Projecto e simulação de uma instalação para estudo da absorção de CO2 com soluções de aminas

Este trabalho visa, como objectivo principal, contribuir para o estudo da absorção de CO2 em gases de combustão, utilizando MEA. Tem também, como objectivo secundário, o dimensionamento de uma unidade de absorção assim como uma avaliação económica do respectivo projecto. Assim, esta tese divide-se em duas partes: a primeira parte refere-se ao projecto da instalação piloto para captura de CO2 utilizando a tecnologia de absorção gasosa e de modo a ser possível a utilização de soluções de aminas. A segunda parte desta tese descreve a simulação da operação da instalação de absorção de CO2 em HYSYS, e a respectiva avaliação económica do projecto, na impossibilidade prática de realizar ensaios laboratoriais, considerando o espaço de tempo que medeia entre a especificação do equipamento a adquirir e a recepção desses mesmos equipamentos, incompatível com o tempo disponível para a realização desta tese de Mestrado. Na primeira parte do trabalho foi realizada a avaliação de uma unidade já existente no IST permitindo, dessa forma, verificar o estado da mesma assim como o material que é necessário adquirir de forma a conseguir a sua conversão numa unidade de absorção de CO2 em contínuo. Após a conclusão deste estudo, pode concluir-se que a instalação piloto terá um custo, com bases nos orçamentos, de 7.262€. Na segunda parte do projecto foi realizada uma simulação em HYSYS da operação de captura de CO2. Esta simulação tinha como principal objecto poder determinar as melhores condições operatórias a utilizar na unidade, para posterior comparação com os resultados que irão, posteriormente, ser obtidos em laboratório, ficando-se na captura de CO2 a partir dos efluentes gasosos da Central Termoeléctrica de Sines que é uma unidade do sistema gerador nacional candidata a fazer-se a captura de CO2 recorrendo a esta tecnologia. Desta forma, a simulação apresentou os seguintes resultados principais: uma percentagem de CO2 capturado de 90,61%. A unidade apresenta um custo de 82€/ton CO2 e um custo operacional de 28 M€/ano. Por fim, os resultados obtidos pelo simulador HYSYS foram comparados com outros resultados obtidos em ASPEN PLUS, tendo sido possível concluir que o HYSYS é o simulador mais fiável devido a fiabilidade do pacote de propriedades, e mais simples de trabalhar em comparação como o ASPEN PLUS, quando aplicado a esta situação. Este trabalho resultou na apresentação de uma comunicação em painel no 2º Encontro do IBB, em Braga em Outubro de 2010 e, ainda na elaboração de um artigo submetido a uma revista internacional.

Controlo de desactivação de catalisadores em destilação reactiva

A presente dissertação tem como objectivo estudar o efeito da desactivação do catalisador em colunas de destilação reactiva e estratégias para manter a coluna em funcionamento após o início da desactivação do catalisador. Investiga-se a utilização da temperatura da alimentação como forma de manter o desempenho em situações de desactivação parcial do catalisador. O sistema considerado para o estudo é a metátese das olefinas em que o 2-penteno é convertido em 2-buteno e 3-hexeno (2C5H10  C4H8 + C6H12). Desenvolveram-se vários casos, com diferentes cenários de possíveis colunas de destilação reactivas utilizando a reacção acima mencionada, e foram efectuados vários estudos de simulação, estado estacionário e dinâmico, recorrendo ao software Aspen PlusTM/Aspen DynamicsTM. Com base nos estudos efectuados foi então possível realizar uma análise de custos comparativos, conseguindo assim desenvolver um modelo de custos e com este se concluir que a alternativa de prolongar as purezas iniciais dos produtos controlando as temperaturas de alimentação das colunas de destilação reactiva, enquanto o catalisador se encontra em processo de desactivação, esta é uma alternativa mais rentável, ao invés de uma paragem do processo para a troca do catalisador.

Efeito do conteúdo energético da alimentação em colunas de destilação reativa

O objetivo desta tese final de mestrado reside na avaliação económica da viabilidade de utilização de alimentações com temperatura superior ao ponto de ebulição em colunas de destilação reativa (CDR). Considerando diversos estudos efetuados sobre a qualidade da alimentação em CDR, verificou-se que a utilização de valores de temperatura fora da gama tradicionalmente usada na metátese de olefinas (2C5H10 C4H8 + C6H12), poderia trazer vantagens ao nível das especificações e da energia consumida. Foi feita a comparação da avaliação económica realizada anteriormente de seis configurações otimizadas com base no princípio da Conservação de Energia e a avaliação económica das mesmas configurações considerando os dois primeiros princípios da termodinâmica A abordagem termodinâmica incidiu na análise dos perfis dos gráficos Estágio-Défice de entalpia e nos perfis de Estágios-Perdas de exergia gerados pela ferramenta Aspen Plus Targeting, que permitiu a identificação de especificações da coluna passíveis de ser melhoradas/alteradas nomeadamente: - localização do estágio de alimentação; - alterações na razão de refluxo; - alterações da temperatura de alimentação. Verificaram-se diminuições nos custos anuais (TAC) em todos os casos, pela alteração dos estágios da alimentação das correntes quente e fria, da razão de refluxo e da temperatura de alimentação da corrente quente, mantendo a pureza do produto obtido. A irreversibilidade de todos os casos diminuiu devido a uma melhoria na performance termodinâmica resultado das alterações introduzidas. Este trabalho mostra que a análise económica feita anteriormente no que diz respeito aos custos anuais de equipamento e utilidades (TAC) e catalisador, tendo como referência indicadores de custo, pode ser ajustada para valores inferiores se se considerar uma abordagem termodinâmica do processo.

Simulação de processos de adsorção recorrendo ao Aspen Chromatography

As operações de separação por adsorção têm vindo a ganhar importância nos últimos anos, especialmente com o desenvolvimento de técnicas de simulação de leitos móveis em colunas, tal como a cromatografia de Leito Móvel Simulado (Simulated Moving Bed, SMB). Esta tecnologia foi desenvolvida no início dos anos 60 como método alternativo ao processo de Leito Móvel Verdadeiro (True Moving Bed, TMB), de modo a resolver vários dos problemas associados ao movimento da fase sólida, usuais nestes métodos de separação cromatográficos de contracorrente. A tecnologia de SMB tem sido amplamente utilizada em escala industrial principalmente nas indústrias petroquímica e de transformação de açúcares e, mais recentemente, na indústria farmacêutica e de química fina. Nas últimas décadas, o crescente interesse na tecnologia de SMB, fruto do alto rendimento e eficiente consumo de solvente, levou à formulação de diferentes modos de operação, ditos não convencionais, que conseguem unidades mais flexíveis, capazes de aumentar o desempenho de separação e alargar ainda mais a gama de aplicação da tecnologia. Um dos exemplos mais estudados e implementados é o caso do processo Varicol, no qual se procede a um movimento assíncrono de portas. Neste âmbito, o presente trabalho foca-se na simulação, análise e avaliação da tecnologia de SMB para dois casos de separação distintos: a separação de uma mistura de frutose-glucose e a separação de uma mistura racémica de pindolol. Para ambos os casos foram considerados e comparados dois modos de operação da unidade de SMB: o modo convencional e o modo Varicol. Desta forma, foi realizada a implementação e simulação de ambos os casos de separação no simulador de processos Aspen Chromatography, mediante a utilização de duas unidades de SMB distintas (SMB convencional e SMB Varicol). Para a separação da mistura frutose-glucose, no quediz respeito à modelização da unidade de SMB convencional, foram utilizadas duas abordagens: a de um leito móvel verdadeiro (modelo TMB) e a de um leito móvel simulado real (modelo SMB). Para a separação da mistura racémica de pindolol foi considerada apenas a modelização pelo modelo SMB. No caso da separação da mistura frutose-glucose, procedeu-se ainda à otimização de ambas as unidades de SMB convencional e Varicol, com o intuito do aumento das suas produtividades. A otimização foi realizada mediante a aplicação de um procedimento de planeamento experimental, onde as experiências foram planeadas, conduzidas e posteriormente analisadas através da análise de variância (ANOVA). A análise estatística permitiu selecionar os níveis dos fatores de controlo de modo a obter melhores resultados para ambas as unidades de SMB.

Aplicação de ferramentas de simulação de processos

Este trabalho foi efectuado com o propósito de interpretar, compreender e explicar algumas ferramentas de simulação de processos, em particular o Aspen Energy Analyzer (AEA), o Aspen Economic Evaluation (AEE) e o seu funcionamento integrado com o Aspen Hysys(AH). O AH é uma ferramenta de modelação de processos para a concepção de projectos de engenharia química, o AEA é uma ferramenta de modelação de redes de integração energética. O AEE integrado no AH é uma ferramenta que permite incorporar estudos económicos numa fase preliminar do desenvolvimento de um projecto de engenharia. A abordagem a este trabalho foi efectuada através do estudo de Casos. O Caso I foi baseado na resolução de um problema no AEA através da construção e optimização de uma rede de permutadores de calor. Os Casos II e III foram baseados na construção de um flowsheet de produção de Benzeno e de Cloreto de Vinil, respectivamente, e cada Caso foi dividido em dois cenários diferentes. Para o efeito foram utilizados os softwares AEA para a integração energética dos processos, o AH para construção do fluxograma do processo e o AEE para os estudos económicos dos diferentes cenários. Finalmente, os Casos IV e V dizem respeito à resolução de um problema de integração energética. O Caso IV foi baseado num problema de optimização da rede de permutadores através do aumento da sua área. Já o Caso V foi baseado na informação inicial das correntes do caso anterior e em dois cenários diferentes, nos quais foi estudada a influência dos preços das utilidades na construção da rede de permutadores. A conclusão foi que as ferramentas de modelação, particularmente o AH, o AEA e o AEE são uma mais-valia extraordinária para ajudar o utilizador na tomada de decisões em fases bastante preliminares da engenharia de processos.

Modelização de um sistema de simulação de uma aeronave aplicado a uma plataforma electromecânica de Gough-Stewart

Esta tese apresenta o desenvolvimento de um simulador de voo, através da aplicação de um modelo dinâmico de uma aeronave e de sistemas de realidade virtual a uma plataforma electromecânica de Gough-Stewart. Para o efeito, utiliza-se o modelo da aeronave Cessna-172. Neste sentido, apresenta-se o estudo e a análise do sistema de realidade virtual utilizado, confirma-se o funcionamento do modelo matemático da aeronave em ferramenta de cálculo e apresenta-se o modelo da cinemática inversa da plataforma, cuja validação é realizada recorrendo-se a um sensor inercial. Desenvolve-se programação específica para a comunicação entre o software de cálculo numérico e a plataforma electromecânica de Gough-Stewart.

Simulação térmica de uma fachada de dupla pele com ventilação natural

Este trabalho relata os resultados obtidos de uma simulação térmica de uma fachada de dupla pele com ventilação natural utilizando um software genérico de simulação térmica de edifícios. Esta fachada encontra-se montada numa célula de teste no Laboratório de Engenharia Civil em Lisboa, e cujo propósito é verificar e analisar o comportamento térmico deste tipo de elementos em regimes de ventilação natural. Para atingir o objectivo desta dissertação em simular a DSF, é utilizado o amplamente conhecido EnergyPlus, um programa de grande capacidade para simular o comportamento térmico de edifícios e dimensionar pormenorizadamente os seus sistemas de ventilação e AVAC. Paralelamente a este software, é utilizado um outro programa, o DesignBuilder, tratando-se este de um interface comercial para o EnergyPlus. Os resultados das simulações efectuadas são comparadas com os dados experimentais retirados durante o funcionamento da DSF entre das datas de 23 a 28 de Abril de 2008. Utilizando estas ferramentas informáticas, foram efectuadas duas modelações da fachada de modo a avaliar diferentes graus de detalhe, ambas segundo as características geométricas, propriedades térmicas e ópticas dos seus elementos de construção, sombreamento existente e modo de funcionamento durante o período em causa. Posteriormente são comparados os resultados das simulações com os dados experimentais. A análise dos resultados permitiu chegar á conclusão que, embora o software utilizado não contenha até á data um modelo próprio e detalhado para fachadas envidraçadas de dupla pele com ventilação natural, este possui uma potencialidade promissora para efectuar uma simulação fiável. No entanto, diversas divergências significativas foram notadas e analisadas nos parâmetros comparados, nomeadamente a temperatura e o caudal, de modo a estabelecer algumas limitações do software.

Monitorização de sistemas solares térmicos: simulação de perfis de consumo e cálculo de comportamento térmico a longo prazo

A presente dissertação assenta na monitorização de sistemas solares térmicos com incidência em perfis de consumo e cálculo de comportamento térmico a longo prazo. No início faz-se uma introdução aos temas e definições que são primordiais para uma melhor compreensão do trabalho em causa. Procedeu-se à simulação do comportamento térmico de sistemas solares térmicos, tendo como base os parâmetros de cálculo obtidos nos relatórios de ensaio. Os sistemas solares térmicos podem ser ensaiados segundo duas metodologias de cálculo diferentes. Estas metodologias estão descritas nas normas ISO 9459-2:1995 para a metodologia CSTG – Dynamic System Testing Group e ISO 9459-5:2007 para a metodologia DST – Dynamic System Testing. Neste trabalho foram utilizadas as duas metodologias mencionadas. Analisaram-se e simularam-se ainda os perfis de consumo do Anexo IV da Directiva EcoDesign tendo como objectivo definir um “benchmark” entre os diferentes sistemas solares térmicos e também saber qual é a energia primária necessária para satisfazer cada uma das necessidades dos diferentes perfis de extracção. O estudo e análise desta Directiva é bastante importante, pois é com base nela que se vai proceder à classificação e posterior rotulagem dos sistemas solares térmicos.

Simulação numérica do comportamento de lajes: aplicação do método dos elementos finitos a problemas tridimensionais de elasticidade linear usando o freeFEM++

O presente trabalho entende a dedução das Equações de Compatibilidade, Equilíbrio, bem como as Leis Constitutivas, de modo a resolver numericamente problemas de Elasticidade Linear formulados para Lajes de Betão. A solução numérica é obtida usando o Método dos Elementos Finitos, implementado em freeFEM++, e comparada com os resultados conseguidos no SAP2000 e com os dados tabelados nas Tabelas de Barès, validando-se desta forma os modelos implementados através do freeFEM++.

Plataforma de controlo e simulação robótica

A robótica tem evoluído no sentido de criar robots e componentes cada vez mais evoluídos a preços acessíveis. Este facto permitiu que o desenvolvimento de aplicações no âmbito da robótica se tenha massificado e que a utilidade dos robots se tenha alargado a diferentes áreas de aplicação. Apesar da evolução dos robots e dos componentes para os mesmos, subsistem limitações que restringem a utilização de robots a certas aplicações, nomeadamente quando a capacidade de processamento e de memória não é suficiente para executar as aplicações. A forma para ultrapassar estas limitações tem residido essencialmente em duas abordagens: limitar as aplicações desenvolvidas à medida dos recursos disponíveis no hardware; ou estender as capacidades do robot usando recursos externos ao robot, quer por extensão do hardware do robot, quer por controlo remoto dos componentes do robot. Atendendo a esta problemática, foi desenvolvida uma plataforma que estende as capacidades dos robots segundo uma abordagem que usa o controlo remoto do robot, para capacitar as aplicações de controlo desenvolvidas de mais recursos, nomeadamente em termos de capacidade de processamento e memória. A plataforma desenvolvida disponibiliza ainda um simulador que virtualiza um campo de simulação e um robot, e simula a forma como estes interagem. O simulador é integrado na plataforma de forma semelhante aos adaptadores para robots, para que as aplicações desenvolvidas possam ser usadas quer em robots reais como no simulador.

Simulação de veículos híbridos hidráulicos

Os veículos híbrido hidráulico são constituídos por duas fontes de energia, uma que proporciona a potência hidráulica (sistema hidráulico) e outra que proporciona a potência através de um motor de combustão interna. Existem veículos híbridos hidráulicos a circular, derivados de veículos convencionais, aos quais se adapta um sistema hidráulico. Os veículos híbridos hidráulicos requerem o estudo das forças aerodinâmico e de todas as resistências que se opõe ao seu movimento, além da modelação dos componentes hidráulicos que afectam a performance do veículo. Os estudos destes componentes hidráulicos para análise da performance do veículo híbrido foram abordados neste trabalho. Foi utilizado o programa computacional Matlab/simulink, que permite modelar os componentes hidráulicos e os subsistemas necessários para definir o modelo computacional de veículo híbrido. Por fim, utilizando os modelos do veículo híbrido simulou-se o seu funcionamento para várias condições. È feita a análise dos resultados obtidos para as simulações, em particular a nível de consumo de combustível, emissão de poluição e autonomia. È feita e discutida comparação dos resultados dos veículos.

Análise do funcionamento do modulador de impulsos genérico de alta tensão (MIGAT), com base no programa de simulação PSPICE

Nesta dissertação referem-se as potencialidades dos programas simuladores de circuitos electrónicos, as suas principais vantagens e desvantagens nas fases de projecto, desenvolvimento e teste de circuitos electrónicos. Justifica-se a escolha do programa simulador Pspice, (Programa de Simulação com ênfase em Circuitos Integrados) em detrimento de outros softwares de simulação. Desenvolve-se o studo dos dispositivos semicondutores de potência (DSP) nomeadamente, díodos de potência PIN e IGBTs utilizados no Circuito Modulador de Impulsos Genéricos de Alta Tensão (MIGAT), bem como dos seus modelos equivalentes e parâmetros principais, para implementação em simulação utilizando o programa Pspice. Propõe-se um método de determinação dos parâmetros do modelo do díodo de potência utilizando essencialmente os manuais dos fabricantes. A validade dos parâmetros determinados é aferida, recorrendo-se à análise comparativa entre os dados obtidos através do modelo Pspice do díodo e as curvas características reais do componente. Referem-se as diferentes tipologias e modos de funcionamento para o circuito MIGAT, baseados no conceito do “gerador de Marx”, recorrendo unicamente a DSP. Tendo como base o simulador Pspice, analisam-se as características relevantes de funcionamento, para uma versão simplificada do circuito MIGAT que gera impulsos bipolares de alta tensão, para vários regimes de funcionamento, com diversos tipos de carga e com a inclusão de elementos parasitas (capacidades e indutâncias distribuídas) e estuda-se a influência destes elementos nos regimes de funcionamento do circuito e das condições mais favoráveis para o funcionamento dos DSP.

Simulação interactiva do mercado de energia eléctrica

A área de comercialização de energia eléctrica conheceu uma profunda mudança após a liberalização do sector eléctrico, que levou à criação de algumas entidades, as quais gerem os mercados de electricidade europeus. Relativamente a Portugal e Espanha, durante esse processo de liberalização, deu-se também um acordo que os levou à criação de um mercado conjunto, um mercado Ibérico (MIBEL). Dentro deste mercado estão contemplados dois operadores, sendo que um deles representa o pólo Português (OMIP) e o outro representa o pólo Espanhol (OMEL). O OMIP contempla os mercados a prazo, ou futuros, normalmente apresenta contratos de energia comercializada com durabilidade de semanas, meses, trimestres, semestres ou mesmo anos. Diariamente estes contratos poderão vencer no OMEL, que engloba os mercados, diário e intradiário. Este, ao contrário do OMIP negoceia para o dia seguinte (mercado diário) ou para uma determinada altura do dia (mercado intra diário). O mercado diário será o exemplo usado para a criação do simulador interactivo do mercado de energia eléctrica. Este será composto por diversos utilizadores (jogadores), que através de uma plataforma HTML irão investir em centrais de energia eléctrica, negociar licitações e analisar o funcionamento e resultados deste mercado. Este jogo subdividir-se-á então em 3 fases: 1. Fase de investimento; 2. Fase de venda (licitações); 3. Fase de mercado. Na fase do investimento, o jogador terá a possibilidade de adquirir unidades de geração de energia eléctrica de seis tipos de tecnologia: 1. Central a Carvão; 2. Central de Ciclo Combinado; 3. Central Hídrica; 4. Central Eólica; 5. Central Solar; 6. Central Nuclear. Com o decorrer das jogadas o jogador poderá aumentar a sua capacidade de investimento, com a venda de energia, sendo o vencedor aquele que mais saldo tiver no fim do número de jogadas previamente definidos, ou aquele que mais depressa atingir o saldo definido como limite pelo administrador do jogo. A nível pedagógico este simulador é muito interessante pois para além de o utilizador ficar a conhecer as tecnologias em causa e as vantagens e desvantagens das centrais de energia renovável e das centrais a combustíveis fósseis, este ganha igualmente uma sensibilidade para questões de nível ambiental, tais como o aumento dos gases de estufa e o degelo resultante do aquecimento global provocado por esses gases. Para além do conhecimento adquirido na parte de energia eléctrica este jogo dará a conhecer ao utilizador o funcionamento do mercado da energia eléctrica, bem como as tácticas que este poderá usar a seu favor neste tipo de mercado.

Análise de conforto de ciclistas por simulação multicorpo

Este trabalho apresenta um estudo sobre o comportamento dinâmico das bicicletas com o principal objectivo de quantificar o conforto de um ciclista. Neste trabalho serão estudados dois tipos de bicicletas: uma apenas com suspensão dianteira e outra com suspensão dianteira e traseira (ou suspensão total), e três classes de pavimento: um mais sinuoso, um mais suave e um intermédio. Para cada uma destas situações o que se pretende é analisar a quantidade de vibração que é transmitida para o corpo do ciclista através dos três pontos de contacto existentes entre ambos: Assento, guiador e pedais. Os valores obtidos são comparados entre os vários casos e também com valores referência, fornecidos por normas, afim de analisar a situação de conforto do ciclista. Após a realização dos estudos o que se verificou é que o ciclista está numa situação mais desconfortável em pisos mais sinuosos, e que nesta situação se utilizar uma bicicleta de suspensão total está sujeito a vibrações inferiores. No entanto, o mais importante a concluir é que em qualquer uma das situações estudadas o ciclista encontra-se sempre dentro de uma zona conforto segundo as normas utilizadas.

Simulação numérica do comportamento dinâmico de uma laje

Nesta dissertação pretende-se simular o comportamento dinâmico de uma laje de betão armado aplicando o Método de Elementos Finitos através da sua implementação no programa FreeFEM++. Este programa permite-nos a análise do modelo matemático tridimensional da Teoria da Elasticidade Linear, englobando a Equação de Equilíbrio, Equação de Compatibilidade e Relações Constitutivas. Tratando-se de um problema dinâmico é necessário recorrer a métodos numéricos de Integração Directa de modo a obter a resposta em termos de deslocamento ao longo do tempo. Para este trabalho escolhemos o Método de Newmark e o Método de Euler para a discretização temporal, um pela sua popularidade e o outro pela sua simplicidade de implementação. Os resultados obtidos pelo FreeFEM++ são validados através da comparação com resultados adquiridos a partir do SAP2000 e de Soluções Teóricas, quando possível.