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Coated or contaminated cuttings with drilling fluid are a residue of drilling. A more restrictive environmental legislation and the need to reduce the costs of drilling lead to optimization of solid-liquid separation and recycling drilling fluids. Shale shakers, hydrocyclones and centrifuges are examples of equipments used for processing drilling fluids. Nowadays, vertical filter centrifuges are used to adjust the cuttings into environmental laws. In this context, this work brings a study on the. Exploratory tests were carried out on domestic microwave oven and indicated the use of this technology as a promising alternative for cuttings decontamination. In this stage, residual n-paraffin contents lower than 2% were achieved. From these evidences, a microwave oven in bench scale was developed for drying contaminated cuttings. A set of aspects of the process were evaluated in this experimental unit. This drying methodology applied to contaminated cuttings was studied through several experimental tests and through a Central Composite Design of Experiments where the manipulated variables were drilling fluid concentration, mass and specific energy. The response variables were residual water and n-paraffin content, percentage of n-paraffin removed, mass flow and mass of n-paraffin removed per unit of energy. Initial tests showed that temperature does not affect the removal efficiency of the organic phase, but seems to affect the quality of the recovered material in the process. The power has negative influence on the cuttings decontamination and specific energy positively affects this process. From the Central Composite Design proposed, it is evident that microwave cuttings drying is favored by the increased mass and specific energy and harmed by the increase of the initial fluid concentration. The results show that cuttings drying carried out on microwave dryer reach levels of residual n-paraffin content lower than ones currently achieved by vertical filter centrifuge (about 4 %), reaching percentages below 1 %. Furthermore, the recovered fluid is free of solids and may be directly reused. Finally, this work has produced a set of important information to the oil industry and even has direct application in it. Como efluente da atividade de perfuração de poços de petróleo e gás, há a geração de cascalhos contaminados ou revestidos com fluido de perfuração. Uma legislação ambiental mais rigorosa e a necessidade de reduzir os custos de perfuração apontam para a necessidade de otimização da separação e reutilização do fluido de perfuração. Como exemplos de equipamentos utilizados na recuperação do fluido de perfuração, podem ser citados as peneiras vibratórias, os hidrociclones e as centrifugas. Atualmente, centrífugas verticais filtrantes são utilizadas para adequar os cascalhos às leis ambientais de descarte deste resíduo. Neste contexto, o presente trabalho traz um estudo sobre a aplicação de secagem por microondas no tratamento de cascalhos de perfuração. Ensaios exploratórios realizados em microondas doméstico indicaram o uso desta tecnologia como uma alternativa promissora para a descontaminação de cascalho. Nesta etapa, teores inferiores a 2% de n-parafina residual foram alcançados. A partir destes indícios, foi desenvolvido um forno microondas em escala de bancada para a secagem de cascalho contaminado com fluido de perfuração. A avaliação de diferentes aspectos do processo foi conduzida e foi proposto também um Planejamento Composto Central, tendo como variáveis a concentração inicial de fluido, a massa de material alimentada no forno e a energia especifica aplicada. Neste caso, as respostas foram: teor residual de água e n-parafina, percentual de n-parafina removido, capacidade e massa de n-parafina removida por unidade de energia. Os testes iniciais mostraram que a temperatura de controle não afeta a é ciência de remoção da fase orgânica, porém parece afetar a qualidade do material recuperado no processo. A potencia tem influência negativa na descontaminação do cascalho e a energia especifica, por sua vez, afeta positivamente esse processo. A partir do Planejamento Composto Central proposto, foi possível verificar que a secagem de cascalhos por microondas é favorecida pelo aumento da massa e energia especifica e prejudicada pelo aumento da concentração inicial de fluido no material. No geral, os resultados mostram que o cascalho submetido à secagem por microondas alcança teores de n-parafina residual inferiores aos alcançados atualmente com a centrifuga vertical (cerca de 4%), chegando a percentuais abaixo de 1%. Além disso, o fluido é recuperado livre de sólidos e pode ser, então, diretamente reutilizado. Finalmente, o presente trabalho gerou um conjunto de informações de grande importância para a indústria de petróleo e ainda tem aplicação direta na mesma. Doutor em Engenharia Química

Drilling, one of the stages of oil and gas exploration, now has as targets regions of great complexity, with high depths. Coated or contaminated cuttings with drilling fluid are a result of drilling. The drilling fluids are water-based or non-aqueous based liquids. A more restrictive environmental legislation and the need to reduce the costs of drilling (exploration and production) lead to optimization of solid-liquid separation and recycling drilling fluids. Because oil industry has to submit itself to ever more stringent environmental laws it has applied a great deal of investments on sustainability research. In this context, this work provides a study of the characteristics of drilling cuttings and synthetic drilling muds at different steps of the solids control sistem, in order to know their behavior and its change over the process. The concentration of water, organic phase and solids in the mud were measured. The density and particle size of the cuttings were analyzed. The rheology and thixotropy of the mud were investigated. For this, samples of drilling mud were collected throughout the solids control system of five PETROBRAS onshore drilling rigs in Bahia (BA). The concentrations index are so important when investigating the efficiency of operation of the equipments in the solids control. The density of solids is very close to the density of clays. The results show that the rheology of drilling mud in the solids control process behaves as a non-Newtonian fluid, pseudoplastic, viscoplastic and thixotropic. The particle size of solids varies with operating conditions and always presents two average diameters by sample. The cutting dryer, a vertical centrifuge, plays a key role in the waste disposal due the stringent environmental laws, especially on offshore platforms. Thus, in order to research the optimization or restructuration of this step in the waste disposal, a study was carried on this equipment and the main points of its structure and operation were reported. A perfuração, uma das etapas da exploração de petróleo e gás, hoje objetiva cenários geológicos de grande complexidade, com elevadas profundidades. Como efluente da atividade exploratória há a geração de cascalhos contaminados ou revestidos com fluido de perfuração. Uma legislação ambiental mais rigorosa e a necessidade de reduzir os custos de perfuração (prospecção e produção) apontam para a necessidade de otimização da separação e reciclagem do fluido de perfuração de poços de petróleo e gás. A atividade petrolífera é desenvolvida em condições cada vez mais restritivas do ponto de vista ambiental, sendo incessantes os estudos e investimentos em busca da sustentabilidade. Como exemplos de equipamentos para o processamento da lama de perfuração podem ser citados as peneiras vibratórias, os hidrociclones e as centrífugas. Neste contexto, o presente trabalho traz um estudo detalhado das características dos sólidos e da lama de perfuração base n-parafina em diferentes pontos do processo de controle de sólidos, com o objetivo de investigar o comportamento dos mesmos e sua alteração ao longo do processo. Foram realizadas análises de concentração de água, fase orgânica e sólidos na lama, densidade dos sólidos, reologia e tixotropia da lama e granulometria dos sólidos. Para isso, amostras de lama de perfuração foram coletadas ao longo do sistema de controle de sólidos em cinco sondas de perfuração terrestre da Petrobras no interior da Bahia (BA). As concentrações analisadas são de grande importância na investigação da eficiência de operação dos equipamentos do processo de controle de sólidos. A massa específica dos sólidos é bem próxima da massa específica de argilas. Os resultados de reologia mostram que a lama de perfuração em todo o processo de controle de sólidos se comporta como um fluido não-newtoniano, pseudoplástico, viscoplástico e tixotrópico. A granulometria dos sólidos varia com as condições de operação e apresenta, no geral, dois diâmetros médios em cada corrente amostrada. O secador de cascalho, um tipo de centrífuga vertical, desempenha papel fundamental na adequação dos resíduos às leis ambientais de descarte, principalmente em plataformas offshore. Assim, visando futuramente a otimização ou mesmo reestruturação desta etapa do processo de descarte de resíduos, foi realizado um estudo sobre esse equipamento e levantado os pontos principais de sua estrutura e operação. Mestre em Engenharia Química

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais Petrobrás - Petróleo Brasileiro S.A UFU - Universidade Federal de Uberlândia A secagem industrial por micro-ondas vem sendo desenvolvida e se mostra uma alternativa inovadora para a descontaminação de cascalhos de perfuração. Os resultados apresentados na literatura revelam que esta tecnologia tem potencial para reduzir os teores de fase orgânica a níveis abaixo de 1% em massa. Foi desenvolvido uma unidade experimental, denominada Microwave Paddle Dryer (MPD), que permitirá avaliar de forma mais efetiva modos de aumentar a eficiência do processo e reduzir dimensões do equipamento, assim como avaliar a eficiência da introdução de pás mecanizadas para promover agitação do material. O entendimento do comportamento dinâmico é de fundamental importância no desenvolvimento de aplicações. As simulações numéricas despontam como uma ferramenta importante na compreensão dos fenômenos que ocorrem em sistemas de mistura. Assim, este trabalho teve como objetivo aplicar a metodologia Lagrangeana na caracterização do escoamento granular do secador Microwave Paddle Dryer e estudar o efeito das variáveis operacionais velocidade de rotação das pás, altura do leito e diâmetro das partículas na dinâmica de transporte e mistura do material granular no interior do secador. O material utilizado foi grãos de soja, devido à sua alta esfericidade, à grande disponibilidade e aos parâmetros DEM já levantados pela literatura. Realizou-se a calibração dos coeficientes de atrito de rolamento e estático partícula-partícula e partícula-parede para a soja. Estes parâmetros foram avaliados em um PCC e comparados com os valores obtidos experimentalmente. Através de análise de imagem, os índices de segregação numéricos e experimentais foram determinados. Após o processo de calibração, foram realizadas diversas simulações a partir de outro PCC proposto avaliando o efeito das variáveis operacionais na velocidade média em todo o leito e em 5 regiões definidas. Apesar da calibração ter sido realizada para a soja, foi investigado o efeito do diâmetro nas simulações devido a outros tipos de materiais que serão utilizados futuramente no secador. Os resultados evidenciaram que a velocidade de rotação das pás e o diâmetro da partícula apresentaram as maiores influências na resposta. A velocidade média das partículas apresentou pouca influência à altura do leito, apresentando similaridades com trabalhos anteriores em equipamentos tipo paddle. Foi identificado que a região de alimentação apresentou zona de estagnação por não possuir pás para realizar a agitação e pelo efeito de parede terminal. A metodologia Lagrangeana mostrou-se uma ferramenta promissora para a análise de escoamento do secador. Over the last few years, industrial microwave drying has been developed and is an innovative alternative for decontamination of drill cuttings. The results presented in the literature reveal that this technology has the potential to reduce organic phase contents to levels below 1% by mass. An experimental unit, called Microwave Paddle Dryer (MPD) was developed, which will allow for more effective evaluation of ways to increase process efficiency and reduce equipment dimensions, as well as evaluate the efficiency of introducing mechanized paddles to promote material agitation. As drying tests are in the initial phase, understanding the dynamic behavior is of fundamental importance in equipment modeling and application development. In this context, numerical simulations emerge as an important tool in understanding the phenomena that occur in mixing systems. Thus, this work aimed to apply the Lagrangian methodology in the characterization of the granular flow of the Microwave Paddle Dryer and to study the effect of operational variables: blade rotation velocity, bed height and particle diameter on the dynamics of transport and mixing flow. of the granular material inside the dryer. The chosen material used in this work was soybeans, due to its high sphericity, wide availability and DEM parameters already raised by a vast literature. Calibration of the rolling and static particle-particle and particle-wall friction coefficients was performed. These parameters were evaluated in a CCD (Central Composite Design) and compared with the values obtained experimentally. Through image analysis, the numerical and experimental segregation indices were determined. After the calibration process, several simulations were carried out from another proposed CCD, evaluating the effect of operational variables on the average velocity throughout the bed and in 5 defined regions. Although the calibration was carried out for soybeans, the effect of diameter in the simulations was investigated due to other types of materials that will be used in the future in the dryer. The results showed that the speed of rotation of the blades and the particle diameter had the greatest influences on the response. The average velocity of the particles had little influence on the bed height, showing similarities with previous works in paddle equipment. It was identified that the feeding region presented a stagnation zone because it does not have paddles to carry out the agitation and because of the end wall effect. The Lagrangian methodology proved to be a promising tool for the analysis of dryer flow. Dissertação (Mestrado)

Cascalhos provenientes do processo de escavação e contaminados com fluidos de perfuração não aquosos são rejeitos da indústria do petróleo e tem ganhado bastante atenção, uma vez que as leis ambientais que controlam o seu descarte estão cada vez mais rigorosas. O aquecimento e a secagem por microondas, para promover a remoção desses contaminantes, tem sido estudado ao longo dos últimos anos e tem se mostrado uma tecnologia promissora. A cinética de aquecimento e secagem, bem como a interação do campo eletromagnético com o material a ser aquecido estão diretamente associadas as propriedades dielétricas. Deste modo, o presente trabalho tem como objetivo avaliar as propriedades dielétricas do cascalho de perfuração e os aspectos fundamentais da cinética de aquecimento e secagem de cascalhos por microondas. Para compreender a influência dos principais componentes presentes nos cascalhos contaminados, avaliou-se individualmente curvas de aquecimento de componentes da mistura cascalho/fluido. Alguns modelos clássicos de secagem convencional de sólidos foram empregados com objetivo de descrever a cinética de remoção dos fluidos presentes nestes cascalhos contaminados. Por fim, o conhecimento das propriedades dielétricas e da cinética de aquecimento e secagem foi empregada em um processo de simulação eletromagnética. Com intuito de descrever qualitativamente a operação de aquecimento das misturas avaliadas no presente trabalho. Desta maneira, através dos resultados obtidos pôde-se compreender melhor a interação das propriedades dielétricas associadas a granulometria do cascalho, ou seja, quanto menor a faixa granulométrica maior é a capacidade de converter energia absorvida em calor. Para a concentração de contaminantes, através do fluido de perfuração, quanto maior concentração, maior seria a habilidade de transformar energia absorvida em calor. Por meio do estudo de cinética de aquecimento e secagem compreendeu-se aspectos importantes relacionados à interação da água com os componentes da mistura cascalho/fluido, bem como o aquecimento do sólido e transferência de energia por condução para bases orgânicas. O modelo que melhor se aproximou dos dados experimentais foi o Modelo de Secagem por Microondas- MSM (proposto por esse trabalho), descrevendo satisfatoriamente a operação de secagem dos fluidos de perfuração através do aquecimento via microondas. A simulação computacional mostrou uma forte ligação das propriedades dielétricas com a absorção de energia, através da formação do campo elétrico, e a dissipação dessa energia na forma de calor. Portanto, esses resultados são de grande relevância para o aprimoramento e desenvolvimento de melhorias na operação de tratamento de sólidos de perfuração por microondas, assegurando um tratamento rápido, eficaz com baixo custo energético. Cutting from the drilling process and contaminated with non-aqueous drilling fluids are tailings from the oil industry and have gained a attention as environmental laws that control their disposal are increasingly severe. Microwave heating and drying to promote the removal of these contaminants has been studied over the past few years and has been shown to be a promising technology. The kinetics of heating and drying, the penetration depth of electromagnetic radiation, as well as the interaction of the electromagnetic field with the material to be heated are directly associated with the dielectric properties. In addition, the mathematical modeling and numerical simulation of microwave heating and drying operations are strongly dependent on these properties. Thus, the present work aims to evaluate the dielectric properties of the drilling cuttings. Moreover, the present work also investigated the fundamental aspects of the kinetics of heating and drying of cuttings by microwave. To understand the influence of the major components present on the contaminated cuttings, heating curves of components of the cuttings/fluid mixture were individually evaluated. Some classical models of conventional drying of solids were used to describe the kinetics of removal of the fluids present in these contaminated cuttings. Finally, the knowledge of the dielectric properties and the kinetics of heating and drying of the cuttings was used in an electromagnetic simulation process. For this, commercial software was used in order to perform computational simulations to compare the calculated dielectric properties and qualitatively describe the heating operation of the blends evaluated in the present work. In this way, through the results obtained, it was possible to better understand the interaction of the dielectric properties associated to cuttings granulometry and the concentration of contaminants, through the drilling fluid. The kinetic study of heating and drying comprised important aspects related to the interaction of water with the components of the cuttings/fluid mixture, as well as the heating of the solid, evaporation of this water and entrainment of organic bases. The computational simulation showed a strong connection of the dielectric properties with the absorption of energy, through the formation of the electric field, and the dissipation of this energy in the form of heat. Therefore, these results are of great relevance for the improvement and development of improvements in the operation of microwave decontamination, ensuring a fast and effective treatment with low energy costs. Tese (Doutorado)

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Petrobrás - Petróleo Brasileiro S.A Na perfuração de poços de petróleo e gás utiliza-se um fluido para remoção dos fragmentos de rochas gerados durante a operação. O emprego deste fluido, por sua vez, gera uma mistura sólido-líquido que deve ser separada com objetivo de reduzir os custos da operação ao recuperar parte deste fluido aderido aos sólidos e também garantir o cumprimento da legislação ambiental quanto ao descarte dos resíduos de perfuração. Atualmente, os órgãos ambientais estabelecem que o teor orgânico de fluido sintético aderido aos cascalhos descartados em plataformas offshore não pode ultrapassar 6,9% em massa. Porém, é esperado a redução deste limite até a regra do descarte zero em um futuro próximo, o que vem gerando uma necessidade de se otimizar os processos responsáveis por promoverem essa descontaminação. A técnica de secagem por micro-ondas foi identificada como uma tecnologia promissora para promover essa separação sólido-líquido, na qual os componentes do material são aquecidos individualmente e de forma instantânea, resultando em um aquecimento seletivo. O objetivo geral deste estudo foi buscar um maior conhecimento acerca do processo de descontaminação de cascalho de perfuração via aquecimento por micro-ondas. Para isso avaliou-se a influência de algumas variáveis de processo na remoção da fase orgânica aderida aos cascalhos, tais como tempo de aquecimento, pressão da cavidade, potência aplicada, temperatura do leito e massa de material. Adicionalmente, simulações numéricas foram conduzidas para auxiliar na compreensão do processo de aquecimento e secagem por micro-ondas. As condições experimentais ótimas relativas ao tempo de aquecimento, temperatura do leito e massa de material contaminado com fluido de perfuração sintético foram obtidas através de um planejamento de experimentos do tipo composto central (PCC) e otimização através da análise canônica, alcançando teores residuais orgânicos inferiores a 1%, em massa. Análises empregando a técnica de cromatografia gasosa foram realizadas para avaliar possíveis alterações na composição do líquido recuperado na operação de condensação, o qual mostrou-se sensível ao aquecimento a temperaturas mais elevadas. A partir dos resultados obtidos por este trabalho e também por trabalhos anteriores, um novo protótipo de secagem por micro-ondas foi projetado visando o desenvolvimento e a utilização desta tecnologia em escala industrial. In the drilling of oil and gas wells, synthetic fluids can be used to remove rock fragments generated during the operation. However, the use of these fluids creates a solid-liquid mixture that must be separated in order to reduce the operational costs by the recovery of the fluid adhered to the solids and also to guarantee compliance with environmental legislation regarding drilling waste disposal. Nowadays, environmental agencies establish that the organic mass content of synthetic fluids adhered to drill cuttings discharged in offshore platforms cannot exceed 6.9%. However, it is expected a reduction of this limit to a zero-discharge rule in the near future, which has created a need to optimize processes responsible for the decontamination. The microwave drying technique has been identified as a promising alternative to promote this solid-liquid separation, in which the components of the material are heated individually and instantaneously, resulting in a selective heating. The general objective of this study was to obtain a greater knowledge about the process of decontamination of drill cuttings by microwave heating. For this purpose, the influence of some process variables on the removal of the organic phase adhered to the cuttings was evaluated, such as heating time, cavity pressure, applied power, bed temperature and mass of material. Furthermore, numerical simulations were executed for a better understanding of the microwave heating and drying process. Experimental conditions relative to the heating time, bed temperature and mass of samples contaminated with synthetic drilling fluid were optimized by means of central composite design (CCD) and a canonical analysis, reaching organic residual contents lower than 1% (mass). Analyses using the gas chromatography technique were performed in order to evaluate possible composition changes in the recovered liquid samples during the condensation operation, which showed themselves to be sensitive to heating at higher temperatures. Based on the results obtained by this work and also by previous works, a new prototype of microwave drying was designed for the development and the usage of this technology on an industrial scale. Tese (Doutorado)

Cachaça é uma bebida típica do Brasil, obtida pela destilação do mosto fermentado da cana-de-açúcar, com graduação alcoólica de 38% a 48% v/v, a 20°C. As cachaças artesanais são caracterizadas em sua maioria por serem produzidas em alambiques de cobre, porém o excesso desse composto no organismo humano pode ser prejudicial à saúde. A legislação nacional estabelece uma concentração máxima de 5 mg/L de cobre na cachaça, para a exportação essa concentração não deve ultrapassar os 2 mg/L. Com o objetivo de reduzir a concentração do cobre na cachaça artesanal, o presente trabalho visa à ativação química do carvão vegetal da madeira Eucalyptus urograndi, através do agente ativante ZnCl2 e temperatura de tratamento térmico a 600°C, para ser utilizado como adsorvente na remoção do cobre presente na cachaça artesanal. Para o procedimento de ativação, o carvão vegetal foi triturado e separado em peneiras nas granulometrias menor que 0,15 mm, de 0,15 a 0,50 mm e 0,50 a 1,00 mm. Na caracterização do carvão vegetal ativado (CVA) produzido, um dos aspectos importantes analisados foi a área superficial específica, que obteve um aumento significante para todas as granulometrias. Um estudo de equilíbrio de adsorção foi realizado para cada granulometria do CVA, para avaliar o percentual de remoção do cobre na cachaça contaminada com 100 mg/L, variando o tempo de contato entre 15 a 240 minutos na temperatura de 20 e 60°C, na proporção de 1:50 (gramas do CVA: volume em mL de cachaça). O melhor resultado de remoção do cobre apresentado foi de 24,83%, para o CVA na granulometria de 0,50 a 1,00 mm no tempo de 240 minutos a 20 °C. Um planejamento estatístico constatou que todos os fatores analisados, tempo de contado, temperatura e granulometria tem efeito significativo na resposta de remoção do cobre na faixa experimental trabalhada. Gráficos de isoterma e cinética de adsorção foram elaborados para análise da capacidade de adsorção em equilíbrio e tempo de saturação do CVA, que apresentou resultados de 2,25 mg/g e 120 minutos, respectivamente. O modelo de Langmuir foi o que melhor representou os dados experimentais na isoterma, na cinética o melhor modelo foi o de Elovich. Em relação à termodinâmica de adsorção, os parâmetros mostraram que o processo é de natureza física, espontâneo, exotérmico e com um pequeno grau de organização. O tratamento da cachaça contaminada com 10 mg/L de cobre no leito fixo não foi satisfatório para o CVA produzido, pois apresentou baixa capacidade de remoção do cobre e aumento no teor de acidez. Cachaça is a typical Brazilian beverage, obtained by the distillation of the fermented of sugarcane juice, with an alcoholic strength of 38% to 48% v/v at 20°C. The cachaças homemade or “artesanais” are characterized in the majority by being produced in stills of copper, but the excess of this compound in the human body can be harmful to health. The national legislation establishes a maximum concentration of 5 mg/L of copper in cachaça, for the exportation this concentration should not exceed 2 mg/L. With the objective of reducing the concentration of copper in cachaça, the present work aims at the chemical activation of the charcoal from wood Eucalyptus urograndi, through the activating agent ZnCl2 and temperature of thermal treatment at 600°C, to be used as adsorbent in the removal of copper present in artisanal cachaça. For the activation procedure, the charcoal was crushed and separated in granulometries smaller than 0.15 mm, 0.15 to 0.500 mm and 0.50 to 1.00 mm in sieves. In the characterization of the activated charcoal (CVA) produced, one of the important aspects analyzed was the specific surface area, which was obtained a significant increase for all granulometries. An adsorption equilibrium study was realized for each granulometry of the CVA, to evaluate the percentage of copper removal in cachaça contaminated with 100 mg/L, varying the contact time between 15 and 240 minutes at the temperature of 20 and 60°C, in the proportion of 1:50 (grams of CVA: volume in mL of cachaça). The best copper removal result was 24.83% for CVA in granulometry from 0.50 to 1.00 mm in the time of 240 minutes at 20°C. Statistical planning showed that all factors analyzed, counting time, temperature and particle size have a significant effect on the copper removal response in the experimental range worked. Isotherm and adsorption kinetics graphs were prepared for the adsorption equilibrium capacity and saturation time, which presented results of 2.25 mg/g and 120 minutes, respectively. The Langmuir model was the one that best represents the experimental data in the isotherm, in kinetics the best model was the Elovich. In relation to adsorption thermodynamics, the parameters showed that the process is physical, spontaneous, exothermic and with a small degree of organization. The treatment of the contaminated cachaça with 10 mg/L of copper in the fixed bed was not satisfactory for the CVA produced, because it presented low capacity of copper removal and increase in the acidity content. Dissertação (Mestrado)

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Os hidrociclones são equipamentos utilizados em processos de separação sólido-líquido e líquido-líquido, possuem tamanho reduzido e baixo custo de aquisição e manutenção. Diversos estudos vêm sendo desenvolvidos na busca por melhorar o desempenho desses equipamentos, garantindo um processo mais eficiente e com menores gastos energéticos. Neste âmbito, pesquisadores da FEQUI/UFU desenvolveram hidrociclones filtrantes. A proposta deste trabalho foi avaliar o desempenho de hidrociclones cilíndrico-filtrantes otimizados por Salvador (2017) frente a hidrociclones convencionais sob os mesmos parâmetros geométricos e operacionais. Para isso, variaram-se em três níveis a concentração volumétrica de sólidos na alimentação, o diâmetro de underflow e a queda de pressão nos equipamentos. Para o caso de máxima eficiência total, a maior eficiência foi para o equipamento filtrante com 5 mm de diâmetro de underflow, operando a 1,77 bar e com uma suspensão de quartzito com concentração volumétrica de 1%, sendo de 88,55%. O aumento da concentração de sólidos na alimentação prejudicou a eficiência de separação. No segundo caso de otimização (mínima razão de líquido), os menores valores encontrados para a razão de líquido foram para os hidrociclones na condição mais diluída, chegando a 0,57% para uma modalidade convencional e 0,65% para uma filtrante. Para manter baixos valores de razão de líquido e valores de eficiência mais altos, foi necessário trabalhar com uma suspensão mais diluída. Já no terceiro caso de otimização, cujo objetivo era minimizar o número de Euler, o equipamento filtrante com 5 mm de diâmetro de underflow, em uma concentração volumétrica de alimentação de 5,5% exibiu menor número de Euler, sendo de 578. O acréscimo no percentual de sólidos causou uma diminuição do gasto energético para esses equipamentos. Por fim, as equações de projeto e as curvas de eficiência para os hidrociclones cilíndrico-filtrantes foram levantadas com um ajuste satisfatório. Hydrocyclones are devices used in solid-liquid and liquid-liquid separation processes, having a small size and low acquisition and maintenance cost. Several studies have been developed to increase the performance of these equipment, guaranteeing a more efficient process with lower energy costs. In this context, researchers from FEQUI / UFU developed filtering hydrocyclones. The purpose of this paper was to evaluate the performance of cylindrical-filtering hydrocyclones optimized by Salvador (2017) towards conventional hydrocyclones with the same geometric and operational parameters. Thereunto, the volumetric concentration of solids in the feed, the underflow diameter and the pressure drop in the equipment were varied in three levels. For the case of maximum total efficiency, the highest efficiency was obtained for the filtering equipment with 5 mm of underflow diameter, operating at 1.77 bar and with a quartzite suspension with volumetric concentration of 1%, being 88.55%. The increase of feed’s solids concentration impaired the separation efficiency. In the second case of optimization (minimum underflow-to-throughput ratio), the lowest values found were obtained for the hydrocyclones in the most diluted condition, reaching 0.57% for a conventional modality and 0.65% for a filtering one. To maintain lower net ratios and higher efficiency values, it was necessary to work with a more diluted suspension. In the third optimization case, whose objective was to minimize Euler number, the filtering equipment with 5 mm of underflow diameter, in a volumetric feed concentration of 5.5% showed a smaller Euler number, being 578. The increment in the percentage of solids caused a decrease on the energy cost for these devices. Finally, the project equations and efficiency curves for the cylindrical-filtering hydrocyclones were raised with satisfactory adjusts. Dissertação (Mestrado)

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Na secagem de material granular ou particulado, os secadores rotatórios são os equipamentos mais utilizados, devido a sua alta capacidade de processamento e versatilidade de operação quando comparados com outros tipos de secadores. No entanto, o projeto desses equipamentos é bastante complexo, uma vez que a secagem envolve, além de transferências de calor e massa, complexos processos fluidodinâmicos. Por isso, geralmente utilizam-se tambores rotatórios com suspensores, mas sem a alimentação do ar de secagem, para o estudo da dinâmica de material particulado nesses secadores. Quando o tambor está com a configuração de carregamento ideal, há a maior interação entre o material particulado e o ar em escoamento, o que é interessante em um caso de secagem. Com base nisso, neste trabalho foi construído um tambor rotatório com número de suspensores variáveis, apresentando como objetivo o estudo do tambor rotatório na condição de carregamento ideal. Desta maneira, foram estudadas aplicações de modelos geométricos para a predição desta condição e determinou-se, experimentalmente, a velocidade de rotação ideal do tambor para diferentes condições operacionais do equipamento. Através deste estudo foi determinado um modelo para a predição do Número de Froude ideal em função da fração de enchimento do tambor, número de suspensores e propriedades do material, como densidade, ângulo de repouso estático e coeficiente dinâmico de fricção do material. Além destes, foram realizados estudos referentes ao ângulo de última descarga, avaliando os efeitos das condições operacionais na descarga de sólidos no tambor. Como uma ferramenta complementar aos estudos experimentais, as simulações numéricas surgem no auxílio à compreensão do escoamento dos materiais granulares. No que diz respeito à abordagem numérica, duas diferentes aproximações para a previsão do escoamento granular no interior do tambor com suspensores foram utilizadas: Euleriana e Lagrangeana. No desenvolvimento de uma modelagem Euleriana que representa o escoamento de interesse, utilizando a Fluidodinâmica Computacional (CFD), foi possível então, determinar as condições de contorno e encontrar o melhor modelo para que a abordagem Euleriana reproduzisse os resultados experimentais, em que a aplicação do modelo de turbulência k-ɛ se mostrou essencial na descrição da dinâmica das partículas. Já nas simulações que utilizam a abordagem Lagrangeana, através do Método dos Elementos Discretos (DEM), foram investigados parâmetros relativos às propriedades das partículas, como Razão de Poisson e Módulo de Cisalhamento, além das interações partícula-partícula e partícula-parede através dos coeficientes de restituição e de atritos estáticos e de rolamento. Neste trabalho, encontrou-se um conjunto de parâmetros para que a simulação conseguisse representar bem os dados experimentais. Além disso, observou-se que o uso de um módulo de cisalhamento menor do que o real para diminuição do custo computacional foi uma suposição válida, principalmente para velocidades de rotação mais baixas. Comparando as duas metodologias, foi possível encontrar as vantagens e desvantagens de cada uma delas. A abordagem lagrangeana permitiu observar individualmente cada partícula, sendo possível a determinação do comprimento de queda das partículas do suspensor. No entanto, com a mudança de condições operacionais, como o número de suspensores do tambor, os resultados apresentados pela abordagem Euleriana foram melhores. Rotary dryers are the most commonly used equipment in the granular or particulate material drying, because of their high processing capacity and versatility of operation when compared to other types of dryers. However, the design of these equipment is quite complex, since it involves, in addition to heat and mass transfer, complex fluid-dynamic processes. Therefore, rotary drums with flights, but without the presence of drying air, are generally used for the study of the dynamics of particulate material in these dryers. When the drum is in the ideal loading configuration, there is the greater interaction between the particulate material and the flowing air, which is interesting in a case of drying. Based on this, in this work a rotating drum with variable number of flights was built, aiming at the study of the rotary drum in the ideal loading condition. In this way, applications of geometric models for the prediction of this condition were studied and the ideal rotation speed of the drum was determined for different operating conditions of the equipment. This study determined a model for predicting the ideal Froude number as a function of the drum filling fraction, number of flights and material properties, such as density, static angle of repose and dynamic friction coefficient of the material. Besides these, studies were also carried out regarding the angle of last discharge, evaluating the effects of the operational conditions on the discharge of solids in the drum. As a complementary tool to the experimental studies, numerical simulations help the understanding of the flow of granular materials. Regarding the numerical approach, two different approaches for predicting the granular flow inside the drum with flights were used: Eulerian and Lagrangean. In the development of an Eulerian model, using Computational Fluid Dynamics (CFD), it was possible to determine the boundary conditions and to find the best model to reproduce the experimental results, in which the application of the model of turbulence k-ɛ was essential in the description of particle dynamics. In the simulations using the Lagrangian approach (through the Discrete Element Method (DEM)), parameters related to the properties of the particles, such as Poisson Ratio and Shear Modulus, were investigated, as well as particle-particle and particle-wall interactions through coefficients of restitution and static and rolling friction. In this work, a set of parameters was found through which the simulation represented the experimental data well. In addition, it was observed that the use of a smaller shear modulus than the actual one to decrease the computational cost was a valid assumption, mainly for lower rotation speeds. Comparing the two methodologies, it was possible to find the advantages and disadvantages of each one of them. The lagrangean approach allowed to observe each particle individually, being possible the determination of the length of fall of the particles. However, with the change in operating conditions, such as the number of flights, the results presented by the Eulerian approach were better. Tese (Doutorado)

Pesquisa sem auxílio de agências de fomento O camu-camu é um fruto nativo da região amazônica reconhecido por ser a principal fonte natural de vitamina C e uma importante fonte de compostos bioativos com um potencial benéfico para a saúde. Apesar disso, a alta perecibilidade e cultivo ainda não-domesticado ainda são fatores que dificultam sua comercialização fora do mercado local e no período pós-colheita. Nesse contexto, o secador rotatório com recheio de inertes (SRRI) apresenta-se como uma alternativa ao aproveitamento da polpa do camu-camu ao obter um produto na forma de pó e de alta qualidade no sentido da menor degradação dos bioativos. Na operação desse secador, a dinâmica dos inertes desempenha um papel fundamental na eficiência de processamento, as sucessivas colisões são responsáveis pela fragmentação da polpa já seca e na formação de pó. O presente trabalho teve por objetivo estudar experimental e numericamente os efeitos de variáveis operacionais de um SRRI no desempenho de secagem da polpa em termos do rendimento, do teor de bioativos (fenólicos, flavonoides e ácido ascórbico) e da atividade antioxidante do produto. Como inertes, foram utilizadas esferas de porcelana de calcita com diâmetros de 25,40, 19,05 e 12,70 mm. A dinâmica desses inertes foi avaliada aplicando-se a modelagem Lagrangeana através do método dos elementos discretos (DEM), cuja lei de contato permitiu obter informações de como as partículas interagem entre si e com o equipamento. Realizaram-se seis planejamentos composto central (PCC), três deles avaliando o tambor carregado com os inertes de apenas um diâmetro, e os demais avaliando o carregamento com a combinação binária entre inertes de diâmetros distintos. As variáveis independentes foram velocidade de rotação (R), grau de enchimento (E) e a fração entre inertes (FI), as respostas foram força de colisão e número de colisões partícula-partícula e partícula-parede obtidas via simulação. Com os resultados, realizou-se uma otimização no intuito de maximizar simultaneamente as duas respostas DEM em cada PCC, obtendo-se seis condições para operação do SRRI. Tais condições foram testadas experimentalmente e o maior rendimento de secagem verificado (86,66%) decorreu do uso dos inertes de 25,40 e 12,70 mm, que combinou o efeito da maior força de colisão dada pelo inerte de 25,40 mm e de um maior número de colisões dado pelo inerte de 12,70 mm. Essa configuração foi então explorada na secagem da polpa a partir de um PCC no qual avaliou-se a temperatura como quarta variável independente. Quanto as respostas, determinou-se o rendimento e o teor de compostos bioativos. Em todas as condições avaliadas, o produto apresentou atividade de água inferior a 0,28, indicando uma inibição o crescimento microbiano. Quanto ao rendimento, os principais efeitos foram identificados pelas variáveis enchimento e temperatura, no qual os maiores níveis das duas variáveis contribuíam ao aumento da resposta experimental. Verificou-se que uma maior proporção da partícula de 12,70 mm frente a 25,40 mm favorece o rendimento (maior número de colisões), enquanto que a rotação pouco o influenciou. Quanto aos bioativos, o principal efeito foi verificado para temperatura. Maiores níveis de temperatura levaram a sua maior degradação dos compostos bioativos, reduzindo os teores de fenólicos totais, flavonoides e ácido ascórbico, e resultando em uma menor da capacidade antioxidante do produto. Verificou-se, também, que as condições de maior força de colisão acarretaram em maior degradação dos bioativos. Ao realizar uma otimização multi-resposta, o cálculo resultou em um FI de 26,28%, enchimento de 49,83%, e rotação de 74,82 RPM condições associadas principalmente a um maior rendimento do processo e temperatura de 44,30°C visando a menor degradação dos compostos bioativos. Camu-Camu is a fruit native to the Amazon region, recognized for being the largest natural source of vitamin C, and an important source of bioactive compounds with a beneficial potential for health. Despite this, the high perishability and cultivation non-domesticated are still factors that hinder its commercialization outside the local market and in the post-harvest period. In this context, the rotary dryer with inert filling (SRRI) presents itself as an alternative to the use of camu-camu pulp when obtaining a product in the form of powder and high quality in the sense of less degradation of bioactive agents. In the operation of this dryer, the dynamics of the aggregates play a fundamental role in the processing efficiency, the successive collisions are responsible for the fragmentation of the already dried pulp and the formation of dust. The present work aimed to study the effects of operational variables of an SRRI on the drying performance of the pulp in terms of yield, bioactive content (phenolic, flavonoids and ascorbic acid) and the antioxidant capacity of the product. As inert, calcite porcelain spheres with diameters of 25.40, 19.05 and 12.70 mm were used. The dynamics of these aggregates were evaluated by applying Lagrangean modeling using the discrete element method (DEM), whose contact law allowed to obtain information on how the particles interact with each other and with the equipment. Six central composite plans (PCC) were carried out, three of them evaluating the drum loaded with aggregates of only one diameter, and the others evaluating the loading with the binary combination between aggregates of different diameters. The independent variables were rotation speed (R), filling degree (E) and the fraction between inerts (FI), the responses were collision force and number of particle-particle and particle-wall collisions obtained through simulation. With the results, an optimization was carried out in order to simultaneously maximize the two DEM responses in each CCP, obtaining six conditions for SRRI operation. Such conditions were tested experimentally and the highest drying efficiency verified (86.66%) resulted from the use of 25.40 and 12.70 mm aggregates, which combined the effect of the greater collision force given by the 25.40 mm aggregate and a greater number of collisions due to the 12.70 mm inert. This configuration was then explored in the drying of the pulp from a PCC in which the temperature was evaluated as the fourth independent variable. Regarding the responses, the yield and the content of bioactive compounds were determined. In all evaluated conditions, the product showed water activity below 0.28, indicating an inhibition of microbial growth. As for yield, the main effects were identified by the filling and temperature variables, in which the higher levels of the two variables contributed to the increase in the experimental response. It was found that a greater proportion of the particle of 12.70 mm compared to 25.40 mm favors the yield (greater number of collisions), while the rotation has little influence. As for bioactives, the main effect was verified for temperature. Higher temperature levels led to a greater degradation of bioactive compounds, reducing the levels of total phenolics, flavonoids and ascorbic acid, and resulting in a lower antioxidant capacity of the product. It was also found that the conditions of greater collision force resulted in greater degradation of bioactive substances. When performing a multi-response optimization, the calculation resulted in an IF of 26.28%, filling of 49.83%, and rotation of 74.82 RPM conditions associated mainly with a higher process yield and a temperature of 44.30 °C aiming at less degradation of bioactive compounds. Dissertação (Mestrado)

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais A fruticultura é uma atividade consolidada no Brasil, sendo esse o terceiro maior produtor mundial de frutas. Tal fato se deve, principalmente, às condições climáticas favoráveis. A acerola (Malpighia emarginata D.C.), por exemplo, é uma cultura originária da América Central, porém o Brasil é o seu maior produtor. Essa fruta é normalmente comercializada na forma de produtos processados devido à sua fragilidade e durante o processamento há uma grande geração de resíduos. A carbonização hidrotérmica (HTC) surge como uma tecnologia promissora visando o reaproveitamento desses resíduos. A HTC é um processo termoquímico que converte a biomassa, aplicando alta temperatura e pressão à mistura da biomassa com água subcrítica. Esse processo simula a coalificação natural de biomassas e gera produtos gasosos, líquidos e sólidos semelhantes aos combustíveis fósseis. Na HTC, os produtos sólidos, também chamados de hidrocarvões, são materiais carbonáceos e ricos em grupos funcionais oxigenados (OFG). As mais variadas aplicabilidades para o hidrocarvão são relatadas, como: correção de solos, combustível sólido e adsorção de poluentes ambientais. Este trabalho estudou a HTC do resíduo de acerola e aplicação do hidrocarvão, sendo divido em quatro etapas. Na primeira, foi realizada a caracterização do resíduo de acerola visando processos de termoconversão. Na segunda etapa, a HTC do resíduo de acerola foi estudada por meio de um planejamento fatorial fracionário do tipo composto central. Foram avaliados os efeitos das variáveis de processo (temperatura, tempo de reação, razão biomassa/água, pH da água de alimentação e velocidade de agitação) sobre o rendimento de sólidos (SY) e OFG do hidrocarvão. Os produtos líquidos e sólidos nos pontos axiais do planejamento ainda foram caracterizados quanto à composição e características físico-químicas. Também foi realizada a otimização do processo com a maximização de SY e OFG. O HCop ainda foi caracterizado quanto à sua estrutura físico-química. Na terceira etapa, foi estudada a adsorção do corante azul de metileno em HCop, sendo avaliada a influência da temperatura, do pH da solução, da concentração de adsorvato e da concentração de adsorvente na remoção de azul de metileno e na capacidade de adsorção do HCop. Além disso, estudos da cinética, isotermas de equilíbrio e análises termodinâmicas foram realizados. Finalmente, na última fase, foi realizada a ativação química do hidrocarvão utilizando o hidróxido de potássio como agente ativante. O hidrocarvão ativado foi caracterizado e sua aplicabilidade na adsorção de azul de metileno foi avaliada. A caracterização do resíduo de acerola permitiu concluir que esse é um material adequado para processos de termoconversão, como a HTC. Os resultados do estudo da HTC indicaram que todas as variáveis estudadas são significativas nas respostas, sendo possível obter hidrocarvões com alto SY e OFG. Nas condições otimizadas, o HCop apresentou SY de 66,70% e 7,57 mmol/g de OFG. Na avaliação da aplicabilidade do HCop como adsorente do azul de metileno, observou-se que a adsorção, neste caso, é espontânea, endotérmica e, provavelmente, controlada pela fisissorção. Já a ativação química foi capaz de aprimorar sua área superficial de 20,30 para 348,09 m²/g e aumentar capacidade de adsorção em mais de sete vezes. Portanto, a HTC é uma tecnologia promissora para a modificação sustentável de resíduos agroindustriais, visando a sua aplicação como adsorventes de contaminantes ambientais. Fruit growing is a consolidated activity in Brazil, being this the third largest fruit producer in the world due to favorable climatic conditions. Acerola (Malpighia emarginata D.C.), for example, is a crop originating in Central America, but Brazil is its largest producer. This fruit is mainly consumed in the form of processed products due to its fragility. During processing there is a large generation of waste. Hydrothermal carbonization (HTC) appears as a promising technology aiming the reuse of these residues. HTC is a thermochemical process that converts biomass by applying high temperature in a suspension with subcritical water. This process simulates the natural coalification of biomasses and generates gaseous, liquid and solid products similar to fossil fuels. The solid products, also known as hydrochars, are carbonaceous materials and rich in oxygenated functional groups (OFG). The most varied applications for hydrochars are reported, such as: soil correction, solid fuel, and adsorption of environmental pollutants. The HTC of acerola residues and the hydrochar application were studied in this work, being presented in four stages. In the first one, the characterization of the acerola residue was carried out aiming thermochemical processes. In the second stage, the HTC of the acerola residue was studied using a fractional factorial design. The effects of process variables (temperature, reaction time, biomass / water ratio, pH of the feed water and stirring speed) on the solids yield (SY) and OFG of the hydrocarbon were evaluated. The liquid and solid products at the axial points were characterized in terms of composition and physical-chemical characteristics. Process optimization was also performed with the maximization of SY and OFG. The HCop was characterized in terms of its physical and chemical structure. In the third stage, the adsorption of the methylene blue dye in HCop was studied, being evaluated the influence of the temperature, the pH of the solution, the concentration of adsorbate and the concentration of adsorbent in the removal of methylene blue and in the capacity adsorption of HCop. In addition, studies of kinetics, equilibrium isotherms and thermodynamic analyzes were performed. Finally, the chemical activation of the hydrochar was carried out using potassium hydroxide as an activating agent. The activated hydrocarbon was characterized and its applicability in the adsorption of methylene blue was evaluated. The characterization of the acerola residue allowed us to conclude that this is a suitable material for thermoconversion processes, such as HTC. The results of the HTC study indicated that all the variables studied are significant in both responses (SY and OFG), being possible to obtain hydrochars with high SY and OFG. In the optimized conditions, HCop showed SY of 66.70% and 7.57 mmol/g of OFG. In assessing the applicability of HCop as a methylene blue adsorbent, it was observed that the adsorption, in this case, is spontaneous, endothermic and, probably, controlled by physisorption. The chemical activation was able to improve its surface area from 20.30 to 348.09 m²/g and increase the adsorption capacity by 7.18 times. Therefore, HTC is a promising technology for the sustainable modification of agro-industrial waste, aiming at its application as adsorbents of environmental contaminants. Tese (Doutorado)

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico FAU - Fundação de Apoio Universitário Os fluidos de perfuração permanecem em desenvolvimento, sendo um desafio para a indústria de petróleo, que busca a otimização do desempenho técnico, o atendimento às leis ambientais e a diminuição nos custos dos fluidos. Um fluido de perfuração de base não aquosa utilizado pela Petrobras passou por reformulações devido às alterações ocorridas na legislação ambiental brasileira, estas estabeleceram que a base não aquosa do fluido de perfuração fosse modificada. Sendo assim, a base parafínica foi substituída pela base olefínica, que por sua vez é mais biodegradável. Uma solução saturada de NaCl constitui a fase dispersa da emulsão inversa do fluido com base parafínica. Entretanto, o fluido com base olefínica é uma emulsão inversa na qual a fase dispersa é uma solução saturada de CaCl2 ou de NaCl. A solução saturada de CaCl2 foi proposta para substituir a solução saturada de NaCl, pois confere algumas vantagens ao fluido, como uma inibição à interação entre a formação e o fluido mais eficaz e uma maior densidade, porém o fluido com a solução saturada de CaCl2 exibe um caráter tixotrópico mais pronunciado. Nesse contexto, a fim de melhorar o desempenho do fluido de perfuração, foram investigadas as características das emulsões do fluido de perfuração à base de olefina formulado com as soluções saturadas de NaCl e CaCl2, bem como uma mistura delas. Emulsões são misturas de dois líquidos imiscíveis na presença de um agente emulsificante, nas quais um dos líquidos se encontra disperso na fase contínua formada pelo outro componente. A distribuição de tamanho de gota (DTG) da fase dispersa é fundamental na caracterização de emulsões, pois está diretamente relacionada com suas viscosidade e estabilidade. Diante disso, foram avaliados, para diferentes concentrações de emulsificante e velocidades de agitação, a DTG, a estabilidade e os parâmetros reológicos de três emulsões. Todas estas emulsões tiveram olefina linear como fase contínua, porém com fases dispersas distintas, sendo estas soluções saturadas de NaCl, CaCl2 e com 75% de NaCl e 25% de CaCl2. O aumento da velocidade de agitação foi acompanhado pelo aumento da viscosidade aparente e estabilidade dos sistemas emulsionados, porém seus valores obtidos de índice de polidispersão (PDI) e D50 foram reduzidos. A emulsão NaCl/Olefina exibiu menores estabilidade, viscosidade aparente, e concentração de saturação de emulsificante, quando comparada à emulsão CaCl2/Olefina. Já a emulsão CaCl2/Olefina apresentou comportamento tixotrópico mais pronunciado. A emulsão NaCl+CaCl2/Olefina não exibiu maior estabilidade e comportamento tixotrópico intermediário. Drilling fluids remain under development, being a challenge for the oil industry, which seeks to optimize technical performance, comply with environmental laws, and reduce fluid costs. A nonaqueous based drilling fluid widely used by Petrobras has been reformulated due to recent changes in Brazilian environmental legislation. These changes established that the non-aqueous base of the drilling fluid was modified. Thus, the paraffinic base was replaced by the olefinic base, which is more biodegradable. A saturated NaCl solution constitutes the dispersed phase of the inverse emulsion of the paraffin-based fluid. Nevertheless, the olefin-based fluid is an inverse emulsion in which the dispersed phase is a saturated CaCl2 or NaCl solution. The saturated CaCl2 solution was proposed to replace the saturated NaCl solution, as it gives some advantages to the fluid, such as the most effective inhibition of the interaction between the formation and the fluid, and a higher density, however, the saturated CaCl2 solution exhibits a more pronounced thixotropic behavior. In this context, to improve drilling fluid performance, the characteristics of olefin-based drilling fluid emulsions formulated with saturated NaCl and CaCl2 solutions, as well as a mixture of these, were investigated. Emulsions are mixtures of two immiscible liquids in the presence of an emulsifier, in these mixtures one of the liquids is dispersed in the continuous phase formed by the other component. The droplet size distribution (DSD) of the dispersed phase is fundamental in the characterization of emulsions, as it is directly related to their viscosity and stability. Therefore, for different emulsifier concentrations and stirring speeds, the droplet size distribution and the rheological parameters of three emulsions were evaluated. All these emulsions had linear olefin as the continuous phase, but with distinct dispersed phases, being these saturated solutions of NaCl, CaCl2, and 75% NaCl and 25% CaCl2. The increase of the stirring speed was followed by the emulsified systems apparent viscosities increase, but their polydispersity index (PDI) and D50 values were reduced. The NaCl/Olefin emulsion exhibited lower stability, apparent viscosity, and emulsifier saturation concentration when compared to the CaCl2/Olefin emulsion. Besides, the CaCl2/Olefin emulsion showed more pronounced thixotropic behavior. The NaCl+CaCl2/Olefin emulsion did not exhibit higher stability and intermediate thixotropic behavior. Dissertação (Mestrado)

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Os hidrociclones são usados para separação de suspensões sólido-líquido por ação da sedimentação centrífuga. Em virtude de sua simplicidade operacional, tamanho reduzido, baixo custo de manutenção e aquisição, seu uso é difundido nos setores petroquímico, mineral, de alimentos entre outros. A geometria dos hidrociclones tem fundamental influência sobre o desempenho de separação assim como as condições operacionais vigentes na planta, como queda de pressão, percentual de sólidos alimentado e reologia do fluido. A otimização da operação de hidrociclonagem está inserida em um cenário em que as condições operacionais são cada vez mais desfavoráveis e a busca por melhoria nos processos para redução de custos operacionais e minimização da produção de efluentes é constante. Neste sentido, a proposta deste trabalho é avaliar o desempenho de geometrias ótimas de hidrociclones, propostas por pesquisadores da Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia, operando com fluidos pseudoplásticos contendo até 10,0% de sólidos em volume. A carboximetilcelulose (CMC) foi usada como modulador reológico em concentrações que variaram de 0,2% a 1,0% em massa. O efeito da concentração de sólidos, da adição de CMC, do diâmetro de underflow, do comprimento de vortex finder e da queda de pressão foram investigados no desempenho dos hidrociclones MAX, HOT, HGOT1 e HGOT3 por meio de um Planejamento Composto Central. Verificou-se que o aumento da viscosidade aparente da suspensão prejudicou de forma intensa o desempenho de separação dos hidrociclones e diminuiu o número de Euler devido a diminuição da intensidade do movimento rotacional do fluido. Ao modificar o índice de comportamento, n, do fluido de 0,99 para 0,48, a Eficiência Total dos hidrociclones MAX, HOT, HGOT1 e HGOT3 reduziu cerca de 28%, 43%, 24% e 41% respectivamente. O hidrociclone HGOT1 apresentou resultados promissores quando trabalhou com suspensão diluída (η = 58%). Os hidrociclones MAX e HGOT3 apresentaram desempenho de espessamento semelhante quando operados com CCMC = 0,2%m. e CVA = 5,5%. O hidrociclone HOT apresentou desempenho intermediário comparado aos demais equipamentos. Por fim, as equações de desempenho dos hidrociclones MAX, HOT, HGOT1 e HGOT3 foram levantadas com ajuste satisfatório. Foi possível avaliar os hidrociclones trabalhando em uma condição próxima à vigente em um sistema de controle de sólidos utilizado em sondas de perfuração de petróleo e gás. Hydrocyclones are used to separate solid-liquid suspensions by centrifugal sedimentation. Due to its operational simplicity, small size, low maintenance and acquisition costs, its use is widespread in the petrochemical, mineral, food industry and other sectors. The geometry of hydrocyclones has a fundamental influence on separation performance as well as on-site operating conditions such as pressure drop, percentage of solids in the feed and fluid rheology. The optimization of the hydrocyclones operation is part of a scenario in which operating conditions are increasingly unfavorable and the search for improvements in processes to reduce operating costs and minimize effluent production is constant. In this context, the purpose of this work is to evaluate the performance of optimal hydrocyclone geometries, proposed by researchers from the Chemical Engineering Faculty at the Federal University of Uberlândia, operating with pseudoplastic fluids containing up to 10.0% of solids by volume. Carboxymethylcellulose (CMC) was used as a rheological modulator at concentrations ranging from 0.2% to 1.0% by weight. The effect of solids concentration, the addition of CMC, the underflow diameter, the vortex finder length and the pressure drop were investigated in the performance of the MAX, HOT, HGOT1 and HGOT3 hydrocyclones through a Central Composite Design. The increasing of the suspension’s apparent viscosity was found to severely impair hydrocyclone separation performance and to decrease the Euler number, due to a reduction in the intensity of rotational fluid movement. By modifying the fluid behavior index, n, from 0.99 to 0.48, the Total Efficiency of the MAX, HOT, HGOT1 and HGOT3 hydrocyclones decreased by 28%, 43%, 24% and 41%, respectively. The HGOT1 hydrocyclone showed promising results when working with diluted suspensions (η = 58%). The MAX and HGOT3 hydrocyclones presented similar thickening performances when operated with CCMC = 0.2%w. and CVA = 5.5%. The HOT showed intermediate performance when compared to other hydrocyclones. Finally, the performance equations of the MAX, HOT, HGOT1 and HGOT3 hydrocyclones were obtained and presented satisfactory fit. It was possible to evaluate hydrocyclones by working under conditions close to the ones observed in solid control systems, used in oil and gas drilling rigs. Tese (Doutorado) 2021-10-01

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior O crescimento da demanda energética mundial, agregado a fatores como vulnerabilidade da oferta de combustíveis fósseis em um cenário de atenuação de impactos ambientais, tem motivado a humanidade a procurar por fontes energéticas limpas e renováveis. Neste âmbito, a biomassa apresenta-se como um recurso viável e de grande interesse. Maior produtor de carvão vegetal do mundo, o Brasil tem um setor florestal bem desenvolvido, além de ser um dos principais produtores de lenha do mundo. Grande fração desta produção é destinada a indústria siderúrgica na produção de carvão vegetal. No entanto, meramente 30% de toda a energia apresentada na madeira é transformada em carvão, consistindo os outros 70% em gases condensáveis e não-condensáveis emitidos na atmosfera gerando poluição e desperdício de energia. Nesse sentido, o presente estudo, tem como objetivo avaliar diferentes processos termoquímicos, pirólise lenta, rápida e micropirólise no intuito de averiguar as potencialidades dos produtos gerados. A pirólise lenta, ou carbonização, foi empreendida em um forno tipo mufla, teve como objetivo carbonizar a espécie Eucalyptus urograndis, por sua vez, realizou-se a caracterização físico-química, do carvão vegetal, do bio-óleo e dos gases não-condensáveis (GNC). Analisou-se também o comportamento de algumas variáveis (taxa de aquecimento e temperatura final) que afeta o processo produção de carvão vegetal através de um planejamento fatorial (3k). A média do rendimento em carvão vegetal, bio-óleo e GNC alcançaram valores positivos cerca de 32,6%, 40,1% e 27,3%, respectivamente. Os resultados experimentais mostraram que o carvão vegetal oriundo do clone avaliado pode ser considerado, de maneira geral, homogêneo quanto aos aspectos físicos e químicos e apresentou características satisfatórias para produção de carvão vegetal para uso siderúrgico. A composição do bio-óleo foi averiguada e, observou-se que o bio-óleo proveniente da carbonização é rico principalmente em compostos fenólicos e ácidos orgânicos. A pirolise rápida foi realizada com a mesma biomassa em um reator de leito fluidizado a 550ºC de modo a caracterizar os produtos obtidos e também, realizou-se a micropirólise, ou pirólise analítica, para investigação e compreensão das características dos vapores gerados. Os testes da pirólise analítica foram realizados a 380ºC, 430ºC e 480ºC. O objetivo específico neste contexto é comparar a composição dos vapores gerados na pirólise analítica da espécie Eucalyptus urograndis, utilizando um micropirolisador comercial, com a composição do bio-óleo produzido em uma unidade experimental, em um reator de leito fluidizado de pirólise rápida. Os rendimentos médios dos produtos da pirólise rápida foram: 25,2% de bio-óleo, 15,5% de char e 59,3% de gases não condensáveis. Os principais componentes do bio-óleo foram identificados no GC/MS e o bio-óleo proveniente da pirólise rápida apresentou compostos aldeídicos e fenólicos. Os vapores pirolíticos apresentaram com o incremento da temperatura um aumento na formação de fenóis, cetonas, éteres, álcoois e uma redução de ésteres e aldeídos. Os ácidos orgânicos não tiveram uma tendência, embora, foram os compostos majoritários encontrados no bio-óleo. Desta forma, esses bio-óleos podem ser empregados como fonte alternativa de produtos químicos de valor agregado para diversas aplicações. Em paralelo, realizaram-se carbonizações de endocarpos de palmáceas, (endocarpo do coco macaúba e coco babaçu), a fim de avaliar a potencialidade destes materiais, assim como, suas caracterizações físico-químicas do carvão e bio-óleo. The growth of global energy demand, coupled with factors such as the vulnerability of the supply of fossil fuels in a scenario of mitigation of environmental impacts, has motivated humanity to search for clean and renewable energy sources. In this context, biomass presents itself as a viable resource of great interest. Largest charcoal producer in the world, Brazil has a well-developed forestry sector, as well as being one of the main producers of wood in the world. A large fraction of this production is destined for the steel industry in the production of charcoal. However, only 30% of all the energy presented in the wood is turned into charcoal, the other 70% consisting of condensable and non-condensable gases emitted into the atmosphere generating pollution and waste of energy. In this sense, the present study aims to evaluate different thermochemical processes, slow, fast pyrolysis and micro pyrolysis in order to ascertain the potentialities of the products generated. The slow pyrolysis, or carbonization, was carried out in a muffle furnace, with the objective of charring the species Eucalyptus urograndis, where the physical-chemical characterization of charcoal, bio-oil and non-condensable gases (NCG) generated by the process. The behavior of some variables (heating rate and final temperature) that affect the charcoal production process through a factorial design (3k) was also analyzed. The average yield of charcoal, bio-oil and NCG reached positive values about 32.6%, 40.1% and 27.3%, respectively. The experimental results showed that the charcoal from the clone evaluated can be considered, in general, homogeneous in physical and chemical aspects and presented satisfactory characteristics for the production of charcoal for steel use. The composition of the bio-oil was investigated and it was observed that the bio-oil from carbonization is rich mainly in phenolic compounds and organic acids. Fast pyrolysis was performed with the same biomass in a fluidized bed reactor at 550°C in order to characterize the products obtained and also, the micro pyrolysis or analytical pyrolysis was carried out to investigate and understand the characteristics of the generated vapors. Analytical pyrolysis tests were performed at 380°C, 430°C and 480°C. The specific objective in this context is to compare the composition of the vapors generated in the analytical pyrolysis of the Eucalyptus urograndis species using a commercial micro-pyrolyzer with the composition of the bio-oil produced in an experimental unit in a fast pyrolysis fluidized bed reactor. The average yields of the fast pyrolysis products were: 25.2% bio-oil, 15.5% char and 59.3% non-condensable gases. The main components of the bio-oil were identified in the GC / MS and the bio-oil from the fast pyrolysis showed aldehyde and phenolic compounds. The pyrolytic vapors presented with the increase in temperature an increase in the formation of phenols, ketones, ethers, alcohols and a reduction of esters and aldehydes. Organic acids did not have a tendency, though, were the major compounds found in the bio-oil. In this way, these bio-oils can be used as an alternative source of value-added chemicals for various applications. In parallel, carbonations of endocarp of palm trees (coconut macauba endocarp and babassu coconut) were carried out in order to evaluate the potentiality of these materials, as well as their physicochemical characterizations of coal and bio-oil. Tese (Doutorado)

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior A perfuração é uma das fases da produção de petróleo e gás. Durante esta fase, cascalhos são gerados e transportados do poço para a superfície devido à circulação de fluidos. Quando fluidos sintéticos são utilizados, os cascalhos de perfuração devem ser tratados antes do descarte, de forma a evitar impactos ambientais em potencial. A técnica de secagem via micro-ondas é uma alternativa promissora para o tratamento dos cascalhos de perfuração contaminados com fluidos sintéticos. Em fornos micro-ondas, o calor é gerado pela transformação direta da radiação eletromagnética em energia térmica dentro do material a ser seco, o que resulta em uma maior eficiência energética e um menor tempo de secagem na comparação com outras técnicas de dessorção térmica. Assim, este trabalho teve como objetivo investigar a secagem dos cascalhos de perfuração contaminados com um fluido à base de olefina interna em um forno micro-ondas em escala de bancada, o Milestone NEOS-GR. Para isso, testes de secagem foram realizados, variando-se o teor orgânico inicial, a potência aplicada e o tempo de secagem. De forma a entender melhor o comportamento da amostra em relação às micro-ondas, propriedades dielétricas foram medidas. Com base nos resultados obtidos, foi proposto um modelo cinético, denominado Modelo Cinético de Secagem por Micro-ondas (MCSM). Tal modelo apresentou concordância com as observações experimentais e os coeficientes de determinação (R2) das curvas variaram de 0,9836 a 0,9977, o que mostrou que o modelo descreve bem a cinética de secagem do material avaliado. Além disso, um Planejamento Composto Central (PCC) foi proposto considerando-se três variáveis: teor olefínico inicial, potência e tempo; sendo o teor residual de olefina a resposta analisada. Todas as variáveis se mostraram significativas. O teor inicial influenciou negativamente a resposta. Já para a potência e o tempo, o efeito foi positivo. Os resultados mostraram que o cascalho pode ser descontaminado a níveis inferiores aos exigidos pela legislação ambiental, chegando a teores mássicos residuais inferiores a 1% em alguns testes. Por fim, os líquidos recuperados nos testes cinéticos foram analisados por meio da técnica de cromatografia gasosa. Verificou-se degradação do fluido nos testes mais longos e de maior potência. Drilling is one of the phases of oil and gas production. During this phase, cuttings are created and transported from the well to the surface due to the circulation of fluids. When synthetic drilling fluids are used, the drill cuttings must be treated before being disposed in order to prevent potential environmental impacts. The microwave drying technique is a promising alternative to the treatment of these drill cuttings contaminated with synthetic-based fluids. In microwave ovens, the heat is created by the direct transformation of the electromagnetic radiation into thermal energy within the material to be dried, which results in a higher energy efficiency and lower drying time when compared to other thermal desorption techniques. Thus, this study aimed to investigate the drying of drill cuttings contaminated with an olefin-based fluid in a batch scale microwave furnace, the Milestone NEOS GR. For this, drying tests were performed, varying the initial organic content, the power applied and the drying time. In order to better understand the behavior of the sample in relation to the microwaves, dielectric properties were measured. Based on the results obtained, a kinetic model was proposed, named Kinetic Model of Microwave Drying (KMMD). This model was in agreement with the experimental observations and the coefficients of determination (R2) of the obtained curves varied from 0.9836 to 0.9977, what suggested that the model described the drying kinetics of the evaluated material well. In addition, a Central Composite Design (CCD) was proposed considering three variables: initial olefin content, power and time; the residual content of olefin was the response variable. All variables were significant. The initial content negatively influenced the response. For power and time, the effect was positive. The results showed that cuttings can be decontaminated at levels lower than those required by environmental legislation, reaching residual mass contents lower than 1% in some tests. Finally, the liquids recovered in the kinetic tests were analyzed using the gas chromatography technique. Fluid degradation was observed in tests with long drying time and high applied power. Dissertação (Mestrado)

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior O óleo de gérmen de milho é tradicionalmente usado no cozimento de alimentos, saladas e margarinas devido ao sabor suave e poder nutricional existente em sua composição. Atualmente, o método mais utilizado na extração do óleo de gérmen envolve o uso de solventes orgânicos, que em sua maioria, apresentam altos custos, demandam longos tempos de extração,além de níveis de flamabilidade e toxicidade consideráveis. Diante disso, buscando-se a obtenção do óleo com melhor qualidade, maior viabilidade técnica e econômica e, ainda sustentabilidade ambiental, destaca-se a extração supercrítica com o uso de CO2 como uma tecnologia limpa, inovadora, eficiente, com extratos ambientalmente amigáveis. Neste contexto, o objetivo do presente trabalho foi o estudo da extração do óleo de gérmen de milho com o uso de dióxido de carbono e adição de cossolventes (hexano, acetona e etanol). Com o intuito de avaliar a influência da temperatura e pressão no rendimento do óleo de gérmen de milho, experimentos foram conduzidos em temperaturas de 45-85 ºC, pressão de 150-250 bar e vazão de 3 mL CO2/min, para os ensaios conduzidos apenas com CO2 supercrítico. Para os ensaios com adição de cossolventes foram utilizadas faixas de temperatura de 40-80 ºC, pressão de 250 bar e vazão de CO2 de 4 mL/min, respectivamente e vazões de cossolventes de 0,01 a 0,1 mL/min. A extração convencional com o uso dos solventes orgânicos etanol, acetona e hexano também foi realizada para efeito de comparação. As amostras de óleo extraídas foram submetidas a análises de densidade, índice de refração, acidez, peróxido, quantificação de ácidos graxos e atividade antioxidante. Os resultados mostraram que a pressão teve efeito positivo e a temperatura efeito negativo sobre o rendimento da extração com o uso de CO2 supercrítico. Os resultados de rendimento com a adição de cossolventes foram maiores do que com o uso de CO2 puro, alcançando um rendimento máximo de 13,81% com o uso de etanol, o melhor cossolvente utilizado. Na extração convencional, o uso do etanol acarretou maior rendimento de 35,70%. Além disso, as análises realizadas de densidade, índice de refração, perfil de ácidos graxos e acidez não apresentaram diferenças significativas entre os óleos obtidos pelo método convencional, uso de CO2 e adição de cossolventes. Corn germ oil is commonly used for cooking, salads, margarines and animal nutrition due to the mild flavor and nutritional power in its composition. Currently, the most widely used method of corn germ oil extraction involves the use of organic solvents, which are mostly expensive, require long extraction time, and they present considerable levels of flammability and toxicity. In order to obtain the oil with better quality, greater technical and economic viability, and environmental sustainability, the supercritical extraction with the use of CO2 stands out as a clean, innovative, efficient technology with environmentally friendly extracts. The objective of the present work was the study of the extraction of corn germ oil with the use of carbon dioxide and addition of cosolvents (hexane, acetone and ethanol). In order to evaluate the influence of temperature and pressure on corn germ oil yield, experiments were carried out at temperatures of 45-85 °C, pressure of 150-250 bar and flow rate of 3 mLCO2/min for the tests conducted with supercritical CO2. For the tests with addition of cosolvents, temperature range of 40-80 °C, pressure of 250 bar, CO2 flow rate of 4 mL/min, and cosolvents flow rates of 0.01 up to 0.1 mL/min were used. The conventional extraction with the use of organic solvents ethanol, acetone and hexane was also performed for comparison purposes. The extracted oil samples were submitted to density analysis, refraction index, acidity, peroxide index, fatty acids profile and antioxidant activity. The results showed that pressure had a positive effect and temperature had a negative effect on the yield of the extraction with the use of CO2. The yield results with the addition of cosolvents were higher than the use of supercritical CO2, reaching a maximum yield of 13.81% using ethanol. In addition, the analysis of density, refractive index, acidity, peroxide and fatty acids profile did not present significant differences between the oils obtained by the conventional method, with the use of CO2 and cosolvents addiction. Dissertação (Mestrado)

Atualmente, fala-se muito em nanotecnologia, sendo que esta ciência apresenta uma enorme gama de aplicações, seja em indústrias de eletrônicos, farmacêutica, de filtros de ar, entre outras, além da sua importância quando se trata de questões ambientais. Para produção e controle de qualidade de partículas com dimensões nanométricas, existe o Nano Analisador de Mobilidade Elétrica comercial (Nano-DMA, do inglês Differential Mobility Analyzer). Um equipamento semelhante a este, porém com custo inferior, foi projetado e construído no Laboratório de Tecnologia de Nanoaerossóis da FEQUI/UFU, para separação de partículas nanométricas de um aerossol polidisperso, a fim de classificá-las de acordo com sua distribuição de tamanho, produzindo uma corrente monodispersa. Este analisador de mobilidade elétrica constitui-se por dois eletrodos cilíndricos concêntricos, em que se aplica uma tensão no cilindro interno, ao passo que o cilindro externo é aterrado, estabelecendo-se um campo elétrico entre eles. Realiza-se a passagem do aerossol polidisperso entre o espaçamento dos cilindros e, através de um contador de partículas, determina-se a concentração das partículas que passam pela fenda de classificação e saem no aerossol monodisperso. Utilizando-se de um atomizador comercial para gerar uma corrente polidispersa de nanopartículas de NaCl, pôde-se constatar que o equipamento projetado era capaz de produzir uma corrente de aerossol monodisperso e observou-se que a concentração de partículas, presentes nos aerossóis formados, aumentava com o aumento da concentração salina utilizada. Foram realizados testes no Departamento de Engenharia Química da Universidade Federal de São Carlos (DEQ/UFSCar), utilizando um analisador comercial (SMPS) da marca TSI. Estes testes possibilitaram a comparação dos resultados experimentais (obtidos com o Nano-DMA) com os teóricos (advindos do balanço de distribuição de cargas e dos valores encontrados pelo SMPS para o aerossol de entrada), mostrando a eficiência do Nano-DMA projetado na FEQUI/UFU. Constatou-se a possibilidade do uso deste equipamento para as mesmas funcionalidades de um SMPS comercial, como: medição da qualidade do ar em ambientes internos; exaustão de veículos; e, em pesquisas com bioaerossóis. Vale ressaltar que o custo do equipamento projetado, juntamente com o contador de partículas, foi de aproximadamente 22% do valor do equipamento comercial, o que representa uma grande vantagem para a sua utilização. Verificou-se também a representatividade do balanço de mobilidade para classificação de nanopartículas, baseado nas distribuições de cargas, para os aerossóis de entrada (exceto para partículas menores que 20 nm, devido ao efeito browniano), monodisperso e de excesso. There is a lot of speak about nanotechnology, and this science has a range of applications, such as electronics, pharmaceutical, air filters, among others, besides its importance when if comes to environmental issues. For production and quality control of nanometer-sized particles, there is the Nano-DMA (Differential Mobility Analyzer). Similar equipment, but with a lower cost, was designed and built in the FEQUI / UFU NanoAerosol Technology Laboratory to separate nanometric particles from a polydisperse aerosol in order to classify them according to their size distribution, producing a monodisperse current. This electric mobility analyzer consists of two concentric cylindrical electrodes, where a voltage is applied to inner cylinder, while the outer cylinder is grounded, establishing an electric field between them. The polydispersed aerosol is passed between the spacing of the cylinders and, through a particle counter, the concentration of the particles passing through the apparatus is determined, passing through the classification slot and leaving the monodisperse aerosol. Using a commercial atomizer to generate a polydisperse aerosol of NaCl nanoparticles, it can be seen that the designed equipment was capable of producing a monodisperse aerosol stream and it was observed that the particles concentration present in the aerosols formed, increased with increasing saline concentration. It was performed tests in the Department of Chemical Engineering from the Federal University of São Carlos (DEQ / UFSCar), using a commercial analyzer (SMPS) of rand TSI. These tests allowed the comparison of the experimental results with the theoretical ones, resulting from the balance of load distribution, showing the efficiency of the Nano-DMA projected in FEQUI / UFU. It was verified the possibility of using this equipment for the same functionalities of a commercial SMPS, such as: indoor air quality measurement; vehicles exhaustion; and, in researches with bioaerosols. It is worth mentioning that the cost of the designed equipment was approximately 22% the value of the commercial equipment, which represents a great advantage for its use. It was also verified the representativeness of mobility balance for the nanoparticles classification, based on the charges distributions, for the inlet (except for particles smaller than 20 nm due to Brownian effect), monodisperse and excess aerosols. Tese (Doutorado)

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Os hidrociclones são equipamentos versáteis amplamente utilizados na indústria para realizar a remoção ou classificação de uma fase discreta (líquida ou sólida) suspensa em uma fase contínua líquida, com base em um campo centrífugo, no tamanho e na densidade da fase discreta. Estes equipamentos, que são constituídos por uma parte cilíndrica e outra cônica, promovem o processo de separação através da ação de uma força centrífuga proveniente do movimento rotacional que a suspensão realiza dentro dele e têm o seu desempenho intimamente relacionado com as suas dimensões geométricas. O desempenho destes separadores pode ser quantificado através das respostas eficiência total (ET), razão de líquido (RL) e número de Euler (Eu), que representam o poder de classificação, de concentração e o consumo energético, respectivamente. Estas três respostas, normalmente, são objetivos conflitantes no projeto de hidrociclones, sendo assim faz-se necessário o uso de otimização para encontrar-se as configurações que produzem equipamentos com boa performance nos três objetivos. Além disso, para se ter confiabilidade nos resultados é importante adotar um critério de inserção de robustez na otimização, já que as dimensões dos hidrociclones podem não ser totalmente precisas, em função das limitações do processo de fabricação e dos desgastes que ocorrem com o tempo de operação. Diante disto, o presente trabalho busca realizar o projeto de hidrociclones de alto poder classificador e concentrador e baixo consumo energético, utilizando otimização robusta por evolução diferencial usando como base dados coletados experimentalmente. O efeito da inserção de robustez na geração dos modelos empíricos foi avaliado através da comparação entre os valores dos coeficientes de determinação e das funções objetivo empregadas dos modelos nominal e robusto, além da realização de uma análise comparativa de sensibilidade dos modelos. Foi constatado que o aumento no valor do parâmetro de robustez (δ) deteriora o valor do coeficiente de determinação e da função objetivo dos ajustes, além disso notou-se que para pequenos valores de δ os dois tipos de modelos são igualmente sensíveis a perturbações em seus parâmetros, já para valores maiores de δ o modelo robusto mostrou-se menos prejudicado. Os dois tipos de modelo foram utilizados para realizar-se a otimização das dimensões do hidrociclone, de forma nominal e robusta, considerando quatro estudos de caso: maximização de ET e minimização de RL (caso 1); maximização de ET e minimização de Eu (caso 2); minimização de RL e minimização de Eu (caso 3); maximização de ET, minimização de RL e minimização de Eu (caso 4). Os hidrociclones obtidos na otimização apresentam valores das respostas satisfatórios e dentro das faixas desejadas, constatou-se ainda que o aumento no valor do parâmetro de robustez da otimização promove o distanciamento das curvas em relação a curva nominal e causa uma concentração das soluções em uma determinada região do espaço dos objetivos, implicando em uma menor variedade de hidrociclones ótimos. Alguns dos hidrociclones otimizados obtidos foram selecionados para realização de testes experimentais com equipamentos de dimensões próximas a deles. Os resultados experimentais mostraram que os separadores testados obtiveram um bom desempenho. Hydrocyclones are versatile equipment largely used in industry to remove or classify a discrete phase (liquid or solid) mixed in a continuous liquid phase, based on a centrifugal field and on the discrete phase’s size and density. These equipment, which are constituted by a cylindrical and a conical part, promote the separation process by the action of a centrifugal force that comes from the rotational movement of the mixture and they have their performance closely related to their geometric dimensions. The performance of these separators can be measured by the responses total efficiency (ET), liquid ratio (RL) and Euler number (Eu), which represent the classification and concentration capacity and the energy cost, respectively. These three responses are, normally, conflicting objectives in hydrocyclones project, therefore it is necessary to use an optimization method to find out the configurations that produce good performance equipment in all three characteristics. Besides that, it’s important to adopt a robustness insertion criterion to reach reliable results, as hydrocyclone dimensions may not be totally accurate due to fabrication process limitations and wear that occur with operation. Faced with this, the purpose of this work is to project hydrocyclones with high classification and concentration capacity and low energy cost, using robust optimization by differential evolution technique basing on experimental data. The robustness introduction effect on the empirical models was evaluated through the comparison between the determination coefficient and objective function values of the nominal and robust models, besides the realization of a comparative analysis of models’ sensibility. It was verified that an augmentation in the robustness parameter (δ) makes the value of determination coefficient and objective function get worse, besides that it was noticed that the two types of model were equally sensitive to parameter perturbation when the value of δ was low, however when the value of δ was high, the robust model was less impaired than the nominal one. Both models were used to execute the hydrocyclone dimensions optimization, with and without robustness, considering four cases: maximum ET and minimum RL (case 1); maximum ET and minimum Eu (case 2); minimum RL and minimum Eu (case 3); maximum ET, minimum RL and minimum Eu (case 4). The obtained hydrocyclones presented satisfying values of the concerning responses, inside the desired range, it was also verified that the augmentation in robustness parameter value causes the robust curves to distance from the nominal ones and it reduces the objectives space, which means a smaller optimum hydrocyclones variety. Some of the optimum hydrocyclones were chosen to be used as reference in experimental tests with equipment of similar dimensions to theirs. The experimental result showed that the tested separators had a good performance. Dissertação (Mestrado)

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Nas últimas décadas destacaram-se os novos investimentos em fontes renováveis de energia. De acordo com a Agência Internacional de Energia (IEA), tais investimentos são liderados pelas fontes solar, eólica e de biomassa. O processo de pirólise solar é uma tecnologia que busca aliar a utilização de biomassa e energia solar, sendo uma solução potencial para aproveitar a energia do sol, convertendo a biomassa em um combustível transportável e armazenável, bem como em químicos de interesse. No contexto da geração de combustíveis renováveis, o combustível derivado de algas tem se apresentado como uma alternativa promissora com potencial para atender a demanda global de combustíveis. Essa biomassa apresenta forma de cultivo simples, não possui safra e pode ser gerada continuamente inclusive em terras não agricultáveis. Porém, o bio-óleo gerado tanto de materiais lignocelulósicos (tradicionalmente utilizados) quanto da pirólise de microalgas apresentam componentes indesejáveis em sua composição. Dessa forma, processos investigativos para o melhoramento da qualidade deste bio-óleo têm sido desenvolvido, a fim de utilizar-lo como fonte de combustível e químicos de interesse. Isto posto, esta tese teve como objetivo caracterizar e avaliar o potencial de duas biomassas de microalgas: a Chlamydomonas reinhardtii e a Spirulina platensis, para geração de combustíveis e químicos de interesse, via pirólise solar. Adicionalmente avaliou-se a utilização do catalisador do tipo hidrotalcita no melhoramento da qualidade dos produtos gerados. Para tal, diversas técnicas de caracterização foram utilizadas e testes solares foram realizados de acordo com a técnica de Planejamento Composto Central. As análises de caracterização revelaram que ambas as biomassas possuem potencialidades para geração de combustíveis sendo de acordo com a análise de FRX a biomassa Spirulina, conforme os minerais presentes e respectivas proporções, apresentou-se mais adequada ao processo de gaseificação. No estudo da pirólise analítica da Chlamydomonas reinhardtii, na ausência de catalisador indicou que o aumento da temperatura aumentava a quantidade de hidrocarbonetos e diminuía a de compostos oxigenados. Enquanto que, o bio-óleo produzido a partir de pirólise catalítica desta microalga mostrou uma diminuição nos compostos nitrogenados, prejudiciais à qualidade do bio-óleo. Nos testes solares da Chlamydomonas reinhardtii utilizando a técnica de Planejamento Composto Central e superfície de resposta, a análise dos principais efeitos mostrou que o mais significativo no rendimento líquido foi a interação entre o tempo e a carga mássica de microalgas utilizada no reator. Quanto à qualidade do bio-óleo, os óxidos derivados de hidrotalcita demostraram um bom desempenho, pois diminuiram os compostos nitrogenados e aumentaram a porcentagem relativa de hidrocarbonetos, no mesmo sentido auferido nos testes prévios de pirólise analítica. Os testes solares com a microalga Spirulina platensis revelaram algumas semelhanças com a pirólise solar da Chlamidomonas reinhardtii, possuindo ambas os mesmos pontos ótimos de carga mássica de microalgas e tempo de reação para geração de produtos líquidos. Porém, o catalisador atuou de maneira distinta nas microalgas utilizadas, provavelmente devido à distinção de composição química entre elas. A utilização de porcentagem de catalisador de 23,55% foi mais adequada para otimização do líquido no caso da Chlamydomonas reinhardtii. Por sua vez, a utilização de porcentagem do catalisador de 46,88% foi mais favorável para a conversão da biomassa em líquido em se tratando da Spirulina platensis. A partir do desenvolvimento desse trabalho pode-se concluir que a energia solar tem potencial para ser utilizada como fonte energética para processos térmicos a altas temperaturas. In past decades, new investments in renewable energy sources have been highlighted.According to the International Energy Agency (IEA) these investments are led by solar, wind and biomass sources. The process of solar pyrolysis is a technology that combine the use of biomass and solar energy as a potential solution to harness the energy of the sun by converting biomass energy into transportable and storable fuel and also chemicals of interest.In the context of the generation of renewable fuels, algae-derived fuel has been presented as a promising alternative with potential to meet global fuel demand. This is because this biomass presents a form of simple cultivation has no crop and can be generated continuously even on uncultivated land. However, the bio-oil generated from both lignocellulosic materials (traditionally used) and the bio-oil generated in the pyrolysis of microalgae present undesirable components in their composition, so investigative processes to improve the quality of this bio-oil have been developed in order to use oil as a source of fuel and chemicals of interest.The aim of this thesis was to characterize and evaluate the potential of two microalgae biomasses to Chlamydomonas reinhardtii and Spirulina Platensis in the generation of bio-oil via solar pyrolysis. n addition to evaluating the use of the hydrotalcite type catalyst in the improvement of the quality of the bio-oil generated. For this, several characterization techniques were used and solar tests were performed according to the Central Composite Design technique. The characterization analyzes revealed that both biomasses have potential for fuel generation. According to the FRX analysis the Spirulina biomass, according to the minerals present and respective proportions, was more adequate to the gasification process. In the study of the analytical pyrolysis of Chlamydomonas reinhardtii, in the absence of catalyst, it was indicated that the increase in temperature increased the amount of hydrocarbons and decreased that of oxygenated compounds. However, the bio-oil produced from catalytic pyrolysis of this microalga showed a decrease in the nitrogenous compounds, detrimental to the quality of the bio-oil. In the solar tests of Chlamydomonas reinhardtii using the technique of Central Composite Design and response surface, the analysis of the main effects showed that the most significant in the net yield was the interaction between the time and the mass load of microalgae used in the reactor. As for the quality of the bio-oil, the oxides derived from hydrotalcite showed a good performance, since they decreased the nitrogen compounds and increased the relative percentage of hydrocarbons, in the same sense obtained in the previous tests of analytical pyrolysis. The solar tests with the Spirulina platensis microalgae revealed some similarities with the solar pyrolysis of Chlamidomonas reinhardtii, both having the same optimum points of microalgae mass loading and reaction time for the generation of liquid products. However, the catalyst worked in different ways in the microalgae used, probably due to the distinction of chemical composition between them. The use of a catalyst percentage of 23.35% was more adequate for optimization of the liquid in the case of Chlamydomonas reinhardtii. In turn, the use of a percentage of the catalyst of 43.33% was more favorable for the conversion of the biomass to liquid in the case of Spirulina platensis. From the development of this work it can be concluded that solar energy has the potential to be used as an energy source for thermal processes at high temperatures Tese (Doutorado)

No processo de perfuração de poços de petróleo e gás, os fragmentos de rochas chamados de cascalho de perfuração são levados até a superfície através do fluido de perfuração. Ao atingir a rocha geradora de petróleo, os cascalhos gerados durante esta perfuração passam a ser denominados cascalhos de reservatórios e apresentam petróleo em sua composição. Os cascalhos de perfuração devem ser separados do fluido a fim de reaproveitar o fluido de perfuração e de remover os contaminantes do fluido presentes no cascalho, para que o mesmo possa ser descartado. O secador de cascalhos é responsável pela descontaminação destes cascalhos de perfuração, permitindo seu descarte desde que os teores residuais de base não aquosa (olefina e n-parafinas) estejam abaixo de 6,9%, em massa, segundo a legislação ambiental brasileira. A secagem por micro-ondas tem se mostrado uma excelente alternativa como secador de cascalhos, alcançando teores de base orgânica abaixo de 1%. Além disso, o tratamento por micro-ondas tem sido bastante utilizado na remediação de solos contaminados com petróleo, mostrando sua possível aplicação na remediação de cascalhos de reservatório. Neste trabalho, foi desenvolvido um protótipo semi-industrial de secagem micro-ondas em regime contínuo, para descontaminação de cascalhos de perfuração, e foram realizados estudos da remediação de cascalhos de reservatórios em uma unidade de bancada. O protótipo foi testado em condições reais de operação, utilizando vazões entre 250 e 750 kg/h, teores de contaminantes entre 7,5 e 12,5% e cascalhos offshore, evaporito e cascalhos de reservatório. Na unidade de bancada foi avaliada a remediação de cascalhos de reservatório perfurados tanto com fluido base aquosa quanto fluido base sintética. O protótipo foi capaz de reduzir, em cascalhos offshore, os teores residuais de contaminantes a níveis abaixo de 0,1% com um gasto energético comercialmente competitivo. Mostrou-se também eficaz no tratamento de evaporito e promissor na remediação de cascalhos de reservatório. O tratamento de cascalhos de reservatório na unidade de bancada mostrou que a temperatura e energia específica são importantes fatores para tratamento deste tipo de cascalho e que a tecnologia tem grande potencial de aplicação em escala semi-industrial. In the process of drilling oil wells, rocks fragments are generated and called drill cuttings. They are brought to the surface through the drilling fluid. When the drill reaches the oil reservoir, the rocks fragments generated are called reservoir drill cuttings, because they have intragranular oil. Drill cuttings and drilling fluids must be separated in order to reuse the drilling fluid and remove contaminants in drill cuttings so that it can be disposed. The cuttings dryer is responsible for the decontamination of these drill cuttings, allowing their disposal as long as the residual contents of synthetic bases (olefin and n-paraffins) are below 6.9%, by mass, according to Brazilian environmental legislation. Microwave drying has proved to be an excellent alternative as a drill cuttings dryer, reaching levels of organic base below 1%. In addition, microwave treatment has been widely used in the remediation of soils petroleumcontaminated, showing its possible application in remediation of reservoir drill cuttings. In this work, a semi-industrial prototype of continuous microwave dryer was developed for the decontamination of drill cuttings, and were evaluated the remediation of reservoir drill cuttings in a bench scale. The prototype was tested under real operating conditions, using mass flow rates between 250-750 kg/h, synthetic base content between 7.5-12.5% and using offshore drill cuttings, evaporite and reservoir drill cuttings. In the bench scale was evaluated the remediation of reservoir drill cuttings with water-based fluid and synthetic-based fluid. The prototype was able to reduce the residual content to levels below 0.1%, with low specific energy. It has also been shown to be effective in decontamination of evaporite and promising in remediation of reservoir drill cuttings. The remediation of reservoir drill cuttings in the bench scale showed that temperature and specific energy are important parameters for the treatment of this type of cuttings and the technology is able to remediation of reservoir drill cuttings. Tese (Doutorado)

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico A compreensão acerca do comportamento de escoamentos granulares e da dinâmica de partículas é de fundamental importância no que diz respeito à concepção de projetos e otimização de equipamentos industriais. Dentre eles, os tambores rotatórios têm ganhado destaque devido à sua geometria relativamente simples, que consiste em uma estrutura cilíndrica horizontal que gira em torno do próprio eixo. Entretanto, a segregação de partículas tem se tornado um dos recorrentes problemas na utilização deste equipamento, podendo afetar negativamente a eficiência do processo. Neste contexto, o presente trabalho teve como objetivo estudar o fenômeno de segregação de partículas em um tambor rotatório por meio de técnicas numéricas e experimentais. No estudo numérico, foi utilizada a abordagem Lagrangeana, na qual cada partícula é acompanhada, individualmente, com a consequente aplicação do balanço de forças, levando em consideração as interações com as demais partículas através de leis de contato. Experimentalmente, foram mensurados os coeficientes de restituição, atrito estático e atrito de rolamento, baseado nas normas da ASTM. Quanto à abordagem Lagrangeana, realizou-se a calibração dos coeficientes de atrito de rolamento e estático partícula-partícula e partícula-parede. Estes parâmetros foram avaliados em um Planejamento Composto Central e comparados com os valores obtidos experimentalmente. Através de uma técnica de análise de imagens, os índices de segregação numéricos e experimentais foram determinados. Utilizando as abordagens numérica Lagrangeana e experimental, foi estudado o fenômeno de segregação em tambor rotatório e avaliada a influência das propriedades físicas granulares como tamanho e densidade, bem como das condições operacionais: velocidade de rotação e grau de preenchimento. Para isto, foram empregadas razões de diâmetro e densidade de 5,62 e 2,11, respectivamente, velocidades de rotação de 0,59, 1,10 e 1,77 rad/s e níveis de preenchimento de 25 e 50%. Tanto as diferenças de diâmetro quanto as diferenças de densidade promoveram o fenômeno de segregação nas direções radial e axial. Uma análise mais aprofundada foi realizada em relação à constante cinética de segregação, para a qual avaliou-se a influência das condições operacionais. Ao comparar as imagens e as cinéticas de segregação obtidas experimentalmente com as geradas pelo resolvedor numérico, foi observada a similaridade entre as mesmas, permitindo afirmar que a ferramenta se mostrou promissora na análise do fenômeno. Understanding the behavior of granular flows and particle dynamics is of fundamental importance in designing and optimizing industrial equipments. Among them rotary drums have gained prominence due to their relatively simple geometry, which consists of a horizontal cylindrical structure that rotates about the axis itself. However, the segregation of particles has become one of the recurring problems in the use of this equipment, and may negatively affect the efficiency of the process. In this context, the present work had as objective to study the phenomenon of segregation of particles in a rotatory drum by means of numerical and experimental techniques. In the numerical study, the Lagrangian approach was used, in which each particle is individually monitored with the consequent application of the balance of forces, taking into account the interactions with the other particles through the contact laws. Experimentally, the coefficients of restitution, static friction and rolling friction were measured, based on ASTM standards. As for the Lagrangian approach, the calibration of the coefficients of rolling and static friction were performed. These parameters were evaluated in a Central Composite Design and compared with the values obtained experimentally. Through the technique of image analysis, numerical and experimental segregation indices were determined. Using Lagrangian and experimental approaches, the segregation phenomenon in rotatory drum was studied and the influence of granular physical properties such as size and density, as well as the operational conditions: rotation speed and degree of filling were evaluated. For this purpose, diameter and density ratios of 5.62 and 2.11, respectively, rotation speeds of 0.59, 1.10 and 1.77 rad / s and fill levels of 25 and 50% were used. Both the diameter differences and the density differences promoted the segregation phenomenon in the radial and axial directions. An analysis was performed in relation to the kinetic segregation constant, for which the influence of the operating conditions was evaluated. When comparing the images and the kinetics of segregation obtained experimentally with those generated by the numerical resolver, the similarity between them was observed, allowing to affirm that the tool showed to be promising in the analysis of the phenomenon. Dissertação (Mestrado)

In the process of drilling, the rock fragments generated by the drill are taken from the well to the surface by the drilling fluid. The drilling fluid used in Brazil is made by synthetic oil, it presents several advantages over other types of drilling fluid. However, it has the disadvantage of having high toxicity and low biodegradability, requiring a separation system of drilled cuttings contaminated with this drilling fluid. Currently, the responsible equipment for reducing these levels to the permitted by law is working under extreme conditions and residual levels generated are very close to permitted by environmental legislation. For this reason, the technique of microwave drying has been studied for use in remediation of drilled cuttings and has shown very promising because it presents high efficiency and low operational problems when it is compared to conventional equipment. Therefore, the aim of this work are to investigate the influence of various operating parameters of a microwave dryer, analyze the efficiency of the dryer microwave suited for this job and to obtain operational conditions and information for operating a industrial microwave operating in continuous flow. So were tested influence of temperature, flow rate of inert, initial fluid content, reuse of drilled cuttings, rock type, fluid type and mechanical agitation in microwave drying; tests of drying kinetics and the mapping drying inside the microwave were made. The results showed no difference in drying with the influence of inert flow and the type of fluid, but there was influence of drying temperature, the initial salt content, initial fluid content and rock type. Drying with agitation can increased the removal efficiency in 17 % with 27 mm of bed thickness, rocks with slow heating improve the removal efficiency, drilled cuttings with similar physical aspects have similar removal efficiency. The heating of rocks in the microwave depends strongly of the oxides content in its composition. The temperature control of the bed should be the upper limit of the boiling range of the hydrocarbons present in the drilling fluid. The mapping study showed that there are drying gradients inside the microwave, besides showing the intrusive effect of metals in the material, effect of the edges of the recipes and the position of exhaust fan. The equipment showed to be as efficient as others listed in the literature, which can reduce the levels of n-paraffin to below 1 % by mass. No processo de perfuração de poços de petróleo, os fragmentos de rocha gerados pela broca, são transportados do fundo do poço até a superfície pelo fluido de perfuração. O fluido de perfuração mais utilizado no cenário brasileiro é o de base sintética, pois apresenta diversas vantagens com relação a outros tipos de fluido. Porém, apresenta a desvantagem de possuir alta toxicidade e baixa biodegrabilidade, necessitando de um sistema de separação para que o cascalho contaminado com esse fluido possa ser descartado no meio ambiente. Atualmente, o equipamento responsável pela redução destes teores até os limites permitidos por lei, opera de maneira sobrecarregada e os teores residuais alcançados estão muito próximos do permitido pela legislação ambiental. Por essa razão, a técnica de secagem por micro-ondas vem sendo estudada para ser utilizada na descontaminação de cascalhos contaminados com fluido de perfuração. Essa tecnologia mostra-se ser muito promissora, pois apresenta altas eficiências de remoção e menores problemas operacionais quando comparados aos equipamentos convencionais. Por isso, o objetivo deste trabalho é verificar a influência de algumas variáveis de operação de um secador micro-ondas de bancada adaptado para a descontaminação de cascalhos de perfuração. Além de verificar a eficiência desse equipamento e obter condições operacionais e informações suficientes para o projeto de um micro-ondas semi-industrial contínuo. Para isso, foram testadas as influências da temperatura, vazão de inerte, teor inicial de fluido, reutilização do cascalho, tipo de rocha, tipo de fluido e a presença da agitação mecânica na secagem por micro-ondas; foram feitos testes de cinética de secagem por micro-ondas e feito o mapeamento da secagem no interior do equipamento. Os resultados mostraram que não houve diferença na secagem por micro-ondas para diferentes vazões de inerte e tipo de fluido, porém houve influência da temperatura da secagem, do teor inicial de sal, do teor inicial de fluido e do tipo de rocha. A agitação mecânica aumentou a eficiência de remoção em 17% para um leito de 27 mm de espessura; o aquecimento lento de cascalhos melhoram a eficiência de remoção; cascalhos contaminados que apresentam aspectos físicos iguais apresentam eficiência de remoção semelhantes. O aquecimento de rochas no micro-ondas depende, fortemente, dos teores de óxidos em sua composição. A temperatura de controle do leito deve ser acima do limite superior da faixa de ebulição dos hidrocarbonetos presentes na base do fluido de perfuração. O estudo de mapeamento mostrou que há gradientes de secagem no interior do micro-ondas, além de mostrar o efeito intrusivo de metais no material e efeito das bordas do recipiente. O equipamento apresentou ser tão eficiente quanto outros reportados na literatura, podendo reduzir os teores de n-parafina até abaixo de 1%, em massa. Mestre em Engenharia Química