Parametric pattern selection in a reaction-diffusion model

We compare spot patterns generated by Turing mechanisms with those generated by replication cascades, in a model one-dimensional reaction-diffusion system. We determine the stability region of spot solutions in parameter space as a function of a natural control parameter (feed-rate) where degenerate patterns with different numbers of spots coexist for a fixed feed-rate. While it is possible to generate identical patterns via both mechanisms, we show that replication cascades lead to a wider choice of pattern profiles that can be selected through a tuning of the feed-rate, exploiting hysteresis and directionality effects of the different pattern pathways.

Study of the behavior of iron ore particles in spiral concentrators

Les spirales sont des appareils de séparation gravimétrique principalement utilisés dans l’industrie du traitement du minerai de fer. La classification des particules dans la pulpe s’effectue lors de la descente dans les spires en fonction de leur taille et leur densité, des conditions d’opération et de la géométrie de la spirale. L’effet des conditions d’opération (pourcentage solide, débit d’alimentation et débit d’eau de lavage) est évalué sur la performance des spirales en utilisant une spirale WW6E installée à COREM pour traiter un minerai de fer de ArcelorMittal, Québec. Les résultats montrent l’effet dominant du débit de l’eau de lavage et son impact majeur sur les particules grossières. Un circuit fermé de trois spirales parallèles avec 3, 5 et 7 tours est utilisé afin d’évaluer l’influence du nombre de tours. Les résultats préliminaires indiquent que la spirale trois tours fonctionne bien pour le nettoyage tandis que la 7 tour est robuste pour l’ébauchage et l’épuisage.

Influência na qualidade final de metais retificados através da variação da velocidade de mergulho

A retificação, processo final de usinagem de uma peça, utiliza fluidos de corte com a finalidade de lubrificação, refrigeração e remoção de cavacos. No entanto, esses fluidos são extremamente agressivos com o meio. Com o avanço tecnológico a tendência mundial é produzir peças cada vez mais sofisticadas, com elevado grau de tolerância geométrica, dimensional, com bom acabamento superficial, com baixo custo e, principalmente, sem causar danos ao meio. Para tanto, ao processo de retificação está intrínseca a reciclagem do fluido de corte, que se destaca pelo seu custo. Através da variação da velocidade de avanço no processo de retificação cilíndrica externa do aço ABNT D6, racionalizando a aplicação de dois fluidos de corte e usando um rebolo superabrasivo de CBN (nitreto de boro cúbico) com ligante vitrificado, avaliaram-se os parâmetros de saída da força tangencial de corte, emissão acústica, rugosidade, circularidade, desgaste da ferramenta, tensão residual e a integridade superficial através da microscopia eletrônica de varredura (MEV) dos corpos-de-prova. Com a análise do desempenho do fluido, do rebolo e da velocidade de mergulho, encontraram-se as melhores condições de usinagem propiciando a diminuição do volume de fluido de corte e a diminuição do tempo de usinagem, sem prejudicar os parâmetros geométricos e dimensionais, o acabamento superficial e a integridade superficial dos componentes.

Estudo da gasificação do glicerol em reator de leito fixo

As metas da União Europeia para 2020 em termos de biocombustíveis e biolíquidos traduziram-se, na última década, num destaque da indústria de biodiesel em Portugal. Inerente ao processo de produção biodiesel está um subproduto, o glicerol bruto, cujo estudo tem vindo a ser alvo de interesse na comunidade científica. O objetivo principal deste trabalho consistiu no estudo da gasificação do glicerol técnico e do glicerol bruto, usando vapor como agente oxidante. Pretendeu-se avaliar a composição do gás de produção obtido e os parâmetros de gasificação, como a percentagem de conversão de carbono e de hidrogénio, o rendimento de gás seco, a eficiência de gás frio e o poder calorífico do gás produzido. No estudo da gasificação do glicerol técnico avaliou-se o efeito da temperatura na performance do processo, entre 750 – 1000 ºC, e estudou-se ainda o efeito do caudal de alimentação ao reator (3,8 mL/min, 6,5 mL/min e 10,0 mL/min). Para o caudal mais baixo, estudou-se o efeito da razão de mistura glicerol/água (25/75, 40/60, 60/40 e 75/25) e para a razão de mistura 60/40 foi avaliada a influência da adição de ar como agente gasificante. O estudo da gasificação do glicerol bruto foi feito realizando ensaios de gasificação numa gama de temperaturas de 750 ºC a 1000 ºC, para uma razão de mistura glicerol/água (60/40) com o caudal de 3,8 mL/min e usando apenas vapor de água como agente de gasificação. Os ensaios foram realizados num reator de leito fixo de 500 mm de comprimento e 90 mm de diâmetro interno, composto por um leito de alumina com partículas de 5 mm de diâmetro. O aquecimento foi realizado com um forno elétrico de 4 kW. A amostra de gás de produção recolhida foi analisada por cromatografia gasosa com detector de termocondutividade. Os resultados obtidos na gasificação do glicerol técnico, revelaram que a temperatura é uma variável preponderante no desempenho do processo de gasificação. À exceção do poder calorífico superior, para o qual se obteve uma ligeira diminuição de valores com o aumento da temperatura, os valores mais elevados dos parâmetros de gasificação foram obtidos para temperaturas superiores a 900 ºC. Esta temperatura parece ser determinante no modelo cinético de gasificação do glicerol, condicionando a composição do gás de produção obtido. Concluiu-se ainda que, na gama de caudais testada, o caudal de alimentação ao reator não teve influência no processo de gasificação. Os ensaios realizados para avaliar o efeito da razão de mistura permitiram verificar que, o aumento da adição de água à alimentação se traduz na redução do teor de CO e de CH4 e no aumento do teor de H2 e CO2, no gás de produção. Para a razão de mistura 25/75 foram obtidos valores de 1,3 para o rácio H2/CO para temperaturas superiores a 900 ºC. A influência da adição de água tornou-se mais evidente nos ensaios de gasificação realizados a temperaturas superiores a 900 ºC. Verificou-se um aumento da conversão de carbono, do rendimento de gás seco e da eficiência do gás frio e uma ligeira diminuição do poder calorífico e da potência disponível, no gás de produção. Para as razões de misturas 60/40 e 40/60 obtiveram-se resultados, para os parâmetros de gasificação, da mesma ordem de grandeza e com valores intermédios entre os obtidos para as razões de mistura 25/75 e 75/25. Porém, quanto maior o teor de água alimentado maior o consumo de energia associado à vaporização da água. Assim, o aumento do teor de água na mistura só apresentará interesse industrial se o objetivo passar pela produção de hidrogénio. Quanto ao efeito da adição de ar como agente de gasificação, os resultados obtidos dão indicação que se poderão potenciar algumas reações exotérmicas que contribuirão para a redução do consumo energético global do processo. Por outro lado, o gás de produção apresentou um rácio H2/CO interessante do ponto de vista da sua aplicação industrial, superior em 35 % ao verificado para a gasificação efetuada apenas na presença de vapor. À exceção do decréscimo no valor do poder calorífico superior do gás de produção, os restantes parâmetros estudados apresentaram a mesma ordem de grandeza, dos obtidos para o estudo da mesma razão de mistura na ausência de ar. Relativamente ao estudo da gasificação do glicerol bruto, obtiveram-se valores de rácio H2/CO e eficiência de gás frio mais elevados que os valores obtidos para a mesma razão de mistura usando glicerol técnico. Os demais parâmetros de gasificação avaliados mostraram-se semelhantes entre as duas matérias-primas, verificando-se apenas uma ligeira diminuição no valor do poder calorífico superior do gás produzido com glicerol bruto. Os resultados obtidos demonstram a possibilidade de valorização energética do glicerol bruto resultante da produção de biodiesel.

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.

Experimental study of temperatures during drilling of ex-vivo bovine bones

The thermal bone necrosis induced during a drilling process is a frequent and potential phenomenon, which contributes to post-operative problems. The frictional heat generated from the contact between the drill bit and the hole wall is unavoidable. However, understanding advanced techniques for acquiring reliable thermal data on bone drilling is important to ensure the quality of the drilled hole. The purpose of this study is to present two different experimental methods to analyse the drilling conditions that generate the lower temperatures, avoiding the occurrence of thermal bone necrosis. Ex-vivo bovine bones were used to simulate the drilling process considering the effect of drill bit diameter, drill speed and feed-rate. Different experiments were performed to assess the repeatability of the tests. The results identified the drill bit diameter as the most critical parameter for inducing higher temperatures in bone drilling.

Thermal analysis in the drilling of solid rigid foam materials and ex-vivo bovine bones

Bone is a dynamic, highly vascularized tissue with a unique capacity to heal and regenerate without scarring. However, drilling remains a concern in several clinical procedures due to thermal damage of the bone and surrounding tissue. The success of this surgeries is dependent of many factors and also in temperature generation during the drilling bone. When an excessive heat is produced during the drilling, thermal necrosis can occur and the bone suffers injuries. Studies have shown that the increased temperature is directly related with the drilling parameters, particularly, the drill speed, feed-rate, applied force, the depth of cut, the geometry of the drill bit, the use or not of a cooling system and also the type of bone.

Pirólise termoquímica de pós da fibra de coco seco em um reator de cilindro rotativo para produção de bio-óleo

This master thesis aims at developing a new methodology for thermochemical degradation of dry coconut fiber (dp = 0.25mm) using laboratory rotating cylinder reactor with the goal of producing bio-oil. The biomass was characterized by infrared spectroscopy with Fourier transform FTIR, thermogravimetric analysis TG, with evaluation of activation energy the in non-isothermal regime with heating rates of 5 and 10 °C/min, differential themogravimetric analysis DTG, sweeping electron microscopy SEM, higher heating value - HHV, immediate analysis such as evaluated all the amounts of its main constituents, i.e., lignin, cellulose and hemicelluloses. In the process, it was evaluated: reaction temperature (450, 500 and 550oC), carrier gas flow rate (50 and 100 cm³/min) and spin speed (20 and 25 Hz) to condensate the bio-oil. The feed rate of biomass (540 g/h), the rotation of the rotating cylinder (33.7 rpm) and reaction time (30 33 min) were constant. The phases obtained from the process of pyrolysis of dry coconut fiber were bio-oil, char and the gas phase non-condensed. A macroscopic mass balance was applied based on the weight of each phase to evaluate their yield. The highest yield of 20% was obtained from the following conditions: temperature of 500oC, inert gas flow of 100 cm³/min and spin speed of 20 Hz. In that condition, the yield in char was 24.3%, non-condensable gas phase was 37.6% and losses of approximately 22.6%. The following physicochemical properties: density, viscosity, pH, higher heating value, char content, FTIR and CHN analysis were evaluated. The sample obtained in the best operational condition was subjected to a qualitative chromatographic analysis aiming to know the constituents of the produced bio-oil, which were: phenol followed by sirigol, acetovanilona and vinyl guaiacol. The solid phase (char) was characterized through an immediate analysis (evaluation of moisture, volatiles, ashes and fixed carbon), higher heating value and FTIR. The non-condensing gas phase presented as main constituents CO2, CO and H2. The results were compared to the ones mentioned by the literature.

Anaerobic sequencing batch biofilm reactor applied to automobile industry wastewater treatment: Volumetric loading rate and feed strategy effects

This paper presents a technological viability study of wastewater treatment in an automobile industry by an anaerobic sequencing batch biofilm reactor containing immobilized biomass (AnSBBR) with a draft tube. The reactor was operated in 8-h cycles, with agitation of 400 rpm, at 30 degrees C and treating 2.0 L wastewater per cycle. Initially the efficiency and stability of the reactor were studied when supplied with nutrients and alkalinity. Removal efficiency of 88% was obtained at volumetric loading rate (VLR) of 3.09 mg COD/L day. When VLR was increased to 6.19 mg COD/L day the system presented stable operation with reduction in efficiency of 71%. In a second stage the AnSBBR was operated treating wastewater in natura, i.e., without nutrients supplementation, only with alkalinity, thereby changing feed strategy. The first strategy consisted in feeding 2.0 L batch wise (10 min), the second in feeding 1.0 L of influent batch wise (10 min) and an additional 1.0 L fed-batch wise (4 h), both dewatering 2.0 L of the effluent in 10 min. The third one maintained 1.0 L of treated effluent in the reactor, without discharging, and 1.0 L of influent was fed fed-batch wise (4 h) with dewatering 1.0 L of the effluent in 10 min. For all implemented strategies (VLR of 1.40, 2.57 and 2.61 mg COD/L day) the system presented stability and removal efficiency of approximately 80%. These results show that the AnSBBR presents operational flexibility, as the influent can be fed according to industry availability. In industrial processes this is a considerable advantage, as the influent may be prone to variations. Moreover, for all the investigated conditions the kinetic parameters were obtained from fitting a first-order model to the profiles of organic matter, total volatile acids and methane concentrations. Analysis of the kinetic parameters showed that the best strategy is feeding 1.0 L of influent batchwise (10 min) and 1.0 L fed-batch wise (4 h) in 8-h cycle. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Hot wire configuration for depositing device grade nano-crystalline silicon at high deposition rate

The University of Barcelona is developing a pilot-scale hot wire chemical vapor deposition (HW-CVD) set up for the deposition of nano-crystalline silicon (nc-Si:H) on 10 cm × 10 cm glass substrate at high deposition rate. The system manages 12 thin wires of 0.15-0.2 mm diameter in a very dense configuration. This permits depositing very uniform films, with inhomogeneities lower than 2.5%, at high deposition rate (1.5-3 nm/s), and maintaining the substrate temperature relatively low (250 °C). The wire configuration design, based on radicals' diffusion simulation, is exposed and the predicted homogeneity is validated with optical transmission scanning measurements of the deposited samples. Different deposition series were carried out by varying the substrate temperature, the silane to hydrogen dilution and the deposition pressure. By means of Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), the evolution in time of the nc-Si:H vibrational modes was monitored. Particular importance has been given to the study of the material stability against post-deposition oxidation.

Why do eastern curlews Numenius madagascariensis feed on prey that lowers intake rate before migration?

Eastern curlews Numenius madagascariensis spending the nonbreeding season in eastern Australia foraged on three intertidal decapods: soldier crab Mictyris longicarpus, sentinel crab Macrophthalmus crassipes and ghost-shrimp Trypaea australiensis. Due to their ecology, these crustaceans were spatially segregated (=distributed in 'patches') and the curlews intermittently consumed more than one prey type. It was predicted that if the curlews behaved as intake rate maximizers, the time spent foraging on a particular prey (patch) would reflect relative availabilities of the prey types and thus prey-specific intake rates would be equal. During the mid-nonbreeding period (November-December), Mictyris and Macrophthalmus were primarily consumed and prey-specific intake rates were statistically indistinguishable (8.8 versus 10.1 kJ x min(-1)). Prior to migration (February), Mictyris and Trypaea were hunted and the respective intake rates were significantly different (8.9 versus 2.3 kJ x min(-1)). Time allocation to Trypaea-hunting was independent of the availability of Mictyris. Thus, consumption of Trypaea depressed the overall intake rate. Six hypotheses for consuming Trypaea before migration were examined. Five hypotheses: the possible error by the predator, prey specialization, observer overestimation of time spent hunting Trypaea, supplementary prey and the choice of higher quality prey due to a digestive bottleneck, were deemed unsatisfactory. The explanation for consumption of a low intake-rate but high quality prey (Trypaea) deemed plausible was diet optimisation by the Curlews in response to the pre-migratory modulation (decrease in size/processing capacity) of their digestive system. With a seasonal decrease in the average intake rate, the estimated intake per low tide increased from 1233 to 1508 kJ between the mid-nonbreeding and pre-migratory periods by increasing the overall time spent on the sandflats and the proportion of time spent foraging.

Effect of specific feed volume on the performance of an anaerobic sequencing batch biofilm reactor (AnSBBR) with circulation treating different wastewaters under different organic loads

The objective of this research was to study the behavior of two anaerobic sequencing batch reactors, containing immobilized biomass (AnSBBR), as a function of the ratio of the volume of treated medium in each cycle to the total volume of reaction medium. The reactors, in which mixing was accomplished by recirculation of the liquid phase, were maintained at 30 +/- 1 degrees C and treated different wastewaters in 8-h cycles. The operational conditions imposed had the objective to investigate whether maintenance of a residual volume in the reactor would affect, at the end of each cycle, process efficiency and stability, as well as to verify the intensity of the effect for different types of wastewaters and organic loading rates. The first reactor, with work volume of 2.5 L, treated reconstituted cheese whey at an organic loading rate of 12 g COD.L(-1).d(-1) and presented similar effluent quality for the four conditions under which it was operated: renewal of 100, 70, 50 and 25 % of its work volume at each cycle. Despite the fact that reduction in the renewed volume did not significantly affect effluent quality, in quantitative terms, this reduction resulted in an increase in the amount of organic matter removed by the first reactor. The second reactor, with work volume of 1.8 L, treated synthetic wastewater at organic loading rates of 3 and 5 g COD.L(-1).d(-1) and operated under two conditions for each loading: renewal of 100 and 50 % of its work volume. At the organic loading rate of 3 g COD.L(-1).d(-1), the results showed that both effluent quality and amount of organic matter removed by the second reactor were independent of the treated volume per cycle. At the organic loading rate of 5 g COD.L(-1).d(-1), although the reduction in the renewed volume did not affect the amount of organic matter removed by the reactor, effluent quality improved during reactor operation with total discharge of its volume. In general, results showed process stability under all conditions, evidencing reactor flexibility and the potential to apply this technology in the treatment of different types of wastewater.