Please use this identifier to cite or link to this item:
https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/39065
ORCID: | http://orcid.org/0000-0002-1268-9445 |
Document type: | Dissertação |
Access type: | Acesso Aberto |
Title: | Aprendizado de máquina aplicado à modelagem da permeação de gases em membranas visando a purificação de metano |
Alternate title (s): | Machine learning applied to gas permeation modeling in membranes for methane purification |
Author: | Sousa, Lhucas Tenório de Melo de |
First Advisor: | Altino, Sarah Arvelos |
First coorientator: | Coutinho Filho, Ubirajara |
First member of the Committee: | Cruz, Antonio José Gonçalves da |
Second member of the Committee: | Gedraite, Rubens |
Summary: | Os modelos de aprendizado de máquina vêm se destacando ao longo dos anos pelo fato de descobrir padrões em dados sem a necessidade de programação baseada em regras. O presente trabalho teve o objetivo de estudar a aplicação de três algoritmos de aprendizado de máquina (Floresta Aleatória, Regressão de Vetores de Suporte e Redes Neurais Artificiais) para a predição da performance de diferentes membranas empregadas na permeação de gases puros. Além disso, o trabalho visou investigar os principais fatores que influenciam nesse processo. Um repositório de dados (denominado Banco de Dados Original) foi construído, com 1672 registros referentes a trabalhos experimentais, provenientes de 42 referências bibliográficas diferentes, com foco naqueles que tenham estudado a capacidade de permeação do metano. Para a modelagem, foi realizada uma filtragem, de forma que foi utilizado um banco de dados constituído por 692 registros de 19 referências bibliográficas diferentes. Esses registros se mostraram bem distribuídos quanto ao tipo de membrana e à permeabilidade dos gases. Além disso, foram considerados 3 tipos de membranas diferentes (Polimérica, Zeolítica e de MOF) e 9 diferentes gases na corrente de alimentação (He, H2, CO2, O2, N2, CH4, eteno, etano e SF6) (alguns presentes em mistura binária). Inicialmente, foram considerados 16 atributos de entrada e a permeabilidade foi considerada como o atributo alvo. Todos os modelos de aprendizado de máquina testados se mostraram adequados para prever o desempenho de permeação pelas diferentes membranas em diferentes circunstâncias de utilização do banco de dados. Diferentes funções objetivo foram investigadas no processo de otimização dos hiperparâmetros do modelo. Os principais atributos que influenciaram na predição foram o Tamanho Médio de Poro, o Diâmetro Cinético do Gás de Alimentação e a Área Superficial Específica. A maioria dos outros atributos (Espessura Média, Volume Total de Poro, Idade, Temperatura, Diferença de Pressão, Diâmetro Cinético do Gás de Arraste, Massa Molar do Gás de Alimentação, Polarizabilidade do Gás de Alimentação e Fração do Gás) foram considerados pouco relevantes. Para simplificar a modelagem e retirar as variáveis ruído, alguns atributos foram retirados utilizando o modelo Florestas Aleatórias (FA). Nesse processo, seis atributos foram retirados e o desempenho de previsão permaneceu praticamente inalterado com Erro Percentual Absoluto Médio de 4,9 e 8,3 % e um R2 de 0,98 e 0,96 para o conjunto de treino e teste, respectivamente. Por fim, as seletividades de quatro sistemas binários (He/CH4, H2/CH4, CO2/CH4 e N2/CH4) foram estimadas utilizando o modelo FA treinado previamente, que também se mostrou adequado com a obtenção de um R2 acima de 0,8 e um RMSE abaixo de 0,18 em todos os casos. |
Abstract: | Machine learning models have gained prominence over the years for discovering patterns in data without the need for rule-based programming. The present work aimed to study the application of three machine learning algorithms (Random Forest, Support Vector Regression, and Artificial Neural Networks) to predict the performance of different membranes used in the permeation of pure gases. Additionally, the work aimed to investigate the main factors influencing this process. A data repository (called the Original Database) was built, comprising 1672 records referring to experimental work, from 42 different bibliographic references, focusing on those who have studied the permeation capacity of methane. For modeling, filtering was performed, resulting in a database consisting of 692 records from 19 different bibliographic references. These records were well-distributed in terms of membrane type and gas permeability. Furthermore, 3 different membrane types (Polymeric, Zeolite, and MOF) and 9 different feed stream gases (He, H2, CO2, O2, N2, CH4, ethylene, ethane, and SF6) were considered. Initially, 16 input attributes were used, with permeability as the target attribute. All machine learning models evaluated were adequate to predict the permeation performance of different membranes under various circumstances of the database. Different objective functions were investigated in the process of optimizing the model's hyperparameters. The main attributes that influenced the prediction were the Average Pore Size, the Feed Gas Kinetic Diameter, and the Specific Surface Area. Most other attributes (Average Thickness, Total Pore Volume, Age, Temperature, Pressure Difference, Sweep Gas Kinetic Diameter, Feed Gas Molar Mass, Feed Gas Polarizability, and Gas Fraction) can be considered of low relevance to model prediction. To simplify the modeling and remove the noise variables, some attributes were removed using the Random Forests (FA) model. In this process, six attributes were removed, and the prediction performance remained unchanged with a Mean Absolute Percent Error of 4.9 and 8.3% and an R2 of 0.98 and 0.96 for the training and test sets, respectively. Finally, the selectivities of four binary systems (He/CH4, H2/CH4, CO2/CH4, and N2/CH4) were estimated using the previously trained FA model, which also proved to be adequate with an R2 above 0.8 and an RMSE below 0.18 in all cases. |
Keywords: | Banco de dados Membranas Separação de gases Aprendizado de máquina Permeabilidade Seletividade Database Membranes Gas separation Machine learning Permeability Selectivity |
Area (s) of CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA |
Subject: | Engenharia química Dinâmica dos gases Aprendizado do computador Membranas (Tecnologia) |
Language: | por |
Country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Uberlândia |
Program: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Química |
Quote: | SOUSA, Lhucas Tenório de Melo de. Aprendizado de Máquina Aplicado à Modelagem da Permeação de Gases em Membranas Visando a Purificação de Metano. 2023. 145 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Faculdade de Engenharia Química, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2023.416 |
Document identifier: | http://doi.org/10.14393/ufu.di.2023.416 |
URI: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/39065 |
Date of defense: | 28-Jul-2023 |
Appears in Collections: | DISSERTAÇÃO - Engenharia Química |
Files in This Item:
File | Description | Size | Format | |
---|---|---|---|---|
aprendizado_de_maquina_aplicado.pdf | Dissertação | 3.93 MB | Adobe PDF | View/Open |
This item is licensed under a Creative Commons License