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BioLPG is a partially renewable fuel that can be produced by different conversion routes, with vegetable oil hydrotreatment (HVO) being one of the most promising processes. This study uses the Life Cycle Assessment (LCA) approach to assess the environmental impacts associated with this processing. The analysis considered the conditions practiced in Brazil with soybean oil (SO) as raw material, different hydrogen sources, and raw materials’ feed rates in the reaction system. The model was based on secondary data collected for the 2020–2021 biennium, and the environmental impacts were determined for Global Warming Potential, Primary Energy Demand, Terrestrial Acidification, Fine Particulate Matter Formation, Terrestrial Ecotoxicity, and direct Land Use Change. The results show that the SO produced by soybeans grown in Paraná/BR and hydrotreated with H2 obtained by electrolysis ([SO/H2]mol/mol = 1:30) had the best environmental performance in four of the six impact categories analyzed. A complementary analysis also identified the best environmental performances for bioLPG obtained from blending SO from different sources to avoid supplier dependence. Even accumulating worse environmental performance than fossil LPG, renewable fuel has promising prospects for deployment in Brazil. Nevertheless, for this to occur, some actions must be implemented in its production cycle.

Issues de ressources renouvelables, les huiles végétales (mélanges de triacylglycérols) sont des matières premières aux multiples applications dans divers secteurs, tels que lindustrie alimentaire, les lubrifiants, les solvants, les cosmétiques, la pharmacie, parmi autres. Pour faciliter le développement de produits utilisant de telles matières premières, le travail de thèse sintéresse à la modélisation de l\'équilibre de phases pour mélanges de triacylglycérols et la conception dun logiciel prédictif de leurs propriétés. Les modèles employés sont totalement prédictifs et tiennent compte des polymorphes. La phase liquide et le polymorphe sont supposés idéaux à linverse des polymorphes et dont les coefficients dactivités sont calculés à laide du modèle de Margules où les coefficients dinteractions binaires sont prédits à partir de la similarité des chaines dacide gras sur le squelette glycérol. L\'optimisation directe de l\'énergie libre de Gibbs permet de calculer la quantité de solide dans les graisses ; propriété fondamentale corrélée à de nombreuses fonctionnalités de produits basés sur des huiles végétales. Le calcul de l\'équilibre solide - liquide à plusieurs températures permet de simuler des courbes de fusion et des courbes de calorimétrie différentielle à balayage. Linfluence sur ces courbes de modifications dans la structure moléculaire et de la composition des mélanges est étudier pour plusieurs systèmes et comparés avec des données expérimentales: triacylglycérols purs, mélanges binaires et ternaires de triacylglycérols, huiles végétales naturelles et mélanges d\'huiles végétales impliquant des centaines de triacylglycérols. Des réactions d\'interestérification chimique, largement utilisées pour modifier la composition et propriétés d\'huiles et graisses, sont simulées et comparés avec des données expérimentales. Le bon accord avec les données expérimentales permet de valider l\'outil informatique et son caractère prédictif permet denvisager son utilisation pour des mélanges, températures et compositions encore non évaluées de façon à orienter les efforts expérimentaux vers les mélanges les plus prometteurs. A busca pelo desenvolvimento sustentável é um incentivo para o uso de recursos renováveis na indústria química. Óleos vegetais (misturas de triacilgliceróis) são matérias-primas que atendem a este critério e apresentam aplicações atuais e potenciais em diversos setores, tais como indústria de alimentos, lubrificantes, solventes, cosméticos, farmacêutica, dentre outros. Com o objetivo de auxiliar no desenvolvimento de produtos utilizando tais matérias-primas, o presente trabalho trata da modelagem do equilíbrio de fases em misturas de triacilgliceróis e do desenvolvimento de uma ferramenta computacional preditiva de propriedades. Os modelos usados são totalmente preditivos e consideram a existência de polimorfismo na fase sólida. O estado líquido e o polimorfo são considerados ideais. Os coeficientes de atividade das fases e (não-ideais) são estimados através do modelo de Margules, no qual os coeficientes de interação molecular binária são calculados de forma preditiva através de correlações com o grau de similaridade entre as cadeias de ácidos graxos no glicerol. Através da otimização direta da Energia Livre de Gibbs, é calculado o Conteúdo de Gordura Sólida, uma propriedade fundamental para funcionalidade de produtos baseados em óleos vegetais. Através do cálculo do equilíbrio de fases em diversas temperaturas são simuladas curvas de fusão e curvas de Calorimetria Exploratória Diferencial, permitindo uma avaliação computacional do efeito que alterações na estrutura molecular e composição apresentam nas propriedades de interesse. Os resultados calculados foram aplicados e comparados com dados experimentais em diversos sistemas: triacilgliceróis puros, misturas binárias e ternárias de triacilgliceróis, óleos vegetais naturais e misturas de diversos óleos vegetais (centenas de triacilgliceróis). Reações de interesterificação química, amplamente utilizadas para alterar a composição e propriedades de óleos e gorduras, foram igualmente simuladas e os resultados comparados com dados experimentais em diversas composições e temperaturas. A boa concordância entre os dados simulados e experimentais permite validar a ferramenta computacional e seu caráter preditivo a torna útil no estudo de misturas em temperaturas e composições ainda não avaliadas, de forma que os esforços experimentais (custo e tempo) possam ser direcionados às misturas mais promissoras.

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

The conventional configuration of a pulp mill, in which black liquor is concentrated and burnt, is compared to the upgrading gasification routes for methanol (MeOH) or dimethyl ether (DME) co-production. To this end, various exergy-based and environmental impact indicators are assessed in the light of different utility supply scenarios. The combined exergy and energy integration analysis are used to identify potential improvements related to the decarbonization and mitigation of the process irreversibility. As a result, the exergy efficiencies of the conventional scenario and the integrated plants average 40% and 45%, respectively, whereas the overall CO 2 emission balances vary from 1.97 to -0.07 t CO2 /t Pulp , respectively. Additionally, an incremental economic analysis that envisages future carbon taxation scenarios suggests that only MeOH or DME co-production routes with partial electricity import may economically outperform the conventional kraft pulp mill for moderate carbon taxations. These results highlight the relevance of the electricity import from the Brazilian mix for pushing upwards the share of renewable energy resources in the production of traditionally fossil-based fuels and chemicals. (c) 2022 The Author(s). Published by Elsevier Ltd. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license ( http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ )

In this work, the gasification of the black liquor is proposed as an alternative ammonia production route. Due to the seasonal variation of the energy prices, a multi-time integration approach that combines different technologies and energy inputs is used to identify the most suitable operating conditions and arrangements that minimize the energy resources consumption. As a result, the integration of technologies such as power-to-gas systems, carbon capture and injection units, along with liquid fuel storage, may help offsetting the intermittency of the renewable energy resources and increasing the economic revenues of the integrated pulp and ammonia plant. The optimal CO2 management and synthetic natural gas storage may ensure a reliable operation even during the strained periods of the electricity grid. Also, the credits obtained from the injection of biogenic CO2 emissions may compensate for the investment cost associated to the implementation of these new technologies.

Biorefining emerges as a potential alternative for fossil-based industries by proposing the use of renewable biomass to produce chemicals, fuels, and energy. Several opportunities arise from a large set of available biorefining products, conversion technologies, sources of biomass, and integration points with other industries. The design of biorefineries that optimally explore this vast opportunity space is not trivial. Several tools have been proposed for this task. Among these, mathematical programming is highlighted as one of the most promising strategies due to its systematic evaluation of a large space of structural alternatives. The state-of-the-art mathematical programming-based frameworks deal with process synthesis challenges along with supply chain challenges under explicit spatial and temporal consideration. However, these frameworks cannot capture some particularities of forest systems, one of the most promising platforms for integrating biorefining operations. Thus, this thesis proposes an optimization generic model for biorefineries design able to account for the specificities of forest systems, under an MILP (Mixed-Integer Linear Problem) formulation for maximizing the operating net present value (NPV) over four interconnected layers of decision: (I) Forest dynamics, (II) Conversion systems, (III) Supply Chain, and (IV) Markets. The model also incorporates uncertainties in biomass productivity and product selling prices under a robust optimization formulation to ensure the operations profitability and feasibility even on the materialization of the worst-case values for the uncertain parameters. The degree of conservatism of the solution is controlled through the description of the uncertainties within the intersection of a box and polyhedral sets. The model is applied to a case study on the design of a eucalyptus biorefinery in Brazil to produce bleached pulp (used for papermaking), lignin (used as a cement additive), and electricity. The case study showed that biomass dynamics played a vital role in the core strategic decisions, with biomass availability and forest distances driving decisions on all other layers. The adequate consideration of the supply networks was also relevant, as some highly productive forest lands become financially attractive in scenarios with reduced logistic costs. The model was demonstrated useful for minimum selling price estimation for products that might not be considered financially attractive under the nominal values for the input parameters. The choice of conservatism degree was demonstrated as an important feature of the model. Under a full conservative approach, the entire biorefinery operation was considered financially unattractive, contrasting with the nominal case scenario that indicates an opportunity of over 136 billion BRL (around 27 billion USD) in net present value. The over-conservatism on forest uncertainties is especially harmful as it proposes a 70% excessive usage of land to ensure a stable wood supply. This excessive land usage might compete with land for food crops. In between, some still conservative designs were proposed that could provide a robustness level consistent with the nature of the uncertain parameters and still benefit from the biorefining opportunities. Biorrefinarias despontam como uma potencial alternativa para as indústrias baseadas em recursos fósseis ao propor a exploração de biomassa renovável para produção de químicos, combustíveis e energia. Diversas opções para bioprodutos, tecnologias de conversão, fontes de biomassa e pontos de integração com outras indústrias criam um amplo espaço de oportunidade a ser explorado. Contudo, propor uma configuração de biorrefinaria capaz de aproveitar esse espaço de forma ótima não é trivial. Diversas ferramentas foram propostas para esse fim. Entre essas, as baseadas em programação matemática são especialmente promissoras dada sua capacidade de avaliação sistêmica de um amplo espaço de alternativas estruturais. As ferramentas em estado da arte baseadas em programação matemática lidam com aspectos de síntese de processos integrados a toda a cadeia de fornecimento, com considerações temporais e espaciais. Contudo, essas ferramentas ainda não capturam algumas particularidades de sistemas florestais, sendo esses, uma das plataformas mais promissoras para a integração de operações de biorrefinaria. Com isso, esta tese propõe um modelo genérico de otimização para o design de biorrefinarias capaz de lidar com as particularidades de sistemas florestais, formulado como um Problema Inteiro-Misto Linear (MILP) para maximização do valor presente operacional líquido (NPV) sobre quatro camadas interconectadas de decisão: (I) Dinâmica Florestal, (II) Sistemas de Conversão, (III) Malha Logística e (IV) Mercado. O modelo também incorpora incertezas na produtividade da biomassa e nos preços de venda dos produtos via otimização robusta, garantindo viabilidade financeira-operacional mesmo na materialização dos piores casos para os parâmetros incertos. O grau de conservadorismo da solução é controlado pela descrição das incertezas como a união entre conjuntos intervalares e poliédricos. O modelo é aplicado em um estudo de caso para o design de uma biorrefinaria de eucalipto no Brasil produzindo polpa branqueada (matéria-prima para papel), lignina (uso como aditivo em cimentos) e energia elétrica. O estudo de caso mostrou que a dinâmica florestal tem um papel crítico nas decisões estratégicas. Por exemplo, disponibilidade de biomassa e distâncias florestais afetaram as decisões em todas as outras camadas do modelo. A consideração adequada das redes logísticas também se mostrou relevante, sendo capaz de tornar financeiramente atrativas plantações distantes de elevada produtividade florestal em cenários de redução de custos logísticos. O modelo também se mostrou útil para estimar o preço mínimo de venda de produtos que não são financeiramente atrativos nos cenários nominais. A possibilidade de controlar o grau de conservadorismo da solução se mostrou especialmente importante, sendo que, em uma abordagem completamente conservadora, a construção da biorrefinaria é considerada financeiramente inviável. Isso contrasta com a oportunidade de 136 bilhões de reais para o NPV no cenário nominal. O conservadorismo em excesso se mostrou especialmente prejudicial quando aplicado à produtividade florestal, resultando em um uso 70% superior de terras para garantir fornecimento estável de biomassa. Entre os extremos, cenários com conservadorismo controlado foram capazes de aproveitar a oportunidade financeira e ainda assim oferecer robustez consistente com a natureza dos parâmetros.

A consistência de alguns produtos alimentícios é altamente dependente das gorduras trans e saturadas em sua composição, porém o consumo desses tipos de gordura tem efeitos adversos à saúde, como aumento do colesterol e o risco de doenças cardiovasculares. Os oleogéis são candidatos potenciais para substituir essas gorduras, uma vez que podem apresentar características de sólidos à temperatura ambiente, embora sejam compostos principalmente de óleo líquido aprisionado por uma rede tridimensional formada pelo agente estruturante. Identificar se uma determinada molécula é capaz de gelificar um determinado óleo ainda é uma tarefa árdua, que, normalmente, só pode ser resolvida na tentativa e erro. Neste trabalho, dados de gelificação de óleos vegetais disponíveis na literatura aberta foram compilados e serviram de base para um estudo de modelos matemáticos capazes de descrever a formação de géis. Foram estudados os modelos dos Parâmetros de solubilidade de Hansen e Técnicas de aprendizado de máquina (Análise Discriminante Linear, Rede Neural Artificial e Análise de Componentes Principais). A influência do conteúdo de gordura sólida na formação do gel foi estudada com base em previsões feitas a partir de um modelo de equilíbrio sólido-líquido desenvolvido anteriormente. Foram catalogados 428 agentes estruturantes, 67 óleos e 268 experimentos de gelificação. Embora os dados disponíveis sobre gelificação de óleos sejam abundantes, os dados ainda não foram padronizados e não contêm informações suficientes para aplicar os parâmetros de solubilidade de Hansen para óleos individuais e o uso em vários óleos ao mesmo tempo possui aplicações limitadas. As técnicas de aprendizado de máquina, entretanto, mostraram excelentes capacidades de classificação com 81% a 95% de precisão, mesmo utilizando conjuntos de dados irregulares. O conteúdo de gordura sólida não parece ter muita influência na formação de gel de óleos vegetais. Por fim, ainda são necessárias mais pesquisas com procedimentos padronizados para validar e aprimorar esses modelos e metodologias. The consistency of some food products are highly dependent on the Trans and saturated fats in its composition, however the consumption of these types of fat has adverse health effects such as increased cholesterol and the risk of cardiovascular disease. Oleogels are potential candidates to substitute these fats, since they can present characteristics of solids at room temperature, although they are composed mostly of liquid oil entrapped by a 3D-network formed by the gelator. Identifying if a specific molecule is capable to gelate a specific oil is still an arduous task, which usually, can only be solved serendipitously. In this work, vegetable oil gelation data available in the open literature was compiled and used as the basis for a study of mathematical models capable of describing the formation of gels. Hansen\'s solubility parameters and machine learning techniques (Linear Discriminant Analysis, Artificial Neural Network and Principal Component Analysis) models were studied. The influence of solid fat content on gel formation was further studied based on predictions made from a previously developed Solid-Liquid Equilibrium model. In this work 428 gelators, 67 oils and 268 gelation experiments were cataloged. Although available data on oleogelation is abundant, the data has not yet been standardized and does not contain enough information to apply Hansen solubility parameters for individual oilsand the use in several oils at the same time has limited applications. Machine learning techniques have shown great classification capabilities from 81% to 95% accuracy even with irregular data sets. The solid fat content does not seem to have much influence on gel formation of vegetable oils. Finally, further research with standardized procedures is still needed to validate and improve these models and methodologies.

A biomassa tem sido colocada em evidência como principal matéria-prima para produção de biocombustíveis, embora seja capaz de produzir diversos compostos como: fármacos, aditivos alimentícios, materiais, entre outros. Dentre as diversas matérias-primas originadas da biomassa, pode-se destacar a microalga para produção não só de combustíveis como diversos químicos de interesse por causa de sua alta produtividade, baixa necessidade de terras aráveis e água pura e sua versatilidade. Entretanto, o processo ainda não se provou financeiramente viável pelo seu alto custo. Diversos trabalhos tem sido feitos avaliando técnicas diferentes de cultivo e diferentes rotas de processamento para produção de diversos combustíveis de forma combinada. Este trabalho tem como propósito avaliar computacionalmente o processo de extração de lipídios da microalga com diferentes solventes para posterior produção de biodiesel. Para isso foi criada uma metodologia multi-step com 3 etapas de avalição: propriedades físico químicas, demanda energética e parâmetros EHS (environmental, health and safety), e uma análise tecnoeconômica preliminar. Um conjunto inicial de 111 solventes foi utilizado para esse trabalho, sendo que 96 candidatos foram avaliados na etapa 1, e 2 candidatos na última etapa. Os 2 solventes avaliados na última etapa foram o DLimoneno e o Palmitato de Metila, sendo o primeiro já utilizado em trabalhos de extração de óleo de microalga e o segundo uma aparição inovadora. A avaliação tecno-econômica de ambos os solventes resultou em um resultado financeiro pior que o benchmark n-hexano, embora ainda possa-se considerar benefícios como créditos de carbono, evasão de multas ambientais e menor custo de tratamento. Biomass has been highlighted as the main raw material for the production of biofuels, although it is capable of producing several compounds such as: drugs, food additives, materials, among others. Among the various raw materials originating from biomass, we can highlight the microalgae for the production of not only fuels but also several chemicals of interest because of its high productivity, low need for arable land and pure water and its versatility. However, the process has not yet proven to be financially viable due to its high cost. Several works have been done evaluating different cultivation techniques and different processing routes for the production of different fuels in a combined way. This work aims to computationally evaluate the process of extracting lipids from microalgae with different solvents for later production of biodiesel. For this, a multi-step methodology was created with 3 evaluation steps: physical chemical properties, energy demand and EHS (environmental, health and safety) parameters, and a preliminary techno-economic analysis. An initial set of 111 solvents was used for this work, with 96 candidates being evaluated in step 1, and 2 candidates in the last step. The 2 solvents evaluated in the last stage were D-Limonene and Methyl Palmitate, the first being already used in microalgae oil extraction works and the second an innovative appearance. The techno economic assessment of both solvents resulted in a worse financial result than the n-hexane benchmark, although benefits such as carbon credits, avoidance of environmental fines and lower treatment costs can still be considered.

Este projeto avalia a contribuição da implementação de sistemas de captura de dióxido de carbono (CCS) emitido em termelétricas a carvão e gás natural no Brasil, como estratégia para o cumprimento das metas ambientais estabelecidas para o ano 2030. Um modelo de programação linear multi-objetivo baseado na análise Input-Output é utilizado para avaliar as inter-relações entre sistemas econômicos, energéticos e ambientais. Uma abordagem intervalar interativa é desenvolvida para lidar com a incerteza associada aos coeficientes do modelo e fornecer conclusões mais robustas. São consideradas três funções objetivo: Maximização do Produto Interno Bruto (PIB), Minimização do Potencial de Aquecimento Global (PAG) e Minimização do consumo de energia para fins exclusivamente energéticos (CFE). Três cenários são analisados neste caso: (i) Cenário base que não incorpora CCS em termelétricas; (ii) Cenário 1 que incorpora CCS em termelétricas a carvão; (iii) Cenário 2 que incorpora CCS em termelétricas a gás natural; (iv) Cenário 3 que incorpora CCS em termelétricas a carvão e gás natural simultaneamente. Os resultados do Cenário 1 para o PIB mostram uma variação de -0.977% em relação ao Cenário base, enquanto que para o PAG e o CFE as variações são de -3,84% e 7,09%, respectivamente. No Cenário 2, os valores de PIB, PAG e CFE variaram em relação ao Cenário base -0,762%, -5,82% e 8,94% respectivamente. Finalmente, no Cenário 3, tais diferenças foram de -0.584%, -9,46% e 3,76% respectivamente. Para análise de incerteza, soluções para os melhores e piores valores ótimos considerando um conjunto de coeficientes menos e mais restrito foram geradas. Os resultados mostram a relação antagônica entre o crescimento econômico e o impacto ambiental e consumo de energia. Em contrapartida, observa-se uma relação direta entre impacto ambiental econsumo de recursos energéticos. Em geral, a implantação de sistemas CCS tanto em termelétricas a carvão como a gás natural (Cenário 3) é a condição que gera os melhores resultados nas três dimensões avaliadas; no entanto, o resultado para PAG ainda está distante da meta definida pelo governo brasileiro para o ano 2030. Por outro lado, uma contração do sistema econômico e uma expansão do consumo de recursos energéticos é desencadeada por essa estratégia, o que reafirma a importância de avaliar o efeito das decisões e políticas ambientais e energéticas no sistema econômico do país, por meio de modelos multiobjetivo capazes de explorar o comportamento de diferentes trade-offs. This study assesses the contribution of the implementation of carbon capture systems (CCS) in fired-coal and natural gas power plants in Brazil, as a strategy to meet the established environmental goals for 2030. A multi-objective linear programming model based on Input Output Analysis (IOA) is used allowing to evaluate the interrelations of economic, energy and environmental systems. An interactive interval approach is developed to deal with uncertainty associated with model coefficients and provide robust conclusions. Three objective functions are considered: Maximization of Gross Domestic Product (GDP), Minimization of Global Warming Potential (GWP) and Minimization of energy consumption for exclusively energy purposes (CFE). Two scenarios are analyzed in this case: (i) a baseline scenario which does not incorporate CCS;(ii) Scenario 1 which incorporates CCS systems in fired-coal power plants; (iii) Scenario 2 which incorporates CCS systems in natural gas power plants; (iv) Scenario 3 which incorporates CCSsystems in fired-coal and natural gas power plants. Scenario 1 results for GPD show a variation of -0.977% in relation to the baseline scenario, while for GWP and CFE variation are of -3,84% and 7,09% respectively. For Scenario 2, GDP, GWP and CFE varied, in relation to the baseline scenario, -0,762%, -5,82% e 8,94%, respectively. Finally, in the case of Scenario 3, these variations were -0.584%, -9,46% e 3,76%, respectively. From the uncertainty analysis, in which solutions for the best and worst optimal values considering a less and a more constrained set of coefficients were obtained, the antagonistic relation between economic growth and the environmental impact and energy consumption is observed, while a direct relation between environmental impact and consumption of energy resources also observed. In general, the implementation of CCS, in both fired-coal and natural gas power plants is the condition that generates the best results in the three evaluated dimensions; however, the result for GWP is still far from the target set by the Brazilian government for 2030. On the other hand, a contraction in the economic system and an expansion in the consumption of energy resources is triggered by this strategy, which reaffirms the importance of evaluating the effect of the environmental and energy decisions and policies on the country\'s economic system by means of multi-objective models able to unveil the trade-offs at stake.

De acordo com o Departamento de Agricultura dos EUA, a produção mundial de suco de laranja na safra 2018/2019 foi de 2,2 milhões de toneladas (65 graus brix). Os resíduos originados no beneficiamento da laranja correspondem de 50% a 60% da massa inicial da fruta in natura, de modo que pelo menos 2,2 milhões de toneladas de casca de laranja foram geradas na safra 2018/2019. Tradicionalmente, essas cascas são destinadas à produção de ração animal. Entretanto, as cascas de laranja contêm óleos essenciais, polifenóis, pectina, açúcares, ácidos, carboidratos insolúveis e pigmentos que podem ser precursores de produtos com maior valor agregado para as indústrias de alimentos, cosméticos, medicamentos e fertilizantes. O grande número de alternativas possíveis para o uso da casca de laranja sugere uma abordagem de síntese de biorrefinaria, na qual diferentes alternativas de processo podem ser sistematicamente avaliadas. Neste trabalho, as rotas de produção de D-limoneno, pectina, biometano e energia a partir das cascas de laranja foram avaliadas. A modelagem e a simulação foram desenvolvidas no software Aspen Plus, enquanto as métricas econômicas e ambientais foram utilizadas como ferramenta complementar à simulação computacional. Dessa forma, as diferentes alternativas de processos foram avaliadas de maneira sistemática levando em consideração a minimização dos impactos ambientais ao mesmo tempo em que promovem desempenho financeiro satisfatório. A partir de 111,1 kg/s de casca de laranja podem ser produzidos 1,49 kg/s de D-limoneno, 4,59 kg/s de pectina, 23,35 MW no ciclo combinado e 35,38 MW com biometano. Por meio da avaliação de aspectos e impactos ambientais, os produtos com menores impactos ambientais foram o D-limoneno, biometano, energia e pectina, respectivamente. De acordo com a análise econômica preliminar, as rotas de processamento que geraram as maiores receitas foram a de pectina, D-limoneno, energia e biometano, respectivamente. Todos os produtos apresentaram receita maior do que a ração animal. Nenhuma das rotas de beneficiamento das cascas de laranja conseguiu atender o melhor desempenho financeiro e o menor impacto ambiental simultaneamente. According to the US Department of Agriculture, world production of orange juice for the 2018/2019 crop year was 2.2 million tons (65 degrees brix). The residues originated from the orange processing correspond to 50% to 60% of the initial weight of the fresh fruit, so at least 2.2 million tons of orange peels were generated in the 2018/2019 harvest. Traditionally, these peels are intended for the production of animal feed. However, this residue contains essential oils, polyphenols, pectin, sugars, acids, insoluble carbohydrates and pigments that may be precursors of higher value-added products for the food, cosmetics, medicine and fertilizer industries. The large number of possible alternatives for using orange peel suggests a biorefinery synthesis approach, where different process alternatives can be systematically evaluated. In this work, the production of D-limonene, pectin, biomethane and energy was evaluated. The modeling and simulation were developed in Aspen Plus software, while economic and environmental metrics were used as a complementary tool to the simulation step. Thus, it was considered the minimization of environmental impacts associated with each possible alternative while promoting satisfactory financial performance. A mass flow of 111.11 kg/s of orange peel can be produced 1.49 kg/s of D-limonene, 4.59 kg/s of pectin, 23.35 MW in the combined cycle and 35.38 MW with biomethane. Through the evaluation of environmental aspects and impacts, the processes with lower environmental impacts are D-limonene, biomethane, energy and pectin, respectively. According to preliminary economic analysis, the highest revenue processing routes are pectin, D-limonene, energy and biomethane, respectively. All products presented higher revenue than the animal feed. None of the orange peel processing routes were able to meet the best financial performance and minimum environmental impact simultaneously.

Real-Time Optimization (RTO) is a family of techniques that pursue to improve the performance of chemical processes. As general scheme, the method reevaluates the process conditions in a frequent basis and tries to adjust some selected variables, taking into account the plant state, actual operational constraints and optimization objectives. Several RTO approaches have born from the academy research and industrial practices, at the same time that more applications have been implemented in real facilities. Between the main motivations to apply RTO are the dynamic of markets, the seek for quality in the process results and environmental sustainability. That is why the interest on deeply understand the phases and steps involved in an RTO application has increased in recent years. Nevertheless, the fact that most of the existing RTO systems have been developed by commercial organizations makes it difficult to meet that understanding. This work studies the nature of RTO systems from a software point of view. Software requirements for a generic system are identied. Based on that, a software architecture is proposed that could be adapted for specfic cases. Benefits of the designed architecture are listed. At the same time, the work proposes a new approach to implement that architecture as a Multi-Agent System (MAS). Two RTO system prototypes were developed then, one for a well-know academic case study and the other oriented to be used in a real unit. The benefits of the MAS approach and the architecture, for researching on the RTO field and implementation on real plants, are analyzed in the text. A sub-product of the development, a software framework covering main concepts from the RTO ontology, is proposed as well. As the framework was designed to be generic, it can be used in new applications development and extended to very specific scenarios. Otimização em Tempo Real (OTR) é uma família de técnicas que buscam melhorar o desempenho dos processos químicos. Como esquema geral, o método reavalia frequentemente as condições do processo e tenta ajustar algumas variáveis selecionadas, levando em considera ção o estado da planta, restrições operacionais e os objetivos da otimização. Várias abordagens para OTR t^em surgido da pesquisa acadêmica e das práticas industriais, ao mesmo tempo em que mais aplicações têm sido implementadas em plantas reais. As principais motivações para aplicar OTR são: a dinâmica dos mercados, a busca de qualidade nos resultados dos processos e a sustentabilidade ambiental. É por isso que o interesse em entender as fases e etapas envolvidas em uma aplicação OTR cresceu nos últimos anos. No entanto, o fato de que a maioria dos sistemas OTR em operação foram desenvolvidos por organizações comerciais dificulta o caminho para chegar nesse entendimento. Este trabalho analisa a natureza dos sistemas OTR desde o ponto de vista do software. Os requerimentos para um sistema genérico são levantados. Baseado nisso, é proposta uma arquitetura de software que pode ser adaptada para casos específicos. Os benefícios da arquitetura projetada foram listados. Ao mesmo tempo, o trabalho propõe uma nova abordagem para implementar essa arquitetura: Sistema Multi-Agentes (SMA). Dois protótipos de sistema OTR foram desenvolvidos. O primeiro aplicado num estudo de caso bem conhecido na literatura acadêmica. O segundo voltado para ser usado em uma unidade industrial. Os benefícios da abordagem SMA e da arquitetura, tanto na pesquisa relacionada com OTR, quanto na implementação em plantas reais, são analisados no texto. Um arcabouço de software que abrange os principais conceitos da ontologia OTR é proposto como resultado derivado do desenvolvimento. O arcabouço foi projetado para ser genérico, possibilitando seu uso no desenvolvimento de novas aplicações OTR e sua extensão a cenários muito específicos.

O trabalho apresenta a avaliação do desempenho termodinâmico de duas configurações diferentes de uma unidade industrial de produção de amônia pelo processo de reforma a vapor. Foi utilizada a análise exergética como critério de avaliação, afim de investigar o potencial técnico para implementar as melhorias tecnológicas do processo desenvolvidas nas últimas décadas. Foi desenvolvido um modelo de simulação no simulador comercial Aspen Hysys® para cálculo do balanço material e de energia, bem como das propriedades termodinâmicas necessárias para os cálculos de exergia. O modelo da simulação foi ajustado e validado com dados reais e mostrou-se confiável para desenvolver os estudos de processo e propor melhorias de projeto. Os resultados mostraram que a eficiência exergética do processo aumentou de 54,7% no Caso Base para 57,7% no Caso \"Otimizado\". Em ambos os casos a seção de reforma é a maior responsável pela exergia destruída e o reformador primário contribui com aproximadamente 45% da exergia total destruída no processo. Os maiores ganhos de eficiências estão associados as melhorias no reformador primário, que é o responsável por 61,5% da redução da exergia destruída. A eficiência exergética do reformador primário aumentou de 45,5% para 51,5%. A eficiência exergética da seção de síntese de amônia aumentou apenas 0,5%, de 92,2% para 92,7%, e os ganhos são mais importantes em base energética que em base exergética. A exergia perdida refere-se as emissões para atmosfera das correntes de gases de combustão (gás de chaminé), CO2 e água de resfriamento e também são mais importantes em base energética, uma vez que a exergia perdida representa menos de 30% da exergia não usada no processo. Finalmente, os resultados foram comparados com dados presentes na literatura e os valores de eficiência exergética encontram-se dentro da faixa dos dados publicados. Conclui-se que a análise exergética é útil para identificar as ineficiências de um sistema, pois leva em consideração não somente a quantidade, mas a qualidade da energia, e pode ser usada para obter estimativas mais precisas do potencial de otimização energética do sistema. This work presents the thermodynamic performance assessment of two different configurations of an existing steam reforming process for ammonia production. Exergy method has been used to evaluate the energy consumption and to investigate the technical potential to implement the most advanced available technologies for process improvements. In addition, it the process was modeled in Aspen Hysys® process simulator to calculate material and energy balance as well as the thermodynamic properties required for exergy analysis. Field date coming from an industrial plant were used to adjust and validate the and was assumed the model is acceptably accurate and appropriate for the development of process studies and project improvements. The analysis results indicate the exergetic efficiencies of original and improved process are 54,7% and 57,7%, respectively. In both cases, the principal exergy losses occur in the reformer section and the primary reformer contributes within approximately 45% of the exergy destruction. The exergy efficiency of primary reformer increased from 45,4% to 51,5%. The exergy efficiency of ammonia synthesis loop increased in 0,5%, from 92,2% to 92,7%, which indicates the gains are more important in energy basis than exergy basis. The output energy is associated with stack gas, CO2 and cooling water and are more important in energy basis as the exergy loss is less than 30% of non-used exergy. Finally, the results were compared with data available in the literature and exergy efficiency values are within the range of published data. The exergy method is useful to identify the inefficiencies of a system because it takes into account not only the quantity, but also the quality of the energy, and can be used to obtain more accurate estimation of the potential energy optimization of the system.