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 problemáticoTrabalho de Conclusão de Curso Síntese e caracterização de MOFs produzidos a partir de ácidos di- e tricarboxílicos(2023-12-07) Martins, Arthur; Horner, Ingrid; Mira, Leonardo; Meleiro, Matheus; Oscar, MatheusA expansão contínua e desenfreada da queima de combustíveis fósseis para geração de energia para as mais diversas funções e setores gera um aumento sem precedentes na concentração de gases do efeito estufa (GEE) na atmosfera do planeta, uma alteração que impacta a temperatura do globo e consequentemente em todos os biomas e dinâmicas do planeta, prejudicando diversos setores vitais para a humanidade atual. Para solução de um problema de tamanhas proporções, diversos métodos de captura de carbono atmosférico vêm sendo desenvolvidas, muitas vezes com complexidade e custoS severamente elevadoS. Dessa forma, levando-se em consideração os fatores apresentados, durante o desenvolvimento do referido trabalho, foi abordado inicialmente síntese da MOF-5, utilizando os ácidos dicarboxílico e o tricarboxílico, em testes realizados em temperatura à 105 ºC com diferentes tempos de aquecimento (12-144 horas). Posteriormente todas as amostras foram submetidas a 3 ciclos de lavagens a cada 24 horas, sendo a primeira com dimetilformamida e a segunda e a terceira com clorofórmio. Após o processo de lavagem as amostras foram secas a vácuo 60 ºC. Os cristais obtidos foram analisados no processo de difração de raio X, onde foi possível identificar os picos para caracterização da MOF-5 e análises das amostras que seriam qualificadas para possível estudo na adsorção do carbono.Trabalho de Conclusão de Curso Caroço de açaí:(2023-12-07) Silva, Letícia França Lopes da; Rufino, Larissa Riveira Gasquez; Malhas, Mariana Ramalho; Falciano, Maria Julia Santos; Freitas, Rodrigo Gomes deAtualmente, as baterias de íon-lítio (Li-íon) se tornaram as mais amplamente utilizadas em todo o mundo, conforme afirma a Agência Internacional de Energia (AIE). Elas são altamente valorizadas por sua alta densidade de energia, longa vida útil, baixa taxa de autodescarga e capacidade de recarga rápida. O objetivo deste estudo é avaliar a viabilidade da utilização da biomassa proveniente do fruto açaí (caroço e fibras) como uma alternativa sustentável para substituição do Carbon Black (negro de fumo), que é usualmente utilizado como aditivo condutor nas baterias Ion Lítio, na montagem do ânodo. Ademais, compara-se a eficiência de utilizar apenas o caroço e o caroço com fibras. Através da reação de pré-tratamento químico da biomassa, seguida da sua pirólise e, posteriormente, a grafitização, obtém-se o produto de estudo, no qual realiza-se os testes de BET, DRX, MEV, com o intuito de caracterizar as amostras e, por fim, a voltametria cíclica, o que permitiu verificar sua viabilidade e eficiência. A amostra de referência utilizada foi o Vulcan XC-72, um tipo de carbon black utilizado na produção de baterias. Com base nas análises efetuadas, constatou-se que nenhuma das amostras apresentou uma proximidade significativa em relação aos valores de área superficial, volume e tamanho dos poros do material Vulcan. Entretanto, é viável inferir que o processo de grafitização resultou em um aumento na área superficial, bem como na formação de poros com maior volume. Por meio do teste de difração de raio X, as amostras exibem características de picos 2θ semelhantes aos observados no Vulcan, no entanto, é evidente que esses picos não apresentam uma definição clara, resultando em uma banda difusa. Através da análise por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), constatou-se que o material lignocelulósico apresentou um grau de incompletude. Essa característica pode ter sido influenciada não apenas pelas condições durante os processos de pirólise e grafitização, mas, principalmente, pelas condições de pré-tratamento. Já com o teste de voltametria cíclica, as curvas se aproximaram mais de um voltamograma de um pseudocapasitador, o que não invalida o resultado do estudo uma vez que podem ser utilizados em baterias de íon-lítio.Trabalho de Conclusão de Curso Dimensionamento e gerenciamento de baterias elétricas com painel solar para robô Husky A200(2023-12-07) Pereira, Alex Alves Nunes; Amparo, Gabriel Da Silva; Souza, Hugo Koiti Ianae deEste projeto consiste no desenvolvimento de um dispositivo eletrônico, responsável pela alimentação de um robô autônomo de monitoramento, modelo Husky A200 UGV. Tendo em vista problemas com sobrepeso de baterias, carregamento e autonomia, características inerentes de veículos elétricos, este projeto teve por base o desenvolvimento de um sistema capaz de gerenciar dois packs de baterias de íons de lítio, que estarão conectados a um painel solar monocristalino. A partir das características construtivas do robô e requisitos de projeto para a finalidade proposta, como por exemplo, tensão e corrente de operação e autonomia para cada pack de baterias, o dispositivo foi dimensionado, instalado e testado no robô Husky. Para que o dispositivo gerencie e alterne os packs de baterias, juntamente com o painel solar, foi utilizado uma placa de prototipagem eletrônica, modelo Arduino UNO. A partir dos testes iniciais, definiu-se a autonomia para cada pack de baterias e, posteriormente foram realizadas, modificações no hardware e programação para que o dispositivo operasse de forma correta e eficiente. Após avaliar o funcionamento do dispositivo, os resultados obtidos possibilitam inferir que o conjunto de packs de baterias de 24v e 20A é suficiente para atender aos parâmetros de projeto e que o painel solar monocristalino é uma alternativa promissora para reduzir a descarga energética dos packs.Trabalho de Conclusão de Curso Propriedades de combustíveis obtidos por fracionamento do bio-óleo de pirólise(2023-12-07) Martinez, Felipe Campagnolo; Silva, Jessika Oliveira; Lourenço, Laura Cristina Barreto; Raimundo, Pedro Henrique MacielDiante da necessidade socioambiental por novas fontes de energia, e da carência industrial por novas oportunidades de uso de seu material residual, o uso da biomassa como matéria prima para a produção de combustíveis surge de maneira relevante para entregar eficiência energética e oportunidades de amenizar graves problemas ambientais em relação a poluição do ar e do solo, e esgotamento de recursos naturais fósseis. O processo de pirólise é uma promissora rota para obtenção de combustíveis a partir da degradação termoquímica da biomassa, qual resulta em um bio-óleo com propriedades combustíveis. Dentre os produtos obtidos no processo de degradação da biomassa, um que tem ganhado espaço de mercado é o produto líquido conhecido como bio-óleo, promissor concorrente de combustíveis convencionais, se sintetizado com o sequenciamento adequado das operações unitárias que englobam o procedimento deste tipo de projeto. Este trabalho apresenta um estudo do processo de fracionamento do bio-óleo de pirólise através de operações extrativas líquido-vapor (flash) e líquido-líquido (extração com solvente) para obtenção de frações com propriedades melhoradas. Essas propriedades foram analisadas experimentalmente em diferentes frentes (densidade, viscosidade, pressão de saturação e propriedades combustíveis) para tornar mais robusto o parecer sobre a viabilidade de uso dessa matéria prima em detrimento das fontes fósseis. Outra ferramenta de análise importante para fortalecer o estudo, foi o software computacional Aspen Plus, utilizado como plataforma para simulação de processos. Com ele, pudemos esquematizar as etapas realizadas experiementalmente e, através da simulação, otimizou-se parâmetros usados/obtidos (temperatura, pressão, volume, etc) e detalhou-se as informações sobre as correntes envolvidas no processo, obtendo uma melhora contínua nos rendimentos e na produtividade do sistema. Em síntese, o presente estudo visa a identificação e extração de produtos do bio-óleo da pirólise de biomassa, de modo a obter produtos de alto valor agregado e com propriedades combustíveis, em alternativa aos chamados “combustíveis pesados”, sendo estes consumidos em abrangência ainda nos dias atuais em alinhamento com as pautas de sustentabilidade e meio ambiente.Trabalho de Conclusão de Curso Obtenção de etanol a partir do abacaxi pérola natural e contaminado(2023-12-07) Spiesz, Felipe Vitorassi; Oquini, Isabella Vespa; Divino, João Eduardo Felix; Lima, Maria Carolina Lopes Machado deO abacaxi (Ananas comosus L.) é um fruto muito cultivado no Brasil e no mundo devido às suas características organolépticas como sabor, odor e textura. Dada a sua produção em larga escala, é evidente que há um grande desperdício em todas as etapas, desde o cultivo até o consumidor final. 30% desta perda está relacionada com a contaminação do fruto por fungos (Fusarium guttiforme) causando a doença fusariose, gerando o risco de contaminar outros frutos, animais e humanos, desta forma, deve ser validado o estudo da obtenção de etanol a partir dos produtos de descarte de abacaxi pérola. Através de algumas operações unitárias físicas, como corte, trituração, peneiramento e filtração à vácuo, foram preparadas as alíquotas a serem submetidas à fermentação anaeróbica. Para isso, se fez necessária a hidrólise enzimática dos resíduos celulósicos do abacaxi, como casca e coroa. As enzimas celulases foram utilizadas para converter a celulose e a hemicelulose em açúcares redutores, tais como glicose e xilose. Para avaliar a eficiência do processo, foi analisada a concentração de açúcares redutores nas etapas de hidrólise e fermentação, além do produto final (etanol) das amostras de fermentação. No decorrer do processo de transformação dos açúcares, presente nos resíduos do abacaxi, a refratometria e a cromatografia auxiliaram na identificação de todos os sólidos solúveis (açúcares redutores e não-redutores) presentes nas alíquotas de suco da polpa, e os açúcares fermentescíveis precedente e posteriormente à hidrólise, evidenciando que a reação de hidrólise enzimática foi de grande sucesso, apesar de que no hidrolisado, o teor de açúcares foi menor (9,8 °Brix), quando comparado ao suco in natura composto principalmente por frutose (11,8 °Brix). Por fim, de modo a determinar o teor total de etanol alcançado nos ensaios de fermentação do mosto, as amostras foram submetidas a uma análise através do uso de HPLC. Com isso, foi observado que as amostras hidrolisadas, devido ao fato de apresentar menos açúcares em sua composição do que o suco in natura, tem menor conversão na fermentação, gerando menor teor alcoólico. Apesar disso, devido à influência da fermentação natural do fruto decorrente da contaminação, as amostras fermentadas advindas do fruto e hidrolisado contaminados, apresentaram maior teor alcoólico, de 3,88%, quando comparado com a primeira etapa, utilizando abacaxis saudáveis, que tiveram teor alcoólico de 3,35%.Trabalho de Conclusão de Curso Processo de produção de um bioplástico a partir da quitosana obtida através de resíduos do exoesqueleto de crustáceo(2023-12-07) Fernandes, Giovanna Lippert; Silva, Lara Helena Llanas; Correia, Raffaella GrotteriaO crescimento populacional vem impulsionando um aumento expressivo na geração de resíduos sólidos. À medida que a população mundial aumenta, a quantidade de resíduos gerados por dia também aumenta e, o aumento da geração de resíduos, é capaz de trazer sérias consequências tanto para o meio ambiente quanto para a saúde humana se não for gerenciado adequadamente. Os resíduos sólidos quando não gerenciados corretamente podem contaminar o ar, a água e o solo e, dessa forma, pode afetar a qualidade de vida das pessoas e a biodiversidade do meio ambiente. O descarte inadequado de embalagens plásticas pode trazer danos significativos, uma vez que são materiais altamente resistentes e levam centenas de anos para se decompor no meio ambiente. Levando-se em consideração os pontos destacados, o objetivo deste trabalho foi desenvolver um bioplástico a partir da quitina extraída de um crustáceo, e o escolhido foi a lagosta, uma vez que não foram feitos muitos estudos utilizando este tipo de crustáceo, o que representa um âmbito inovativo no presente trabalho. Essa quitina foi obtida através dos processos de desmineralização e desproteinização, e convertida por meio da desacetilação em quitosana, que é um polímero biodegradável e não tóxico e, através dela, obteve-se um material com propriedades semelhantes aos plásticos convencionais, como resistência e flexibilidade, contudo mais sustentável e ecológico. Para isso, foi avaliada a utilização do glicerol como plastificante, assim como foram feitas caracterizações FTIR, DRX e análise mecânica, e finalmente a comparação com o biofilme produzido a partir da quitosana artificial. Esse bioplástico além de ser benéfico ao meio ambiente, quando comparado com o plástico tradicional, ajudará a reduzir as quantidades de resíduos gerados uma vez que se degrada rapidamente na natureza e não traz danos ao meio ambiente. Através deste estudo, foi possível obter resultados satisfatórios ao produzir o bioplástico a partir da quitosana extraída da casca de lagosta, e do produzido a partir da quitosana artificial. A viabilidade da produção do bioplástico foi analisada, demonstrando-se positiva.Trabalho de Conclusão de Curso Alternativas para segurança - implosão de tanques(2023-12-07) Rocha, Felipe Ferreira Portela; Dias, Guilherme Bucci; Cimidamore, Guilherme Taques; Medeiros, Gustavo Rocha de; Babuska, Juliano Arrais; Kemita, Leriane ReisNa indústria de alimentos e bebidas, a limpeza adequada de tanques de armazenamento é fundamental para garantir a qualidade dos produtos e segurança de processo. No entanto, condições inadequadas para a limpeza podem ocasionar a implosão de tanques de armazenamentos, acarretando consequências graves, tanto em termos de segurança dos trabalhadores, perda de produto como em danos materiais significativos para a empresa. Diante disso, este estudo teve como objetivo analisar a implosão de um tanque de armazenamento de suco durante uma limpeza de rotina, com foco em identificar as causas do acidente e propor medidas preventivas para incidentes de mesma natureza. Para aprofundamento no caso, utilizaram-se pesquisas amplas sobre tanques de armazenamento, condições ideais de estocagem e causas de implosão, bem como procedimentos de segurança adotados em limpezas de tanques. Para o desenvolvimento do projeto, optou-se por utilizar dados fornecidos pela empresa que sofreu o acidente, no qual, foi desenvolvido o modelo matemático e confrontado com os valores no Aspen Plus, que simulou as condições de pressão e temperatura dentro do tanque, a fim de identificar pontos críticos, limites de operação e integridade com o incidente real. A partir dessas análises, foram averiguadas possíveis causas da implosão e sugeridas medidas preventivas para evitá-las, como o uso de um dispositivo de segurança que introduz nitrogênio inerte em condições de pressões inseguras. Além disso, o dispositivo é acionado com o controle elaborado pelo grupo, pós modelagem do incidente. Logo, espera-se contribuir para a segurança e eficiência das operações de armazenamento e limpeza de tanques na indústria de alimentos e ocorrências da mesma natureza com a integridade da análise da implosão e a proposta desenvolvida no trabalho.