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Modelagem matemática e simulação numérica de uma planta de dessalinização – MSF

Resumo

A complexidade do problema de acesso à água potável aponta para a necessidade de estudos e avaliações que viabilizem a utilização de fontes alternativas de água potável, capazes suprir as necessidades básicas humanas, e também possibilitar o desenvolvimento de atividades econômicas nessas regiões. Nestes termos, motivado pela discussão de um assunto tão relevante, o objetivo deste trabalho foi realizar a modelagem matemática e a simulação numérica de uma planta de dessalinização pelo método de Destilação Flash de Múltiplos Estágios (MSF), como método de dessalinização para atender as demandas existentes. Para a execução deste estudo foi utilizado o software de modelagem EES®, em que se avaliou a influência dos parâmetros operacionais sobre o desempenho da planta de dessalinização. O modelo resultante foi capaz de reproduzir os dados operacionais reais e prever as condições de operação. As ferramentas de modelagem matemática e simulação numérica são importantes para o desenvolvimento de proposições de projetos e tecnologias eficientes e viáveis de dessalinização da água, capazes de auxiliar no suprimento de água. Em teoria, a sua utilização pode reduzir significativamente o tempo de engenharia, criando a capacidade de se testar diferentes opções variáveis e operacionais e demais parâmetros, em um programa de computador, e não em modelos de teste físico. Essa capacidade pode afetar teoricamente o custo do projeto/instalação, bem como o custo final para a população que poderá usufruir destas instalações (se construídas, instaladas e colocadas em operação), eliminando a necessidade de vários protótipos físicos a serem feitos e testados. Os resultados do estudo mostram que o número de estágios é a variável que mais afeta o desempenho da planta, uma vez que a vazão de vapor de aquecimento diminui drasticamente com o aumento do número de estágios, isso torna a planta mais eficiente e econômica no ponto de vista energético. Verifica-se ainda que as variáveis relacionadas à água do mar não fornecem variações significativas no desempenho da planta. E, finalmente que a elevação da temperatura máxima da salmoura ocasiona a redução na área total de troca térmica, no entanto, com relação ao desempenho da planta, a temperatura máxima da salmoura não afeta significativamente esse parâmetro no processo.

Introdução

O Brasil possui uma das maiores reservas de água doce do planeta, apesar disso, a escassez de água é um problema real. Deve-se compreender que as reservas brasileiras estão disseminadas desigualmente ao longo do território nacional. Este problema ocorre mundialmente e, atualmente, chegou-se a marca de aproximadamente um quarto da população sem acesso à água potável .

Um dos recursos para fornecer água a essa parcela da população é a dessalinização que é um dos processos com maiores avanços tecnológicos e utilizado principalmente em regiões de clima árido e semiárido, onde geralmente as únicas fontes de água são salinas ou subterrâneas salobras. Até o final de 2015 existiam aproximadamente 18 mil instalações de dessalinização no mundo, onde cerca de 44% está localizada no Oriente Médio e Norte da África.

A dessalinização é um processo físico-químico onde retira-se da água salobra os sais, microrganismos e outros sólidos dispersos, e envolve diferentes tecnologias tais como: a destilação flash de múltiplos estágios (MSF), a destilação de múltiplo efeito (MED), a compressão de vapor (VC), a eletrodiálise (ED) e a osmose reversa (RO), além dos modelos passivos. Em grandes plantas, as tecnologias mais aplicadas são MSF e RO. Em comparação com o método RO, uma planta com o método MSF necessita de uma quantidade maior de energia para sua operação, tornando-a onerosa.

Todavia, se acoplado a equipamentos capazes de transformar energia solar em elétrica este método se torna mais competitivo que o tradicional método de osmose reversa alimentada por motor a diesel. Em termos reais, as melhorias tecnológicas nos processos MSF e MED também levaram à diminuição dos custos.

Nos últimos anos, os métodos de dessalinização comprovaram que são processos viáveis e econômicos capazes de resolver o problema de escassez de água, gerando água potável suficiente para abastecer grandes áreas metropolitanas ou indústrias. Os exemplos pelo mundo utilizam diferentes tecnologias de dessalinização disponíveis, porém MSF e RO são as mais implementadas. Unidades de MSF são amplamente utilizadas de modo que são responsáveis por 34% da dessalinização da água do mar no mundo.

Porém, esses valores têm mudado constantemente devido ao rápido crescimento do mercado global de dessalinização, chegando a um investimento de $21,4 bilhão de dólares com taxa de crescimento de 17,6% ao ano.

A previsão do mercado de dessalinização para os próximos 50 anos mostra que esse processo continuará a ser uma das principais tecnologias de dessalinização, a taxa de crescimento na capacidade de dessalinização esperada atingiria 55% ao ano.

As ferramentas de modelagem matemática e simulação numérica são importantes para o desenvolvimento de proposições de projetos e tecnologias eficientes e viáveis de dessalinização da água, capazes de auxiliar no suprimento de água. Em teoria, a sua utilização pode reduzir significativamente o tempo de engenharia, criando a capacidade de se testar diferentes opções variáveis e operacionais e demais parâmetros, em um programa de computador, e não em modelos de teste físico. Essa capacidade pode teoricamente o custo do projeto/instalação, bem como o custo final para a população que poderá usufruir destas instalações (se construídas, instaladas e colocadas em operação), eliminando a necessidade de vários protótipos físicos a serem feitos e testados.

Considerando o problema de abastecimento de água potável e a necessidade de investigação de modelos de plantas dessalinização, neste trabalho apresenta-se a modelagem matemática e a simulação numérica de uma planta de dessalinização pelo método de Destilação Flash de Múltiplos Estágios (MSF), utilizando a ferramenta EES.

Autores: Antônio Marcos de Oliveira Siqueira; Priscila Pierre Lanna e Júlio Cesar Costa Camposida.

 

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