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Title: Avaliação dos efeitos fluidodinâmicos em módulos de membranas plana, curva e espiral via CFD.
Other Titles: Evaluation of fluid dynamic effects in flat, curve and spiral membrane modules via CFD.
???metadata.dc.creator???: LIRA, Raniere Henrique Pereira.
???metadata.dc.contributor.advisor1???: FARIAS NETO, Severino Rodrigues de.
???metadata.dc.contributor.referee1???: SILVA, José Nilton.
???metadata.dc.contributor.referee2???: FARIAS, Fabiana Pimentel Macedo.
???metadata.dc.contributor.referee3???: CUNHA, Acto de Lima.
???metadata.dc.contributor.referee4???: VIEIRA, Fernando Fernandes.
Keywords: Membrane;Diffusion model;CFD Modeling;Transmembrane pressure;Polarization concentration;Modelo da difusão;Modelo de difusión;Modelagem CFD;Modelado CFD;Pressão transmembranica;Presión transmembrana;Concentração de polarização;Concentración de polarización
Issue Date: 30-Oct-2020
Publisher: Universidade Federal de Campina Grande
Citation: LIRA, R. H. P. Avaliação dos efeitos fluidodinâmicos em módulos de membranas plana, curva e espiral via CFD. 2020. 168 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Centro de Ciências e Tecnologia, Universidade Federal de Campina Grande, Paraíba, Brasil, 2020. Disponível em: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/17074
???metadata.dc.description.resumo???: Os processos de separação por membranas têm várias aplicações nos mais diversos setores da indústria, destacando-se a dessalinização por osmose inversa (OI) para a produção de água potável a partir da água salobra e/ou do mar, usando como força motriz a pressão transmembranica numa membrana semipermeável. Este trabalho teve por objetivo estudar os efeitos fluidodinâmicos em um módulo de membrana espiral. Foi desenvolvido um modelo matemático para o processo de separação, adotando o modelo da difusão da solução com base nas equações de conservação da massa, quantidade de movimento e das espécies químicas. Para este estudo foi utilizando o pacote comercial Ansys CFX® 15.0. O modelo foi aplicado a um módulo de membrana plana em duas e três dimensões onde os resultados numéricos tiveram uma boa concordância com resultados de trabalhos reportados na literatura específica. Foi realizado um estudo de qualidade da malha através do Índice de Convergência de Malha (ICM) para analisar a independência dos resultados numéricos com a malha utilizada. Foram estudadas três variáveis do processo: velocidade de alimentação, pressão transmembranica e concentração inicial da solução de NaCl. O modelo foi aplicado a diferentes curvaturas do módulo de membrana indicou uma melhoria no desempenho da membrana com a intensificação da curvatura do módulo. A configuração da membrana em espiral apresentou um aumento relevante na capacidade de produção do módulo de membrana. A vazão mássica de permeado teve dependência com a concentração inicial de NaCl, pressão transmembranica e com o número de voltas da membrana. Os resultados mostraram que variações nas grandezas envolvidas no processo de separação, como velocidade, concentração inicial e pressão transmembranica, influenciam no desenvolvimento da camada limite de concentração de polarização, assim como no fluxo de permeado. O aumento da velocidade de alimentação e redução da concentração inicial favorecem a redução da camada polarizada, e o aumento da pressão transmembranica eleva o fluxo de permeado. Os resultados das simulações apresentaram uma boa representatividade dos fenômenos de transferência envolvidos no processo de dessalinização.
Abstract: The membrane separation processes have several applications in the most diverse sectors of the industry, standing out the desalination by reverse osmosis (RO) for the production of drinking water from brackish and / or sea water, using as driving force the transmembrane pressure in a semipermeable membrane. This work had the aim to study the fluid dynamics effects in a spiral membrane module. A mathematical model was developed for the separation process, adopting the solution diffusion model based on the equations of conservation of the mass, amount of movement and of the chemical species. For this study was used the commercial package Ansys CFX® 15.0. The model was applied to a flat membrane module in two and three dimensions where the numerical results had a good agreement with the results of studies reported in the specific literature. A mesh quality study was carried out using the Grid Convergence Index (GCI) to analyze the independence of the numerical results with the mesh used. Three process variables were studied: feed velocity, transmembrane pressure and initial concentration of the solution of NaCl. The model was applied to different curvatures of the membrane module indicated an improvement in membrane performance with the intensification of the curvature of the module. The configuration of the spiral membrane showed a relevant increase in the production capacity of the membrane module. The permeate mass flow depended on the initial NaCl concentration, transmembrane pressure and the number of turns of the membrane. The results showed that variations in the quantities involved in the separation process, as velocity, initial concentration and transmembrane pressure, influence the development of the layer of polarization concentration, as well as the permeate flux. The increase of the feeding velocity and reduction of the initial concentration favor the reduction of the polarized layer, and the increase of the transmembrane pressure elevates the permeate flow. The results of the simulations showed a good representation of the transfer phenomena involved in the desalination process.
Keywords: Membrane
Diffusion model
CFD Modeling
Transmembrane pressure
Polarization concentration
Modelo da difusão
Modelo de difusión
Modelagem CFD
Modelado CFD
Pressão transmembranica
Presión transmembrana
Concentração de polarização
Concentración de polarización
???metadata.dc.subject.cnpq???: Engenharia Química
URI: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/17074
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