Mathematical modeling of drying process of unripe banana slices

Unripe banana flour (UBF) production employs bananas not submitted to maturation process, is an interesting alternative to minimize the fruit loss reduction related to inappropriate handling or fast ripening. The UBF is considered as a functional ingredient improving glycemic and plasma insulin levels in blood, have also shown efficacy on the control of satiety, insulin resistance. The aim of this work was to study the drying process of unripe banana slabs (Musa cavendishii, Nanicão) developing a transient drying model through mathematical modeling with simultaneous moisture and heat transfer. The raw material characterization was performed and afterwards the drying process was conducted at 40 ºC, 50 ºC e 60 ºC, the product temperature was recorded using thermocouples, the air velocity inside the chamber was 4 m·s-1. With the experimental data was possible to validate the diffusion model based on the Fick\'s second law and Fourier. For this purpose, the sorption isotherms were measured and fitted to the GAB model estimating the equilibrium moisture content (Xe), 1.76 [g H2O/100g d.b.] at 60 ºC and 10 % of relative humidity (RH), the thermophysical properties (k, Cp, ?) were also measured to be used in the model. Five cases were contemplated: i) Constant thermophysical properties; ii) Variable properties; iii) Mass (hm), heat transfer (h) coefficient and effective diffusivity (De) estimation 134 W·m-2·K-1, 4.91x10-5 m-2·s-1 and 3.278?10-10 m·s-2 at 60 ºC, respectively; iv) Variable De, it presented a third order polynomial behavior as function of moisture content; v) The shrinkage had an effect on the mathematical model, especially in the 3 first hours of process, the thickness experienced a contraction of about (30.34 ± 1.29) % out of the initial thickness, finding two decreasing drying rate periods (DDR I and DDR II), 3.28x10-10 m·s-2 and 1.77x10-10 m·s-2, respectively. COMSOL Multiphysics simulations were possible to perform through the heat and mass transfer coefficient estimated by the mathematical modeling.

A contribution on modeling methodologies for multibody systems.

Multibody System Dynamics has been responsible for revolutionizing Mechanical Engineering Design by using mathematical models to simulate and optimize the dynamic behavior of a wide range of mechanical systems. These mathematical models not only can provide valuable informations about a system that could otherwise be obtained only by experiments with prototypes, but also have been responsible for the development of many model-based control systems. This work represents a contribution for dynamic modeling of multibody mechanical systems by developing a novel recursive modular methodology that unifies the main contributions of several Classical Mechanics formalisms. The reason for proposing such a methodology is to motivate the implementation of computational routines for modeling complex multibody mechanical systems without being dependent on closed source software and, consequently, to contribute for the teaching of Multibody System Dynamics in undergraduate and graduate levels. All the theoretical developments are based on and motivated by a critical literature review, leading to a general matrix form of the dynamic equations of motion of a multibody mechanical system (that can be expressed in terms of any set of variables adopted for the description of motions performed by the system, even if such a set includes redundant variables) and to a general recursive methodology for obtaining mathematical models of complex systems given a set of equations describing the dynamics of each of its uncoupled subsystems and another set describing the constraints among these subsystems in the assembled system. This work also includes some discussions on the description of motion (using any possible set of motion variables and admitting any kind of constraint that can be expressed by an invariant), and on the conditions for solving forward and inverse dynamics problems given a mathematical model of a multibody system. Finally, some examples of computational packages based on the novel methodology, along with some case studies, are presented, highlighting the contributions that can be achieved by using the proposed methodology.

Estudo fenomenológico e numérico do escoamento estratificado óleo-água ondulado e com mistura na interface

Escoamentos bifásicos estão presentes em diversos processos naturais e industriais, como na indústria de petróleo. Podem apresentar-se em diferentes configurações topológicas, ou, padrões de escoamento, entre eles o escoamento estratificado ondulado e o estratificado com mistura na interface. Os escoamentos bifásicos estratificados óleo-água têm sido utilizados como uma forma conveniente de evitar a formação de emulsões de água em óleo em oleodutos e possuem uma ocorrência comum em poços de petróleo direcionais. Quando a onda interfacial ultrapassa determinado limite geométrico e cinemático, surge o fenômeno do entranhamento de gotas, representado por misturas entre as fases junto à interface que promovem um aumento na queda de pressão. Modelos têm sido apresentados pela literatura na tentativa de descrever o fenômeno do entranhamento de gotas. Neste trabalho é apresentada uma nova proposta de modelagem matemática unidimensional para o entranhamento de gotas com o objetivo de melhorar a previsão dos parâmetros envolvidos, em especial, da fração volumétrica de óleo e da queda de pressão bifásica. Também foi utilizada simulação numérica computacional, CFD (Computational Fluid Dynamics), com o uso de software comercial para obtenção dos valores dos parâmetros do escoamento estratificado ondulado óleo-água (fração volumétrica de óleo, queda de pressão, amplitude e comprimento da onda interfacial). Os resultados da modelagem fenomenológica para entranhamento e os de CFD foram comparados com bancos de dados experimentais. Os resultados em CFD mostram concordância com os resultados experimentais, tanto na análise qualitativa das propriedades geométricas das ondas interfaciais, quanto na comparação direta com os dados para fração volumétrica e queda de pressão. Os resultados numéricos da modelagem fenomenológica para fatores de entranhamento apresentam boa concordância com dados da literatura.

Modelagem e simulação de reator de cultivo de microalgas tipo \"open pond\".

Mudança climática é um processo global, real e inequívoco. Para sua mitigação, a substituição de combustíveis fósseis por energias renováveis está sendo cada vez mais empregada. Devido à rápida velocidade de crescimento das microalgas, seu cultivo é visto como uma das alternativas mais promissoras para a produção de biocombustíveis. No presente trabalho, foi elaborado um modelo matemático fenomenológico que descreve o crescimento da microalga Chlorella vulgaris. Este modelo foi validado através de experimentos realizados em um reator piloto com capacidade de 1000 L tipo \"open pond\" (reator de raias) aberto ao ambiente, em condições não-axênicas. A variação de concentração devida à evaporação e/ou adição de água foi levada em conta no modelo. O modelo matemático desenvolvido, contendo dois parâmetros ajustáveis, descreve a variação da concentração de biomassa em função do tempo sob condições variáveis de luminosidade e temperatura. Os parâmetros ajustáveis são q (constante para conversão de intensidade luminosa em crescimento fotossintético, em klux-1 min-1) e Imax (limite máximo de intensidade luminosa, em klux). Previamente ao projeto do reator, foram realizados experimentos em reator de laboratório (utilizando a metodologia Taguchi) com o objetivo de determinar quais os fatores mais críticos para o crescimento da espécie de microalga selecionada e que, por isso, deveriam ser controlados com maior precisão. Além disso, foi analisada teoricamente a relevância da consideração do transporte de massa de CO2 no processo. Como este transporte é muito mais lento, a resistência controladora do processo é o crescimento fotossintético. Após a construção do reator piloto, foram realizados dois experimentos preliminares (os quais serviram para aperfeiçoar o aparato e o procedimento experimental) e três experimentos definitivos, registrando-se dados ambientais (temperatura, intensidade luminosa e pH) e de concentração ao longo do tempo. Utilizando os dados de temperatura e luminosidade em função do tempo como entrada, os parâmetros q e Imax otimizados foram ajustados às curvas de concentração versus tempo de cada experimento. Para tal foram desenvolvidos programas de integração de equações diferenciais e de otimização escritos em ambiente Scilab®. Verificou-se que, apesar da variabilidade devida às condições ambientais dos experimentos, obteve-se boa aderência dos dados simulados aos experimentais. Uma análise estatística dos parâmetros q e Imax calculados em cada experimento forneceu coeficientes de variação para estes parâmetros de 17 % e 5 %, respectivamente. Concluiu-se, portanto, que o modelo matemático desenvolvido neste trabalho pode ser empregado para prever o desempenho de um reator de raias em condições ambientais variáveis, bastando para isto o ajuste de dois parâmetros.

Gaseificação de microalgas: estudo termogravimétrico e modelagem matemática do processo em reator solar.

Devido ao esgotamento de recursos não renováveis e o aumento das preocupações sobre as alterações climáticas, a produção de combustível renovável a partir de microalgas continua a atrair muita a atenção devido ao seu potencial para taxas rápidas de crescimento, alto teor de óleo, capacidade de crescer em cenários não convencionais e a neutralidade de carbono, além de eliminar a preocupação da disputa com as culturas alimentares. Em virtude disso, torna-se importante o desenvolvimento de um processo de conversão das microalgas em gás combustível, em destaque o gás de síntese. Visando essa importância, estudou-se a reação de gaseificação da microalga Chlorella vulgaris através de experimentos de análise termogravimétrica para estimar os parâmetros cinéticos das reações e através da simulação de um modelo matemático dinâmico termoquímico do processo usando equações de conservação de massa e energia acoplados a cinética de reação. Análises termogravimétricas isotérmicas e dinâmicas foram realizadas usando dois diferentes tipos de modelos cinéticos: isoconversionais e reações paralelas independentes (RPI). Em ambos os modelos, os valores dos parâmetros cinéticos estimados apresentaram bons ajustes e permaneceram dentro daqueles encontrados na literatura. Também foram analisados os efeitos dos parâmetros cinéticos do modelo RPI sobre a conversão da microalga no intuito de observar quais mais se pronunciavam diante a variação de valores. Na etapa de simulação do sistema controlado pelo reator solar, o modelo matemático desenvolvido foi validado por meio da comparação dos valores de temperatura e concentrações de produtos obtidos medidos experimentalmente pela literatura, apresentando boa aproximação nos valores e viabilizando, juntamente com a etapa experimental de termogravimetria, a produção de gás de síntese através da gaseificação da microalga Chlorella vulgaris.

Modelamento matemático e controle PI de uma válvula borboleta eletrônica.

Este trabalho apresenta uma investigação das propriedades dinâmicas da válvula borboleta eletrônica do sistema de admissão de ar de um motor a combustão interna. O objetivo é utilizar um modelo matemático da válvula borboleta com todos os seus parâmetros identificados para efetuar o controle da válvula e aplica-lo em ambiente real. Tendo o modelo e os parâmetros identificados, compara-se o comportamento real de uma válvula borboleta com o comportamento simulado, utilizando os mesmos sinais de entrada, de tal forma a validar o modelo desenvolvido. Utilizando o controle Proporcional Integral, foi possível mostrar a aplicabilidade da metodologia que pode ser estendida para projetos de controle mais complexos. Com o controle PI, o modelo matemático é validado e pode ser utilizado como base para projetos de controle mais complexos. O modelo aqui desenvolvido representa satisfatoriamente a dinâmica da válvula borboleta, sendo possível utilizá-lo em outros tipos de válvula borboleta.

Modelagem matemática do processo industrial de coqueamento retardado.

A unidade de coqueamento retardado é um processo térmico de conversão, utilizado pelas refinarias, para converter cargas residuais em produtos de baixo peso molecular e com alto valor agregado (gases, nafta e gasóleo) e coque verde de petróleo. Um pequeno aumento no rendimento líquido da unidade de coqueamento retardado proporciona benefícios económicos consideráveis, especialmente no destilado líquido. A concorrência no mercado, as restrições sobre as especificações do produto e gargalos operacionais exigem um melhor planejamento da produção. Portanto, o desenvolvimento de novas estratégias e modelos matemáticos, focados em melhores condições de operação do processo industrial e formulações de produtos, é essencial para alcançar melhores rendimentos e um acompanhamento mais preciso da qualidade do produto. Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de modelo matemático do conjunto forno-reator do processo de coqueamento, a partir de informações obtidas em uma planta industrial. O modelo proposto é baseado na caracterização da carga e dos produtos em pseudocomponentes, modelos cinéticos de grupos e condições de equilíbrio liquido-vapor. Além disso, são discutidos os principais desafios para o desenvolver o modelo matemático do forno e do reator, bem como a caracterização rigorosa do resíduo de vácuo e dos produtos para determinar os parâmetros que afetam a morfologia do coque e a zona de reação no interior do reator de coque.

Estudo da remediação de um aquífero contaminado com sulfato e metais através de barreira reativa permeável orgânica.

Este trabalho teve como objetivo geral estudar a viabilidade técnica de utilizar bagaço de cana como meio reativo de barreiras reativas permeáveis (BRP) para remoção de sulfato e metais de águas subterrâneas contaminadas. O estudo baseou-se em investigação experimental, por meio de ensaios laboratoriais de coluna, e em modelagem matemática, para a qual utilizaram-se também alguns dados obtidos em um estudo de caso de uma unidade industrial contaminada com sulfato e metais. Neste local contaminado, as características hidrogeológicas e topográficas propiciam a utilização de uma barreira reativa permeável como técnica de remediação. Barreiras reativas permeáveis são uma alternativa para remediação de águas subterrâneas que vem progredindo rapidamente na última década, a partir de ensaios de bancada e coluna em laboratório para implementação em escala real em campo. Três colunas bióticas foram montadas utilizando bagaço de cana como meio reativo e um material de base poroso constituído de areia e cascalho para fornecer adequada condutividade hidráulica, com a proporção de 1:28 em massa seca. Também foi adicionado ao meio reativo um inóculo bacteriano composto por esterco bovino dissolvido. Uma quarta coluna, sem inóculo e contendo um agente biocida, compôs o experimento branco (abiótico). Uma solução sintética foi introduzida nas colunas simulando condições da água subterrânea do estudo de caso, com velocidade de Darcy em torno de 2,0x10-7 m/s composta por sulfato e metais (zinco e níquel) com concentrações de 6.000 mg/L e 15 mg/L, respectivamente. Os resultados das análises da fase líquida das colunas bióticas apresentaram: (i) média da taxa de remoção de sulfato durante todo o tempo do experimento de 49 mg/L/dia; (ii) as concentrações de Zn e Ni diminuíram de 15 mg/L para valores não detectáveis pela técnica analítica utilizada (< 0,01 mg/L); (iii) aumento do pH de 5.5-5.8 para valores entre 6,8-8,0; (iv) redução do valor do potencial de óxido redução (Eh) para valores de até -200mV. Não foram observadas reduções das concentrações de metais e sulfato na fase líquida da coluna abiótica e os valores de pH e Eh permaneceram dentro das faixas iniciais. Análises nas fases sólidas das colunas bióticas por MEV e EDS após o término do experimento identificaram a presença de Ni, Zn, S e Mn, indicando a precipitação desses metais em forma de sulfetos. Estes elementos não foram detectados na fase sólida da coluna abiótica. Assim, pôde-se inferir que toda a remoção de sulfato verificada nas colunas bióticas pode ser atribuída a redução bacteriana de sulfato. A partir das condições experimentais dos ensaios, foi realizada a modelagem e o dimensionamento da BRP. Para a estimativa da cinética de redução de sulfato, aplicou-se a solução analítica de Van Genuchten para transporte de contaminantes com degradação, obtendo-se uma taxa de decaimento de primeira ordem de 0,01 dia-1. A determinação da espessura e tempo de residência da barreira foi realizada considerando que a concentração de sulfato na saída da barreira fosse menor ou igual a 250 mg/L. O resultado do dimensionamento de uma BRP preenchida com bagaço de cana e areia nas proporções de 1:28 em massa seca resultaria em uma BRP de 7,1 m de espessura, com tempo de residência de 950 dias, no local de estudo de caso. Caso fosse utilizado o dobro da proporção de bagaço de cana e areia em massa seca (1:14), a implantação da BRP apresentar-se-ia viável, com espessura aproximada de 4 m. Através destes resultados, pôde ser comprovada a hipótese de que bagaço de cana como substrato e esterco bovino como inóculo compõem um meio reativo viável para a redução de sulfato e precipitação de metais em uma BRP.

Estudo da reação de epoxidação do óleo de soja em condição de remoção de calor máxima.

Óleo de soja epoxidado (OSE) é um produto químico há muito tempo utilizado como co-estabilizante e plastificante secundário do poli (cloreto de vinila) (PVC), ou seja, como um material que tem limitações na quantidade máxima que pode ser usada no composto de PVC. A sua aplicação como plastificante primário, ou seja, como o principal elemento plastificante no composto de PVC, e como base para outros plastificantes de fontes renováveis, tem aumentado nos últimos anos, principalmente devido a melhorias de desempenho e à redução do custo do OSE em comparação com plastificantes tradicionais. A reação de epoxidação do óleo de soja é bem conhecida e ocorre em duas fases líquidas, com reações em ambas as fases, e transferência de massa entre as fases. O processo industrial mais utilizado conta com formação in-situ do ácido perfórmico, através da adição gradativa do principal reagente, o peróxido de hidrogênio a uma mistura agitada de ácido fórmico e óleo de soja refinado. Industrialmente, o processo é realizado em batelada, controlando a adição do reagente peróxido de hidrogênio de forma que a geração de calor não ultrapasse a capacidade de resfriamento do sistema. O processo tem um ciclo que pode variar entre 8 e 12 horas para atingir a conversão desejada, fazendo com que a capacidade de produção seja dependente de investimentos relativamente pesados em reatores agitados mecanicamente, que apresentam diversos riscos de segurança. Estudos anteriores não exploram em profundidade algumas potenciais áreas de otimização e redução das limitações dos processos, como a intensificação da transferência de calor, que permite a redução do tempo total de reação. Este trabalho avalia experimentalmente e propõe uma modelagem para a reação de epoxidação do óleo de soja em condições de remoção de calor máxima, o que permite que os reagentes sejam adicionados em sua totalidade no início da reação, simplificando o processo. Um modelo foi ajustado aos dados experimentais. O coeficiente de troca térmica, cuja estimativa teórica pode incorrer em erros significativos, foi calculado a partir de dados empíricos e incluído na modelagem, acrescentando um fator de variabilidade importante em relação aos modelos anteriores. O estudo propõe uma base teórica para potenciais alternativas aos processos adotados atualmente, buscando entender as condições necessárias e viáveis em escala industrial para redução do ciclo da reação, podendo inclusive apoiar potenciais estudos de implementação de um reator contínuo, mais eficiente e seguro, para esse processo.

Modelagem e análise de desempenho de sistema para geração de energia elétrica através de ondas marítimas.

Mediante a crescente necessidade de aumento na oferta de energia elétrica devido à constante elevação na demanda mundial, esta dissertação avalia o desempenho de um sistema conversor de energia de ondas marítimas em energia elétrica. O sistema em análise é o de coluna de água oscilante com turbina de dupla ação instalado na costa. Utiliza-se um modelo regular de ondas como perturbação à dinâmica de uma câmara semi-submersa gerando fluxo de ar através de uma turbina à ar de dupla ação. O sistema final é não linear e com parâmetros variantes no tempo. A dissertação investiga possibilidades para o aumento do rendimento da turbina em diferentes condições de mar através do método de simulação numérica. Após a modelagem física e matemática do sistema escolhido, inicia-se a síntese de um controlador proporcional derivativo para controle da pressão de ar na turbina em torno da pressão ideal de trabalho da mesma. A análise inclui o comparativo entre os resultados do sistema com e sem controlador e a avaliação de robustez utilizando ondas com amplitude variável. O trabalho apresenta ainda propostas de otimização do sistema para trabalhar em condições similares a região de Pecém no Brasil. Pelos resultados obtidos nas simulações, conclui-se que o rendimento e a robustez do sistema podem melhorar utilizando um sistema controlado. O rendimento do sistema poderá ainda ser otimizado para a região de instalação.