Laboratório de Simulação em Engenharia Química

Em engenharia química, o estudo de reatores configura uma das áreas mais importantes da denominada indústria de transformação. Dentre os tipos mais tradicionais de reatores que são empregados nas diferentes áreas industriais destaca-se o Reator de Mistura Perfeita (também conhecido como CSTR do inglês Continuous Stirred Tank Reactors). Em linhas gerais, o reator CSTR é um tanque constituído por um sistema de agitação em que acontece uma reação química. Na presente aplicação é considerado um sistema reacional de primeira ordem em que um reagente é transformado em um produto a temperatura constante. O objetivo é simular os perfis de concentração (adimensionais) de ambas as espécies, bem como avaliar a influência do parâmetro adimensional que caracteriza o modelo diferencial de primeira ordem estudado.

O estudo de materiais isolantes em tubulações cilíndricas configura um tema de grande interesse em engenharia e áreas afins. Este tem por objetivo determinar a espessura ótima para a camada de isolamento térmico de modo que o fluxo de calor seja minimizado, isto é; que a temperatura do líquido ou vapor contido dentro da tubulação seja conservada pelo maior tempo possível. Neste caso, na presente aplicação avalia-se as temperaturas nas interfaces da tubulação em estado estacionário empregando o Método de Gauss-Jacobi. Além disso, também objetiva-se a determinação do raio crítico via formulação de uma equação não-linear usando o Método de Newton.

O objetivo desta aplicação é o estudo da transferência de calor em uma aleta retangular modelada por uma equação diferencial ordinária de segunda ordem. Nesta aplicação avalia-se a simulação do processo em estado estacionário empregando diferenças finitas. A qualidade da solução aproximada obitda pode ser determinada em termos do erro absoluto, computado em função do número de pontos de discretização considerados. Além disso, também pode-se avaliar a influência de sensibilidade dos principais parâmetros que caracterizam o modelo em questão.

Os reatores biológicos são comumentes empregados em diferentes setores industriais, dentre os quais destacam-se a produção de alimentos, bebidas e medicamentos, bem com o seu uso em tratamentos, como por exemplo o de efluentes. Em linhas gerais, neste tipo de reator as células e enzimas realizam a conversão de substrato em produtos de acordo com balanços de massa e energia das diferentes espécies químicas e biológicas presentes. Na presente aplicação objetiva-se o estudo de um reato biológico considerando balanços para concentrações de células e substrato. Para essa finalidade são avaliadas a condição estacionária do processo, a simulação dinâmica, o estudo da estabilidade das soluções encotradas e o plano de fases para um modelo cinético de inibição por substrato (que pode ser simplificado para a tradicoinal expressão de Monod).

Frequentemente, os produtos oriundos de reações químicas ocorrem em várias etapas, o que implica na formação de sub-produtos intermediários, podendo cada uma destas etapas ser catalisada por uma substância diferente. Em determinadas situações, existem vantagens na mistura de catalisadores em um único recipiente de reação, o que pode promover a melhora significativa do rendimento. Neste cenário, o objetivo desta aplicação é simular os perfis de concentração considerando a mistura de dois catalisadores em um reator de fluxo pistonado ou PFR (Plug Flow Reactor), bem como determinar a mistura ótima destes catalisadores via formulação e resolução de um problema de controle ótimo.

O ciclohexano é uma das matérias primas mais importantes das indústrias de transformação. Este é empregado como reagente para a produção de hexametilenodiamina, ácido adípico, caprolactama, cicloexanona, cicloexanol e ciclo-hexilamina. Neste contexto, pode ser empregado na fabricação de combustíveis, fungicidas e na cristalização de esteróides e derivados. O objetivo desta aplicação é simular o perfil de concentração do ciclohexano ao longo de uma esfera catalisada por alumina, bem como avaliar a sensibilidade deste perfil com relação ao módulo de Thile e da ordem da reação.

O processo de secagem consiste na redução do volume e da massa de produtos via da remoção de água. Esta operação unitária é amplamente utilizada na indústria com o objetivo de obter um produto com determinadas especificações de mercado, bem como aumentar a vida útil do produto (tempo de prateleira), entre outras finalidades. Matematicamente, o estudo da cinética de secagem de produtos alimentíceos é realizado considerando a determinação de parâmetros que caracterizam a cinética de secagem. Nesta aplicação avalia-se a resolução de problemas inversos para fins da determinação de equações cinéticas clássicas apresentadas na literatura.