaria. Assim, todas as mudanças de operações e perturbações ocorridas nesta unidade afetam diretamente outras unidades. Por este motivo, é possível verificar uma grande dependência das outras unidades em relação à unidade de destilação que exige flexibilidade para atender às necessidades da refinaria. Além disso, é possível observar que o processo de destilação do petróleo é complexo devido ao grande número de diferentes componentes do petróleo (em sua maioria hidrocarbonetos). De acordo com os aspectos e a importância da unidade de destilação, um estudo (principal objetivo deste trabalho) foi realizado para a verificação da flexibilidade da unidade de destilação e o entendimento do processo de destilação, visando seu desenvolvimento. Inicialmente, foi considerado um processo de destilação do petróleo, envolvendo a Torre Pré-Flash, Coluna Atmosférica e Debutanizadora. Três principais aspectos foram abordados: a análise completa das principais variáveis do processo, a otimização das Colunas Atmosférica e Debutanizadora e a avaliação do processamento dos óleos leve, intermediário e pesado sob determinadas condições especificadas. As simulações computacionais foram realizadas através de um software comercial neste trabalho. A análise das principais variáveis do processo permitiu que fossem verificados os efeitos no processo. Isto significa que pode ser realizada a análise sensitiva das principais variáveis do processo, mostrando os principais efeitos causados pelas mudanças das variáveis. A otimização do número de estágios e posição da alimentação da Coluna Debutanizadora foi realizada para a minimização da carga térmica do refervedor. Já, a otimização do número de estágios da Coluna Atmosférica foi realizada para a minimização da vazão de Resíduo. A avaliação realizada para o processamento dos três diferentes tipos de petróleo possibilitou verificar o aumento significativo da vazão de resíduo atmosférico e a redução de produtos, exceto o diesel pesado no processo de destilação considerado, envolvendo, neste caso, uma Coluna Pré-fracionadora e uma Coluna Atmosférica Abstract: The crude distillation unit is the most important in the refining process. Its importance is due to the fact that this unit is responsible for the first fractionation of the petroleum in various products (fractions) as naphtha, kerosene, diesel and others. Some of these fractions obtained are removed as final product and others can be processed in other units of the refinery. In this way, all the operating and disturbance changes that occur in this unit affect directly other units. So, it is possible to verify the dependence of the others units related to the distillation unit that requires flexibility to supply the needs of the refinery. Furthermore, it is possible to observe that the crude distillation is complex due to the great number of different components of the petroleum. According to the aspects and the importance of the crude distillation, a study was carried out for the verification of the crude distillation flexibility and the knowledge of the distillation process, intending the development of the crude distillation. Initially, a crude distillation process, involving a Pre-Flash Drum, Atmospheric and Debutanizer Columns was considered in this work. Three main aspects were studied: the complete analysis of the main process variable, the optimization of the Atmospheric and Debutanizer Columns and the evaluation of the processing of the light, intermediate and heavy petroleum under specified conditions. The computational simulations were carried out, using commercial software in this study. The analysis of the main process variables allowed that the effects on the process were verified. This means that the sensitivity analysis of the main process variables could be made, showing the main effects caused by the variable changes. The optimization of the number of trays and the feed tray of the Debutanizer Column was carried out for the minimization of the reboiler duty. Furthermore, the optimization of the tray of the Atmospheric Column was done for the minimization of the residue flow rate. The evaluation of the results for the processing of three different types of petroleum allowed verifying the significant increase of the residue atmospheric flow rate and the reduction of the products, except heavy diesel in the considered crude distillation process, involving, in this case, the Prefractionation and Atmospheric Column Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientadores: João Alexandre Ferreira da Rocha Pereira, Teresa Massako Kakuta Ravagnani Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: A evolução de equipamentos de alta performance como pequenas colunas de recheio é uma das preocupações mais freqüentes atualmente nas áreas de pesquisa e projeto em Engenharia Química. As colunas de recheio são importantes em operações líquido-vapor em larga escala tais como destilação, absorção, extração e dessorção. Estes sistemas normalmente necessitam grandes colunas para obter elevados níveis de separação, onde a gravidade é a força motriz do escoamento e contato das duas fases. A literatura relata que a coluna de recheio centrífuga, na qual a força da gravidade substitui a força centrifuga, denominada ¿Higee ¿ alta gravidade¿, apresenta alta eficiência de separação em equipamentos de dimensões reduzidas, comparado a uma coluna convencional. A unidade é baseada em uma centrífuga na qual o recheio de uma coluna convencional é comprimida em um disco (rotor) em forma de uma rosca. O objetivo deste trabalho foi estudar o comportamento de transferência de massa e eficiência de uma coluna de destilação com recheio rotativo. O sistema n-hexano/n-heptano foi utilizado trabalhando-se à pressão ambiente sobre refluxo total. Neste sistema, o leito com recheio pode ser operado de 500 a 2500 rpm, na qual fornece uma força gravitacional de 22 a 560 g baseado no raio médio aritimético... Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital Abstract: The evolution of high performance equipment as the small packed columns is one of the most important preoccupations in chemical engineering research and design nowadays. The packed columns are important for large-scale vapour-liquid operations such as distillation, absorption, extraction and stripping. These operations, normally require large colmns to obtain high separation degrees, where the gravity is the driving force for the flowing and contact of the two phases. The literature reports that rotating packed beds, which replace gravity force by centrifigal force named ¿Higee ¿ high gravity¿, present high efficiency with reduced dimension, as compared to the conventional packed bed. The unit is based on a centrifuge in which the packing of a conventional distillation columns is compressed in a doughnut-shaped disc (rotor). The purpose of this work was to study the mass transfer and efficiency behaviour of a rotating packed distillation column. The binary system n-hexane/n-heptane was used under atmospheric pressure and total reflux conditions. In this system, the packed bed can be operating from 500 a 2500 rpm, which provides gravitational forces from 22 to 560 g based on the arithmetic mean radius. The rotor was 0.4 m in height and 0.16 m in diameter and ceramic Rasching rings packing from 0.7 and 0.9 cm in diameter... Note: The complete abstract is available with the full electronic digital thesis or dissertations Mestrado Mestre em Engenharia Química

Orientador : Saul Gonçalves d'Avila Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Este trabalho é uma contribuição ao estudo de processos de separação envolvendo fases em equilibrio liquido-liquido-vapor. Os seguintes aspectos são abordados: (1) desenvolvimento de um algoritmo eficiente de cálculo de flash liquido-liquido-vapor e sua aplicação para gerar diagramas de fases e em cálculos de destilação; (2) avaliação da utilização de parâmetros binários do modelo UNIQUAC obtidos de dados bifásicos em cálculos trifásicos de misturas ternárias; (3) medidas experimentais e correlação de dados de equilibrio liquido-liquido de misturas ternárias onde pode ocorrer o equilibrio liquido-liquido-vapor. Os seguintes sistemas foram estudados :(1) água-butanol-acetato de etila (20-40 C) ; (2) água butanol-acetato de butila (30-70 C) ; (3) água-butanol-acetato de amila (20-40 C) ; (4) água-metanol-metil terbuil éter (MTBE) (10-40 C) ; (5) água-etanol-MTBE (10-40 C) Abstract: This work is a contribution to the study of separation processes involving phases in liquid-liquid-vapor equilibrium. The following aspects are discussed : (1) development of an efficient liquid-liquid-vapor flash calculation algorithm and its application to phase diagram generation and distillation calculations; (2) evaluation or utilization or binary parameters appearing in UNIQUAC model calculated from binary data to three phase calculations in ternary mixtures ; (3) experimental measurement and correlation or liquid-liquid equilibrium data or ternary mixtures where the liquid-liquid-vapor equilibrium may occur. The following systems were considered:(l) water-1-butanol-acetic acid ethyl ester(20-40 C) ; (2) water-1-butanol-acetic acid butyl ester(30-70C);(3) water-1-butanol-acetic acid isopentyl ester (20-40 C); (4)water-methanol-tert-butyl methyl ether(MTBE) (10-40 C) ; (5) water ethanol-MTBE (10-40°C) Mestrado Mestre em Engenharia Química

The fruits of Arbutus unedo L., a shrub that grows spontaneously in countries around the Mediterranean basin, are traditionally harvested and used for the production of a distilled spirit. The main objective of this work is to compare the chemical profile of distillates obtained from fermented A. unedo fruits. Fifteen distinct distillates were obtained from ten clones and five seedlings, and they were evaluated, based on their physicochemical characteristics. An evident effect of plant propagation type (clone or seeds) on correspondent spirits analytical profile was not clearly achieved. However, the distillate composition variability seems connected to the plants variability. Furthermore, high significant effect of distillation time in all the variables measured was found, corroborating the importance of the splitting of the distillation fractions, as a good manufacturing practice. Regarding methanol, a harmful volatile compound, all the distillates obtained from the different clones or seedling fruits respected the legal limitations. From the principal component analysis, the first component seems to separate the distillates based on the pH and isobutanol, isoamyl alcohols and 2-phenylethanol which are the variables that presented the highest contributes to this component. The differences between the legal requirements and the amounts determined in these distillates could result from differences in the alcoholic fermentation microbiota.The high analytical quality, that some of the distillates showed, can be used by producers as a criterion to be considered in the future choice of plants to be implemented in new A. unedo orchards. Keywords: A. unedo fruits, Clonal plants, Seedlings, Distillates, Volatile composition

Orientador: Maria Regina Wolf Maciel Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: A síntese otimizada de processos é uma preocupação constante do engenheiro químico. Este sempre deve ter disponível o maior número de informações possível para que a sua tomada de decisão seja a mais correta do ponto de vista econômico, ambiental e de obtenção dos produtos desejados. Neste trabalho de tese, enfoca-se a síntese de processos de separação, visto que as etapas de separação podem significar uma grande parte do custo total de um processo químico e/ou bioquímico, além de sua viabilidade ou não. Teve-se como objetivo desenvolver uma metodologia de definição, avaliação, análise e agrupamento de informações a respeito dos componentes e da mistura a ser separada. Desta forma, a seleção de processos de separação e o sequenciamento dos mesmos toma-se uma atividade acompanhada com o maior número de dados de projeto e de custos das etapas de separação. Foi desenvolvida uma interface especialista para dar acesso fácil às informações sobre propriedades físico-químicas de componentes puros e algumas propriedades de misturas. O sistema especialista retira todos os dados para os cálculos do banco de dados do simulador comercial ASPEN PLUS, sem nenhuma intervenção do usuário. Nesta interface, também se tem acesso a um procedimento desenvolvido em Fortran para estimativa da presença de azeótropos homogêneos ou heterogêneos, informação imprescindível durante a separação de misturas. Um parâmetro para auxílio no sequenciamento de colunas de destilação foi proposto e se mostrou bastante eficiente na definição de uma seqüência inicial que sempre foi bastante próxima da ótima. As simulações necessárias durante a operação do sistema especialista são realizadas usando o simulador e podem ser aproximadas ou rigorosas. Para alguns casos, o uso de diferentes modelos foi importante na escolha da etapa de separação. A interface desenvolvida permite fácil obtenção dos resultados obtidos através do uso de um navegador de internet, facilitando sobremaneira a visualização dos mesmos. Além do sistema especialista permitir o acompanhamento completo da síntese da seqüência de colunas ( dimensões, especificações, custos, etc. ), pode-se utilizá-lo para avaliar rapidamente o maior número de possibilidades, tirando qualquer dúvida a respeito da rota escolhida. Como alternativa a uma seqüência de colunas de destilação, mostrou-se o quanto seria eficiente o uso de uma coluna de destilação em batelada multicomponente operada utilizando técnicas avançadas de controle, como o controle por matriz dinâmica ( Dynamic Matrix Control ). Avaliou-se também como o posicionamento de sensores pode ser bastante importante na hora de se analisar uma estratégia de controle de processos. A ferramenta desenvolvida é, sem dúvida, bastante eficiente na ajuda ao engenheiro de processos durante a síntese de processos de separação Absrtact: Processes synthesis is a constant concern of the chemical engineer. He must have as much information as possible available to make the correct decision from the economical and environmental point of view, besides guaranteeing the obtention of the desired products. In this work, the synthesis of separation processes is focused. The separation tasks may constitute a large part of the total costs of a chemical or biochemical process, besides determining its viability. The objective was to develop a methodology of definition, evaluation, analysis and information gruping with respect to components and to the mixture to be separated. In this way the selection of separation processes and their sequencing need to have the largest number of design data and costs of separation task available. An expert interface was developed to enable easy access to physical-chemical properties of pure components and to some properties of the mixture. The expert system reads all the data from the databanks of the commercial simulator Aspen PlusTM without any user intervention. The interface also gives access to FORTRAN routines, which estimates the presence of homogeneous and heterogeneous azeotropes, information that is very important for mixture separation. A parameter to aid in distillation columns sequencing was proposed and it was shown that it gives an initial sequence always very c1ose to the optimal one. The simulations needed to the operation of the expert system were carried out using the simulator and can be rigorous or short-cut. In some cases, the use of different models was important for the choice of the separation task. The developed interface enables easy visualisation of the results by using an Internet browser. The expert system enables the complete understanding of the column sequence synthesis ( dimensions, specifications, costs, etc. ) and it can be used to the fast evaluation of the largest number of feasible sequences, not letting any doubt about the chosen one. It was shown that the use of a multicomponent batch distillation operated using advanced control techniques ( Dynamic Matrix Control, for instance ) would be a good choice as an alternative for a sequence of distillation columns. It was also shown that the positioning of the sensors is very important for the analysis of process control strategies. The developed tool is, without any doubt, very useful to aid the process engineer during separation processes synthesis Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Orientador: Roger Josef Zem Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Sistemas de destilação são amplamente utilizados em indústrias químicas e petroquímicas. Uma desvantagem desses sistemas, no entanto, é o fato dos mesmos apresentarem um grande consumo de energia. Dessa forma, a identificação de parâmetros como: refluxo mínimo, condição térmica da alimentação, posição do estágio da alimentação, etc., são extremamente importantes tanto para o projeto de colunas de destilação isoladas, como também para o seqüenciamento de colunas de destilação com reduzido consumo de energia. Visando a redução do consumo de energia de processos, a análise exergética tem sido amplamente utilizada. Por meio do cálculo do conteúdo de exergia das correntes do processo, é possível ter-se uma idéia da degradação da energia ao longo do mesmo. A medida da qualidade da energia é a exergia. O objetivo da análise exergética de processos é identificar as fontes de irreversibilidade, ou perda de exergia, e também identificar as modificações no processo que podem levar à redução dessa perda. Como resultado tem-se um menor consumo de energia. Somente recentemente, no entanto, a análise exergética tem sido aplicada a processos químicos. Como exemplo tem-se a metodologia proposta por Zemp (1994) na qual a seqüência ótima de colunas de destilação é a identificada como sendo a que apresenta menor perda de exergia. Uma desvantagem dessa metodologia, no entanto, é que a condição térmica da alimentação é fixada em líquido saturado. Neste trabalho, a análise exergética é utilizada na síntese e otimização de sistemas de destilação. Numa primeira etapa, o conceito de perfil quase-reversível para a separação de misturas multicomponentes em colunas de destilação isoladas foi utilizado, juntamente com a análise exergética, para a otimização da condição térmica da alimentação. Os bons resultados obtidos para vários sistemas motivaram a continuação do estudo em direção ao sequenciamento de colunas de destilação. O objetivo foi o de investigar se a otimização da condição térmica pode reduzir ainda mais o consumo de energia da seqüência previamente identificada como ótima. Modificação na pressão de operação das colunas da seqüência, assim como a influência da composição da alimentação, também foram consideradas. V ários sistemas com diferentes número de componentes foram utilizados para testar a metodologia. No caso dos sistemas temários, ambas as opções de seqüência foram estudadas. Os resultados provaram que a otimização das colunas não modifica a seqüência identificada como ótima. De uma maneira geral, foi possível propor uma metodologia para a síntese e otimização de sistema de destilação sem a necessidade da simulação rigorosa das colunas. Como vantagem tem-se o fato de que problemas de convergência não aparecem e não há a necessidade de se determinar o estágio da alimentação à priori Abstract: Distillation systems are widely used in chemical and petrochemical industries. The main drawback of these systems, however, is the fact that they are energy intensive processes. Therefore, there is a need of a methodology that allows for the synthesis of distillation systems that present low energy consumption. In this sense, the correct identification of parameters such as: minimum reflux, feed stage location, etc plays an important role. In order to reduce the energy consumption of processes, the exergy analysis has appeared as an efficient too1. By computing the exergy content of the process streams the design engineer can understand how the energy degrades throughout the processo Exergy is a measurement of the quality of the energy. The goal of the exergy analysis is to identify sources of exergy losses, and the most appropriate modifications that will 1ead to the decrease of process irreversibility. As a result, the energy requirement of the process is reduced. Only recently, however, exergy analysis has been applied to chemical processo The optimum distillation column sequence, for example, was identified as the one that presents the lowest value of the minimum exergy loss (Zemp, 1994). However, the feed thermal condition is fixed as saturated liquido. In this work, exergy analysis is applied to the synthesis and optimisation of distillation columns sequences. Firstly, the concept of near-reversible column profile, together with the exergy analysis, were used to optimise the feed thermal condition of the feed. Secondly, it was investigated if different feed thermal condition can further reduce the overall energy consumption of a sequence. Not only were considered changes in the feed condition but it was also analysed other modifications in the operational conditions of each column of the sequence. The influence of the composition of the feed was tested as well. Several systems with different number of components were used to test the methodology. For the temary systems both direct and indirect separation were analysed. Results have shown that the optimisation of the columns do not change the selected optimum sequence. Overall, the exergy analysis applied to distillation systems has shown to be a useful tool to the synthesis and optimisation of such separation systems. By using the proposed methodology there is no need to resort to the rigorous simulation of each column of the sequence. Therefore, convergence problems as well as the tedious trial-and-error procedure for the determination of the optimal feed tray location are avoided. Doutorado Sistemas de Processos Químicos e Informática Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Sandra Lucia da Cruz, Roger Josef Zem Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Este trabalho visa o estudo do processo de desproporcionamento do tolueno. Industrialmente estas unidades são constituídas pela (i) seção de reação, (ii) seção de separação e (iii) seção de reciclo. Com o aumento da demanda de benzeno a seção de separação torna-se potencialmente favorável a redução dos custos de processamento. Este estudo se dirige portanto, no sentido de diminuir o custo total da seção de separação, realizada por destilação, dos produtos da reação. Métodos de síntese e integração de seqüências de colunas de destilação são as ferramentas utilizadas para a análise deste problema. Nos capítulos iniciais são apresentadas as técnicas mais utilizadas em síntese e integração de colunas: os métodos heurísticos (a partir da experiência de projetos anteriores), as equações preditivas, a inteligência artificial e os métodos aproximados são os mais aplicados. Nas técnicas de integração energética, destaca-se o LQ8T e a programação não linear. Os produtos da reação de desproporcionamento do tolueno e portanto, alimentação das colunas, se realizam com diferentes composições. a método utilizado parte de um balanço de energia no trocador de integração que no final resultará no acréscimo de um refervedor ou de um condensador na coluna integrada. Independente do acréscimo destes equipamentos, cada coluna de destilação na seqüência integrada possui um condensador e um refervedof.. a método proposto é computacional, e fornece o custo total de uma detenninada seqüência de destilação, bem como, as possíveis melhores formas de integração. a mesmo procedimento é realizado para seqüências apresentando colunas com saída lateral. Comparações são realizadas entre as seqüências não integradas de modo a se obter a seqüência mais econômica. Por fim a integração destas seqüências é analisada e seu resultado é incorporado aos dados anteriores obtidos para avaliação. Neste trabalho estão incluídos o desenvolvimento de um método simplificado baseado nas temper*as de topo e base das colunas na seqüência. E uma análise de como a alimentação (componentes, volatilidade, vazão, etc) afeta a escolha da melhor seqüência de destilação convencional e com saída lateral Abstract: This work's goal is to study the process of disproportionation oftoluene. lndustrially this process is composed of the units (i) reaction section, (ü) separation section and (iii) recycling section. The incline in the demand of benzene makes the separation section become potentially favourable to the reduction of processing costs. Therefore the orientation of this study is to reduce the total cost of the separation section of the products reaction performed by distillation. The tools used in the analysis of the problem are the synthesis methods and the sequential integration of the distillation columns. The first chapters presents the techniques often used in the synthesis and integration of columns: the heuristic methods (based on experiences from previous projects), the predictive equations, artificial intelligence and the approximate methods are mostly applied. During the integration, the SQ?T and the non-linear programming are more relevant. The products from the disproportionation of toluene and subsequently from the columns' feeding take place via different compositions. The computational method was selected as it offers the total cost of an established sequence of distillation, as well as the best possible forms of integration. The same procedure is done on sequences presenting lateral exits for their columns. Comparisons are performed among non-integrated sequences to obtain the most economic sequence. Finally the integration of these sequences is analysed and its results incorporated to previous data collected for the evaluation. This work includes the development of a simplified method for obtaining integrated sequences as well as the analysis of how feeding (components, volatility, flowing, etc) affects the choice of the best distillation sequence. This study also covers columns with lateral exit Doutorado Sistemas de Processos Químicos e Informática Doutor em Engenharia Química

Orientador: Teresa Massako Kakuta Ravagnani Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: : Uma técnica amplamente utilizada na produção de etanol é a destilação azeotrópica benzeno, cuja propriedade cancerígena é bastante conhecida. Um processo alternativo, ecologicamente viável, é a destilação extrativa salina. O emprego de um sal solúvel na desidratação do etanol possibilita uma redução no consumo energético, além de produzir um etanol livre do agente de separação. Uma etapa importante na produção de etanol anidro através da destilação extrativa salina é a recuperação do sal para posterior reutilização na coluna de destilação. Dois fluxogramas de processos foram propostos para a produção de etanol anidro através da destilação extrativa com acetato de potássio, os quais diferem basicamente na etapa de produção do etanol. Em um dos processo, a alimentação aquosa diluída de etanol é submetida diretamente à destilação extrativa com acetato de potássio, sendo que a recuperação do sal é realizada num sistema de evaporação de múltiplo efeito e numa câmara de secagem ¿spray¿. No segundo processo, a alimentação de etanol é submetida à pré-concentração numa coluna de destilação sem sal e posteriormente submetida à destilação salina, sendo que a recuperação do acetato de potássio é realizada unicamente numa câmara de secagem ¿spray¿. Os equipamentos utilizados nos processo foram simulados individualmente e conectados entre si para a simulação global da planta... Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital Abstract: One technique has been used largely in production of anhydrous ethanol is azeotropic distillation with benzene, which carcinogenic properties are well-known. An alternative process, ecologically viable, is extractive distillation by salt effect. The use of a soluble salt in dehydration of ethanol allows a reduction in energy requirement, besides producing en ethanol free of separating agent. An important stage in the production of anhydrous ethanol by extractive distillation with salt is the salt recovery to be reused in the distillation column. Two process flowsheets were proposed to the production of anhydrous ethanol by extractive distillation with potassium acetate, which differ basically in ethanol production stage. In one of these processes, the aqueous dilute ethanol feed is submitted directly to extractive distillation with potassium acetate and the recuperation of the salt is realized in a multiple effect evaporation system and in a spray dryer. In the other process, the ethanol feed is submitted to preconcentration in a distillation column free of salt and afterwads submitted to salt distillation and the recuperation of the potassium acetate is realized solely in a spray dryer. The equipament utilized in processes were simulated individually and connected among themselves in order to proceed the global simulation of the plant... Note: The complete abstract is available with the full electronic digital thesis or dissertations Doutorado Sistemas de Processos Químicos e Informática Doutor em Engenharia Química

Orientador: Francisco Maugeri Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos Resumo: Sistema Especialista é o nome dado a um aplicativo de computador que tem como objetivo suprir a necessidade de especialistas humanos em determinadas áreas de conhecimento, simulando o raciocínio do homem e visando dar soluções a problemas bem específicos utilizando, para isto, o conhecimento teórico e prático que é adquirido a partir de dados científicos (literatura, pesquisadores, etc.) e da experiência prática (projetistas, operadores, etc.). Neste trabalho, coletou-se dados práticos e de projetos junto à especialistas da indústria alcooleira, formando uma ampla base de conhecimento na qual fazem parte também modelos matemáticos que simulam o processo. O conjunto dos dados práticos e dos modelos matemáticos produziu um protótipo de um Sistema Especialista, designado por Alcoxpert, que foi idealizado com o objetivo de servir como instrumento de avaliação das condições de operação de unidades existentes e para o projeto e dimensionamento de novas unidades no setor alcooleiro. O sistema pode avaliar as condições de operação de unidades através de simulação e foi desenvolvido utilizando o shell "SMART ELEMENTS" da Neuron Data. Sua base de conhecimentos é estruturada através de regras. Foram desenvolvidas três bases de conhecimento que abordam três unidades de uma usina alcooleira: moagem, fermentação e destilação. O sistema na unidade de moagem simula a extração do tandem de moenda que pode ser de quatro ou seis temos. Através de dados experimentais, calculou-se os coeficientes de embebição e reabsorção, como também através de ajuste foi obtida uma equação para cálculo destes coeficientes. Para utilizar o sistema, são necessários alguns dados de entrada como: número de temo de moendas,valores dos coeficientes de reabsorção, preenchimento e embebição, densidade do caldo no bagaço, brix do bagaço, brix de embebição e fibra nos respectivos temos, brix, fibra e peso da cana. O resultado de uma consulta a esta unidade é o perfil de fibrado bagaço,brixdo caldo,brix do bagaço,umidade e extração em cada moenda, nível e brix de embebição em cada temo e a extração global do processo. Na unidade de fermentação, o algoritmo que simula o processo foi desenvolvido a partir de balanço de massa e energia, equações cinéticas que representam o processo de fermentação pela Saccharomyces cerevisiae. Alguns dados de entrada devem ser fornecidos pelo usuário para a utilização do sistema tais como o tipo de mosto, número de cubas, tempo de tratamento do fermento e vazão de alimentação do caldo. A resposta obtida é o perfil de concentração de substrato, produto, células, volume do reator e área de troca térmica dos trocadores de calor, produtividade do processo e volume de cuba de tratamento ácido. Na unidade de destilação procurou-se adaptar os projetos existentes que utilizam a destilação azeotrópica e o benzeno como solvente para o processo de destilação extrativa utilizando o etilenoglicol como solvente. Do projeto, foram mantidos o número de colunas, número de pratos, temperatura de alimentação, concentração de alimentação, especificação do álcool final. A coluna de destilação extrativa é estável e o solvente etilenoglicol não é cancerigeno, nem tóxico. O sistema permite ao usuário escolher entre produção de álcool anidro ou hidratado. Foi construído um banco de dados da unidade utilizando o simulador Hysim. Foi feito um estudo da razão da vazão de solvente/alimentação e da temperatura de alimentação do etilenoglicol a fim de diminuir o consumo de energia na unidade. Em uma consulta ao sistema para a unidade de destilação, são necessários alguns dados de entrada: concentração de etanol no vinho delevedurado, temperatura de entrada do vinho delevedurado na coluna e temperatura de alimentação de etilenoglicol. O sistema apresenta como resposta o perfil de temperatura, consumo de energia e reciclo em cada coluna e apresenta os melhores pratos de alimentação. Foram feitas consultas a especialistas e à literatura do setor, as informações coletadas estão disponíveis ao usuário nas telas de ajuda ("Help") que contém também figuras obtidas de simulações. Estas informações auxiliam na compreensão de parâmetros do processo e da unidade, indicando também o comportamento de parâmetros frente a alterações em condições do processo. Em alguns casos, o sistema indica e aconselha a melhor opção de escolha com base nas simulações e no conhecimento prático adquirido. As bases de conhecimento foram desenvolvidas para serem independentes entre si, isto dá uma maior flexibilidade ao sistema. O sistema desenvolvido mostrou ser uma eficiente ferramenta na simulação destas unidades e podem auxiliar no gerenciamento destas, bem como ajudar no desenvolvimento de novos projetos. Os desvios entre o previsto pelo sistema e a prática foram mínimos. O consumo de energia para produção de álcool anidro pelo novo processo é da mesma ordem de grandeza do processo de destilação azeotrópica. Abstract: Expert System is a name given to a software, whose aim is to supply the needs of human experts in some areas of knowledge. It simulates human reasoning and tries to solve specmc problems by using rules of thumb (heuristic rules) which are acquired ftom scientific data (literature, researchers, etc.) and practical experience (designers, operators, etc.). This research work contains rules of thumb for plant design which were collected ftom experts of the alcohol industry as well as mathematical models that simulate the process forming a large knowledge base. The whole set of data obtained both ftom practica1 and theoretical considerations as well as ftom process simulation produced a prototype of an Expert System, called Alcoxpert, which was designed with the purpose of being an instrument for the process control of existent plants and also for the design of new units of alcohol production. Alcoxpert simulates the operation conditions of three different units. Alcoxpert was developed using the "Smart Elements" shell of Neuron Data. Three knowledge basis were developed which are related to three operational units of the alcohol industry: crushing, fermentation and distillation. The System, concerning the crushing unit, simulates the extraction in the crushing train for either four or six trains. The imbibition and reabsorption coefficients were calculated ftom experimental data, through specmed regression and equations for these coefficients were estimated. For the use of Alcoxpert, some entry data are necessary, such as: number oftrains, imbibition and reabsorption coefficients and filling ratio, density of juice in bagasse, brix degree in bagasse, brix degree in imbibition and fibre ftaction in bagasse in each train and also brix degree, ftaction of fibre and weight of cane. The result is a fibre profile in the bagasse, brix degree in juice, brix degree in bagasse, moisture in bagasse, brix extraction and imbibition leveI. Concerningthe fermentationunit, the algorithmthat simulatesthe process was developed ftom mass and energy conservation, kinetic equations that represents the ermentationprocess by Saccharomyces cerevisiae. Some entry data have to be given by the user to start the system: type and composition of input medium, number of tanks for the acid treatment, time required for the acid treatment, input medium flow rate, etc. and the result is the volume profile of reactors, process flow rates, productivity, the surface areas of heatexchangers, the number of centrifuges and the tank volumes for the acid treatment. For the distillation unit, existent projects which use azeotropic distillation with benzene as entrainer and extractive distillation that utilises ethyleneglycol as entrainer were adapted. Column and tray numbers, feed temperature, feed concentration and final alcohol specification were maintened ITomthe original projects. The column of extractive distillation was show to be stable and the in addition ethyleneglycol is not cancerous nor toxic. Alcoxpert allows the user to choose between pure ethanol production or ethanol in the azeotropic composition. A database was created using Hysim simulator which helps Alcoxpert to make decisions. Also, a study about solvent to feed ratio and feed temperature of ethyleneglycol was developed in order to minimise energy use. Some entry data are necessary to start the Alcoxpert distillation unit: wine cell concentration, wine feed temperature and etylhleneglycol feed temperature. The result is a profile of temperature, energy use and recycle in each column as well the best feed trays. Experts and the literature were consulted and collected information are at users disposal in the "Help scream". It also contains figures that illustrate the processo These information can help users to understand the process parameters. They also indicate the behaviour of relating parameters to changes in the process conditions. In some cases, the system can indicate and advise the best condition for a parameter according to simulations and acquired practical knowledge. The knowledge basis were developed independently ITomeach other which gives a higher flexibility to the Expert System. Alcoxpert demonstrated to be an efficient tool simulating these units and it can be useful in the management of the whole plant, as well as in the design of new projects. The system was shown to be reliable since the difference between theoretical calculation and practical results was minimum. The spent energy to produce ethanol by extractive distillation was show to be the same as by azeotropic distillation. Doutorado

Orientador: Maria Regina Wolf Maciel Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Resumo: Visando conhecer detalhadamente o comportamento dinâmico do processo de destilação extrativa, foram realizados estudos considerando diversos tipos de perturbações no processo. Para tanto, foram desenvolvidos modelos nos estados estacionário e transiente. O estudo foi realizado para quatro sistemas, os quais utilizam solventes com características distintas. Os resultados obtidos mostram que o processo de destilação extrativa apresenta comportamento simples para os diversos tipos de perturbações. Contudo, existe uma grande diferença entre o comportamento os sistemas, a qual é caracterizada pelo tipo de solvente. As colunas que operam com solvente de baixa volatilidade são mais fáceis de controlar, o que foi demonstrado pelas respostas dinâmicas do sistema. O controle foi outro aspecto abordado neste trabalho. Um estudo preliminar foi realizado, e os resultados mostraram que para todos os sistemas, um controlador clássico pode manter o processo nas condições desejadas. Foi realizada a avaliação de um nova configuração para o processo de destilação extrativa para sistemas que utilizam solvente com volatilidade relativa baixa. A nova configuração utiliza apenas uma coluna de destilação e os três componentes são obtidos em diferentes pontos da coluna. O desempenho é comparável ao da configuração convencional. A quantidade de energia total necessária em ambos os casos é também comparável, no entanto as respostas dinâmicas são bem diferentes... Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital Abstract: In order to know in details the dynamic behavior of the extractive distillation process studies have been made considering severals types of disturbances in the process. For this steady and unsteady states models have been developed. Four kinds of systems have been considered which use solvents with distinct charactheristics. The result obtained show tha the extractive distillation process presents simple behavior for differents kinds of disturbances. However, there is a large difference among the system dynamic responses, which are characterized by the kind of the solvent. The columns operating with solvents of low volatility are easier to control as it was demonstrated by the resulting profiles. A preliminary study on control of the column has been made whichand the results show that a classical controller can keep the process on the desired conditions. Test of a new configuration for the extractive distillation process was realized for systems that uses low volatility solvents. The new configuration has the advantage of using just one column and the three components are obtained at different position along the column. The performance is comparable to the conventional one, that total reboiler duties in both cases are almost the same. However, the systems dynamic responses are quite different... Note: The complete abstract is available with the full electronic digital thesis or dissertations Doutorado Doutor em Engenharia Química

Orientador: João Alexandre F. Rocha Pereira Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Processos de separação são de relevante importância na indústria química, sendo a destilação em batelada um destes processos mais antigos. Apesar de ter sido considerado ultrapassado pelo surgimento das colunas de destilação contínuas, o processo em batelada tem recebido atenção especial nos últimos anos em função do interesse crescente na área que se destina à produção de substâncias químicas ou bioquímicas de alta tecnologia e alto valor agregado, e em problemas ambientais de redução de volumes residuais. Apesar de envolverem princípios fenomenológicos similares que lhes conferem características de processos não-lineares, a falta de alimentação contínua no equipamento em batelada torna os perfis de temperatura e composição instantâneos ao longo da coluna, exigindo sistemas de controle substancialmente diferentes. Diante das constantes variações nas características do processo (regime transiente), desenvolveram-se projetos de sistemas de controle digitais que se desviassem da sintonia e ¿design¿ fixos dos algoritmos convencionais de controle por retroalimentação, para controle de composição de topo através da manipulação da vazão de refluxo. Visando economia de energia, uma malha independente, de controle de aquecimento na base da coluna, opera através de medições de composição de fundo ou diferencial de pressão ao longo da coluna. Inicialmente estudou-se uma das maneiras mais simples de se efetuarem adaptações nos parâmetros ajustáveis do sistema de controle digital: as adaptações programadas (¿Programmable Adaptive Control¿)... Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital Abstract: Separation processes are very important in chemical industries where batch distillation appears as one of its oldest processes. Over the last few years batch processing has received renewed attention because of the growing interest in the production of high-technology, high-value added chemical and biochemical products and also in environmental problems of industrial waste minimization. Based on similar phenomenological aspects, both batch and continuous distillation are characterized as non-linear processes, but due to the absence of feed streams in batch equipments the temperature and composition profiles become instantaneous, with substantially different control systems requirements. In order to control top composition, by handling the reflux ratio, digital control systems taking into account the unsteady process characteristics were developed where design did not follow the conventional feedback control loop by measuring bottom composition or column pressure differential, therefore minimizing the energy consumption. An ordinary way of adjusting the controller parameters was initially studied: the Programmable Adaptive Controller (PAC). The adjustments are previously scheduled and on-line performed through measurements of an auxiliary variable which correlates well with the changes in process properties and on the involved process phenomena. In practice, however, where complex mixtures are usually processed, the independence on the referred knowledge about the mixture is crucial and claims an on-line process identification procedure... Note: The complete abstract is available with the full electronic digital thesis or dissertations Doutorado Sistemas de Processos Químicos e Informática Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Maria Regina Wolf Maciel, Maciel, Rubens Maciel Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: O desenvolvimento de processos biotecnológicos industriais que utilizem recursos naturais renováveis é uma necessidade que se faz presente nos dias atuais, dada a preocupação com o abastecimento de petróleo e o desenvolvimento sustentável. Um grande interesse pelos processos fermentativos para produção de ácidos carboxílicos a partir de recursos renováveis tem sido despertado, sendo a produção de ácido láctico uma das mais importantes entre os ácidos orgânicos. A grande variedade de aplicações e o desenvolvimento de novos usos e produtos, como na produção de polímeros biodegradáveis (poli- ácido láctico), solventes verdes e químicos oxigenados, fizeram com que a produção de ácido láctico crescesse consideravelmente nas últimas décadas e estimulasse a pesquisa por tecnologias que tornem o processo mais viável economicamente. No caso do ácido láctico, o desenvolvimento de um método eficaz de separação e purificação do ácido a partir do caldo de cana-de-açúcar fermentado, sem a geração de efluentes, é de suma importância, pois o processo de separação e purificação corresponde a, aproximadamente, 50% do custo de produção. Assim, este trabalho teve como objetivo estudar três estratégias para separação e concentração do ácido láctico produzido por via fermentativa, utilizando, a saber: um sistema híbrido de destilação molecular, um sistema de destilação reativa e acoplando as duas tecnologias sequencialmente. Foram aplicados planejamentos experimentais para a determinação das melhores condições operacionais de cada processo e, por fim, foram definidas as melhores condições e sequências operacionais para a concentração, separação e purificação do ácido láctico. Os resultados mostraram que utilizar tanto o sistema híbrido de destilação molecular quanto o sistema de destilação reativa são efetivos para a separação e concentração do ácido láctico. Após a otimização da etapa de destilação molecular híbrida, foi possível a obtenção de ácido láctico com 89,71% de pureza. Em relação à destilação reativa, foi possível obter 100% de rendimento de lactato de etila na etapa de esterificação e concentrar 2,4 vezes o ácido láctico, com 26,32% de pureza, após a etapa de hidrólise. Utilizando a destilação molecular híbrida e destilação reativa em sequência, obteve-se ácido láctico 4,7 vezes mais concentrado, com 21,97% de pureza. A destilação molecular híbrida apresentou o maior índice de desempenho de purificação, sendo a tecnologia de separação e purificação mais promissora para o ácido láctico. Para finalizar o trabalho, foi desenvolvida a simulação de uma planta virtual para realizar a purificação do ácido láctico proveniente da fermentação utilizando a destilação reativa Abstract: The development of industrial biotechnology processes that use renewable resources is a necessity nowadays due to concerns about oil supply and sustainable development. Fermentation processes for the production of carboxylic acids from renewable resources have drawing a lot of interest, and the production of lactic acid is one of the most important among organic acids. The wide variety of applications and the development of new uses and products, such as the production of biodegradable polymers, green solvents and oxygenated chemicals, have made the production of lactic acid grow considerably in recent decades, stimulating research for technologies that make the process more economically viable. In the case of lactic acid produced from sugarcane molasses, the development of an effective method of separation and purification without wastewater generation is extremely important. The process of separation and purification corresponds to approximately 50% of the production cost. Therefore, this work is devoted to study three strategies of separation to concentrate lactic acid produced from fermentation: hybrid short path evaporation, reactive distillation, and both technologies attached. Experimental factorial designs were applied to determine the best operating conditions. Thus, the best conditions and operational sequences for lactic acid concentration, separation, and purification were defined. The results showed that hybrid short path evaporation and reactive distillation system are effective for the lactic acid separation and concentration. After optimization of the hybrid short path distillation, lactic acid purity around 89,71% was obtained. Regarding reactive distillation, it was possible to obtain 100% ethyl lactate yield in the esterification reaction and concentrate lactic acid by 2,4 times after hydrolysis with lactic acid purity around 26,32%. Using both technologies attached, lactic acid was concentrated by 4,7 times with lactic acid purity around 21,97%. Hybrid short path distillation showed high purification performance index, so it is the separation and purification technology most promising for lactic acid. Finally, a virtual plant for lactic acid purification from fermentation broth was developed using reactive distillation Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutora em Engenharia Química FAPESP

Orientador: Maria Regina Wolf Maciel Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: A otimização de processes em tempo real tem como objetivo o estudo de técnicas para a integração dos objetivos de controle aos interesses econômicos em aplicações industriais. Neste trabalho, o problema da otimização em tempo real foi abordado para um sistema complexo, com correntes de reciclo de massa e integração energética...Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital Abstract: The goal of real-time processes optimization studies is the way to integrate control objectives and economic aspects. In this work, the real-time optimization problem was applied to a high complex system, including mass recycle streams and heat integration...Note: The complete abstract is available with the full electronic document Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química