Optimização energética de sistemas multi-componente da zona fria do Steam Cracker

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Caracterização reológica e avaliação da resistência à fadiga de betumes com o reómetro de corte dinâmico

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

Simulação da secção de recuperação de solvente do processo de produção do PEAD

A presente dissertação foi realizada no âmbito de um estágio curricular no complexo petroquímico da Repsol Polímeros em Sines e teve como objectivo implementar uma simulação da secção de recuperação de solvente da unidade de produção de PEAD. A simulação foi realizada através do software Aspen Hysys (v. 7.3) e posteriormente validada, onde se verificou uma boa correspondência entre o comportamento simulado e o do processo industrial. Após validação, com o intuito de analisar a resposta do sistema a alterações processuais, foram elaborados dois casos de estudo: Alteração do comonómero para 1-hexeno e substituição do n-hexano para n-pentano como solvente. No primeiro caso de estudo foram encontrados problemas na purificação do solvente. A separação da mistura n-hexano/1-hexeno foi estudada por destilação convencional e extractiva (com adição de n-metil-2-pirrolidona). Por destilação convencional não foi possível separar completamente os dois compostos, mas foi conseguida a condição mínima requerida pelas limitações do processo, de um caudal de 10 ton/h de hexano na corrente de topo, juntamente com os 700 kg/h de comonómero, com uma coluna a operar a 110 kPa, com 130 pratos e cuja alimentação entrava no 5º andar. A destilação extractiva revelou-se o método mais eficaz, conseguindo-se separar completamente as duas espécies através de uma coluna de destilação com 10 pratos a 110 kPa com a alimentação e solvente a entrar respectivamente no 4º e 5º andar. Para remoção do agente extractivo, cada uma das correntes sofre outra destilação. No segundo caso de estudo verificou-se que a secção simulada com pentano apresenta temperaturas de operação inferiores, o que por um lado vai diminuir o consumo de vapor de média e de alta pressão, mas por outro aumenta a 47992% a utilização de brine. Desta forma, atendendo ao custo elevado desta utilidade, a substituição não apresenta clara vantagem energética ao processo.

Novas matrizes para PDLCs com efeito de memória

O principal objetivo deste trabalho é desenvolver novas matrizes para PDLCs de modo a otimizar o par “matriz-cristal líquido”, diminuindo a ancoragem do cristal líquido na matriz para que este apresente maior efeito de memória permanente. Para tal, introduziram-se tensioativos a um dos sistemas estudados. No decorrer deste trabalho produziram-se filmes de cristal líquido disperso numa matriz polimérica (PDLC). Os filmes foram preparados a partir de uma mistura homogénea de cristal líquido comercializado pela MERCK e monómeros, nomeadamente dimetacrilato etoxilado de bisfenol a n=15 (BAEDMA n=15), diacrilato etoxilado de bisfenol a n=2 (BAEDA n=2) e diacrilato etoxilado de bisfenol a n=4 (BAEDA n=4) cuja polimerização foi realizada termicamente, utilizando o iniciador AIBN. Estudou-se ainda a opacidade/transparência dos filmes de PDLC, medindo-se a tensão elétrica necessária para a comutação entre os estados OFF/ON. Fizeram-se estudos eletro-óticos de modo a se determinar o efeito de memória permanente que os PDLCs apresentavam. Através desses estudos concluiu-se que o sistema BAEDA n=4/E7 (20/80) com 5% de TX100, possui um efeito de memória permanente de 99% e um E90 de 4 V/μm e o sistema BAEDA n=4/E7 (20/80) com 5% de TX45 possui um efeito de memória permanente de 85% e um E90 de 4V/μm. Os PDLCs produzidos caraterizaram-se através de Microscopia Eletrónica de Varrimento (SEM) com o objetivo de estudar a morfologia da rede polimérica, Microscopia de Luz Polarizada (POM) que permitiu observar a distribuição do cristal líquido na matriz, antes e depois de aplicar um campo elétrico e a Calorimetria Diferencial de Varrimento (DSC) a fim de determinar a temperatura de transição vítrea (Tg) dos monómeros e dos polímeros.

Desenvolvimento de microgéis híbridos para a sua aplicação em tratamentos de hipertermia magnética

A adição de nanopartículas magnéticas a polímeros termossensíveis permite desenvolver sistemas híbridos com possíveis aplicações biomédicas no âmbito do diagnóstico e/ou da terapia. A variedade de aplicações ao nível biomédico advêm da capacidade de resposta a vários estímulos, podendo tornar estes sistemas multifuncionais. O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de microgéis híbridos termossensíveis com capacidade de resposta tanto à temperatura como ao campo magnético aplicado. Os microgéis híbridos sintetizados por polimerização por emulsão sem tensioativo (polimerização por precipitação) são constituídos por poli (N-isopropilacrilamida) (PNIPAAm) reticulado e quitosano (CS), sendo a componente inorgânica composta por nanopartículas magnéticas de óxido de ferro (IONPs), previamente sintetizadas por precipitação química. Foram sintetizados microgéis com diferentes percentagens (%m/m) de CS: 2, 10, 15, 20 e 40; bem como com diferentes percentagens (%m/m) de IONPs: 5 e 10%. Os microgéis sintetizados foram caracterizados de forma a otimizar o seu processo de produção. Para tal foi avaliada a sua estrutura, as propriedades físico-químicas e magnéticas e a capacidade de inchamento dos diferentes microgéis produzidos. Por último, foi avaliado o potencial destes microgéis híbridos funcionarem como agentes de hipertermia magnética. Confirmou-se que os microgéis obtidos apresentam uma morfologia esférica com diâmetros médios inferiores a um micrómetro. A introdução tanto do CS como das IONPs não alterou a termossensíbilidade dos microgéis, embora tenha provocado uma diminuição nas suas capacidades de inchamento. Verificou-se ainda que o encapsulamento das nanopartículas de óxido de ferro não alterou as propriedades superparamagnéticas das mesmas. Estes dados, em conjunto com os resultados de hipertermia magnética, revelam um potencial para a aplicação destes microgéis híbridos em hipertermia magnética.

Novas suturas à base de nanofibras poliméricas

As suturas são dispositivos médicos utilizados na aproximação dos bordos de feridas cirúrgicas ou acidentais. O objectivo deste trabalho consistiu em produzir um fio de sutura com base num material polimérico biodegradável. Para a produção do fio utilizou-se a técnica de electrofiação que permite a obtenção de fibras de diâmetro sub-micrométrico a partir de soluções poliméricas. Os polímeros usados foram a policaprolactona (PCL) e o acetato de celulose (AcCel), polímero sintético e natural, respectivamente. Usaram-se como solventes o clorofórmio e a dimetilacetamida. Foram realizados ensaios mecânicos para caracterizar as propriedades mecânicas das fibras. As fibras compostas por PCL e AcCel apresentaram tensão máxima inferior e módulo de Young superior às fibras de PCL. Concluiu-se que a adição de acetato de celulose tornou as fibras menos elásticas, como era esperado. Quando submetidos a deformações cíclicas, ambos os tipos de fibras mostraram um comportamento idêntico ao apresentado por uma amostra do mesmo material numa única tracção. Para obter os fios, utilizaram-se dois instrumentos de corte. Depois de alongados obtiveram-se fios com calibres correspondentes a 5-0 e 4-0, segundo a classificação da Pharmacopeia dos Estados Unidos. De seguida foram feitos testes in vivo em dois ratos de laboratório, da estirpe Wistar. Durante o procedimento cirúrgico os fios mostraram ser de fácil manuseamento permitindo um bom atravessamento dos tecidos. Observou-se uma boa regeneração dos tecidos apresentando uma cicatrização limpa e com bom aspecto. Os fios de sutura desenvolvidos neste trabalho reúnem as vantagens das suturas mono-filamento e multi-filamento sem nenhuma das respectivas desvantagens.

Caraterização reológica e avaliação da resistência à fadiga de mastiques betuminosos com o reómetro de corte dinâmico

Numa mistura betuminosa, o mastique betuminoso envolve os agregados grossos e preenche os vazios do esqueleto mineral, influenciando deste modo as propriedades da mistura durante a produção (ex: trabalhabilidade) e em serviço (ex: estabilidade). O presente estudo pretende investigar e avaliar o comportamento reológico e mecânico do mastique na gama de temperaturas a que um pavimento flexível está sujeito em serviço. O comportamento mecânico é avaliado através da resistência à fadiga. Oito mastiques foram formulados com dois betumes, um puro e outro modificado com polímeros SBS, e dois fíleres para duas relações volumétricas. Os resultados experimentais foram analisados e comparados com os obtidos em outro estudo relativos à caraterização dos betumes (Pereira, 2014). Os ensaios de caraterização reológica foram realizados num reómetro rotacional, em regime oscilatório e utilizando uma geometria de pratos paralelos. As propriedades utilizadas para a caraterização reológica são o módulo complexo (

Caracterização reológica de mastiques betuminosos

A rede rodoviária desempenha um papel fundamental para o desenvolvimento de qualquer país. Atualmente em Portugal tem-se assistido a um aumento do investimento na reabilitação dos pavimentos rodoviários, usualmente recorrendo a colocação de misturas betuminosas. Constituído por uma parte mais fina do agregado e betume, o mastique é considerado o verdadeiro ligante da mistura betuminosa, uma vez que envolve e liga os agregados grossos, preenchendo deste modo os seus vazios. Assim, é essencial caracterizar o comportamento deste material devido à sua influência em diversas características da mistura betuminosa. O comportamento viscoelástico do mastique pode ser caraterizado por ensaios com imposição de uma força ou de um deslocamento. No presente trabalho foram realizados ensaios uniaxiais com aplicação de uma deformação uniaxial, quer em ensaios com aumento de comprimento do provete, como em ensaios com redução do comprimento. Foram utilizados dois tipos de betume, um betume puro e um betume modificado com polímeros. Para além destes, foram utilizados dois tipos de fíler diferentes, um pó de calcário e uma cal hidráulica. Com estes materiais fabricaram-se mastiques betuminosos com diferentes razões fíler/betume e foi avaliado o seu comportamento viscoelástico adaptando a norma EN 12697-26 (2004). Para cada mastique fez-se variar a temperatura, a frequência e a amplitude de deformação imposta. Para o tratamento dos resultados obtidos nos ensaios utilizou-se um método por regressão linear, para se obter os valores do módulo complexo e do ângulo de fase para cada mastique. Posteriormente, realizou-se o ajustamento dos resultados experimentais com um modelo mecânico 2S2P1D. Os resultados mostraram que o comportamento dos mastiques é influenciado pelo tipo de ensaio (com aumento ou com redução do comprimento), tipo de fíler e pela relação fíler/betume utilizada.

Comportamento de ligações adesivas entre compósitos de FRP e elementos estruturais de aço

Desde de que os Polímeros Reforçados com Fibras (FRP) começaram a ser usados no reparo ou no reforço de elementos estruturais, o descolamento prematuro do compósito FRP com o substrato tem sido objecto de muitos estudos. É importe conhecer e descrever, com rigor, o comportamento completo da interface do FRP com o substrato. Inclusivé, tem-se utilizado com frequência fixações mecânicas adicionais, para demorar ou mesmo evitar o descolamento prematuro do compósito FRP com o substrato. Não existem soluções analíticas que descrevam o comportamento completo das interfaces do FRP com o substrato. Portanto, o objetivo desta dissertação é mitigar esse desconhecimento através de uma solução teórica para descrever a ligação do FRP com o substrato com e sem ancoragem mecânica, através de um modelo de bond-slip exponencial que é conhecido por representar as não linearidades envolvidas no processo de descolagem do compósito FRP com o substrato. A análise completa da carga vs. deslizamento para ambos os casos (com e sem ancoragem mecânica) também é discutida nesta dissertação. Para além disso, este trabalho também visa um estudo experimental utilizando vigas metálicas com compósitos de carbono (CFRP) ou seja, em sistema Externally Bonded Reinforcement (EBR) com e sem sistema ancorado mecânico.

Comportamento da ligação CFRP/betão em estruturas de betão armado

O presente trabalho centra-se no estudo de um sistema de reforço de estruturas de betão armado que se tem tornado bastante utilizado, o reforço com materiais compósitos. Os materiais compósitos utilizados neste estudo são polímeros reforçados com fibras de carbono (CFRP – Carbon Fiber Reinforced Polymer). A ligação deste compósito aos elementos de betão é feita através de resina, neste caso utilizou-se resina epoxídica. Neste sistema de reforço é fulcral garantir que a ligação entre o compósito e o betão é a melhor possível e, por isso, no presente estudo estudou-se esta ligação através de ensaios experimentais de corte simples. Com o intuito de se perceber a influência do comprimento de laminado de CFRP colado ao substrato de betão, foram utilizados diferentes comprimentos colados nos ensaios experimentais. Utilizaram-se duas técnicas de reforço distintas, reforço com compósitos de CFRP colados exteriormente (EBR) e reforço com compósitos de CFRP colados numa ranhura feita no bloco de betão (NSM), com o intuito de se verificar a influência que a técnica de reforço pode ter na eficácia do sistema de reforço, percebendo para qual das técnicas se consegue obter uma melhor aderência entre o laminado de CFRP e o substrato de betão. Foram realizados 11 ensaios de corte simples para a técnica EBR e 8 ensaios de corte simples para a técnica NSM. Neste estudo foi também encontrada uma solução analítica que consegue descrever o comportamento completo da interface entre o material compósito e o substrato de betão. Esta solução analítica foi encontrada a partir de um modelo bond-slip não-linear. Os resultados experimentais obtidos foram analisados e o modelo analítico proposto foi validado com recurso a estudos presentes na literatura e aos resultados experimentais obtidos no presente estudo.

Caracterização de filmes poliméricos para conversão de energia solar em energia eléctrica

Os polímeros são materiais de grande interesse científico e tecnológico já que podem ser utilizados no desenvolvimento de dispositivos para aplicação em electrónica e fotónica. Tendo em conta a sua aplicação em dispositivos de conversão de energia solar em energia eléctrica, o estudo das propriedades eléctricas e ópticas de filmes destes materiais, quando irradiados por radiação ultravioleta e visível, é fundamental. Neste trabalho caracterizaram-se as propriedades eléctricas e ópticas de filmes finos obtidos pelas técnicas de derramamento e de camada-por-camada (Layer-by-Layer (LbL)) obtidos a partir do poli(cloreto de xilideno tetrahidrotiofeno) (PTHT) que após aquecimento é convertido em poli(p-fenileno vinileno) (PPV). Assim, e através da técnica de derramamento, foram preparados filmes sobre suportes sólidos com eléctrodos interdigitais de forma a proceder à medição da condutividade em modo de corrente alternada (AC), isto é, à medição da resistência e da capacidade em função da frequência. Verificou-se, portanto, que a presença de luz leva à formação de portadores de carga, ou seja, na presença de luminosidade os filmes apresentam uma menor capacitância e resistência, para além de degradar o material. Esta degradação foi verificada, também, a partir da espectrofotometria de Ultravioleta-Visível (UV-Vis) e de infravermelho (IV). Medições de condutividade de volume, isto é, colocando os filmes entre eléctrodos paralelos de funções de trabalho diferentes, permitiram traçar as curvas características e verificar que os dispositivos obtidos se comportam como díodos. Recorreu-se, também, a técnicas de espectrofotometria de ultravioleta do vácuo (VUV) e UV-Vis para caracterizar filmes LbL obtidos a partir do PTHT e de um polieletrólito comum o poli(estireno sulfonado) (PSS) antes e após aquecimento. Os espectros obtidos, após análise dos picos, mostram que a técnica de VUV é a técnica indicada para analisar a conversão do PTHT em PPV. Este trabalho permitiu concluir que as propriedades eléctricas e ópticas destes filmes, estão dependentes da presença de luminosidade, de oxigénio e da humidade relativa pelo que dispositivos obtidos a partir deste polímero devem ser, sempre, encapsulados.

Reforço de placas de betão armado com argamassas armadas para acções de explosão

Quando uma explosão, com origem terrorista ou acidental, ocorre perto de estruturas vulneráveis, pode causar grandes estragos e perdas de vida. Existem diversos estudos experimentais e numéricos que analisaram reforços de estruturas de betão com Polímeros Reforçados com Fibras (FRP) contra o efeito de explosivos. Apesar dos bons resultados, estas soluções são pouco económicas. Existe, portanto, a necessidade de continuar a desenvolver novos métodos mais económicos, para aumentar a resistência dos vários elementos que compõem a estrutura de um edifício contra os efeitos de explosões. Nesta dissertação estudou-se a utilização de 3 diferentes tipos de reforço em placas de betão armado. Estas placas, com 2,6x2,17 m e 12 cm de espessura, originalmente foram projectadas como painéis para fachadas de edifícios, foram ensaiadas para acções de explosões normais ao seu plano. Os reforços estudados nesta dissertação podem assim ser utilizados para reforçar lajes e paredes de betão armado de fachadas de edifícios. Os 3 diferentes tipos de reforço, com 2 cm de espessura em toda a área da face que representa o interior do edifício, têm como base uma calda de cimento. A sua diferença está no tipo de armadura utilizada. Na solução A, é utilizada uma malha distendida galvanizada em aço. Nas soluções B e C são utilizadas fibras de aço contínuas. Estudos recentes desenvolveram e caracterizaram esta Calda Reforçada com Fibras Unidirecionais (CRFU) [1] [2]. Este compósito diverge face aos outros, desenvolvidos até então, por ser reforçado com uma manta não-tecida de fibras de aço contínuas e unidireccionais. Nesta dissertação, esta Calda Reforçada com Fibras Contínuas de aço é utilizada como reforço contra os efeitos de uma explosão nas soluções B e C. Na solução B, é utilizado 1% de fibras na direcção do vão, e na solução C, é utilizado 0,5 % de fibras em direcções ortogonais. Para ensaio experimental foram preparadas 4 placas de betão armado: três com os reforços já mencionados e uma sem reforço, como referência. Estas placas foram ensaiadas, simplesmente apoiadas em dois bordos paralelos, com um vão livre de 2,3 m. A placa A não foi ensaiada por rotura do modelo aquando da sua montagem. A placa C foi utilizada num ensaio preliminar com o objectivo de testar o sistema de ensaio. No primeiro ensaio desta placa, foram utilizados 2n kg de TNT a 3 m de distância, não provocando qualquer dano na placa. No segundo ensaio foram utilizados 8 kg de TNT a 2 m de distância, levando a placa à rotura. A placa B e a placa de referência foram ensaiadas com 8 kg de TNT a 3 m de distância. Os resultados mostram que os danos na placa reforçada diminuíram cerca de 40%.

Caracterização de filmes poliméricos para conversão de energia solar em energia eléctrica

Os polímeros são materiais de grande interesse científico e tecnológico já que podem ser utilizados no desenvolvimento de dispositivos para aplicação em electrónica e fotónica. Tendo em conta a sua aplicação em dispositivos de conversão de energia solar em energia eléctrica, o estudo das propriedades eléctricas e ópticas de filmes destes materiais, quando irradiados por radiação ultravioleta e visível, é fundamental. Neste trabalho caracterizaram-se as propriedades eléctricas e ópticas de filmes finos obtidos pelas técnicas de derramamento e de camada-por-camada (Layer-by-Layer (LbL)) obtidos a partir do poli(cloreto de xilideno tetrahidrotiofeno) (PTHT) que após aquecimento é convertido em poli(p-fenileno vinileno) (PPV). Assim, e através da técnica de derramamento, foram preparados filmes sobre suportes sólidos com eléctrodos interdigitais de forma a proceder à medição da condutividade em modo de corrente alternada (AC), isto é, à medição da resistência e da capacidade em função da frequência. Verificou-se, portanto, que a presença de luz leva à formação de portadores de carga, ou seja, na presença de luminosidade os filmes apresentam uma menor capacitância e resistência, para além de degradar o material. Esta degradação foi verificada, também, a partir da espectrofotometria de Ultravioleta-Visível (UV-Vis) e de infravermelho (IV). Medições de condutividade de volume, isto é, colocando os filmes entre eléctrodos paralelos de funções de trabalho diferentes, permitiram traçar as curvas características e verificar que os dispositivos obtidos se comportam como díodos. Recorreu-se, também, a técnicas de espectrofotometria de ultravioleta do vácuo (VUV) e UV-Vis para caracterizar filmes LbL obtidos a partir do PTHT e de um polieletrólito comum o poli(estireno sulfonado) (PSS) antes e após aquecimento. Os espectros obtidos, após análise dos picos, mostram que a técnica de VUV é a técnica indicada para analisar a conversão do PTHT em PPV. Este trabalho permitiu concluir que as propriedades eléctricas e ópticas destes filmes, estão dependentes da presença de luminosidade, de oxigénio e da humidade relativa pelo que dispositivos obtidos a partir deste polímero devem ser, sempre, encapsulados.

Reforço de elementos estruturais de madeira com materiais compósitos de matriz polimérica

A necessidade de manutenção e reabilitação de estruturas de madeira antigas é, nos dias de hoje, um aspeto bastante importante a nível mundial. Assim, o estudo da eficácia de alguns sistemas de reforço torna-se fulcral. A presente dissertação é um estudo experimental sobre reforço de estruturas de madeira com materiais compósitos. Os materiais compósitos utilizados na componente experimental foram polímeros reforçados com fibras de carbono (CFRP – Carbon Fiber Reinforced Polymer) e estes foram colados ao substrato de madeira com resina epoxídica. O estudo experimental foi composto por duas fases. Na primeira fase realizaram-se ensaios de corte simples e na segunda fase ensaios de flexão. Os ensaios de corte simples foram realizados de modo a estudar a ligação CFRP-madeira e a analisar a influência do comprimento colado de CFRP ao substrato de madeira. Para tal, utilizaram-se duas técnicas de reforço, a técnica EBR (Externally Bonded Reinforcement) em que os laminados de CFRP são colados exteriormente e a técnica NSM (Near Surface Mounted) em que os laminados de CFRP são colados numa ranhura feita no provete de madeira. Foram realizados 17 ensaios de corte simples, 10 com a técnica EBR e 7 com a técnica NSM. Na segunda fase, foram realizados 3 ensaios de flexão sobre pavimentos de madeira reforçados com laminados de CFRP. Para estes ensaios também se utilizaram duas técnicas de reforço, a técnica EBR e uma técnica em que o laminado de FRP é ancorado nas extremidades das vigas. Numa fase final os resultados foram analisados e comparados de modo a tirar conclusões. Concluíu-se que a técnica de reforço NSM apresenta um desempenho superior à técnica EBR nos ensaios de corte simples. Comparativamente à técnica EBR, os pavimentos de madeira com o laminado de CFRP ancorado nas extremidades das vigas apresentaram um melhor desempenho.