Engenharia Química
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Dissertação Simulações computacionais para avaliação da segurança de reatores químicos sob condições extremas(2025) Stelmasuk, Guilherme FernandezA segurança de processos é essencial para garantir a integridade operacional, proteger vidas e minimizar impactos ambientais, assegurando a eficiência e a confiabilidade nas operações industriais. Este projeto desenvolve uma simulação de fluidodinâmica computacional (CFD) utilizando o software Ansys para analisar o comportamento de um reator químico em condições extremas, como altas temperaturas e incêndios, e sugerir melhorias para a segurança da fábrica. O estudo foca na polimerização de um poliéster saturado carboxilado, utilizado na fabricação de tintas em pó. Foram desenvolvidas duas geometrias, bidimensional e tridimensional, e realizadas quatro simulações (duas para cada dimensão), variando parâmetros físicos e obtendo os tempos de simulação. A cinética da reação de poliesterificação foi modelada no MATLAB, com otimizações para determinar parâmetros desconhecidos e ajustar o modelo aos dados experimentais por meio do método dos mínimos quadrados. As simulações CFD indicaram que o tempo necessário para uma simulação completa da reação química seria inviável. No entanto, o modelo cinético desenvolvido ajustou-se satisfatoriamente à tendência de avanço da polimerização ao longo do tempo. Um termo que contabiliza a variação de pressão no reator foi desenvolvido e incluído no modelo cinético, prevendo situações extremas de processo, como incêndios. Simultaneamente, foram dimensionados dois dispositivos de segurança, uma válvula de alívio e um disco de ruptura, que atendem ao processo estudado. Por fim, o modelo cinético foi combinado com o termo de pressão e os dispositivos de segurança dimensionados, estudando o perfil de segurança com o alívio dos gases do interior do reator. Constatou-se que, com os dispositivos de segurança instalados, a pressão tende a se manter dentro do limite máximo para operação do reator (3,16 bar), evitando danos estruturais ou fatalidades decorrentes do aumento descontrolado de pressão, em que a válvula de alívio chegou a pressão máxima de 2,80 bar e o disco em 3,00 barDissertação Produção de butanol por fermentação de hidrolisado lignocelulósico com recuperação integrada de produto(2024) Silva, Erickson Soares daO butanol, também conhecido como n-butanol, apresenta-se como um intermediário importante na indústria química, ganhando cada vez mais destaque como um promissor combustível veicular. O butanol pode ser produzido a partir de recursos renováveis, entre os quais se incluem os resíduos lignocelulósicos derivados de subprodutos industriais, como o bagaço da cana-de- açúcar. A bioconversão de açúcares de biomassa em butanol pode ser efetuada através do processo de fermentação Acetona-Butanol-Etanol (ABE). Esse processo é mediado por bactérias pertencentes ao gênero Clostridium, capazes de fermentar uma ampla gama de monossacarídeos, abrangendo tanto hexoses quanto pentoses presentes nas biomassas lignocelulósicas. Isso confere uma vantagem significativa em relação aos microrganismos naturalmente produtores de etanol, que geralmente apresentam capacidade de síntese limitada a algumas hexoses. No entanto, a produção de butanol é limitada devido à sua toxicidade para as próprias bactérias produtoras, com uma concentração inibitória de aproximadamente 10-13 g/L. Visando superar esta limitação, o objetivo do presente trabalho é desenvolver um bioreator de escala de bancada de 250 mL com um sistema integrado de recuperação do produto, utilizando esgotamento com gases (gas-stripping). Por meio de um planejamento experimental, foram estabelecidas as condições ótimas de concentração de glicose, pH e percentagem de inóculo, permitindo a realização de fermentação em batelada no reator desenvolvido. Empregando o meio hidrolisado celulósico nos testes em reator, alcançou-se um consumo de 100 % de glicose, com concentração final de butanol de 9,07 g/L, e um rendimento de 0,29 gbutanol/gglicose consumida, indicando uma fermentação bem sucedida. Adicionalmente, diferentes vazões de gás inerte foram avaliadas, partindo de soluções modelos de ABE, com o objetivo de maximizar a recuperação do produto, concluindo que vazão de 75 cm³/min (0,5 vvm) de nitrogênio seria o ideal para condução da recuperação do butanol do meio fermentativo. A recuperação de butanol do meio de fermentação foi alcançada, demonstrando a viabilidade do sistema de recuperação proposto, apesar de ainda serem necessários ajustes para mitigar possíveis entradas de oxigênio no meio reacionalDissertação Estudo das propriedades de escoamento de biomassa para aplicação em alimentadores mecânicos(2024) Palma, Marcela SalesEste trabalho analisou as propriedades físicas e comportamentais de biomassa, como pinus, eucalipto e cedro, tanto individualmente quanto misturadas. O objetivo foi identificar padrões que possam auxíliar no desempenho de processos que empregam fontes de biomassa, como gaseificação e combustão para geração de energia. Este estudo focou nas propriedades de fluxo de amostras de madeira, com diferentes granulometrias. Os resultados indicaram que a composição e formato das partículas desempenham papéis cruciais na fluidez, coesão e compactação da biomassa. Misturas específicas apresentaram melhorias ou desafios em relação às propriedades individuais. A avaliação da coesão mostrou-se necessário para garantir um fluxo eficiente por gravidade nos funis de alimentação e uma fluidização adequada nos reatores. A diversidade em tamanho e formato das amostras de biomassa utilizadas gerou desafios na alimentação mecânica de processos de conversão de energia. Biomassa compostas por fibras alongadas demandaram mais energia para o seu transporte e foram mais propensas ao intertravamento mecânico. Materiais uniformes em tamanho foram facilmente fluidizados, mas apresentaram maiores perda de carga e coesão. Soluções eficazes incluíram o estudo de biomassa processadas, como o Eucalipto peletizado, e materiais com tamanho de partícula intermediária. Conclui-se que a utilização de biomassa com tamanho de partícula intermediária pode ser mais viável para alimentação, especialmente em sistemas que demandam eficiência na manipulação de biomassa heterogênea em tamanho e fibrosa. Além disso, o comportamento de misturas binárias foi estudado a partir de biomassas puras, visando melhorar as condições de fluxo da biomassa problemática (Eucalipto 10 mesh) em alimentadores mecânicos. Através dos testes realizados, identificou-se uma condição para a utilização de biomassa sem causar problemas no transporte em roscas transportadoras, estabelecida por uma massa específica aparente superior a 0,200 g/cm³ e um índice de compressibilidade inferior a 30,0%. Os resultados observados na mistura de Eucalipto 10 mesh com Pinus Bruta na proporção de 50/50 (%m), demonstraram estabilidade de fluxo de energia do BFE, sendo uma solução para o emprego da biomassa pura de Eucalipto moído a 10 mesh, já que seu escoamento quando puro é problemático- Influência sinergética das frações das frações SARA na formação de agregados de asfaltenos(2024) Costa, Gabriel Medeiros do NascimentoA fração asfaltenos representa as moléculas do óleo bruto de maior massa molar, polaridade e atividade interfacial. Asfaltenos dificultam e encarecem os processos petroquímicos devido à diminuição da produtividade e necessidade de manutenções causadas pela sua facilidade de agregação e adsorção em paredes sólidas. Maltenos, que representam o restante do óleo após a extração dos asfaltenos, influenciam no processo agregativo, mas não apresentam estudos suficientes para elucidar as suas interações com asfaltenos de forma clara. O presente trabalho descreve a influência das interações asfaltenos asfaltenos, asfaltenos maltenos e maltenosmaltenos no processo agregativo de asfaltenos. Em específico, o estudo descreve a influência dos maltenos na concentração de agregação crítica (CAC), na reologia de gotas pulsantes e em filmes de monocamadas de asfaltenos. Gotas de soluções asfaltenomaltenos foram submetidas a ensaios de tensiometria. Filmes de monocamadas de asfaltenosmaltenos foram submetidos a ensaios na cuba de Lagmuir . Os resultados demonstraram que o aumentar da proporção mássica de maltenos causa um acréscimo na CAC, chegando a valores de 0,0526g/L, postergando o processo agregativo dos asfaltenos, além de diminuírem o módulo de elasticidade de gotas pulsantes. Percebe se que com o acréscimo de maltenos, nas soluções estudadas, diminuise drasticamente o caráter elástico da interface, formando filmes menos rígidos apresentando uma reologia que desfavorece a agregação e facilita o fluxo de matéria. Ensaios de tensiometria com gotas estáticas e ensaios oscilatórios na cuba de Lagmuir mostram uma transição crítica entre as frações mássicas de asfaltenos igual a 0,4 e 0,6, interferindo na taxa de decaimento da CAC e na taxa de aumento módulo de elasticidade com o aumento da quantidade de maltenos na solução. Concluise com este trabalho a comprovação da importância dos maltenos na solubilidade dos asfaltenos em óleo bruto, postergando o processo agregativo para concentrações maiores, tendendo a estabilização do módulo de elasticidade e sua parcela elástica mesmo em frequências de oscilação altas. Este trabalho representa grandes avanços na área petroquímica com o incentivo ao foco nos estudos dos malteno no processo agregativo de asfaltenos, não somente na construção de novos modelos agregativos, mas também no desenvolvimento de soluções para esse problema como, por exemplo, elaboração de inibidores agregativos ou de depósitos e aditivos para melhorar o fluxo de matéria
- Avaliação da transferência de calor em tubo disposto em formato helicoidal para aplicação em reforma de etanol embarcada em veículos automotores(2024) Guain, Aymê UtimatiA busca por combustíveis renováveis se torna cada vez mais importante devido à preocupação em relação aos impactos ambientais. Tratando-se do motor de combustão interna, no cenário atual, uma das melhores opções de combustível é o etanol; porém, este tem baixo poder calorífico se comparado à gasolina. Esta limitação pode ser contornada promovendo-se a reforma a vapor de etanol para obtenção de hidrogênio, que misturado ao etanol e alimentado ao motor, tem potencial para melhorar o desempenho deste. A reforma a vapor de etanol é conduzida em fase gasosa com alta temperatura, portanto a mistura água-etanol precisa ser vaporizada antes de ser alimentada ao reformador. A ideia é que a reforma aconteça dentro do escapamento do automóvel, utilizando como fonte quente os fumos exauridos da combustão; entretanto, o baixo coeficiente convectivo dos fumos limita a transferência de calor. Dentre as diversas formas de se intensificar a transferência de calor em sistemas tubulares, há a disposição de tubos em formato helicoidal. Neste contexto, a proposta deste trabalho é estimar os coeficientes convectivos externo e interno e analisar a transferência de calor no tubo helicoidal. A estimativa dos coeficientes convectivos foi feita a partir de correlações empíricas e por fluidodinâmica computacional (CFD) utilizando-se o software Ansys Fluent. Nas simulações foram avaliados os efeitos do passo entre as hélices formadas pelo tubo helicoidal, do diâmetro do tubo helicoidal, do ângulo de estreitamento das hélices, do diâmetro das hélices e do diâmetro do escapamento. Os resultados mostram que os coeficientes convectivos previstos pelas correlações empíricas e por CFD são compatíveis entre si. O tubo helicoidal pode aumentar o coeficiente convectivo interno médio em até 40% em comparação ao tubo reto. O passo entre as hélices afeta significativamente o coeficiente convectivo externo; entretanto, não apresenta influência no coeficiente convectivo interno. O estrangulamento do diâmetro do tubo helicoidal pode proporcionar aumento superior a 29% no coeficiente convectivo externo médio. O ângulo de estreitamento das hélices tem potencial para aumentar o coeficiente convectivo externo médio em mais de 27%. O diâmetro das hélices tem impacto significativo em ambos os coeficientes convectivos, sendo os maiores diâmetros capazes de proporcionar coeficientes convectivos externos médios 12% maiores; em contrapartida, menores diâmetros resultam em coeficientes convectivos internos médios 30% maiores. Os resultados experimentais mostram que o ângulo de estreitamento pode intensificar o fluxo de calor em 150% na faixa estudada
- Construção e teste de um interferômetro para medidas de índice de refração de sistemas gasosos(2023) Santos, Juliana Brunelli StocoOs combustíveis fósseis têm sido utilizados como uma importante fonte de energia convencional para os setores de transporte, contudo o seu consumo em excesso trouxe sérias carências energéticas, provocando graves problemas para a humanidade. Diante desse cenário, torna-se imprescindível a busca e o desenvolvimento de fontes alternativas de energia que sejam renováveis. O hidrogênio se apresenta como uma possibilidade atraente, sendo apontado como uma fonte de energia limpa, pois sua combustão gera apenas vapor de água. A reforma a vapor do etanol é considerada um processo vantajoso para a obtenção de hidrogênio, pois apresenta alto rendimento no produto, é um processo neutro em carbono e a matéria-prima pode vir de fontes de biomassa. O processo de reforma produz uma corrente gasosa composta principalmente por hidrogênio, metano, monóxido de carbono e dióxido de carbono. Portanto, o presente estudo se propôs construir e testar um sistema interferométrico, com a finalidade de identificar a composição desses gases na mistura resultante da reforma a vapor, utilizando medidas de índice de refração. A refratometria é uma técnica usada para determinar a composição de misturas gasosas, através das regras refrativas de misturas. Para atingir o objetivo deste trabalho foi utilizada a regra de mistura de Gladstone-Dale, levando-se em consideração a temperatura de cada amostra. Para realizar os experimentos foi feita uma montagem composta por três elementos principais, um interferômetro de Michelson, iluminado por lasers emitindo a 632,8 nm, 532 nm, 655,3 nm e 850 nm; um sistema de vácuo com uma bomba mecânica, que realiza a medição da pressão absoluta, e um sistema para a contagem de franjas de interferência. Para testar a validade desse arranjo, foram realizados experimentos com o ar atmosférico e com os gases puros de argônio, nitrogênio e dióxido de carbono, que apresentaram resultados satisfatórios, próximos aos da literatura, com baixos desvios experimentais. Também foi efetuada uma análise para uma mistura binária, contendo argônio e nitrogênio, que apresentou resultados aceitáveis ao compará-los com os valores obtidos pela regra de Gladstone-Dale, sendo que os desvios experimentais não ultrapassaram de 1,5%. A mesma comparação foi realizada para o ar atmosférico e verificou-se que os desvios foram menores que 0,5%, validando o sistema interferométrico utilizado. Por fim, foi demonstrado que é possível determinar a composição de uma mistura gasosa nesse sistema através da regra de Gladstone-Dale e utilizando lasers com comprimentos de ondas mais afastados
- Análise da atividade de carbono na reforma do etanol(2023) Moraes, Jéssica Pagliuca deUma das formas mais promissoras de produção de hidrogênio com matérias primas renováveis é o processo de reforma do etanol, que acontece quanto etanol e água passam por um reator na presença de um catalisador metálico. Entretanto, nesse processo pode ocorrer formação de carbono, que envenena o catalisador, comprometendo assim, a produção de hidrogênio. Por este motivo, o presente trabalho tem como objetivo analisar a atividade de carbono do processo de reforma, como ela afeta a deposição de carbono, quais as condições necessárias para ela ocorrer e quais as condições para evitar a formação de carbono. Para isso, o processo de reforma foi simulado no software ASPEN PLUS V.12 usando a ferramenta reator de Gibbs, que através da minimização da energia livre prevê a composição provável da corrente de saída do reator e consequentemente a possível formação de carbono sólido. Através desses dados foram calculadas as atividades de carbono das três reações principais de formação de carbono em diversas condições. Além disso, foi feita uma comparação desta com a previsão termodinâmica com experimentos publicados por diversos artigos em diversas condições de processo
- Propriedades termodinâmicas e espectroscópicas de soluções líquidas binárias contendo (diidrolevoglucosenona + álcoois)(2023) Castro, João Vítor Mateika deO uso de solventes e combustíveis derivados de fontes renováveis é de interesse da indústria, ao atuarem como promissores substitutos àqueles derivados do petróleo. Como consequência desse interesse, a academia deve suprir a demanda por reconhecimento e avaliação de suas propriedades. O presente projeto teve como objetivo estudar fenômenos químicos, físicos e estruturais presentes em sistemas líquidos binários contendo {diidrolevoglucosenona (Cyrene, DLGN) + C2-C5 n-álcoois}. Foram realizadas medidas experimentais de densidade, velocidade do som e viscosidade de soluções contendo diidrolevoglucosenona + álcoois, na faixa de temperatura entre (T = 288,15 – 305,15 K), a p = 92,71 kPa, e em toda faixa de composição. Esses resultados foram usados para calcular o volume molar excesso (Vm E ?, o desvio da compressibilidade isentrópica (??), o desvio da viscosidade (??) e a energia de Gibbs de ativação excesso (?G E*), os quais foram correlacionados por um polinômio do tipo Redlich-Kister, apresentando uma boa concordância com os dados experimentais. Esses resultados sugerem que efeitos químicos e estruturais devem ser predominantes sobre efeitos físicos para todos os sistemas estudados. Para complementar os resultados termodinâmicos e buscar a elucidação dos fenômenos de interação presentes nas misturas, foram determinadas propriedades espectroscópicas dos sistemas estudados, utilizando as técnicas de espectroscopia na região do infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) e ressonância magnética nuclear de carbono (RMN 13C) e de hidrogênio (RMN 1H). Essas análises espectroscópicas confirmaram interações específicas, por meio de ligações de hidrogênio entre o DLGN e os álcoois presentes nas misturas.
- Propriedades físico-químicas e espectroscópicas de sistemas binários contendo gasolina e álcoois(2023) Almeida, Bruna CostaNo Brasil, a ANP (Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustível) estabelece regras por meio de portarias, instruções normativas e resoluções para garantir a qualidade de combustíveis e biocombustíveis e suas misturas. A Resolução nº 807, de 23 de janeiro de 2020, realiza o controle de qualidade da gasolina de uso automotivo determinando especificações que devem ser atendidas pelos agentes econômicos que comercializarem o produto em todo o território nacional. Neste contexto, o presente estudo teve como objetivo obter dados experimentais de densidade, velocidade do som, viscosidade, MON, RON, curvas de destilação, pressão de vapor e calor de combustão de misturas binárias contendo gasolinaetanol e gasolina-butanol, em toda faixa de composição, à diferentes temperaturas. As temperaturas estudadas para obter valores das propriedades físicas das misturas variaram entre 20 e 35°C, em intervalos de 5°C, e os valores de pressão de vapor foram obtidos a uma temperatura fixa de 37,8°C. Buscando uma explicação molecular para tentar elucidar os principais fenômenos físicos e químicos que ocorrem nas misturas estudadas, foram realizadas também medidas de propriedades espectroscópicas por meio da obtenção de espectros de Ressonância Magnética Nuclear de hidrogênio (1H-RMN) e de carbono (13C-RMN). A partir dos resultados obtidos, foi possível concluir que o aumento da concentração dos álcoois nas misturas leva a valores das propriedades físicas e de vaporização menos satisfatórios no que diz respeito à legislação; com o etanol apresentando melhores características físicas e de detonação, e o butanol apresentando um melhor calor de combustão
- Acoplamento da desoxigenação de óleos vegetais com a reforma de glicerol em reator multifuncional(2023) Conca, Lucas RodriguesUm dos equipamentos estudados na intensificação de processos é o reator multifuncional. Nele, é possível acoplar em um único equipamento uma reação exotérmica, que cede calor, e uma endotérmica, reação que recebe energia, reduzindo ou eventualmente dispensando a necessidade de utilidades. Neste trabalho foram estudadas as reações de desoxigenação de óleos vegetais, de caráter exotérmico, e a reforma do glicerol em fase aquosa, de caráter endotérmico. Ambas as reações individualmente são capazes de produzir combustíveis renováveis, que devem ocupar cada vez mais espaço na matriz energética brasileira e mundial. No caso da desoxigenação, a produção de um biodiesel de alta qualidade pode permitir um aumento da sua composição no diesel comercializado. Já a reação de reforma do glicerol permite a produção do hidrogênio, que pode ser consumido como combustível diretamente em células a combustível e também ser usado como matéria prima na reação de desoxigenação, além de utilizar o glicerol, que é um subproduto excedente no mercado nacional e internacional. O estudo foi realizado por meio da simulação do reator multifuncional, considerando os balanços materiais e de energia. A cinética de cada um dos meios reacionais foi tomada da literatura. As equações diferenciais ordinárias resultantes dos balanços foram resolvidas com o software Matlab. Foram simuladas diferentes condições operacionais, considerando um reator duplo tubo em escoamento cocorrente. Fez-se também uma análise para a compatibilização dos dois meios reacionais e, definindo-se uma função objetivo de natureza econômica, foi realizada a otimização das condições de projeto e de operação. A partir desta análise, foi possível obter altas conversões tanto no meio endotérmico quanto no exotérmico, acima de 95%. Os resultados da otimização demostraram que existe a possibilidade de se aumentar em mais de 2,7 vezes o lucro potencial da operação