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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/82620| Tipo: | Dissertação |
| Título: | Desenvolvimento de modelos de aprendizado de máquina para predição de estabilidade, viscosidade e tamanho médio de gotas de emulsões água em óleo |
| Autor(es): | Rolim, David Matheus de Oliveira |
| Orientador: | Feitosa, Filipe Xavier |
| Coorientador: | Pereira, Andrea da Silva |
| Palavras-chave em português: | Emulsões água em óleo;Aprendizado de Máquina;Petróleo - Propriedades;Viscosidade |
| Palavras-chave em inglês: | Water-in-oil emulsions;Machine learning;Oil properties;Viscosity |
| CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA |
| Data do documento: | 2025 |
| Citação: | ROLIM, David Matheus de Oliveira. Desenvolvimento de modelos de aprendizado de máquina para predição de estabilidade, viscosidade e tamanho médio de gotas de emulsões água em óleo. 2025. 114 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025. |
| Resumo: | As emulsões são fundamentais na indústria do petróleo, impactando processos de separação de fases e transporte de fluidos. Este estudo avaliou a eficácia de modelos de aprendizado de máquina (Machine Learning – ML) na previsão da influência de parâmetros-chave sobre a estabilidade de emulsões, a viscosidade aparente e o diâmetro médio das gotas (MDS). Uma metodologia em duas etapas foi empregada. Inicialmente, experimentos com 13 (treze) óleos distintos geraram um conjunto de dados abrangente, variando a fração de água, a temperatura e a concentração de salinidade por meio de um planejamento experimental baseado em Amostragem por Hipercubo Latino (Latin Hypercube Sampling – LHS), para analisar seus efeitos nas propriedades das emulsões. Posteriormente, os dados experimentais foram usados para treinar e testar modelos de AM para classificação (Árvore de Decisão - AD, Gradient Boosting - GB, Floresta Aleatória - FA e Multi-Layer Perceptron - MLP) e regressão (Regressão Polinomial - RP, eXtreme Gradient Boosting - XGBoost, FA e MLP), com os hiperparâmetros otimizados por meio do algoritmo de Otimização por Enxame de Partículas (Particle Swarm Optimization – PSO). Foi aplicada a análise SHAP (SHapley Additive exPlanations) para quantificar o impacto dos parâmetros de entrada nos resultados do modelo, revelando suas contribuições relativas para as previsões. Os modelos de AM previram com precisão a estabilidade das emulsões, com o modelo GB apresentando a melhor performance com acurácia de 0,938. Para o diâmetro médio de gota, o modelo XGBoost apresentou o melhor desempenho de predição, atingindo R² de 0,924. Para a viscosidade, o modelo XGBoost também se sobressaiu ao atingir R² de 0,992 nas predições. Os modelos conseguiram capturar padrões complexos de separação de fases, além de demonstrarem fortes correlações entre os valores previstos e experimentais para viscosidade aparente e tamanho das gotas. A análise paramétrica utilizando SHAP revelou que o teor de água (%) foi o fator mais influente na previsão da estabilidade das emulsões, enquanto o °API se destacou como a principal variável para a viscosidade e o diâmetro médio de gota. |
| Abstract: | Emulsions are essential in the petroleum industry, influencing phase separation and fluid transport processes. This study evaluated the effectiveness of machine learning (ML) models in predicting the influence of key parameters on emulsion stability, apparent viscosity, and mean droplet size (MDS). A two-step methodology was employed. Initially, experiments using thirteen (13) different oils generated a comprehensive dataset by varying water cut, temperature, and salinity concentration through a Latin Hypercube Sampling (LHS) design to analyze their effects on emulsion properties. Subsequently, the experimental data were used to train and test ML models for both classification (Decision Tree – DT, Gradient Boosting – GB, Random Forest – RF, and Multi-Layer Perceptron – MLP) and regression tasks (Polynomial Regression – PR, eXtreme Gradient Boosting – XGBoost, RF, and MLP), with hyperparameters optimized using the Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm. SHapley Additive exPlanations (SHAP) analysis was applied to quantify the impact of input parameters on the model outcomes, revealing their relative contributions to the predictions. The ML models accurately predicted emulsion stability, with the GB model achieving the best performance, reaching an accuracy of 0.938. For mean droplet size, the XGBoost model showed the best predictive performance, achieving an R² of 0.924. For viscosity, XGBoost also stood out, reaching an R² of 0.992. The models were able to capture complex phase separation patterns and demonstrated strong correlations between predicted and experimental values for both apparent viscosity and droplet size. SHAP-based parametric analysis revealed that water content (%) was the most influential factor in predicting emulsion stability, while °API emerged as the key variable for both viscosity and mean droplet size. |
| Descrição: | Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas. |
| URI: | http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/82620 |
| Currículo Lattes do(s) Autor(es): | http://lattes.cnpq.br/4734953126809058 |
| ORCID do Orientador: | https://orcid.org/0000-0001-9934-1259 |
| Currículo Lattes do Orientador: | http://lattes.cnpq.br/7891947785454785 |
| Currículo Lattes do Coorientador: | http://lattes.cnpq.br/1309887348950359 |
| Tipo de Acesso: | Acesso Aberto |
| Aparece nas coleções: | DEQ - Dissertações defendidas na UFC |
Arquivos associados a este item:
| Arquivo | Descrição | Tamanho | Formato | |
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