Coherent structures in open channel flows with bed load transport over an hydraulically rough bed

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil – Perfil de Estruturas

Contribuição para o estudo da modelação da digestão anaeróbia de resíduos sólidos, estudo da influência da geometria do reactor na cinética do processo

O presente trabalho tem como objectivo contribuir para o estudo do desenvolvimento de um modelo matemático aplicado à digestão anaeróbia de resíduos sólidos, que incorpore os condicionamentos da geometria dos reactores e a sua influência na cinética do processo biológico. Nesse sentido, o trabalho propõe-se avaliar o comportamento cinético de três reactores, com o mesmo volume mas com diferentes relações tridimensionais, utilizando o mesmo substrato, e idênticos parâmetros ambientais e operacionais de funcionamento. Pretendeu-se estudar em que medida a relação do comprimento, largura e altura de um reactor pode interferir nas taxas de remoção de substrato, condicionando a respectiva difusão na biomassa e crescimento dos microrganismos. Considera-se que este aspecto é do maior interesse para o desenvolvimento de um modelo cinético, podendo minimizar desvios inerentes à própria modelação de processos biológicos complexos. A geometria do reactor, que se correlaciona com uma determinada relação tridimensional, pode constituir um parâmetro importante, que se designou por Kcig (Constante de Inibição Geométrica), dada a influência que poderá exercer na cinética do processo biológico. A sua avaliação, parametrização e consequente modelação, deverá facilitar a escolha da relação comprimento/largura/altura mais adequada, de forma a optimizar o funcionamento operacional do reactor. O plano experimental desenvolveu-se em duas fases, utilizando-se dois substratos com graus distintos de dificuldade de utilização pelos microrganismos, nomeadamente: Fase 1 (glucose), Fase 2 (FORSU e relva). Concluiu-se que a cinética do processo é influenciada pela relação entre as áreas de separação de biogás/biomassa (As) e de contacto biomassa/reactor (Ac), que interferem na geometria do reactor. Assim, através dos resultados das fases 1 e 2 pode observar-se que a variação da taxa de remoção de substrato se aproxima de uma função de saturação, pelo que se propõe uma adaptação do modelo de Monod, através de um formalismo que incorpora uma grandeza adimensional, Kcig, para reflectir o efeito da geometria do reactor. Verificou-se que a equação adoptada para Kcig se mostrou adequada, o que permitiu, através do modelo de Monod ajustado, estimar os valores de rx máx e Ks que se admite estarem mais próximos dos verdadeiros, embora se considere que apenas se pretende corrigi-los em função do efeito da geometria do reactor. Por outro lado, o estudo permitiu identificar um valor de Kcig para o reactor de 2,5 L, a partir do qual poderá não ser interessante a relação entre a taxa de remoção de substrato e a área de construção do reactor.

Metanólise de óleo de soja em biodiesel através de um reactor de membrana

Com o aumento das necessidades energéticas, bem como dos cada vez mais conhecidos efeitos nocivos dos combustíveis fósseis, tornou-se imperativo pesquisar e desenvolver alternativas sustentáveis e verdes a esses recursos. O biodiesel é considerado como o melhor substituto para o combustível diesel convencional de base petroquímica. A transesterificação de óleos vegetais revela-se como uma importante via de obtenção do biodiesel. Na produção de biodiesel com catalisadores básicos homogéneos, como o hidróxido de sódio, deparamo-nos com um problema na hidrólise de triglicéridos, levando à formação de sabões e emulsões. Mesmo quando são usados reagentes secos, há formação de água devido à reacção do hidróxido com o álcool. Estes problemas podem ser solucionados com a utilização de catalisadores heterogéneos. Este estudo incidiu na preparação de membranas catalíticas de álcool polivinílico (PVA) incorporadas com um catalisador heterogéneo sólido básico (óxido de cálcio) obtido de resíduos industriais (casca de ovo). Caracterizaram-se as membranas catalíticas através da determinação da espessura, ângulos de contacto, grau de inchamento e espectroscopia de infravermelho. As membranas de PVA foram testadas na metanólise de óleo de soja em reactor batch e reactor de membrana catalítica. Estudou-se o efeito da reticulação química e por irradiação gama, nas propriedades das membranas e na actividade catalítica.

Projecto de um bio-reactor para cultura celular em membranas tubulares

O Grupo de Engenharia de Tecidos da FCT/UNL desenvolve e produz membranas poliméricas tubulares biodegradáveis que servem de substrato a culturas celulares e que se destinam a substituir temporariamente vasos sanguíneos danificados. O objectivo desta dissertação foi o desenvolvimento de um bio-reactor com a capacidade de bombeamento controlado de um fluido adequado à manutenção de uma cultura celular, que simula a passagem do fluxo sanguíneo pelo interior das membranas tubulares, permitindo que as células nelas semeadas recebam os estímulos adequados ao seu desenvolvimento. Foi construído um bio-reactor de perfusão pulsátil para cultura celular em membranas tubulares que é instalável numa incubadora, beneficiando assim de condições ambientais — pH, temperatura e humidade — semelhantes às fisiológicas. O bio-reactor é capaz de gerar estímulos mecânicos pulsáteis favoráveis ao alinhamento de células endoteliais e de músculo liso. O sistema foi desenvolvido de modo a que a pressão e o caudal aplicados às membranas pudessem ser monitorizados e controlados. Foram semeadas células endoteliais em matrizes planas de policaprolactona, tendo-se confirmado a sua adesão e proliferação por microscopia de fluorescência. Após enrolamento, obtiveram-se duas membranas tubulares com células endoteliais semeadas no lúmen. Uma delas foi submetida a cultura estática, e outra a cultura dinâmica no bio-reactor. Após 10 dias de condicionamento in vitro, as membranas foram novamente observadas por microscopia de fluorescência. Os resultados obtidos não foram conclusivos, pelo que serão necessários novos estudos para concluir se o bio-reactor construído é capaz de garantir o condicionamento mecânico das células semeadas nas matrizes.

Optimal design and operation of compact simulated moving bed processes for enantioseparations

Simulated moving bed (SMB) chromatography is attracting more and more attention since it is a powerful technique for complex separation tasks. Nowadays, more than 60% of preparative SMB units are installed in the pharmaceutical and in the food in- dustry [SDI, Preparative and Process Liquid Chromatography: The Future of Process Separations, International Strategic Directions, Los Angeles, USA, 2002. http://www. strategicdirections.com]. Chromatography is the method of choice in these ¯elds, be- cause often pharmaceuticals and ¯ne-chemicals have physico-chemical properties which di®er little from those of the by-products, and they may be thermally instable. In these cases, standard separation techniques as distillation and extraction are not applicable. The noteworthiness of preparative chromatography, particulary SMB process, as a sep- aration and puri¯cation process in the above mentioned industries has been increasing, due to its °exibility, energy e±ciency and higher product purity performance. Consequently, a new SMB paradigm is requested by the large number of potential small- scale applications of the SMB technology, which exploits the °exibility and versatility of the technology. In this new SMB paradigm, a number of possibilities for improving SMB performance through variation of parameters during a switching interval, are pushing the trend toward the use of units with smaller number of columns because less stationary phase is used and the setup is more economical. This is especially important for the phar- maceutical industry, where SMBs are seen as multipurpose units that can be applied to di®erent separations in all stages of the drug-development cycle. In order to reduce the experimental e®ort and accordingly the coast associated with the development of separation processes, simulation models are intensively used. One impor- tant aspect in this context refers to the determination of the adsorption isotherms in SMB chromatography, where separations are usually carried out under strongly nonlinear conditions in order to achieve higher productivities. The accurate determination of the competitive adsorption equilibrium of the enantiomeric species is thus of fundamental importance to allow computer-assisted optimization or process scale-up. Two major SMB operating problems are apparent at production scale: the assessment of product quality and the maintenance of long-term stable and controlled operation. Constraints regarding product purity, dictated by pharmaceutical and food regulatory organizations, have drastically increased the demand for product quality control. The strict imposed regulations are increasing the need for developing optically pure drugs.(...)

The thermal effects on the methanol-to-olefins reaction: A modelling and experimental approach

With the projection of an increasing world population, hand-in-hand with a journey towards a bigger number of developed countries, further demand on basic chemical building blocks, as ethylene and propylene, has to be properly addressed in the next decades. The methanol-to-olefins (MTO) is an interesting reaction to produce those alkenes using coal, gas or alternative sources, like biomass, through syngas as a source for the production of methanol. This technology has been widely applied since 1985 and most of the processes are making use of zeolites as catalysts, particularly ZSM-5. Although its selectivity is not especially biased over light olefins, it resists to a quick deactivation by coke deposition, making it quite attractive when it comes to industrial environments; nevertheless, this is a highly exothermic reaction, which is hard to control and to anticipate problems, such as temperature runaways or hot-spots, inside the catalytic bed. The main focus of this project is to study those temperature effects, by addressing both experimental, where the catalytic performance and the temperature profiles are studied, and modelling fronts, which consists in a five step strategy to predict the weight fractions and activity. The mind-set of catalytic testing is present in all the developed assays. It was verified that the selectivity towards light olefins increases with temperature, although this also leads to a much faster catalyst deactivation. To oppose this effect, experiments were carried using a diluted bed, having been able to increase the catalyst lifetime between 32% and 47%. Additionally, experiments with three thermocouples placed inside the catalytic bed were performed, analysing the deactivation wave and the peaks of temperature throughout the bed. Regeneration was done between consecutive runs and it was concluded that this action can be a powerful means to increase the catalyst lifetime, maintaining a constant selectivity towards light olefins, by losing acid strength in a steam stabilised zeolitic structure. On the other hand, developments on the other approach lead to the construction of a raw basic model, able to predict weight fractions, that should be tuned to be a tool for deactivation and temperature profiles prediction.

Degradación de efluentes de las industrias del cuero y textil mediante procesos fotocatalíticos heterogéneos empleando la luz solar. Degradation of effluents from the leather and textile industries through heterogeneous photocatalytic processes using sunlight.

El creciente desarrollo de la industria del cuero y textil en nuestro país, y específicamente en la provincia de Córdoba, ha hecho resurgir en los ultimos años una problemática aún no resuelta que es la elevada contaminación de los recursos hídricos. En ambas industrias, la operación de teñido involucra principalmente colorantes de tipo azoico los cuales son "no biodegradables" y se fragmentan liberando aminas aromáticas cancerígenas. Para abordar esta problemática, la fotocatálisis heterogénea aparece como una nueva tecnología que permitiría la completa mineralización de estos colorantes. A través de radiación y un fotocatalizador sólido adecuado se pueden generan radicales libres eficientes para la oxidación de materia orgánica (colorantes) en medio acuoso. En este sentido, se proponen tamices moleculares mesoporosos modificados con metales de transición (MT) como fotocatalizadores potencialmente aptos para la degradación de estos contaminantes. El propósito principal de este proyecto es el diseño, síntesis, caracterización y evaluación de materiales mesoporosos que presenten actividad fotocatalítica ya sea mediante la modificación de su estructura con diversos metales fotosensibles y/o empleándolos como soporte de óxido de titanio. Se pretende evaluar estos materiales en la degradación de colorantes intentando desplazar su fotosensibilidad hacia la radiación visible para desarrollar nuevas tecnologías con menor impacto ambiental y mayor aprovechamiento de la energía solar. Para ello se sintetizarán materiales del tipo MCM-41 modificados con distintos MT tales como Fe, Cr, Co, Ni y Zn mediante incorporación directa del ión metálico o impregnación. Al mismo tiempo, tanto estos últimos materiales como el MCM-41 silíceo serán empleados como soporte de TiO2. Sus propiedades fisicoquímicas se caracterizarán mediante distintas técnicas instrumentales y su actividad fotocatalítica se evaluará en la degradación de colorantes azoicos bajo radiación visible. Se seleccionará el catalizador más eficiente y se estudiarán los diversos factores que afectan el proceso de fotodegradación. Así mismo, el análisis de la concentración del colorante y los productos presentes en el medio en función del tiempo de reacción permitirá inferir sobre la cinética de la decoloración y postular posibles mecanismos de fotodegradación. Con esta propuesta se espera contribuír al desarrollo de un sector industrial importante en nuestra provincia como es el de las industrias del cuero y textil, mediante la generación de nuevas tecnologías que empleen la energía solar para la degradación de sus efluentes (colorantes). En este sentido, se espera desarrollar nuevos materiales optimizados para lograr la mayor eficiencia fotocatalítica. Esto conduciría entonces hacia la remediación de un problema ambiental de alto impacto tanto para nuestra provincia y nuestro país como para la población mundial, como es la contaminación de los recursos hídricos. Finalmente, con este proyecto se contribuirá a la formación de dos doctorandos y un maestrando, cuyos temas de tesis están vinculados con nuestro objeto de estudio. The increasing development of the textile and leather industries in our country, and specifically in Córdoba, has revived an unresolved problem that is the high contamination of water resources. In both industries, the dyeing involves mainly type azoic dyes which are not biodegradable and break releasing carcinogenic aromatic amines. Heterogeneous photocatalysis appears as a new technology that would allow the complete mineralization of these pollutants. Through radiation and a suitable solid it is possible to generate free radicals for efficient oxidation of organic matter (dyes) in aqueous medium. In this respect, mesoporous molecular sieves modified with transition metals are proposed as potential photocatalysts. The main purpose of this project is the synthesis of mesoporous materials having photocatalytic activity for the degradation of dyes. We will try to move their photosensitivity to visible radiation to develop new technologies with lower environmental impact and greater use of solar energy. Materials MCM-41 modified with metals (Fe, Cr, Co, Ni and Zn) will be synthesized by direct incorporation or impregnation. These materials and the siliceous MCM-41 will be then employed as support of TiO2. The materials will be evaluated in the photocatalytic degradation of azoic dyes under visible radiation. The influence of different factors on the photodegradation proccess will be studied. Kinetic studies will be carried out and a possible reaction way will be proposed. Thus, this work will contribute to the advancement of an important industrial sector and the remediation of an environmental problem with high impact for our province and our country. Moreover, this proyect will contribute to the development of two doctoral tesis and one magister tesis which are vinculated with our study subject.

Neuer Strahlschichtreaktor für Wärme- und Stofftransportprozesse

Spouted bed, reactor, heat transfer, mass transfer, pressure drop, modeling

Experimental study on n-butane partial oxidation to maleic anhydride in a solid electrolyte membrane reactor

n-Butane, Partial oxidation, Maleic anhydride, electrochemical oxygen pumping, solid electrolyte membrane reactor

Spatio-temporal dynamics of glycolysis in an open spatial reactor

Magdeburg, Univ., Fak. für Verfahrens- und Systemtechnik, Diss., 2008

On design and control of simulated moving bed plants

Magdeburg, Univ., Fak. für Elektrotechnik und Informationstechnik, Diss., 2010

Precipitation of barium sulfate in a semi-batch stirred tank reactor : influence of feeding policy on particle size and morphology

Magdeburg, Univ., Fak. für Verfahrens- und Systemtechnik, Diss., 2012

Control of fluidized bed spray granulation processes

Magdeburg, Univ., Fak. für Elektrotechnik und Informationstechnik, Diss., 2012

Model-based measurement and control of fluidised bed spray granulation processes

Magdeburg, Univ., Fak. für Verfahrens- und Systemtechnik, Diss., 2012

Electrochemical high temperature membrane reactor for the processing of hydrogen-carbon monoxide gas mixtures

Magdeburg, Univ., Fak. für Verfahrens- und Systemtechnik, Diss., 2013