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Title: Estudo da fluidodinâmica da dessalinização das águas salobras via osmose reversa: modelagem e simulação.
Other Titles: Study of the fluid dynamics of brackish water desalination via reverse osmosis: modeling and simulation.
???metadata.dc.creator???: DINIZ, Diego David Silva.
???metadata.dc.contributor.advisor1???: FARIAS NETO, Severino Rodrigues de.
???metadata.dc.contributor.referee1???: LEITE, Boniek Evangelista.
???metadata.dc.contributor.referee2???: FARIAS , Fabiana Pimentel Macedo.
???metadata.dc.contributor.referee3???: VIEIRA , Fernando Fernandes.
???metadata.dc.contributor.referee4???: LIRA, Raniere Pereira Henrique.
Keywords: Dessalinização;Osmose Reversa;Modelagem Computacional;Promotores de Turbulência;Desalination;Reverse Osmosis;Computational Modeling;Turbulence Promoters
Issue Date: 26-Feb-2021
Publisher: Universidade Federal de Campina Grande
Citation: DINIZ, D. D. S. Estudo da fluidodinâmica da dessalinização das águas salobras via osmose reversa: modelagem e simulação. 2021. 248 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Processos) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Processos, Centro de Ciências e Tecnologia, Universidade Federal de Campina Grande, Paraíba, Brasil, 2021.
???metadata.dc.description.resumo???: Nas últimas décadas, vem se acentuando ainda mais a preocupação com a escassez hídrica, ocasionada pelo aumento da população mundial e pela mudança climática drástica do planeta. A partir dessa problemática, foram intensificados inúmeros estudos para desenvolvimento de técnicas e/ou tecnologias com o objetivo principal de aumentar a quantidade de água potável no mundo. Dentre essas técnicas destaca-se a dessalinização por processo de separação de membranas via osmose reversa. Com o auxílio e a evolução da computação, tornou-se viável a realização de simulações numéricas com modelos complexos capazes de compreender o real comportamento dos fenômenos presente nesse processo, assim será possível otimizá-lo e torná-lo mais eficiente. Neste contexto, o presente trabalho visa apresentar um estudo de modelagem computacional com foco na otimização do processo de separação por membrana via osmose reversa por meio da análise da geometria do módulo de permeação e dos efeitos dos promotores de turbulência. A modelagem computacional foi realizada pelo software ANSYS FLUENT através do método de volumes finitos, com o emprego de UDFs (User Defined Function). A modelagem matemática foi baseada nas equações de conservação de massa, movimento e de transporte de espécie, além disso, o modelo de Spiegler e Kedem foi utilizado para caracterizar os efeitos da membrana no fluxo de permeação. Os resultados nas simulações obtidos pelo modelo proposto proporcionaram uma análise detalhada dos comportamentos hidrodinâmicos do escoamento e da formação da camada limite de concentração por polarização sob efeitos dos promotores de turbulência, em que, ao comparar com resultados reportados pela literatura, foi observado discrepâncias inferiores a 7%. Ao analisar o efeito dos promotores de turbulência, constatou-se um efeito benéfico na redução de soluto ao longo da superfície da membrana e que havia variação de desempenho do processo quando se tinha alterações geométricas dos espaçadores, em que foi possível quantificar suas eficiências através do uso de parâmetros, como SPMP (Razão de Performance do Espaçador), SPMPmod, a perda de pressão por unidade de comprimento e quantidade de fluxo permeado. Baseado nesses parâmetros e nas geometrias estudadas, foi observado que os espaçadores circulares tiveram melhores performances de processo, apresentando o melhor equilibro dentre perda de carga e capacidade de produção do produto final, que é a água potável. Quanto às geometrias tridimensionais utilizadas, verificou-se alterações na formação da camada de concentração por polarização quando se modificava geometria dos canais e que os filamentos transversais ao escoamento são mais efetivos no combate da camada polarizada do que os filamentos longitudinais.
Abstract: In the last decades, the concern with water scarcity, caused by the increase of the global population and by the drastic climate change of the planet, has been even more accentuated. Based on this problem, numerous studies have been intensified for the development of techniques and / or technologies with the main objective of increasing the amount of drinking water in the world, one of these techniques being desalination by the membrane separation process via reverse osmosis. With the help and evolution of computing, it became feasible to perform numerical simulations with complex models capable of understanding the real behavior of the phenomena present in this process, so it will be possible to optimize it and make it more efficient. Within this context, this work aims to present a study of computational modeling focusing on the optimization of the membrane separation process via reverse osmosis through the analysis of the permeation module geometry and the effects of the turbulence promoters. The computational modeling was performed by ANSYS FLUENT software through finite volume method, with the use of UDFs (User Defined Function). The mathematical modeling was based on mass conservation, movement and species transport equations, also, the Spiegler and Kedem model was used in order to characterize the effects of the membrane on the permeation flow. The results in the simulations obtained by the proposed model provided a detailed analysis of the hydrodynamic behavior of the flow and the formation of the concentration polarization limit layer by under the effects of turbulence promoters, in which, when comparing with results reported in the literature, it was observed discrepancies below 7%. When analyzing the effect of the turbulence promoters, it was found a beneficial effect in the reduction of solute along the membrane surface and that there was variation in the performance of the process when there were geometric changes in the spacers; so, it was possible to quantify their efficiencies through the use of parameters, such as SPMP (Spacer Performance Ratio), SPMPmod, pressure loss per unit length and amount of permeate flow. Based on these parameters and studied geometries, it was observed that the circular spacers had better process performances, presenting the best balance between pressure loss and production capacity of the final product, which is drinking water. For the three-dimensional geometries used, there were changes in the formation of the concentration polarization layer when the channels geometry was modified and that the transversal filaments to the flow are more effective in combating the polarized layer than the longitudinal filaments.
Keywords: Dessalinização
Osmose Reversa
Modelagem Computacional
Promotores de Turbulência
Desalination
Reverse Osmosis
Computational Modeling
Turbulence Promoters
???metadata.dc.subject.cnpq???: Engenharia
URI: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/18380
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