Selection of optimal operating conditions based on minimum energy consumption for an acrylonitrile recovery unit

The selection of the optimal operating conditions for an industrial acrylonitrile recovery unit was conducted by the systematic application of the response surface methodology, based on the minimum energy consumption and products specifications as process constraints. Unit models and plant simulation were validated against operating data and information. A sensitivity analysis was carried out in order to identify the set of parameters that strongly affect the trajectories of the system while keeping products specifications. The results suggest that energy savings of up to 10% are possible by systematically adjusting operating conditions.

Estudo de Matérias-Primas do Rio Grande do Norte para Uso em Revestimento Poroso: Influência do teor de dolomita e temperatura de calcinação nas propriedades físico-mecânicas

The state of Rio Grande do Norte presents a great potentiality for the production of ceramic tiles because of having natural raw material in quantity and quality making its economical exploration possible, beyond the great energetic differential of the state, the natural gás. This works aims to study the influence of the dolomite and granulometry concentration and calcinations temperature in the obtaining of formulations for porous coverings which have to be coherent to the project,s specifications. The experiments have involved the physical-chemical and mineralogical characterizations of raw materials and mechanical tests in the dry and burnt proof bodies preceding a mixture experiment planning with the use of the response surface methodology, in order to get the best raw materials combinations to produce a ceramic mass with specific properties. The twelve ceramic masses studied in this work were prepared by the via dry process, characterized, shaped by uniaxial pressing and sinterized in the temperatures of 940ºC, 1000ºC, 1060ºC, 1120ºC and 1180ºC, using a fast burning cycle. The crystalline phases formed during the sintering in the temperatures in study have revealed the presence of anorthite and diopside beyond quartz with a remaining phase. These phases were the main responsible ones by the physical- mechanical properties of the sinterized proof bodies. The proof bodies after the sintering stage have presented water absorption higher than 10% and a good dimensional stability in all studied temperatures. However, the flexural breaking strength results in the temperatures of 940ºC, 1000ºC and 1060ºC, under the temperature zone of the vitrification of ceramic whiteware do not reach the flexural breaking strength specific for the porous wall tile (15 MPa), but in the temperature of 1120ºC next to the vitrification temperature zone, some whiteware ceramic (formulations) has reached the specified value for the porous wall tile. The results of this work have showed that the studied raw materials have great importance for used in the production of porous wall tiles (BIII)

Hydrothermal carbonization of lignocellulosic biomass: Effect of process conditions on hydrochar properties

Although hydrothermal carbonization of biomass components is known to be mainly governed by reaction temperature, consistent reports on the effect and statistical significance of process conditions on hydrochar properties are still lacking. The objective of this research was to determine the importance and significance of reaction temperature, retention time and solid load on the properties of hydrochar produced from an industrial lignocellulosic sludge residue. According to the results, reaction temperature and retention time had a statistically significant effect on hydrochar ash content, solid yield, carbon content, O/C-ratio, energy densification and energy yield as reactor solid load was statistically insignificant for all acquired models within the design range. Although statistically significant, the effect of retention time was 3–7 times lower than that of reaction temperature. Predicted dry ash-free solid yields of attained hydrochar decreased to approximately 40% due to the dissolution of biomass components at higher reaction temperatures, as respective oxygen contents were comparable to subbituminous coal. Significant increases in the carbon contents of hydrochar led to predicted energy densification ratios of 1–1.5 with respective energy yields of 60–100%. Estimated theoretical energy requirements of carbonization were dependent on the literature method used and mainly controlled by reaction temperature and reactor solid load. The attained results enable future prediction of hydrochar properties from this feedstock and help to understand the effect of process conditions on hydrothermal treatment of lignocellulosic biomass.

Formal calibration methodology for CFD models of naturally ventilated indoor environments

Well planned natural ventilation strategies and systems in the built environments may provide healthy and comfortable indoor conditions, while contributing to a significant reduction in the energy consumed by buildings. Computational Fluid Dynamics (CFD) is particularly suited for modelling indoor conditions in naturally ventilated spaces, which are difficult to predict using other types of building simulation tools. Hence, accurate and reliable CFD models of naturally ventilated indoor spaces are necessary to support the effective design and operation of indoor environments in buildings. This paper presents a formal calibration methodology for the development of CFD models of naturally ventilated indoor environments. The methodology explains how to qualitatively and quantitatively verify and validate CFD models, including parametric analysis utilising the response surface technique to support a robust calibration process. The proposed methodology is demonstrated on a naturally ventilated study zone in the library building at the National University of Ireland in Galway. The calibration process is supported by the on-site measurements performed in a normally operating building. The measurement of outdoor weather data provided boundary conditions for the CFD model, while a network of wireless sensors supplied air speeds and air temperatures inside the room for the model calibration. The concepts and techniques developed here will enhance the process of achieving reliable CFD models that represent indoor spaces and provide new and valuable information for estimating the effect of the boundary conditions on the CFD model results in indoor environments. © 2012 Elsevier Ltd.

Design/Evaluation of A Methodology For Performance Optimization Of Indexable Carbide Inserts

In this project, two broad facets in the design of a methodology for performance optimization of indexable carbide inserts were examined. They were physical destructive testing and software simulation.For the physical testing, statistical research techniques were used for the design of the methodology. A five step method which began with Problem definition, through System identification, Statistical model formation, Data collection and Statistical analyses and results was indepthly elaborated upon. Set-up and execution of an experiment with a compression machine together with roadblocks and possible solution to curb road blocks to quality data collection were examined. 2k factorial design was illustrated and recommended for process improvement. Instances of first-order and second-order response surface analyses were encountered. In the case of curvature, test for curvature significance with center point analysis was recommended. Process optimization with method of steepest ascent and central composite design or process robustness studies of response surface analyses were also recommended.For the simulation test, AdvantEdge program was identified as the most used software for tool development. Challenges to the efficient application of this software were identified and possible solutions proposed. In conclusion, software simulation and physical testing were recommended to meet the objective of the project.

Otimização dos parâmetros de maquinagem no processo de fresagem

Cada vez mais, os principais objetivos na indústria é a produção a baixo custo, com a máxima qualidade e com o tempo de fabrico o mais curto possível. Para atingir esta meta, a indústria recorre, frequentemente, às máquinas de comando numérico (CNC), uma vez que com esta tecnologia torna se capaz alcançar uma elevada precisão e um tempo de processamento mais baixo. As máquinas ferramentas CNC podem ser aplicadas em diferentes processos de maquinagem, tais como: torneamento, fresagem, furação, entre outros. De todos estes processos, o mais utilizado é a fresagem devido à sua versatilidade. Utiliza-se normalmente este processo para maquinar materiais metálicos como é o caso do aço e dos ferros fundidos. Neste trabalho, são analisados os efeitos da variação de quatro parâmetros no processo de fresagem (velocidade de corte, velocidade de avanço, penetração radial e penetração axial), individualmente e a interação entre alguns deles, na variação da rugosidade num aço endurecido (aço 12738). Para essa análise são utilizados dois métodos de otimização: o método de Taguchi e o método das superfícies. O primeiro método foi utilizado para diminuir o número de combinações possíveis e, consequentemente, o número de ensaios a realizar é denominado por método de Taguchi. O método das superfícies ou método das superfícies de resposta (RSM) foi utilizado com o intuito de comparar os resultados obtidos com o método de Taguchi, de acordo com alguns trabalhos referidos na bibliografia especializada, o RSM converge mais rapidamente para um valor ótimo. O método de Taguchi é muito conhecido no setor industrial onde é utilizado para o controlo de qualidade. Apresenta conceitos interessantes, tais como robustez e perda de qualidade, sendo bastante útil para identificar variações do sistema de produção, durante o processo industrial, quantificando a variação e permitindo eliminar os fatores indesejáveis. Com este método foi vi construída uma matriz ortogonal L16 e para cada parâmetro foram definidos dois níveis diferentes e realizados dezasseis ensaios. Após cada ensaio, faz-se a medição superficial da rugosidade da peça. Com base nos resultados obtidos das medições da rugosidade é feito um tratamento estatístico dos dados através da análise de variância (Anova) a fim de determinar a influência de cada um dos parâmetros na rugosidade superficial. Verificou-se que a rugosidade mínima medida foi de 1,05m. Neste estudo foi também determinada a contribuição de cada um dos parâmetros de maquinagem e a sua interação. A análise dos valores de “F-ratio” (Anova) revela que os fatores mais importantes são a profundidade de corte radial e da interação entre profundidade de corte radial e profundidade de corte axial para minimizar a rugosidade da superfície. Estes têm contribuições de cerca de 30% e 24%, respetivamente. Numa segunda etapa este mesmo estudo foi realizado pelo método das superfícies, a fim de comparar os resultados por estes dois métodos e verificar qual o melhor método de otimização para minimizar a rugosidade. A metodologia das superfícies de resposta é baseada num conjunto de técnicas matemáticas e estatísticas úteis para modelar e analisar problemas em que a resposta de interesse é influenciada por diversas variáveis e cujo objetivo é otimizar essa resposta. Para este método apenas foram realizados cinco ensaios, ao contrário de Taguchi, uma vez que apenas em cinco ensaios consegue-se valores de rugosidade mais baixos do que a média da rugosidade no método de Taguchi. O valor mais baixo por este método foi de 1,03μm. Assim, conclui-se que RSM é um método de otimização mais adequado do que Taguchi para os ensaios realizados. Foram obtidos melhores resultados num menor número de ensaios, o que implica menos desgaste da ferramenta, menor tempo de processamento e uma redução significativa do material utilizado.

A practical approach for cross-functional vehicle body weight optimization

The goal of optimization in vehicle design is often blurred by the myriads of requirements belonging to attributes that may not be quite related. If solutions are sought by optimizing attribute performance-related objectives separately starting with a common baseline design configuration as in a traditional design environment, it becomes an arduous task to integrate the potentially conflicting solutions into one satisfactory design. It may be thus more desirable to carry out a combined multi-disciplinary design optimization (MDO) with vehicle weight as an objective function and cross-functional attribute performance targets as constraints. For the particular case of vehicle body structure design, the initial design is likely to be arrived at taking into account styling, packaging and market-driven requirements. The problem with performing a combined cross-functional optimization is the time associated with running such CAE algorithms that can provide a single optimal solution for heterogeneous areas such as NVH and crash safety. In the present paper, a practical MDO methodology is suggested that can be applied to weight optimization of automotive body structures by specifying constraints on frequency and crash performance. Because of the reduced number of cases to be analyzed for crash safety in comparison with other MDO approaches, the present methodology can generate a single size-optimized solution without having to take recourse to empirical techniques such as response surface-based prediction of crash performance and associated successive response surface updating for convergence. An example of weight optimization of spaceframe-based BIW of an aluminum-intensive vehicle is given to illustrate the steps involved in the current optimization process.

曲面效应法优化辅酶Q_(10)发酵条件

以根癌土壤杆菌(Agrobacterium tum efaciens)1.1416的突变株AGR 0610为出发菌株,采用P lackett-Burm an设计法(P lackett-Burm an design,P-B)对影响AGR 0610发酵产辅酶Q10的相关因素进行了研究,选取到4种有显著效应的因素:糖蜜、大豆蛋白胨、玉米浆和蛋氨酸.再采用响应曲面法(response surface m ethodology,RSM)对这4种因素的最佳水平范围进一步探讨,得到二次回归方程,优化了培养基组成.当这4种因素分别取值为1.02%、0.49%、0.29%和0.34%时,辅酶Q10产量有最大预测值38.88 mg/L,并被实验所证实.图6表4参8

Decision support systems for eco-friendly electronic products

This paper discusses an optimisation based decision support system and methodology for electronic packaging and product design and development which is capable of addressing in efficient manner specified environmental, reliability and cost requirements. A study which focuses on the design of a flip-chip package is presented. Different alternatives for the design of the flip-chip package are considered based on existing options for the applied underfill and volume of solder material used to form the interconnects. Variations in these design input parameters have simultaneous effect on package aspects such as cost, environmental impact and reliability. A decision system for the design of the flip-chip that uses numerical optimisation approach is used to identify the package optimal specification which satisfies the imposed requirements. The reliability aspect of interest is the fatigue of solder joints under thermal cycling. Transient nonlinear finite element analysis (FEA) is used to simulate the thermal fatigue damage in solder joints subject to thermal cycling. Simulation results are manipulated within design of experiments and response surface modelling framework to provide numerical model for reliability which can be used to quantify the package reliability. Assessment of the environmental impact of the package materials is performed by using so called Toxic Index (TI). In this paper we demonstrate the evaluation of the environmental impact only for underfill and lead-free solder materials. This evaluation is based on the amount of material per flip-chip package. Cost is the dominant factor in contemporary flip-chip packaging industry. In the optimisation based decision support system for the design of the flip-chip package, cost of materials which varies as a result of variations in the design parameters is considered.

Investigation of Utilizing Single Surface Depressions in Optimization of NLF Aerofoil Design

An environment has been created for the optimisation of aerofoil profiles with inclusion of small surface features. For TS wave dominated flows, the paper examines the consequences of the addition of a depression on the aerodynamic optimisation of an NLF aerofoil, and describes the geometry definition fidelity and optimisation algorithm employed in the development process. The variables that define the depression for this optimisation investigation have been fixed, however a preliminary study is presented demonstrating the sensitivity of the flow to the depression characteristics. Solutions to the optimisation problem are then presented using both gradient-based and genetic algorithm techniques, and for accurate representation of the inclusion of small surface perturbations it is concluded that a global optimisation method is required for this type of aerofoil optimisation task due to the nature of the response surface generated. When dealing with surface features, changes in the transition onset are likely to be of a non-linear nature so it is highly critical to have an optimisation algorithm that is robust, suggesting that for this framework, gradient-based methods alone are not suited.

Extraction and purification of triterpenic acids from eucalypt bark

A indústria da pasta e do papel é um sector importante da economia mundial, particularmente a que assenta em espécies de Eucalyptus. No entanto, essas indústrias geram quantidades significativas de correntes secundárias de subprodutos e resíduos de biomassa que podem ser exploradas em aplicações de valor acrescentado em vez de serem queimadas para produção de energia. Um exemplo nobre pode ser a produção de ácidos triterpénicos com estruturas dos tipos lupano, oleanano e ursano, dada a sua abundância em alguns destes resíduos, em particular na casca, adotando o conceito de biorrefinaria integrada numa fábrica de pasta. Estes compostos são conhecidos pelas suas inúmeras actividades biológicas, por exemplo, antioxidante, anti-inflamatória e antitumoral, e podem encontrar aplicações em produtos de elevado valor, tais como cosméticos, nutracêuticos ou farmacêuticos. Neste sentido, o estudo das potencialidades das cascas das espécies de eucalipto mais exploradas enquanto fontes de compostos triterpénicos é um tópico relevante. Por conseguinte, foram analisados e comparados em pormenor os teores e composições em ácidos triterpénicos (TTAs) das cascas externas de várias espécies de eucalipto (E. globulus, E. grandis, E. urograndis, E. maidenii e E. nitens). Os teores dos principais TTAs identificados nestas espécies variaram entre 4.5 g/kg no E. urograndis e 21.6 g/kg no E. nitens. Observou-se que as cascas externas de Eucalyptus de zonas temperadas e Mediterrânicas, nomeadamente E. nitens e E. globulus, são mais ricas em TTAs que as espécies de regiões tropicais e subtropicais. Além disso, a casca externa do E. globulus é claramente a mais rica em ácidos com estruturas do tipo ursano enquanto a do E. nitens é a mais rica em ácidos do tipo oleanano e lupano. Estes resultados levaram-nos a estudar a extração dos TTAs da casca de Eucalyptus, bem como a sua posterior concentração e purificação, a qual foi efetuada por extração sólido-líquido convencional combinada com a precipitação de solutos, e por extração com fluidos supercríticos (SFE). No que diz respeito à primeira abordagem referida, foi desenvolvido neste trabalho um método patenteado que permite obter extratos enriquecidos em TTAs das cascas de eucalipto baseado em tecnologias disponíveis no imediato. Em relação à segunda abordagem, e de forma a apostar em processos de baixo impacto ambiental exigidos pelas biorrefinarias do futuro, a SFE surge como uma opção natural. Assim, foi efetuada a SFE da casca caduca do E. globulus com dióxido de carbono puro e modificado para recuperar a fração de TTAs, e os resultados foram comparados com os obtidos por extração em Soxhlet com diclorometano. Foram realizados estudos preliminares sobre a influência da pressão (100-200 bar), a adição de co-solvente (0, 5 e 8% m/m de etanol), e operação em múltiplos passos a fim de avaliar a aplicabilidade da alternativa supercrítica para a sua produção eficiente e selectiva. Os resultados destacaram a influência da pressão e o importante papel resumo (cont.) desempenhado pelo co-solvente neste processo, cujo efeito foi mais relevante do que o aumento da pressão em várias dezenas de bar. Este trabalho foi depois otimizado, usando o planeamento factorial de experiências e a metodologia de superfícies de resposta, para analisar a influência da temperatura (40-60 ºC), pressão (100-200 bar), e teor de etanol (0.0-5.0% m/m) na recuperação dos TTAs e respectiva concentração nos extractos. Nestes intervalos, as melhores condições de operação encontradas foram 200 bar, 40 °C e 5% de etanol, para as quais os modelos de regressão estatisticamente validados previram um rendimento de extração de 1.2% com 50% de concentração em TTAs, correspondendo ao rendimento em TTAs de 5.1 g/kg de casca e uma recuperação de 79.2% comparativamente ao valor do Soxhlet. Os TTAs livres e acetilados apresentaram tendências de extracção bastante distintas devido às suas diferentes afinidades para o CO2 causadas pelas diferentes polaridades: os derivados acetilados aproximam-se de um patamar máximo a cerca de 200 bar e 5% de etanol, enquanto a extração dos TTAs livres apresenta uma tendência sempre crescente no intervalo de condições estudado. Foram também medidas curvas cumulativas de SFE da casca do E. globulus de forma a analisar o comportamento cinético do processo em termos de rendimento total, rendimento em TTAs, rendimento em TTAs livres, rendimento em TTAs acetilados, e concentração dos TTAs nos extractos. Foi analisada a influência da pressão, temperatura, teor de co-solvente e caudal do dióxido de carbono sobre as respostas anteriores. Os dados experimentais foram modelados com os modelos Logístico, de Dessorção, de Placa Plana Simples, e de Difusão. Na globalidade, os resultados confirmaram que a pressão e o teor de etanol têm um efeito significativo sobre as curvas de extração, os rendimentos finais e as concentrações dos extratos, e mostraram a presença de limitações externas à transferência de massa em alguns ensaios. Mais uma vez, as famílias individuais de TTAs livres e acetilados apresentaram diferentes tendências de extracção. A modelação permitiu-nos confirmar não só o importante papel desempenhado pela difusão intraparticular na SFE, mas também a contribuição da resistência no filme em alguns ensaios. Após a análise de todos os resultados, foi efetuado um ensaio em duas etapas em série, possibilitando o enriquecimento do teor em TTAs no extracto devido às diferentes condições adotadas em cada etapa. Por último, um éster metílico de um ácido triterpénico do tipo oleanano - morolato de metilo - foi identificado pela primeira vez enquanto componente da casca de Eucalyptus na casca externa do Eucalyptus grandis x globulus, onde ocorre em teores elevados. A sua extração com CO2 supercrítico foi também realizada, visando a conceção de uma alternativa de extração ambientalmente benigna para este composto. A 200 bar e 60 ºC, a remoção do morolato de metilo atingiu um patamar às 6 h para 5.1 kg h-1 de CO2 / kg de casca. Em geral, e de forma semelhante à SFE da casca do E. globulus, os TTAs acetilados foram mais significativamente extraídos quando comparados com os seus ácidos livres, o que está diretamente relacionado com a natureza menos polar destas moléculas. O trabalho apresentado nesta tese é uma contribuição para a valorização de uma corrente de biomassa com baixo valor na indústria de pasta em duas vertentes complementares. Por um lado, aumentou o conhecimento da composição lipofílica das cascas de Eucalyptus spp. com interesse comercial para a produção de pasta, destacando o seu potencial enquanto fontes de ácidos triterpénicos. Por outro lado, foram desenvolvidos dois processos alternativos e facilmente integráveis numa fábrica de pasta para a sua exploração a partir da casca: um baseado em tecnologias convencionais bem estabelecidas a nível industrial, prevendo a sua aplicação a curto prazo, e um outro baseado na SFE, seguindo as tendências das futuras biorrefinarias.

Demand Response Programs Definition Using Demand Price Elasticity to Define Consumers Aggregation for an Improved Remuneration Structure

The positioning of the consumers in the power systems operation has been changed in the recent years, namely due to the implementation of competitive electricity markets. Demand response is an opportunity for the consumers’ participation in electricity markets. Smart grids can give an important support for the integration of demand response. The methodology proposed in the present paper aims to create an improved demand response program definition and remuneration scheme for aggregated resources. The consumers are aggregated in a certain number of clusters, each one corresponding to a distinct demand response program, according to the economic impact of the resulting remuneration tariff. The knowledge about the consumers is obtained from its demand price elasticity values. The illustrative case study included in the paper is based on a 218 consumers’ scenario.

Response curves of deterministic and probabilistic cellular automata in one and two dimensions

One of the most important problems in the theory of cellular automata (CA) is determining the proportion of cells in a specific state after a given number of time iterations. We approach this problem using patterns in preimage sets - that is, the set of blocks which iterate to the desired output. This allows us to construct a response curve - a relationship between the proportion of cells in state 1 after niterations as a function of the initial proportion. We derive response curve formulae for many two-dimensional deterministic CA rules with L-neighbourhood. For all remaining rules, we find experimental response curves. We also use preimage sets to classify surjective rules. In the last part of the thesis, we consider a special class of one-dimensional probabilistic CA rules. We find response surface formula for these rules and experimental response surfaces for all remaining rules.

Efficient robust optimization based on polynomial chaos and tabu search algorithm

The study of robust design methodologies and techniques has become a new topical area in design optimizations in nearly all engineering and applied science disciplines in the last 10 years due to inevitable and unavoidable imprecision or uncertainty which is existed in real word design problems. To develop a fast optimizer for robust designs, a methodology based on polynomial chaos and tabu search algorithm is proposed. In the methodology, the polynomial chaos is employed as a stochastic response surface model of the objective function to efficiently evaluate the robust performance parameter while a mechanism to assign expected fitness only to promising solutions is introduced in tabu search algorithm to minimize the requirement for determining robust metrics of intermediate solutions. The proposed methodology is applied to the robust design of a practical inverse problem with satisfactory results.

Composição lipídica da carne de frango em função da densidade nutricional da ração

Pós-graduação em Ciência Animal - FMVA