Análise e simulação de um sistema de equações químicas do tipo difusão-reação

Neste trabalho estudamos um sistema de equações diferenciais parabólicas que modelam um processo de difusão-reação em duas dimensões da mistura molecular e reação química irreverssível de um só passo entre duas espécies químicas A e B para formar um produto P. Apresentamos resultados analíticos e computacionais relacionados à existência e unicidade da solução, assim como estimativas do erro local e global utilizando elementos finitos. Para os resultados analíticos usamos a teoria de semigrupos e o principio do m´aximo, e a simulação numérica é feita usando diferenças finitas centrais e o esquema simplificado de Ruge-Kutta. As estimativas do erro local para o problema semi-discretizado são estabelecidas usando normas de Sobolev, e para estimar o erro global usamos shadowing finito a posteriori. Os resultados computacionais obtidos mostram que o comportamento da solução está dentro do esperado e concorda com resultados da referências. Assim mesmo as estimativas do erro local e global são obtidas para pequenos intervalos de tempo e assumindo suficiente regularidade sobre a velocidade do fluído no qual realiza-se o processo. Destacamos que a estimativa do erro global usando shadowing finito é obtida sob hipóteses a posteriori sobre o operador do problema e o forte controle da velocidade numa vizinhança suficientemente pequena.

Reação-difusão com difusividade variável para oxidação de silício

Neste trabalho, propomos uma modificação do modelo de reação-difusão (R. M. C. de Almeida et al., Physics Review B, 61, 19 (2000)) incluindo difusividade variável com o objetivo principal de predizer, ou no mínimo descrever melhor, o crescimento de oxido de Si no regime de filmes nos. Estudamos o modelo reação-difusão a coeficiente de difusão, D, fixo e D variável. Estudamos extensivamente o modelo reação-difusão com D fixo caracterizando seu comportamento geral, e resolvendo numericamente o modelo com D variável para um intervalo amplo de relações DSiO2=DSi. Ambos casos apresentam comportamento assintótico parabólico das cinéticas. Obtivemos as equações analíticas que regem o regime assintótico de tais casos. Ambos os modelos apresentam interface não abrupta. Comparações das cinéticas com o modelo linear-parabólico e com dados experimentais foram feitas, e também para as espessuras da interface. Contudo nenhum dos dois modelos de reação-difusãao, com D fixo e com D varáavel, podem explicar a região de filmes nos, que possui taxa de crescimento superior a taxa de crescimento da região assintótica. Porém, ao incluir taxa de reação variável dentro do modelo de reação-difusão com D variável, este aponta para uma solução do regime de filmes nos.

Reação de estado sólido em multicamadas de Fe-Zr

Filmes finos de Fe-Zr na geometria de multicamadas foram tratados termicamente variando-se a temperatura (350ºC e 500ºC) e o tempo de tratamento (10min a 72h). As fases formadas por Reação de Estado Sólido (RES) em multicamadas com três composições totais diferentes (Fe0.67Zr0.33, Fe0.50Zr0.50, Fe0.33Zr0.67) foram analisadas por espectroscopia de retroespalhamento de Rutherford, difratometria de raios-X e espectroscopia Mössbauer. Verificou-se que a primeira fase formada é sempre uma fase amorfa de composição aproximada 50%at Fe. A fração Mössbauer desta fase, em função do tempo de tratamento térmico a 350ºC, foi traçada para as três composições. Também foram identificadas as fases cristalinas Fe2Zr e FeZr3. A seqüência de fases formadas revelou depender da composição da multicamada como-depositada e também da temperatura de tratamento. O diagrama esquemático de Energia Livre de Gibbs foi proposto de forma a comportar os resultados experimentais. Um modelo de crescimento planar de fases reagidas na interface de pares de reação foi aplicado às condições do crescimento multifásico observadas no presente trabalho.

Resinas poliésteres carboxifuncionais para tinta em pó : caracterização e estudo cinético da reação de cura

Um grande desafio relacionado à química da resina poliéster carboxifuncional, para aplicação em tinta em pó, é conseguir um balanço adequado entre a sua massa molar, funcionalidade, viscosidade e temperatura de transição vítrea (Tg). Essas características devem permitir a aplicação da resina na produção de tinta em pó na qual seja possível a obtenção de boa estabilidade durante sua estocagem e ótimas propriedades mecânicas durante a sua vida útil. Nesta tese, desenvolveu-se a introdução de uma metodologia para a caracterização de resinas poliésteres carboxifuncionais para aplicação em tinta em pó, baseada em reometria capilar e calorimetria diferencial de varredura (DSC). Esta se diferencia daquela baseada em métodos usuais muito subjetivos, usados corriqueiramente no controle do processo de síntese destas resinas. Os resultados de DSC mostram que todas as resinas poliésteres carboxifuncionais sintetizadas neste trabalho são completamente amorfas, sendo a Tg um parâmetro sensível à modificação da composição da resina. A determinação da viscosidade de cisalhamento das resinas utilizando reômetro capilar em comparação a outras técnicas usuais, permite a obtenção de valores mais absolutos, independente da ordem de grandeza da massa molar e da funcionalidade da resina, demonstrando ser uma técnica simples, eficaz e de grande utilidade em relação às atualmente utilizadas. A utilização da técnica de DSC permitiu avaliar a cinética da reação de cura do sistema poliéster/triglicidilisocianurato (TGIC) através de métodos cinéticos isotérmicos e dinâmicos. Através do método isotérmico determinou-se o grau de conversão da reação para vários tempos de cura, e pelos métodos dinâmicos de Kissinger, Osawa e Meia Largura determinou-se a energia de ativação da cura.

Desprendimento de vórtices e controle em esteira de cilindros por simulação numérica direta

O desprendimento de vórtices é responsável por vibrações prejudiciais a estruturas e pelo aumento de seus coeficientes de arraste. Portanto o correto entendimento e o controle do desprendimento de vórtices é de grande interesse de modo a diminuir custos de manutenção de estruturas estáticas e custos com combustíveis de estruturas móveis, por exemplo. O caráter tridimensional do desprendimento de vórtices a baixos números de Reynolds, entre 100 e 300, é aqui estudado através de Simulações Numéricas Diretas (DNS) do escoamento ao redor de cilindros circulares em duas e três dimensões. O controle do desprendimento de vórtices foi estudado nesta dissertação, através do uso de placas de separação do escoamento em simulações numéricas bidimensionais para números de Reynolds 100, 160 e 300, mostrando que para estes números de Reynolds é possível reduzir as freqüências de desprendimento, e em alguns casos até suprimi-las. A simulação tridimensional para Re = 300 mostrou um escoamento aparentemente bidimensional que afeta sensivelmente a freqüência de desprendimento quando em comparação o caso 2D. Para a realização das simulação numéricas foi utilizado um esquema compacto de diferenças finitas em associação com um método de representação virtual de obstáculos imersos em escoamentos, que permite a representação de geometrias complexas sobre uma malha cartesiana.

Influência da estrutura de poros e do raio de grão na reatividade ao SO2 de calcinados de calcários gaúchos

O comportamento de calcários gaúchos, como dessulfurantes, foi avaliado levando-se em consideração a influência das características estruturais dos calcinados e de seus precursores. Os materiais, na faixa granulométrica de 53-62µm, foram calcinados em uma termobalança em atmosfera de N2 (100%) ou de mistura N2 (85,2%) + CO2 (14,8%) e posteriormente, submetidos a mistura oxidante contendo dióxido de enxofre. As distribuições de tamanhos de poros (DTP) dos calcinados, mostraram-se dependentes da atmosfera de calcinação e do raio de grão do calcário precursor. A ordem de reatividade, estabelecida pelos calcinados estudados neste trabalho, não apresentou relação com a consideração de uma DTP ótima (maioria de poros acima de 50Å), não sendo portanto este critério válido para seleção de dessulfurantes. Para os calcinados de uma mesma amostra, obteve-se uma relação direta entre tamanho de grão do CaO (área superficial) e reatividade, sendo as trajetórias de reação definidas de maneira combinada entre as suas distribuições de tamanhos de poros e a forma como os poros estão localizados e conectados na estrutura. Entre materiais diferentes, calcinados sob as mesmas condições e que apresentam as mesmas características físicas e de distribuição, as trajetórias de reação foram bastante distintas, demonstrando que essas semelhanças físicas não correspondem a uma mesma capacidade de reação ao longo do tempo. Isto salientou uma possível influência das características intrínsecas de cada material, relacionadas à localização e conexão dos poros na estrutura, em sua capacidade dessulfurante. Entre os calcinados com semelhanças em suas DTP e propriedades físicas, tornou-se possível relacionar a ordem de reatividade ao raio de grão do calcário precursor (determinante da localização e da forma de conexão dos poros na estrutura), sendo os calcinados de precursores de menor raio de grão os mais reativos.

Atenção visual em crianças e adolescentes : um estudo a partir do paradigma de tempo de reação

O estudo a seguir apresenta o efeito do processo de desenvolvimento sobre a atenção visual em crianças e adolescentes. Verifica a existência de diferenças no tempo de reação manual a estímulos visuais apresentados no campo visual direito (hemisfério esquerdo) e campo visual esquerdo (hemisfério direito) entre crianças e adolescentes de ambos os sexos, observando se há maior lateralização da atenção no sexo feminino durante o desenvolvimento (lateralização da atenção). Observa-se, concomitantemente, a existência de diferenças no tempo de reação a estímulos visuais entre adolescentes masculinos em relação a adolescentes femininos, bem como diferenças no tempo de reação a estímulos visuais em crianças do sexo masculino em relação às crianças do sexo feminino. Realiza-se a aplicação de três experimentos em 60 sujeitos, sendo 30 crianças e 30 adolescentes de ambos os sexos. Os experimentos utilizados foram de detecção de sinais, medindo o tempo de resposta em milisegundos, quando os estímulos eram apresentados na tela de um computador em diferentes intervalos de tempo. Os experimentos diferenciam-se entre si pela presença ou não de estímulos preparatórios e pela indicação da localização ou não do estímulo alvo a ser detectado.Os resultados globais evidenciam uma maior rapidez nas tarefas de tempo de reação no período da adolescência do que no período da infância Na adolescência, os jovens do sexo masculino apresentam um tempo de reação mais reduzido (foram mais rápidos) do que as jovens do sexo feminino em todos os experimentos e sob quaisquer condições. Na infância, os resultados dos testes de tempo de reação manual não evidenciam diferenças entre os meninos e as meninas nos três experimentos realizados e em todas as circunstâncias. Não se encontram, nessa amostra, diferenças em relação à lateralização da atenção nem uma maior especialização do hemisfério direito em relação ao hemisfério esquerdo no sexo feminino.

Implementação de espalhamento espectral por seqüência direta

O presente trabalho tem como objetivo a descrição e apresentação dos resultados obtidos através de simulações e implementação da técnica de modulação por espalhamento de espectro (Spread Spectrum). Maior ênfase será dada à técnica de espalhamento por seqüência direta (DSSS), dada a larga utilização nos sistemas de comunicação correntemente em uso, assim como serão apresentados os resultados de simulações e implementação de um sistema de comunicação Spread Spectrum utilizando o microcontrolador PIC 16F876 para a interligação de computadores padrão PC via interface serial RS232.

Decomposição de NO em cobre suportado sobre zeólitas

No presente trabalho visou-se o estudo da eliminação dos compostos de nitrogênio, NOx, usando a decomposição direta sobre catalisadores de cobre suportado em zeólitas (ZSM-5, MCM-22 e Seta). Os catalisadores foram preparados pelo método de troca iônica com o meio básico obtendose catalisadores com teores de cobre variando entre 0,21% a 3,3% em peso. Os mesmo foram caracterizados através de análise química pela técnica absorção atômica (AA), área superficial (SET), isotermas de adsorção de nitrogênio, difração de Raios-X (DRX) e redução a temperatura programada (TPR). Os testes de atividade catalítica foram realizados através da reação de decomposição do NO em um reator tubular com leito fixo e fluxo contínuo. A mistura reacional era composta por 500 ppm de NO em hélio. Os produtos da reação foram analisados por espectrometria de infravermelho com transformada de fourier (do inglês, Fourier Transformed Infrared, FTIR), usando célula de gás. As medidas de absorção atômica permitiram calcular um nível de troca em relação a CU2+variando entre 7 e 46% nos catalisadores CuZSM-5, CuMCM-22 e CuSeta. As análises de DRX e das isotermas de adsorção de nitrogênio mostraram que a incorporação de cobre não alterou de forma significativa as estruturas das zeólitas. A análise de redução a temperatura programa (TPR) apresentou duas espécias de cobre presente nos catalisadores, Cu2+e Cu+ Na reação de decomposição dos compostos de nitrogênio, a atividade e a seletividade dos catalisadores é influenciada pela temperatura e pela acessibilidade do metal nas cavidades e nos poros das zeólitas. A partir dos testes de atividade catalítica provou-se que os suportes zeolíticos (MCM-22 e Seta) conduziram a valores de conversão de NO comparáveis ou melhores aos do suporte zeolítico ZSM-5, citado como sendo o melhor, até hoje, estudado para tal reação.

Implementação de um projeto de melhorias em um processo de reação química em batelada utilizando o método DMAIC

Esta dissertação apresenta a implementação das etapas do método DMAIC (Definir, Medir, Analisar, Melhorar e Controlar) no desenvolvimento de um projeto Seis Sigma em uma indústria petroquímica. O objetivo do projeto Seis Sigma foi reduzir a variabilidade de uma característica de qualidade crítica para o cliente e diminuir a dispersão dos tempos de reação entre as bateladas na produção de elastômeros. Neste trabalho são apresentadas as principais técnicas e ferramentas estatísticas utilizadas nas cinco etapas do método DMAIC, tais como brainstorming, mapeamento de processo, diagrama de causa e efeito, matriz da causa e efeito, gráfico de Pareto, FMEA e análise de regressão linear múltipla. A pesquisa desenvolvida de forma participativa, através da interação entre o pesquisador e os especialistas do processo, evidenciou a importância do conhecimento técnico do processo e um bom planejamento para a aquisição dos dados, como pontos importantes para a realização de um projeto de melhoria bem sucedido. O estudo apontou ainda, deficiências no sistema de controle de temperatura do reator, no sistema de medição para a característica de qualidade viscosidade Mooney e no sistema de dosagem dos insumos.

Estudo da difusão de Ag e Al em [alfa]-Ti utilizando as técnicas de espectrometria de retroespalhamento Rutherford e reação nuclear

O objetivo da presente dissertação é o estudo da difusão de Ag e Al em uma matriz de α-Ti. Sua motivação principal se origina do fato de haver na literatura resultados contraditórios sobre o comportamento difusional desses elementos. Além disso, este estudo é necessário para dar continuidade à investigação sistemática da difusão de impurezas substitucionais em α-Ti, que vem sendo realizada pelo grupo de implantação iônica, a fim de estabelecer uma relação entre tamanho, valência e solubilidade dos elementos e seus coeficientes de difusão. A dependência do coeficiente de difusão com a temperatura para ambos elementos foi estudada nos intervalos de temperatura de 823 a 1073 K para a Ag e 948 a 1073 K para o Al. No caso da Ag foi usada a técnica de RBS para determinar os perfis de concentração, a qual tem uma alta resolução em profundidade (tipicamente 10nm), o que permite a determinação das baixas difusividades esperadas no presente experimento ( D ≤ 10-7 m2/s). No caso do Al foi usada a técnica de NRA, que preenche os mesmos requisitos citados anteriormente, com uma resolução em profundidade de aproximadamente 10 Å. As medidas realizadas mostraram que, para ambos os casos, os coeficientes de difusão seguem uma representação linear de Arrhenius. Foram encontrados os seguintes parâmetros característicos de difusão: Do = (1 ± 0,75) x10-4 m2s-1 e Q = 279 ± 6 kJ/mol para a Ag e Do = (1,4 ± 1,2) x10-2 m2s-1 e Q = 326 ± 10 kJ/mol para o Al, os quais são típicos de um comportamento substitucional normal. A comparação desse trabalho com trabalhos prévios não mostra evidência de relacionamento entre tamanho, valência e solubilidade dos elementos e seus coeficientes de difusão.

Identificação e diferenciação do Mycobacterium tuberculosis pela amplificação do DNA das regiões intergênicas dos operons inhA e pIC

Entre as doenças causadas por bactérias do gênero Mycobacterium, a tuberculose por M. tuberculosis é a mais conhecida. O diagnóstico da doença é feito utilizando-se um conjunto de exames que possibilitam a identificação da mesma (WATT, 2000). Contudo, sabe-se que o diagnóstico combinado de microscopia direta e com o posterior isolamento em meio de cultivo é o “padrão-ouro”. A principal desvantagem desse método é que tal bactéria possui um crescimento lento (cerca de 8 semanas). Recentemente, a detecção de doenças através da técnica de reação em cadeia da polimerase (PCR) tem proporcionado avanços significativos no diagnóstico. O uso da amplificação específica de genes, para identificar a M. tuberculosis, tais como rDNA 16S, IS6110 ou a região intergênica senX3-regX3, tem apresentado algumas restrições, ao nível de confiabilidade e sensibilidade, para a aplicação da técnica de PCR. O presente estudo mostra a construção e a aplicação de um novo alvo para a aplicação da PCR no diagnóstico da tuberculose, baseado no ensaio da diferença de organização gênica do operon plcA, B e C diferenciando a M. tuberculosis das demais micobactérias. Neste trabalho, foram examinadas 273 amostras de pacientes com suspeita de tuberculose, sendo estas submetidas ao estudo comparativo da técnica de PCR versus cultivo (padrão ouro). A PCR amplificou fragmentos de 439pb. Os resultados mostram 93,7% de acurácia para PCR/Cultivo (p<000,1), 93,1% de sensibilidade com intervalo de confiança de 88,7-96,0 e especificidade de 96,4% com intervalo de confiança de 96,4-99,4. O valor da estatística Kappa (k) foi de 0,82 com erro padrão de 0,041, demonstrando um alinhamento quase perfeito para a verificação do grau de concordância entre os testes. Desta forma, o uso desta nova região para a amplificação da PCR se mostra uma importante e confiável ferramenta no diagnóstico específico da tuberculose. Outra região que compreende parte dos genes mbaA e inhA foi utilizada para diferenciar o Complexo tuberculosis do Complexo avium. Porém, novos experimentos serão necessários para o emprego desta região como uma ferramenta de diagnóstico.

Modelagem e simulação da câmara de reação de uma caldeira a carvão pulverizado

O presente trabalho é parte integrante de um projeto multidisciplinar cujo objetivo é construir uma ferramenta computacional capaz de simular a operação de uma Usina Termoelétrica tratando, especificamente, da câmara de reação (local da caldeira onde se desenvolve a queima do combustível). Foi desenvolvido um modelo matemático dinâmico, pseudo-homogêneo, unidimensional e, com propriedades físicas variáveis, com o objetivo de descrever a conversão do calor gerado pela combust em energia térmica, que está baseado em balanços de massa e energia. Este modelo foi implementado no simulador gPROMS e seus parâmetros foram estimados utilizando o módulo gEST deste software (método da máxima verossimilhança), com base em dados de operação da Usina e dados cinéticos de literatura. Para a simulação dinâmica da câmara de reação foi utilizado um método de integração implícita de passos múltiplos com ordem e passo variáveis. A câmara de combustão foi dividida em três zonas, sendo realizados, em cada zona, os balanços de massa e energia, adotando-se a hipótese de mistura perfeita. O modelo desenvolvido prevê o perfil de temperatura ao longo da câmara, as correntes de saída e a composição dos gases de combustão em cada zona; incluindo uma previsão aproximada da concentração dos poluentes formados, principalmente monóxido de nitrogênio e dióxido de enxofre. Os resultados apresentados mostraram que o modelo prediz satisfatoriamente a composição do gás de combustão na saída da câmara de reação e que a divisão da câmara em diferentes zonas de combustão é apropriada para avaliar a geração e o aproveitamento energético na caldeira.

Relações solo-planta-animal num sistema de integração lavoura-pecuária em semeadura direta com calcário na superfície

A desfolhação e o pisoteio animal podem afetar a cobertura vegetal e alterar a dinâmica do calcário no solo. Este trabalho estudou um sistema de integração lavoura-pecuária com níveis de biomassa de pastagem e seu reflexo sobre o solo, o desenvolvimento da soja e a dinâmica da correção da acidez a partir da superfície do solo. O experimento foi conduzido em um Latossolo Vermelho, em uma pastagem de aveia preta + azevém manejada sob diferentes alturas. O delineamento experimental foi o de blocos ao acaso com quatro tratamentos (10, 20, 30 e 40 cm de altura de manejo) e três repetições. Utilizou-se terneiros jovens em pastejo contínuo, com lotação variável, em dois períodos de pastejo (2001 e 2002). No final do primeiro período aplicou-se 4,5 Mg ha-1 de calcário na área, implantando-se a cultura da soja. As alturas da pastagem afetaram a massa de forragem e o desempenho dos animais. Na média dos dois anos, maiores rendimentos individuais e por área foram obtidos com pastagem manejada nas alturas médias de 25 e 10 cm, respectivamente. Após o pastejo, somente no manejo a 10 cm a densidade e a macroporosidade do solo atingiram valores que podem limitar o desenvolvimento da soja na camada de 0-2,5 cm. Efeitos sobre os atributos químicos manifestaram-se até 5 cm de profundidade, cinco meses após a calagem, avançando com o tempo, independentemente da condição anterior de pastejo. A população de plantas e o rendimento da soja diminuíram com a redução da altura de manejo da pastagem. Houve equivalência de rendimento econômico entre todos os tratamentos, sendo a diminuição do rendimento de soja, em situação de alta intensidade de pastejo, compensada pelo aumento do rendimento animal por unidade de área. O rendimento de soja na área sem pastejo foi similar àquele obtido em áreas com intensidade de pastejo leve.