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Orientador: Antonio José de Almeida Meirelles Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos Doutorado Doutor em Engenharia de Alimentos

Orientador: Sergio Persio Ravagnani Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Processos de adsorção vêm tendo importância crescente na indústria de processamento químico e petroquímico, bem como em áreas como biotecnologia, farmacêutica e química fma. Dentre esses processos, o de adsorção em Leito Móvel Simulado (LMS) tem destaque para diversas aplicações onde a separação é muito difícil, por fazer uso da operação em contracorrente. Este trabalho objetiva o desenvolvimento de um modelo e de um programa computacional para a simulação dinâmica do comportamento de uma unidade de adsorção em Leito Móvel Simulado e sua aplicação em diversas situações práticas. O desenvolvimento do modelo de LMS parte do modelo de uma coluna de adsorção multicomponente em leito fixo que leva em conta as cinéticas de transferência de massa interna e externa à partícula de absorvente. A descrição dos fenômenos envolve um sistema de equações diferenciais parciais onde as concentrações dos componentes intra e extra-partícula são funções da posição na coluna e do tempo. O sistema foi resolvido numericamente usando o método de colocação ortogonal para a discretização da solução ao longo do comprimento da coluna e diferenças finitas para o cálculo da solução no tempo. Foram desenvolvidos modelos e programas para a condição ideal do LMS, sem a existência de zona morta entre os leitos, e mais dois modelos alternativos para levar em conta a existência de zona morta e do atraso na mudança dos leitos, analisando a influência destes fatores no desempenho da unidade por comparação com o modelo ideal de LMS. Critérios de convergência numérica e de estabelecimento do estado estacionário cíc1ico foram adotados. O programa e o modelo foram testados para diferentes sistemas disponíveis na literatura. Foi buscado um entendimento do processo de LMS pela sua utilização em estudos de sensibilidade para predizer os efeitos das variáveis de operação no desempenho do LMS, com aplicações em projeto e otimização de unidades. Os resultados obtidos foram satisfatórios, reproduzindo bem dados experimentais disponíveis e prestando-se como ferramenta de projeto de novas unidades. A abordagem proposta de usar um modelo de coluna de adsorção em leito fixo como ponto de partida para a modelagem do processo de Leito Móvel Simulado mostrou-se apropriada, resultando num modelo rigoroso que tem aplicações em diversas situações práticas. A partir do modelo obtido abrem-se portas para novas investigações, tais como a otimização energética de uma unidade completa de LMS e o treinamento de redes neurais Abstract: Adsorption processes are becoming increasingly important in the chemical and petrochemical industries, as well as in the areas of biotechnology, pharmaceuticals and fine chemistry. Among these processes the 8imulated Moving Bed (8MB) adsorption process is specially important when separation is difficult, as it makes use of coutercurrent operation. The objective of this work is to develop a computational model for the dynamic simulation of a 8imulated Moving Bed adsorption unit and its application on several practical situations. In this work the development of an 8MB mo deI starts from a multicomponent fixed bed adsorption column model and takes into account internal and externaJ. Mass transfer coefficients in the adsorbent particle. Phenomena description involves a system of partial differential equations in which concentrations inside and outside adsorbent particle deppends on time and column length. The system is solved numerically by the orthogonal collocation method along column length and finite differences to calculate solution through time. Three versions of the model have been developed. The first is the ideal situation where there is no dead volume between adsorption beds. The other two take into account dead volume and a delay in shifting positions of beds inlet/outlet, respectivelly. Programs were evaluated and some mIes were created concerning numerical convergence and cyclic steady state. Programs and models were evaluated for several different systems available in literature. The 8MB performance was evaluated in sensitivity studies to predict the effects of operational variables, with applications in design and optimization case studies. The results show the mo deI is reliable in reproducing experimental data and as a tool for process design. The use of a fixed bed adsorption eolumn mode! as starting point to simulate the Simulated Moving Bed adsorption unit has shown to be a suitable approaeh. A rigorous model was obtained with applieations in several praetieal situations. This model ean be used in new investigations like energy integration of an 5MB unit and neural network training Doutorado Ciência e Tecnologia de Materiais Doutor em Engenharia Química

Orientador: Mario de Jesus Mendes Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: O controle de reatores de polimerização é particularmente desafiante devido à dificuldade de medição das variáveis controladas, existência de interações, tempos mortos e restrições, além do seu caráter multivariável e não linear. Estes fatos tornam inapropriada a aplicação de esquemas tradicionais de controle por retroalimentação tendo muitas plantas um controle heurístico, não automático, onde o operador faz o papel do controlador. Este trabalho apresenta o desenvolvimento das atividades de modelagem, identificação e controle em um reator comercial de copolimerização em lama de etileno (monômero) e buteno-l (comonômero) com catálise "Ziegler-Natta". São estabelecidas, portanto, três etapas bem definidas, quais sejam, a modelagem dinâmica fenomenológica englobando-se desde a escala cinética até o comportamento macroestrutural do reator, a identificação de modelos empíricos baseados em Redes Neurais Artificiais, e a implementação computacional de um algoritmo de controle preditivo com modelo interno não linear. O processo compreende a produção de polietileno de alta densidade em um reator do tipo tanque agitado. Juntamente com o etileno e o buteno-l, são alimentados ao reator hidrogênio, nitrogênio, n-hexano (solvente), cocatalisador e catalisador, ambos em solução de n-hexano. O polímero é insolúvel no n-hexano e a lama (fases líquida e sólida) é retirada continuamente para posterior secagem. O modelo fenomenológico tem a capacidade de predizer o comportamento dinâmico de variáveis operacionais como a taxa de produção e a temperatura, e de variáveis relacionadas ao polímero como o peso molecular e o índice de polidispersão. Ao longo de todo o trabalho, o modelo fenomenológico é adotado como representativo do processo (planta) sendo útil, portanto, na geração de dados para a identificação e a validação de modelos empíricos, assim como na simulação e na avaliação do algoritmo de controle preditivo. Este trabalho oferece uma contribuição nas áreas de engenharia de polimerização, identificação de sistemas químicos e controle de processos. A etapa de modelagem dinâmica estabelece uma alternativa satisfatória e viável de simulação integrada de todas as escalas de modelagem, e propõe uma estratégia de tratamento numérico para a descrição do crescimento da partícula de polímero baseada em colocação ortogonal. A etapa de identificação atesta a possibilidade de obtenção de bons modelos empíricos para cada variável de saída do sistema e estabelece uma metodologia para a geração dos dados, avaliação de desempenho e seleção dos modelos, dentre outros. A etapa de implementação do algoritmo de controle preditivo apresenta a estruturação de um problema de otimização para o sistema em estudo, propõe adaptações necessárias e avalia o desempenho do controle preditivo não linear para os problemas regulador e servo, diante inclusive de fatores complicadores adicionais como tempo morto e múltiplas taxas de amostragem nas variáveis controladas Abstract: The difficult to measure controlled variables, the existence of interactions, dead time and constraints, added to the nonlinear and multivariable nature, poses a challenger problem for the control of polymerization reactor. These features turn unsuitable the implementation of classical control strategies and, in many polymerization plants, there is an heuristic strategy to control the output variables where the adjustments are made by the operator. This work presents the modelling, identification and control of an industrial copolymerization reactor for of ethylene (monomer) and l-butene (comonomer) with Ziegler-Natta catalysis. Three steps are established: the achievement of a complete phenomenological model that contains since the kinetic aspects until the macroscopic balances, the identification of empirical models based on Artificial Neural Networks, and the computational implementation of a predictive control algorithm with nonlinear internal modeI. The process comprises the production of high density poyethylene in a stirred tank reactor. Together with ethylene and l-butene, hydrogen, nytrogen and n-hexane (solvent), catalyst and cocatalyst (both in n-hexane solution) are fed continuously. The polyemer is insoluble in the solvent and the slurry is discarged for posterior drying. The complete model is capable of predicting the dynamic behaviour of operation variables such as production rate and temperature, and variables associated with the polymer properties such as molecular weight and polydispersity index. The phenomenological model emulated the process plant and was useful for the data generation, during the identification step, and for the simulation and analysis of the control algorithm. This work offers an expressive contribution in the areas of polymerization engineering, identification of chemical systems and process controI. The dynamic modelling allows an effective way for the simulation of alI modelling scales and proposes one strategy for the numerical treatment of polymer particle growth using orthogonal collocation. The identification step shows the achievement of good empirical models for each output variables and presents a procedure for the data generation, evaluation and selection the models. The control algorithm implementation presents an optimization problem for the system, proposes necessary adjustments and simulates the nonlinear control for the regulatory and servo problems, including additional aspects such as dead time and multi-rate sampling in the controlled variables Doutorado Sistemas de Processos Químicos e Informática Doutor em Engenharia Química

Orientador: Maria Regina Wolf Maciel Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: A industrialização de compostos de química fina requer muito esforço em sua manufatura, especialmente no estágio de purificação, devido às especificações rigorosas desta classe de produtos. A destilação convencional, entretanto, em muitos casos, não pode ser utilizada, devido à instabilidade térmica dos compostos envolvidos. Existem, por exemplo, produtos sensíveis ao calor, tais como, vitaminas A, E, K, muitos intermediários farmacêuticos, como a ranitidina, diversos cosméticos, óleos de origem vegetal, como o destilado da desodorização do óleo de soja (DDOS), óleos essenciais de plantas com fins terapêuticos, etc. Surge, então, a destilação molecular, processo que utiliza alto vácuo e temperaturas reduzidas. Geralmente, os equipamentos de destilação molecular têm caráter multipropósito. Desta forma, tomam-se importantes a modelagem e a simulação rigorosa de tais destiladores, para estabelecer as condições de operação de um equipamento real, e otimizar variáveis importantes, normalmente, o rendimento e a pureza do produto final. O objetivo deste trabalho, então, é o desenvolvimento da técnica de destilação molecular para compostos relacionados à química fina, como a obtenção de f3-carotenos (Próvitamina A). Para tanto, os seguintes tópicos foram estudados: desenvolvimento da modelagem e simulação de destiladores operando em cascata e em refluxo; desenvolvimento de uma metodologia para scale-up de destiladores moleculares; montagem experimental do processo de destilação molecular: destilador centrífugo e de filine descendente; desenvolvimento de uma metodologia de trabalho experimental com os destiladores moleculares; separação de carotenos do óleo de palma; purificação do álcoois de lanolina comercial. Pode ser verificado, por fim, que esta tecnologia é poderosa na obtenção de produtos de alto valor agregado, conforme foi observado neste trabalho exemplificado na obtenção de carotenos e álcoois de lanolina Abstract: The industrialization of fine chemical compounds requires a 10t of efforts in their manufacture, especial1y in the purification stage because of the rigorous especifications of these chemical products. The conventional distillation, however, in many cases, can not be utilized, because of the thennal instability of the invo1ved compounds. Since, they are heat sensitive products such as vitamines A, E, K, and many others pharmaceutical intennediaries, as for examp1e ranitidine, several cosmetics, vegetal oi1s, etc. Mo1ecular distillation, so, appears as an important separation process that utilizes high vacuum and 10w temperatures. General1y, the mo1ecular distillation apparatuses have multipurpose functions. Also for this, it becomes important the rigorous modeling and simulation of such distillators, to estabilish operating conditions, improve yie1d and purity of the final product, and to establish flexibility index. The objective of this work, than, is the deve1opment of the mo1ecular distillation tecnique for compounds re1ated to fine chemicals, as the obtention of carotenoids from palm oil and production of 1anolin alcoho1s. Therefore, the following itens were studied: deve1opment of mode1ing and simulation of mo1ecular distillators operating in cascade and in reflux; deve1opment of a metodo1ogy for scaling-up of mo1ecular distillators; validation of the modeling with the system DBF /DBS; experimental work with the mo1ecular distillation process; instalation of the centrifugal and falling film distillators; deve1opment of an experimental work methodo1ogy using both distillators; recovery of carotenoids from palm oil and purification of 1anolin alcoho1s from woo1 greases. It can be verified, finally, this techno1ogy is powerful for obtaining and for concentrating high added value products Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Jose Roberto Nunhez, Edson Tomaz Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Estudos têm mostrado que a humanidade enfrentará severa falta de água nas próximas décadas. Muitos esforços têm sido direcionados para o desenvolvimento de novas ferramentas computacionais a fim de se garantir uma melhor utilização dos recursos hídricos. Diversos estudos estão sendo realizados utilizando ferramentas de CFD (Computational Fluid Dynamics) para obtenção de novas formas de gerenciamento destes recursos. Neste contexto, é de suma importância o desenvolvimento de novas técnicas para predizer o impacto ambiental causado por emissões industriais em rios de modo que estratégias possam ser planejadas para diminuir os efeitos desta poluição. Este trabalho apresenta um modelo Fluidodinâmico Computacional tridimensional para simular a dispersão de substâncias solúveis em rios. O método dos volumes finitos foi utilizado para aproximar as equações de conservação de momento, de massa e de espécie química. O sistema de coordenadas cartesianas foi escolhido para representar o sistema. Foi utilizado um modelo algébrico de turbulência de ordem zero. O modelo de StreeterPhelps foi usado para predizer a concentração de substâncias orgânicas e de oxigênio dissolvido ao longo do rio. O modelo pode também predizer o impacto causado pela ocorrência de múltiplos pontos de emissão no trecho estudado. O modelo matemático foi desenvolvido em linguagem Fortran. Os resultados mostram que a metodologia proposta é uma boa ferramenta para a avaliação do impacto ambiental causado pela emissão de efluentes em rios. O software é bastante rápido, especialmente quando comparado com outros pacotes de CFD disponíveis comercialmente. Foram feitas comparações entre os resultados numéricos e dados experimentais coletados no rio Atibaia. Os resultados numéricos apresentaram uma boa concordância com os dados coletados experimentalmente Abstract: A future lack of water in the next decades has been observed by many studies. Much effort has been devoted to find strategies which will help to manage proper1y water resources. Theoretical studies have been used recent1y since the scope of computational fluid dynamics (CFD) has increased, allowing its use in the issue of water quality. In this scenario, it is important to develop new techniques to predict the environmental impact of emissions in rivers so that strategies can be devised to decrease the effects of pollution. This work presents a three-dimensional Computational Fluid Dynamics (CFD) in house model to simulate the dispersion of soluble substances in a river. The finite volume method is used to approximate the momentum, mass and species conservation equations. A Cartesian coordinate system has been chosen to represent the river. Turbulence is taken into account by a zero-order equation model. The Streeter-Phelps model has been used to predict the concentration of organic substances and dissolved oxygen along the river. The model can also predict the impact of multiple effluents discharges. Results show that the proposed methodology is a good tool for the evaluation of the environmental impact caused for pollutants emissions in rivers. The software has been developed from the model and use the Fortran language. It is very fast, especially when compared to available commercial CFD packages. Experimental comparisons for soluble substances dispersion have been made for the Atibaia River. The results show good agreement with experimental data Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Eduardo Coselli Vasco de Toledo Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: O objetivo principal deste trabalho foi a avaliação de estratégias de controle clássicas e hierárquicas em tempo real. Utilizou-se como estudo de caso a hidrogenação de o-cresol em reator de lama catalítico trifásico com catalisador sólido para validar as propostas de otimização em tempo real, devido à importância inerente deste tipo de processo, uma vez que reatores catalíticos trifásicos estão presentes em muitos processos das indústrias químicas, petroquímicas e afins, havendo uma preferência crescente em comparação com outros tipos de reatores mais convencionais. Foi investigada neste trabalho a performance de algumas versões do algoritmo de controle avançado DMC (Dynamic Matrix Control) em sua forma quadrática (QDMC - Quadratic Dynamic Matrix Control) e adaptativa (STQDMC - Self Tuning Quadratic Dynamic Matrix Control) sob diferentes estratégias de controle (feedback, feedforward e mista). O processo foi representado através de modelos determinísticos e estatísticos. Foi proposta uma metodologia alternativa para a definição dos parâmetros ótimos do modelo para a faixa de operação válida para este estudo baseada em princípios de análise de superfícies de resposta. Devido à importância de otimização dos processos para o alcance de objetivos operacionais e econômicos, foram também avaliadas estruturas de otimização em duas camadas, utilizando-se para este fim os algoritmos de otimização baseados nos procedimentos de Levenberg-Marquardt e SQP (Sequential Quadratic Programming). Foram propostas estruturas tradicionais de otimização em duas camadas, na qual o otimizador gera os set-points para o controlador, mas, além disso, foi proposta uma estrutura alternativa, na qual o otimizador, além de gerar os set-points para o controlador, envia também os valores ótimos para a variável manipulada, tornando este procedimento, na maioria dos casos, mais rápido e eficiente. Ainda no campo da otimização em tempo real, são apresentadas as bases matemáticas para a implementação de uma estrutura de otimização em uma camada, na qual os problemas de controle e otimização são resolvidos simultaneamente, sendo este procedimento sugerido como sugestão para trabalhos futuros. Os estudos realizados neste trabalho permitiram concluir que a estratégia de otimização em duas camadas apresenta resultados satisfatórios. Além disso, sempre deve-se ter em mente os objetivos de controle e otimização para que se possa ponderar a utilização das estratégias de controle feedback ou feedforward, e até mesmo uma combinação entre as duas Abstract: The principal objective of this work was the evaluation of classic and hierarchical control strategies in real time. It was used as case study the o-cresol hydrogenation in a three-phase slurry reactor with solid catalyst to validate the real time optimization approaches, due to the inherent importance of this process, since these reactors are present in many processes of the chemical and petrochemicals industries, with growing preference in comparison with other types of more conventional reactors. It was investigated the performance of some versions of the advanced control algorithm DMC (Dynamic Matrix Control) in a quadratic (QDMC - Quadratic Dynamic Matrix Control) and adaptive (STQDMC - Self Tuning Quadratic Dynamic Matrix Control) form under different control strategies (feedback, feedforward and mixed). The process was represented through deterministic and statistical models. An alternative methodology was proposed for the definition of the optimal model parameters for the valid operational range based on principles of response surface analysis. It was evaluated two-Iayers structure optimization, using optimization algorithms based on Levenberg-Marquardt and SQP (Sequential Quadratic Programming) procedures. Traditional two-layers optimization approaches were proposed. In this approach the optimizer generates the set-points for the controller. Besides, an alternative approach was proposed where the optimizer, besides generating the set-points for the controller, also sends the optimal values for the manipulated variables, becoming this procedure, in most of the cases, faster and efficient. In relation to real time optimization, the mathematical bases are presented for the one-Iayer optimization approach implementation. Here the control and optimization problems are simultaneously resolved. According to this work, the two-Iayers optimization approach presents suitable results. Besides, it should always be considered the control and optimization objectives, in order to weight the feedback or feedforward control strategies and even a mixed one Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Ana Maria Frattini Fileti, João Alexandre F. R. Pereira Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Esta dissertação estudou a aplicação da lógica nebulosa no controle de processos químicos e descreveu o desenvolvimento e a implementação de controladores nebulosos aplicados à destilação em batelada de misturas binárias. Em uma primeira etapa os algoritmos de controle nebulosos, análogos aos controladores P, PI e PID tradicionais, foram desenvolvidos, codificados em linguagem de programação FORTRAN. e testados utilizando um simulador dinâmico da destilação em batelada, disponível em linguagem de programação C. A etapa de simulação permitiu avaliar os parâmetros de projeto dos controladores nebulosos desenvolvidos, a fim de permitir um melhor domínio das influências e interações destes parâmetros com o desempenho dos controladores nebulosos. Os resultados em simulação demonstraram que os parâmetros de escala têm grande influência na resposta dinâmica do controlador, tanto em termos de qualidade do desempenho do controlador com respeito a manutenção do valor de referência e tempo de resposta, quanto à ocorrência de oscilações. A etapa experimental do trabalho consistiu em utilizar os algoritmos de controle nebulosos na automação da operação de uma coluna piloto de destilação em batelada. Foram separadas misturas binárias compostas de n-hexano e n-heptano. A composição no topo e no fundo da coluna foi calculada através de inferenciação a partir dos valores de temperatura, usando dados de equilíbrio líquido-vapor ...Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital Abstract: This work is concerned in the application of fuzzy logic in chemical process control. Fuzzy controllers development and implementation were described and applied to a binary system batch distillation. Algorithms of fuzzy control that are similar to conventional P, PI, PID controllers were developed and implemented in FORTRAN. First of all, algorithms were tested coupled to a batch distillation dynamic simulator, available in C language. Both influence and interaction of design parameters were evaluated over fuzzy controller performance. Simulation results showed that scale parameters hardly affect the controller dynamic response: set point maintenance, time response and oscillations showed different behaviours. Fuzzy control algorithms were then experimentally used in the on line operation of a pilot batch distillation column. N-hexane/n-heptane mixtures were distilled. Top and bottom compositions were obtained from temperature measurements and inferred through liquid-vapour equilibrium data. Two different composition policies were used for distillate withdrawn: a fixed set point composition and a predetermined set point trajectory of top composition. Different distillate cuts could be obtained during a batch operation under second strategy. Using fixed set point strategy, PI and PID fuzzy controllers performances were compared to conventional PI (velocity form) and PID (position and velocity form) respectively. Experimental results showed that fuzzy controllers performance is superior to conventional P, PI and PID controllers ...Note: The complete abstract is available with the full electronic digital thesis or dissertations Mestrado Sistemas de Processos Químicos e Informática Mestre em Engenharia Química