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Processo de separação água/óleo usando sistema modular de membranas cerâmicas: modelagem avançada e simulação via CFD

Resumo

O petróleo é a principal fonte de energia no mundo. Durante sua extração e purificação, é liberada uma grande quantidade de água residual, com elevada carga de óleo e outros compostos químicos altamente tóxicos ao meio ambiente e ao ser humano. Atualmente, o processo de separação água/óleo através de membranas é um dos principais métodos utilizados para o tratamento desta água produzida, devido ao seu custo-benefício, longa vida útil das membranas e baixo consumo de energia. Assim, este trabalho apresenta uma revisão aprofundada sobre os principais processos de tratamento de água produzida, destacando as membranas cerâmicas, o atual avanço dessa tecnologia e a aplicação da Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) no processo de filtração por membranas. Adicionalmente, um estudo numérico do processo de separação de água/óleo através de membranas cerâmicas porosas foi realizado com o auxílio de uma malha estruturada usando o software comercial ANSYS FLUENT® 15.0. Um modelo numérico em regime permanente, aplicado a um fluido incompressível, escoando em regime turbulento e/ou laminar no interior do módulo de separação, baseado na abordagem Euleriana-Euleriana e no modelo de turbulência – SST (Shear-Stress Transport). O objetivo principal foi estudar numericamente o comportamento do processo de separação água/óleo no módulo de filtração em função da variação no fluxo mássico (ṁ), concentração de óleo na entrada (0), diâmetro das partículas de óleo (), permeabilidade () e porosidade () das membranas. Os resultados indicam que o modelo gerado e aplicado simulou adequadamente o processo de filtração. O aumento de 0,5 para 1,5 kg/s do ṁ influenciou significativamente a pressão transmembrânica (Δ), elevando-a em aproximadamente 6,71 vezes. Esse alto gradiente de pressão entre as superfícies externas e internas favoreceu maior fluxo de filtração. Ambas as variações em e das membranas não influenciaram nas características de filtração do módulo. Por sua vez, quanto maior a das membranas, menor a Δ, maior a concentração média de óleo nas saídas dos permeados e do concentrado, maior o fluxo médio de óleo nas saídas dos permeados, bem com, maior velocidade média do fluxo da mistura nas saídas dos permeados e menor o fluxo médio de óleo nas saídas dos permeados. Esses resultados mostraram que o separador filtrante possui um bom potencial para a separação de água/óleo.

Introdução

O consumo de petróleo aumentou exponencialmente nas últimas décadas, sobretudo em países mais desenvolvidos, em decorrência do desenvolvimento industrial e econômico (LIU et al., 2019). Isso vem causando um aumento associado da contaminação de água e/ou da liberação de água residual imprópria para o consumo ou liberação no meio ambiente, oriunda da extração de petróleo. De fato, a indústria do petróleo gera aproximadamente 3 barris de água residual para cada 1 barril de óleo produzido (FAKHRU`L-RAZI et al., 2009). Essa água produzida é caracterizada pela presença de grandes quantidades de compostos de óleo dissolvidos e dispersos, minerais e gases dissolvidos, químicos de produção e diversos sólidos suspensos (IGUNNU e CHEN, 2012; JIMÉNEZ et al., 2018). Assim, o tratamento desse efluente é obrigatório antes do seu descarte no meio ambiente, uma vez que esse fluido é extremamente salino, oleoso e tóxico para os seres vivos.

O tratamento dos efluentes antes do seu descarte ou reutilização é um dos maiores problemas da indústria de petróleo, pois esses rejeitos são uma mistura de partículas sólidas e líquidas de difícil separação (CAVALCANTE, 2017), o que torna os processos de tratamento caros e dispendiosos. Além disso, de acordo com as regulamentações legais, o processo de tratamento deve ocorrer de tal forma que a água tratada (ou permeado final) seja descartada ou reutilizada sem riscos ambientais ou para a saúde (JIMÉNEZ et al., 2018; KHAN et al., 2019).

O processo de separação por membranas (PSM) tem se destacado como um método vantajoso no tratamento dos efluentes oleosos, sobretudo no que se refere ao baixo custo energético e financeiro, como também por ser de fácil manuseio, quando comparado aos processos clássicos (tradicionais) de separação, tais como clarificadores, flotadores, absorvedores, sedimentação, entre outros (HABERT et al., 2006).

Desde o século XVIII, os PSM vêm se desenvolvendo, mas, somente no final da década de 50, esses estudos deixaram de ser uma curiosidade científica e laboratorial. Surgiram então, estudos que viabilizavam a técnica e a economia dos processos de separação por membranas. Nesse contexto, as aplicações dos PSM foram expandindo-se em diversas áreas, tais como na indústria alimentícia (DORNIER et al., 2018; SHI et al., 2019), em diversas aplicações na medicina e na farmacologia (REZAKAZEMI et al., 2018; BRANDL et al., 2018), na dessalinização de água (CHU et al., 2019) e na indústria petroquímica (separação água/óleo) para o tratamento de água e/ou efluentes (PADAKI et al., 2015; ALMOJJLY et al., 2019; HU et al., 2019).

As propriedades qualitativas das membranas incluem diferentes tamanho de poros, molhabilidade, rugosidade, resistência térmica, estabilidade química, permeabilidade, espessura e resistência mecânica, entre outras, o que permite a existência/fabricação de uma gama de variedades de membranas e aplicações (WARSINGER et al., 2018). Apesar da crescente aplicação dos PSM, no entanto, o grande desafio dos pesquisadores é a eficiência do processo. Na maioria dos casos, os principais causadores da perda de eficácia das operações com os PSM são decorrentes dos fenômenos de polarização por concentração e/ou fouling (incrustações), os quais reduzem significativamente o fluxo do permeado, aumentam o custo de operação e, às vezes, diminuem o tempo de vida útil da membrana (ZHOU et al., 2010; CHENG et al., 2018; FARD et al., 2018).

Como a membrana é seletiva, ocorre o acúmulo de solutos que são rejeitados próximo à superfície da mesma, resultando em uma camada limite de concentração denominada de polarização por concentração (CHENG et al., 2018). Já o fouling é a disposição, adsorção e/ou acúmulo de partículas sobre a superfície ou no interior dos poros das membranas (FARD et al., 2018).

Avanços na tecnologia de membranas, incluindo novos materiais, revestimentos e métodos de fabricação, bem como processos emergentes, como biorreatores de membrana e osmose reversa, foram desenvolvidos para melhorar a seletividade, o consumo de energia, a resistência à incrustação e/ou custo de capital (WARSINGER et al., 2018).

Nesse contexto, a Dinâmica dos Fluidos Computacional ou CFD (Computacional Fluid Dynamics) vem se destacando como ferramenta poderosa para o entendimento dos mecanismos de filtração, o estabelecimento de novas diretrizes para a maximização do processo e a obtenção de novos modelos e protocolos de operação (SHIRAZIAN et al., 2012a; MAGALHÃES et al., 2017; REZAKAZEMI, 2018). Assim, a CFD vem auxiliando na obtenção de dados experimentalmente que, muitas vezes, seriam ou são impossíveis de serem obtidos sem a modelagem computacional, a exemplo do comportamento detalhado dos fenômenos de distribuição de concentração, velocidade, pressão, reações, entre outros, no interior da membrana (meio poroso).

Existe uma crescente relevância em relação à aplicação da fluidodinâmica computacional no tratamento de efluentes gerados pelo petróleo, em especial, nos processos de separação usando membranas cerâmicas, assim como na dessalinização no tratamento de águas de rios, açudes, poços artesianos ou mesmo do mar. Apesar do aumento no número de trabalhos científicos que buscam soluções teóricas, sejam analíticas ou numéricas, a partir de equações que descrevam o fenômeno de separação empregando membranas, ainda existem muitos fenômenos pouco estudados e de difícil controle os quais carecem de mais estudos, para maximizar o tratamento de água produzida.

O foco desta tese é o estudo do tratamento de efluentes da indústria de petróleo via membranas cerâmicas. Trata-se de um estudo numérico dos PSM, utilizando um simulador comercial (software ANSYS FLUENT® 15.0), com a finalidade de auxiliar na compreensão do comportamento da distribuição de pressão, velocidade e campo de concentração dos componentes no módulo de separação (separador), bem como o efeito das porosidade e permeabilidade da membrana no desempenho de filtração do efluente oleoso.

Autor: Guilherme Luiz De Oliveira Neto.