Resumo: Na indústria alcooleira, extração é a operação unitária responsável por recuperar o máximo possível de sacarose da cana-de-ácúcar. Garantir a qualidade desta operação é crucial, uma vez que a produção de etanol usa a sacarose como matéria-prima e o bagaço pode ser usado para cogerar eletricidade e/ou produzir etanol de segunda geração. Apesar de as moendas serem o método de extração mais utilizado ao redor do mundo, a importância dos difusores não deve ser negligenciada, especialmente em relação a suas vantagens sobre as moendas (e.g., maior extração de sacarose, menor consumo mecânico, menor custos de manutenção). Para muitas usinas, extração via difusores é um processo em "caixa-preta", na qual o procedimento de operação é baseado em conhecimentos heur??sticos. Nestes casos, a extração torna-se um procedimento subjetivo, carecendo de uma metodologia preditiva confiável. Com a intenção de prover uma abordagem robusta e confiável para suprir esta carência, esta tese propõe um modelo fenomenológico bidimensional para a extração em difusores de leito móvel industriais, tanto em estado estacionário quanto em estado transiente. A formulação matemática do modelo é baseada nas teorias de fenômenos de transporte em meios porosos, o que é uma abordagem original e formal para descrever a extração de açúcar em leitos de cana-de-açúcar. Técnicas de média foram aplicadas para converter as equações do modelo em balanços macroscópicos em torno de volumes cont??nuos. O modelo foi discretizado usando o método dos volumes finitos. O modelo discretizado em estado estacionário é resolvido usando uma rotina de fatoração LU super-nodal e as simulações dinâmicas são realizadas usando um método de Runge-Kutta de quarta ordem. Com a intenção de tornar o modelo e os procedimentos de solução "user-friendly", uma plataforma de simulação auxiliada por computador foi desenvolvida na linguagem de programação Python. As sa??das da plataforma são o grau de extração, a curva °Brix e a distribuição °Brix no leito. Esta última sa??da não possui precedentes na literatura. Além disto, a plataforma de simulação também possui um módulo de otimização, na qual um algor??timo genético é implementado para buscar melhorias na performance da extração. Um difusor de leito móvel real foi usado como caso de estudo para demonstrar as capacidades da plataforma de simulação. Os resultados simulados, tanto em estado estacionário quanto transiente, estão de bom acordo com o comportamento esperado de um equipamento real. Além do mais, a distribuição °Brix no leito surge como uma abordagem nova para avaliar a operação de difusores de leito móvel. Em relação ao módulo de otimização, os resultados ótimos demonstraram o potencial da plataforma de simulação em melhorar a performance da extração via difusores. Numa análise final, a plataforma de simulação desenvolvida surge como uma ferramenta confiável de predição, que possui o potencial de assistir o designe, a operação e a otimização de difusores de leito móvel na indústria alcooleira Ver menos

Abstract: In the ethanol industry, extraction is the unit operation in charge of recovering as much sucrose as possible from sugarcane. Guaranteeing the quality of this operation is crucial, since ethanol production has sucrose as raw material and bagasse can be used to cogenerate electricity and/or to produce second generation ethanol. Although crushing mills are the more widespread extraction method around the world, the importance of diffusers should not be neglected, especially regarding its advantages over the crushing mills (e.g., higher sucrose extraction, lower mechanical power consumption, lower maintenance costs). For many mills, extraction via diffusers is a "black-box" process in which the operation procedure of this equipment is often based on heuristic knowledge. In these cases, extraction becomes a subjective procedure, lacking reliable predictive methodologies. In order to provide a robust and reliable approach to fulfill this predictive requirement, this thesis proposes a two-dimensional phenomenological model for sugar extraction in industrial moving-bed diffusers, both at steady and transient states. The mathematical formulation of the model is based on the theories of transport phenomena in porous media, which is an original and formal theoretical approach to describe sugar extraction in sugarcane beds. Averaging techniques were applied to convert the model equations into macroscopic mass balances over continuous volumes. The model was discretized by the finite volume method (FVM). The discretize model at steady-state is solved by a supernodal LU factorization routine and the dynamic simulations are performed using a 4 th order Runge-kutta method. In order to make the model and the solution procedures user-friendly, a computer-aided simulation framework was developed in Python programming language. The outputs of this framework are extraction degree, °Brix curve, and °Brix distribution in the bed. This last output is unprecedented in literature. Moreover, the simulation framework also has an optimization module, in which a genetic algorithm is implemented to seek improvements in the extraction performance. A real industrial moving-bed diffuser was used as a case study to demonstrate the capabilities of the simulation framework. Simulated results both at steady and transient states are in good agreement with the expected behavior of the real equipment. Moreover, °Brix distribution in the bed emerges as a new approach to assess the operation of a moving-bed diffuser. Regarding the optimization module, the optimum results demonstrate the potential of the Simulation Framework to improve the extraction performance via diffusers. In a final analysis, the developed simulation framework arises as a reliable predictive tool, which has the potential to assist design, operation, and optimization of moving-bed diffuser in the ethanol production industry Ver menos