ANÁLISE TÉRMICA DE UM DESSALINIZADOR DE MÚLTIPLO
EFEITO PARA OBTENÇÃO DE ÁGUA POTÁVEL
Por
Luiz Faustino de Souza
Dissertação de mestrado apresentada à Universidade Federal da Paraíba
para obtenção do grau de Mestre
João Pessoa – Paraíba fevereiro, 2002 Universidade Federal da Paraíba Centro de tecnologia
Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
LUIZ FAUSTINO DE SOUZA
ANÁLISE TÉRMICA DE UM DESSALINIZADOR DE MÚLTIPLO
EFEITO PARA OBTENÇÃO DE ÁGUA POTÁVEL
Dissertação apresentada ao Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal da Paraíba, em cumprimento às exigências para obtenção do Grau de Mestre.
Orientadores: Prof. Dr. Marco A. Wanderley Cavalcanti Prof. Dr. Zaqueu Ernesto da Silva
ANÁLISE TÉRMICA DE UM DESSALINIZADOR DE MÚLTIPLO
EFEITO PARA OBTENÇÃO DE ÁGUA POTÁVEL
por
Luiz Faustino de Souza
Dissertação aprovada em 28 de fevereiro de 2002 Período letivo 2002.1
Prof. Dr. CLEITON RUBENS FORMIGA BARBOSA - UFRN Examinador Externo
Prof. Dr. ROMBERG RODRIGUES GONDIM - UFPB Examinador interno
Prof. Dr. JOSE MAURÍCIO ALVES DE MATOS GURGEL - UFPB Examinador interno
Prof. Dr. MARCO ANTÔNIO WANDERLEY CAVALCANTI – UFPB
Orientador
Prof. Dr. ZAQUEU ERNESTO DA SILVA – UFPB Orientador
DEDICATÓRIA
AGRADECIMENTOS
A Deus por tudo que tem me concedido e a minha família por estar sempre ao meu lado em todos os momentos.
Aos professores Dr. Carlos A. Cabral dos Santos e Dr. Francisco Antônio Belo que souberam transmitir conhecimentos sem precisar se impor.
Aos funcionários do LES e da coordenação do curso que direta ou indiretamente contribuíram para a realização deste trabalho.
Aos colegas estudantes pelo companheirismo e amizade, em especial a Severino Cirino, Rômulo da Silveira Paz, Fernando Fernandes Vieira e Carlos Antônio Pereira de Lima.
Aos professores, Dr. Cleiton Rubens Formiga Barbosa, Dr. Jose Maurício Alves de Matos Gurgel e Dr. Romberg Rodrigues Gondim que coroaram o meu trabalho com suas participações na banca examinadora.
ANÁLISE TÉRMICA DE UM DESSALINIZADOR DE MÚLTIPLO
EFEITO PARA OBTENÇÃO DE ÁGUA POTÁVEL
RESUMO
Este trabalho apresenta um estudo teórico do balanço térmico em um dessalinizador múltiplo efeito do tipo tubo horizontal com filme fino, usado como fonte alternativa de água potável. São apresentados os princípios de funcionamento de diferentes processos de dessalinização, sendo efetuado o balanço térmico de uma instalação de dessalinização MED de 18 efeitos. Os resultados obtidos, em termos de produção de destilado e de consumo de energia específica, também são apresentados para diferentes condições de operação. Apresenta-se ainda, resultados quanto à influência das condições de fornecimento de calor à água a ser dessalinizada, bem como a influência da sua vazão de abastecimento. Os resultados obtidos indicam uma conversão de água salobra em água dessalinizada da ordem de 22 a 30 %.
THERMAL ANALYSIS OF A DESSALINIZADOR OF MULTIPLE
EFFECT FOR OBTAINING OF DRINKABLE WATER
ABSTRACT
This work presents a theoretical study of the thermal balance of a multiple effect desalting (MED) unit type horizontal tube with thin film, used as an alternative source of potable water. The operations principles of different desalting processes are presented and a thermal balance over a MED unit with 18 effects is done. The obtained results of distilled production and specific energy consummation are also presented for different operating conditions. In this work are show results about the influences of salt water heating conditions and the salt water volumetric flow. The results show a salt water conversion as desalting water between 22 and 30 %.
SUMÁRIO
Resumo ... vi
Abstract ...vii
Lista de Figuras ... x
Lista de Tabelas ...xii
Lista de Símbolos ... xiii
Lista de Abreviaturas ... xv
CAPÍTULO I 1.1 INTRODUÇÃO ... 1
CAPÍTULO II REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 5
2.1 INTRODUÇÃO ... 5
2.2 DESTILAÇÃO DE MÚLTIPLO EFEITO ... 6
2.3 PRINCÍPIOS BÁSICOS DE FUNCIONAMENTO DOS PRINCIPAIS PROCESSOS DE DESSALINIZAÇÃO ... 8
2.3.1 Processos Térmicos ... 8
2.3.1.1 Destilação “Flash” de Múltiplo Efeito ... 10
2.3.1.2 Destilação Solar ... 14
2.3.1.3 Destilação de Múltiplo Efeito (MED) ... 16
2.3.1.4 Destilação por Compressão de Vapor ... 17
2.3.1.5 Congelamento ... 18
2.3.1.5.1 Congelamento Direto ... 19
2.3.1.5.2 Congelamento Indireto ... 20
2.3.2 Processo Através de Membrana ... 21
2.3.2.2 Eletrodiálise ... 24
CAPÍTULO III ANÁLISE TÉRMICA DE UM DESSALINIZADOR MED DE PEQUENO PORTE TIPO HTTF ... 28
3.1 INTRODUÇÃO ... 28
3.2 ASPECTO DO DESENHO DO EVAPORADOR ... 29
3.3 ANÁLISE TÉRMICA DA INSTALAÇÃO ... 32
3.3.1 Aquecedor ... 33
3.3.2 Evaporador ... 34
3.3.3 Pré-aquecedor ... 37
3.3.4 Condensador ... 39
3.3.5 Balanço global ... 40
3.4 PROPRIEDADES FÍSICAS ... 40
3.4.1 Calor específico... 41
3.4.2 Calor latente de vaporização ... 41
3.4.3 Elevação do ponto de ebulição ... 42
3.5 MÉTODO COMPUTACIONAL ... 42
3.5.1 Outras propriedades ... 43
3.5.1.1 Densidade... 43
3.5.1.2 Entalpia do vapor de água saturado ... 44
3.5.1.3 Entalpia da água líquida saturada ... 44
CAPÍTULO IV ANÁLISE DOS RESULTADOS ... 47
4.1 ANÁLISE DOS RESULTADOS ... 47
CAPITULO V CONCLUSÕES E PESPECTIVAS ... 52
5.1 CONCLUSÕES ... 52
5.2 PERSPECTIVAS ... 53
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1: Representação de um esquema simplificado da destilação por evaporação “Flash”
com 1, 2, e 3 estágios ... 25
Figura 2.2: Representa um esquema de um destilador tipo “flash” de múltiplo estágio ... 27
Figura 2.3: Representação de um modelo simplificado de evaporação através de energia solar ... 29
Figura 2.4: Representa um modelo simplificado de destilação por evaporação de múltiplo efeito ... 30
Figura 2.5: Destilação por compressão de vapor ... 32
Figura 2.6: Congelamento direto ... 33
Figura 2.7: Congelamento indireto ... 34
Figura 2.8: Comparação entre osmose e osmose reversa. ... 36
Figura 3.1: Representa o diagrama esquemático de um destilador MED tipo HTTF ... 45
Figura 3.2: Representa do diagrama de fluxo do aquecedor ... 47
Figura 3.3: Diagrama de fluxo do evaporador (E2 e E3) ... 49
Figura 3.4: Diagrama de fluxo do evaporador (E4 a EN) ... 50
Figura 3.5: Diagrama de fluxo do pré-aquecedor ... 51
Figura 3.6: Diagrama de fluxo do condensador ... 53
Figura 3.7: Fluxograma de procedimento de cálculo computacional ... 60
Figura 4.1: Representa o efeito da taxa de fluxo da água aquecida e da temperatura da água aquecida na produção de destilado para o fluxo de água de abastecimento e temperatura da água de abastecimento constantes (mf = 4,44.10-3 m3/s, Tf = 30 oC) ... 64
Figura 4.2: Representa o efeito do fluxo de água aquecida e do fluxo de água de abastecimento sobre a produção de destilado para a temperatura da água aquecida e a temperatura da água marinha constantes (Taq= 80 oC, Tam= 30 oC) ... 64
LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1: Representa a concentração média dos principais íons na água marinha... 15 Tabela 4.1: Representa a distribuição de temperatura da água de abastecimento nos
pré-aquecedores, de temperatura do concentrado de água salgada em cada efeito, de temperatura do vapor que sai de cada efeito, de massa de concentrado de água salgada, de massa de vapor e de salinidade. ... 61 Tabela 4.2: Apresenta a taxa de produção de destilado Md e o consumo de calor específico
LISTA DE SÍMBOLOS
A Área de transferência de calor (m2)
am água do mar
aq Água aquecida de circulação
ap água pura
c Concentrado de água salgada
CCE Taxa de consumo de calor específico (J/kg de destilado)
con Condensador
Cp Calor específico (J/kg.°C)
d Destilado
E Efeito
EPE Elevação do ponto de ebulição (°C)
ev Evaporador
f Água marinha de abastecimento do sistema
h Entalpia (J/kg)
hs Coeficiente de película externo ht Coeficiente de película interno
i Indexador
l Líquido saturado
Lv Calor latente de vaporização (J/kg) m Taxa de fluxo de massa (m3/h)
Md Taxa de produção total de água (m3/h)
N Número de efeitos
p Pré-aquecedor
Q Quantidade de calor (J/s)
S Salinidade
T Variação de temperatura (oC)
U Coeficiente global de transferência de calor (J/s.m2.°C)
v Vapor saturado
LISTA DE ABREVIATURAS
ED Eletrodiálise
HTTF Tubo Horizontal com Filme Fino MED Destilação de Múltiplo Efeito
MSF Destilação Flash de Múltiplo Estágio
RO Osmose Reversa
CAPÍTULO I
1.1 INTRODUÇÃO
A habilidade de tratar a água salgada, de forma a torná-la apta para o consumo, tem sido procurada pela humanidade por longo tempo. Mais de três quartos da superfície da terra são cobertos por água salgada. Embora essa água seja importante para alguns meios de transportes e pesca, ela é muito salgada para manter a vida humana ou para as atividades do campo.
A composição da água do mar varia conforme a posição geográfica e a profundidade considerada, embora a concentração de sais varie de lugar para lugar, a relação entre os constituintes mais abundantes é praticamente constante. Entre estes constituintes estão: cloreto de sódio, bicarbonatos, sulfato de cálcio e sulfato de magnésio. A tabela 1.1 apresenta as concentrações médias dos principais íons presentes na água do mar.
Tabela 1.1: Concentração média dos principais íons na água marinha
Íons Fórmula 10-2.( kg/kg)
Cloreto Cl 18,900
Sódio Na++ 10,556
Sulfato SO4-- 2,649
Magnésio Mg++ 1,272
Cálcio Ca++ 0,400
Potássio K+ 0,380
Bicarbonato HCO3- 0,140
Brometo Br- 0,065
Borato H2BO3- 0,026
Estrôncio Sr++ 0,013
Fluoreto F- 0,001
Fatores tais como clima, características geológicas, tipos de solos e distância em relação ao mar são determinantes da salinidade das águas naturais.
Em regiões áridas ou semiáridas é comum a salinização das águas, devido à própria constituição natural das mesmas. O manejo inadequado do solo também pode causar um aumento da salinidade. Áreas irrigadas tornam-se improdutivas, devido à má qualidade das águas de irrigação. Para água de irrigação, os limites de salinidade são determinados em função dos tipos de cultura, solo e clima. A irrigação com águas contendo sais dissolvidos em concentrações superiores a 2 kg/m3 causam quedas consideráveis na produção agrícola.
Para as águas de uso industrial, a salinidade tolerada depende do tipo de produto fabricado. As águas usadas na fabricação de produtos têxteis, químicos, papel e alimentos, por exemplo, pedem baixa salinidade.
As águas contendo sais dissolvidos com concentração igual ou acima de 1,0 kg/m3 são prejudiciais à saúde e inadequadas para o abastecimento humano.
Essas limitações têm restringido o tamanho e a localização de comunidades ao redor do mundo, conduz à fadiga muitas pessoas que não tem recursos para viver próximo a um manancial ou fonte de água potável. O emprego das tecnologias de dessalinização nos últimos 40 anos tem mudado esse panorama em muitos lugares. Vilas, cidades e indústrias tem agora surgido ou sido implantadas em muitas áreas tidas como áridas ou secas, em todo o mundo, onde se disponha de água do mar ou salobra, que são tratadas com as técnicas de dessalinização.
Essa mudança é notória em algumas partes do árido Oriente Médio, Norte da África
e em algumas ilhas do Caribe, onde a falta d‟água doce tem severamente limitado o desenvolvimento. No entanto, cidades modernas e indústrias de porte desenvolvem-se em algumas dessas áreas, graças a disponibilidade de água doce produzida por dessalinização de água do mar, segundo Buros (1990).
Na Europa, em 1910, muitas indústrias já utilizavam-se do método da destilação, e em 1920 o Japão destilava água do mar. Durante a Segunda Guerra Mundial, os navios americanos também destilavam água do mar para abastecimento próprio, produzindo cerca de 81.10-6 m3/s, usando 4.10-2 m3 de gasolina como fonte de energia, e a Pfausdler-Permitit
Co. de Nova York / EUA desenvolveu um „kit‟ de emergência para a dessalinização de
Flórida, Texas e Ilhas Virgens, especialmente para tratar água subterrânea com altas concentrações de sólidos dissolvidos. Com o aumento do preço do petróleo nos anos 70, os países produtores localizados em regiões áridas passaram a comprar equipamentos para a produção de água doce, incentivando a expansão do mercado.
Muitos países no Oriente Médio descobriram que a única solução lógica e disponível para o problema da escassez de água doce era a dessalinização da água do mar ou salobra. No final de 1991, tinham sido instalados em todo o mundo, um total de 8.886 unidades de dessalinização com capacidade total de 2,1 m³/s. A proporção maior de capacidade está instalada na Arábia Saudita (24,4%), seguida dos EUA (15,2%), Os Emirados Árabes (10,6%) e Kuwait (9,1%).
No Brasil, o emprego da dessalinização de água ainda é pequeno, embora no Nordeste seja aplicado o processo de osmose reversa para dessalinização de águas salobras oriundas de poços para o abastecimento de pequenas comunidades.
Hoje existem muitos métodos de dessalinização, cada um trabalhando em uma relação muito próxima com os outros para produzir água doce.
Os principais processos de dessalinização são: 1- Processos Térmicos
Destilação Flash de Múltiplo Estágio (Multi-Stage Flash – MSF) Destilação de Múltiplo Efeito (Multi-effect distillation – MED) Destilação por Compressão de Vapor (Vapor Compression – VC) Destilação Através de Energia Solar
Congelamento
2- Processos Através de Membranas Osmose Reversa
Eletrodiálise
água salgada mais baixas que as outras fontes térmicas (cerca de 70°C), reduzindo assim o potencial para formação de crostas.
A configuração típica de plantas de destiladores de múltiplo efeito (MED) mais atuais é o tubo horizontal, filme fino (horizontal tube, thin-film – HTTF).
CAPÍTULO II
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 INTRODUÇÃO
A dessalinização é tão antiga quanto é o sistema solar. Parte da água salgada na terra é transformada em vapor através da energia solar, então se formam nuvens que se precipitam como água potável através das chuvas.
Os Gregos e Romanos fizeram uma descrição da dessalinização usando métodos primitivos. Desde o século XVI a dessalinização da água do mar era utilizada nas embarcações. A dessalinização em terra teve início no século XVIII e começou a desempenhar papel importante a partir do final dos anos 1940 e começo de 1950, especialmente em países onde a água potável é escassa como nos países do Golfo Árabe, USA, Ilhas do Caribe e algumas áreas da América do Norte.
Um marco no desenvolvimento da dessalinização ocorreu nos anos 40, durante a Segundo Guerra Mundial, quando vários estabelecimentos militares, em regiões áridas,
necessitaram d‟água para suprir suas tropas. A potencialidade que a dessalinização oferecia
No final da década de 60, unidades de até 8.000 metros cúbicos começaram a se instalar em várias partes do mundo. Essas unidades, a maioria de processos térmicos, foram usadas para dessalinizar a água do mar, porém nos anos 70 os processos de membranas comerciais começaram a surgir e ser empregados. Originalmente, o processo de destilação foi usado para dessalinização água salobra. Essa técnica era dispendiosa e inibiu o seu desenvolvimento para o tratamento da água. Quando a eletrodiálise foi introduzida, permitiu dessalinizar água salobra muito mais economicamente e, muitas aplicações foram então encontradas. Similarmente, a osmose reversa (RO) foi originalmente empregada para dessalinização de águas salobras, no entanto o processo provou ser adequado também para dessalinizar a água do mar.
Nos anos 80, a tecnologia de dessalinização tornou-se um empreendimento totalmente comercial. A tecnologia beneficiou-se das experiências operacionais alcançadas com as unidades construídas e operadas nas décadas anteriores. Uma variedade de tecnologias de dessalinização foi desenvolvida através dos anos e, baseados nos seus sucessos comerciais, podem ser classificados como mais e menos importantes processos de dessalinização.
Nas últimas décadas, vários estudos têm sido realizados no sentido de melhorar o desempenho, segurança, viabilidade econômica, etc., das diversas técnicas de dessalinização existentes.
2.2 DESTILAÇÃO DE MÚLTIPLO EFEITO
Embora as aplicações mais recentes do processo MED tenham sido na Índia, Caribe, Ilhas Canárias e Emirados Árabes, a sua popularidade no mundo vem aumentando após a utilização das plantas MED de configuração HTTF.
Muitos artigos têm sido publicados fazendo análise sobre vários aspectos relativos a
planta MED. Problemas de “design” onde o número de efeitos, a temperatura do
concentrado no topo (primeiro efeito), performance do evaporador e a temperatura da água do mar são especificados e áreas de transferência de calor e o consumo de calor específico são calculados.
Takada e Draka (1983), fizeram a descrição de um evaporador do tipo HTTF onde mostra as vantagens deste tipo de evaporador em uma planta MED.
El-Nashar (1985), fez a descrição detalhada de uma planta de pequeno porte instalada em Abu Dhabi (EAU) que utiliza que utiliza como energia térmica agua aquecida através de energia solar.
El-Dessuky e Assassa (1985), contribuiram com a modelagem matemática dos plantas MED.
Darwish e El-Hadik (1986), investigaram a performance térmica dos sistemas MED e compararam-na com aquela dos sistemas MSF.
Morin (1993), fez a comparação do desenho e operacionalização entre os sistemas MED e MSF.
El-Nashar e Qamhiyeh (1995), desenvolveram um programa para simular a performance de uma planta MED.
Aly e Marwan (1997), desenvolveram um modelo dinâmico do processo MED para estudar o comportamento transiente do sistema.
Al-Shammiri e Safar (1999), abordaram sobre o aspectos gerais de uma planta MED comercial associado ao aspecto técnico relativos a correntes, condensadores, evaporadores, bombas e capacidade. Abordaram também sobre taxa de ganho, temperatura operacional, materiais de construção, manutenção e operações desta planta.
El-Nashar (2000a), desenvolveu um programa simplificado para simular a performance de uma planta MED.
El-Nashar (2000b), Utilizou um programa, denominado SOLDES, para simular simular a operação de uma planta MED.
2.3 PRINCÍPIOS BÁSICOS DE FUNCIONAMENTO DOS PRINCIPAIS PROCESSOS DE DESSALINIZAÇÃO
Um dispositivo de dessalinização essencialmente efetua a separação da água salgada em dois fluxos: um com baixa concentração de sais dissolvidos (o fluxo de água doce, potável) e, o outro contendo os remanescentes sais dissolvidos (o concentrado ou fluxo de salmoura). O dispositivo requer energia para operar e pode usar variadas tecnologias para efetuar a separação.
2.3.1 Processos Térmicos
Mais de 60% da água dessalinizada no mundo, é produzida com calor para destilar águas do mar e obter-se água doce. Para isso ser feito economicamente, numa estação de dessalinização o ponto de ebulição é controlado por ajuste da pressão da água que está sendo destilada.
Para reduzir significativamente a quantidade de energia necessária para a vaporização, o processo de destilação para dessalinização usualmente adota múltiplas ebulições em sucessivos estágios, cada qual operando a uma menor temperatura e pressão.
Para minimizar os efeitos desses componentes, a água do mar é pré-tratada para remoção das substâncias nocivas ou para torná-las inativas. As substâncias mais comuns na formação de crostas são: sulfato de cálcio, hidróxido de magnésio e carbonato de cálcio. O pré-tratamento no controle de pH e descarbonatação vai impedir a formação de crosta de hidróxido de magnésio e carbonato de cálcio. Quanto ao controle do sulfato de cálcio, se o processo de dessalinização for de alta eficiência, com utilização de temperaturas inferiores a 95oC , não haverá problema, uma vez que ele se torna mais insolúvel com o aumento da temperatura acima da temperatura mencionada. Caso contrário, haverá necessidade de maior investimento no pré-tratamento. Organismos marinhos presentes na água a tratar podem ser removidos através de cloração, que além de eliminar os organismos existentes, previne crescimentos subseqüentes.
A máxima temperatura permitida para a liberação do vapor d‟água de uma solução
depende da volatilidade dos componentes do soluto, das condições nas quais se formam as incrustações e ocorre a corrosão.
A pressão de vapor da água do mar é cerca de 1,84% menor do que a pressão de vapor de água doce, para uma dada temperatura, e, a uma dada pressão, a elevação do ponto de ebulição é 0,46; 0,53 e 0,60oC, a respectivamente 75, 100 e 125oC. A pressão atmosférica, a ebulição da água doce ocorre a 100oC e a da água do mar a 100,53oC. Essas diferenças parecem desprezíveis, mas são importantes, especialmente na destilação por múltiplos estágios (SPIEGLER, 1965).
Vários meios, tais como queima a de combustíveis fósseis, água aquecida através de energia solar e mesmo energia elétrica, alem de rejeitos térmicos, podem ser usados
para fornecer calor para a destilação. O mais usado é o vapor d‟água condensado, porque
oferece vantagens: é fácil controlar sua temperatura e possui quantidade relativamente grande de calor latente que é liberado com a condensação.
Na destilação, o processo de transferência de calor é essencial. O principal fator que determina o porte de uma unidade de destilação é a taxa de transferência de calor, que se dá, em geral através de um tubo de aquecimento.
Diferentes arranjos caracterizam os tipos de processos de destilação. Os principais processos são: Flash de Múltiplo Estágio, Destilação através de Energia Solar, Ebulição de Efeito Múltiplo, Compressão de Vapor. Dentre estes, três tipos básicos são mais comercialmente usados: Flash de Múltiplos Estágios, Destilação de Múltiplo Efeito e Compressão de Vapor.
Outro processo térmico de dessalinização é o Congelamento. Os métodos de congelamento são: Congelamento Direto e Congelamento Indireto.
2.3.1.1 Destilação “Flash” de Múltiplo Estágio
No processo MSF ilustrado na figura 2.1, a água marinha é aquecida em um recipiente chamado de aquecedor de água salgada. Isto é feito geralmente condensando-se o vapor em uma série de tubos que passam através do recipiente que por sua vez aquece a água marinha. Esta água marinha aquecida flui então para outro recipiente, denominado de estágio, onde a pressão é tal que a água irá ferver imediatamente. A introdução súbita da água aquecida na câmara faz com que esta ferva rapidamente, quase explodindo ou transformando-se rapidamente em vapor. Geralmente, apenas uma pequena parcela desta
água é convertida em vapor (vapor d‟água), dependendo da pressão mantida neste estágio a ebulição irá continuar apenas até o ponto em que a água resfria.
Figura 2.1: Destilação por evaporação “Flash” – SPIEGLER (1965)
O vapor gerado pelo “flashing” é convertido em água doce através da condensação
em tubos de troca de calor que correm através de cada estágio. Os tubos são resfriados através da entrada de água que vai para o aquecedor de água salgada. Isto, por sua vez, aquece a água de forma que a quantidade de energia térmica necessária no aquecedor para aumentar a temperatura da água salgada seja reduzida.
Plantas de MSF geralmente operam a altas temperaturas, de 90 a 120oC. Um dos fatores que afetam a eficiência térmica da planta é a diferença na temperatura do aquecedor de água salgada para o condensador no final frio da planta. Operando uma planta a limites de temperatura mais altos do que 120oC tende-se a aumentar a eficiência, mas também aumenta o potencial para formação de crostas e acelerar a corrosão de superfície do metal.
À primeira vista, os processos „flash‟ parecem ineficientes porque água quente
Kuwait, com produção de 115,74 kg de água/s e um projeto de demonstração em San Diego, produzindo 46,30 kg de água/s.
É possível produzir mais destilado por unidade de aquecimento de vapor, se o
processo “flash” é realizado em mais de um estágio. Por exemplo, considerando dois
estágios, a água salina vai evaporar a 60oC na primeira câmara e a 40oC na segunda, quando a água salina de alimentação está aproximadamente 20oC. A quantidade de água evaporada em cada um dos dois estágios aproximadamente é a metade da evaporada no estágio único.
Com dois estágios, o resíduo salino concentrado é descarregado a 40oC, ao invés dos 60oC no estágio único, portanto, menos calor é perdido com a descarga do resíduo, e o aquecedor deverá elevar a temperatura da água salina de 60oC para 80oC, e não de 60 a 100oC como no estágio único.
Resumindo, o fornecimento de calor externo para dois estágios é a metade do necessário para estágio único.
Os valores de temperatura mencionados são aproximados, apenas para ilustrar que a economia cresce com o aumento do número de estágios.
Há perdas na transferência de calor, portanto a água salina, nos tubos de entrada, deixa os estágios sem absorver o calor total do vapor condensado. Na verdade, o
coeficiente de transferência de calor é menor do que o do evaporador de múltiplo “efeito”,
porque a água salina nos tubos do evaporador “flash” não entra em ebulição.
Para usar uma significativa porção do calor latente do resíduo salino concentrado e aquecido que deixa o primeiro estágio, só 10 a 20 % são descartados, e o resto recirculado pela seção de aquecimento.
O carbonato de cálcio é precipitado através do pré-tratamento dá água salina para são formar incrustações aderentes aos tubos. A corrosão é minimizada, passando a água de alimentação através de um dispositivo que subtrai o ar, antes de entrar para o aquecimento. Grandes quantidades de ar e dióxido de carbono contido na água são também liberadas no pré-tratamento.
Ar e gases incompressíveis são continuamente eliminados através do sistema de ventilação, para manter as pressões nos diferentes estágios.
O principal custo de investimento é representado pelo material da tubulação e é
de transferência de calor. O aumento do número de estágios causa um decréscimo na requerida área de troca de calor. Por exemplo, comparando instalações contendo grande numero de estágios, e tendo idêntica produção diária, pode-se demonstrar que o grau de desempenho é proporcional à área de aquecimento.
Os tubos de aquecimento podem ser dispostos vertical ou horizontalmente. Cada arranjo tem suas vantagens, mas a horizontal é preferível para unidades maiores.
A Figura 2.2 mostra esquematicamente o processo de evaporação “flash” para n
estágios: a água a tratar passa por uma seqüência de trocadores de calor, nos quais a temperatura é progressivamente acumulada, por condensação do vapor produzido nas
correspondentes câmaras de expansão („flash‟), atingindo de 80 a 110oC. Depois de aquecimento suplementar entre 90 e 120oC por uma fonte externa de vapor, a água salina é expandida consecutivamente através de um número n de estágios, contendo trocadores de calor, onde sua pressão de vapor é progressivamente reduzida.
Ebulição e evaporação parcial ocorrem em cada estágio, o vapor condensado no correspondente trocador de calor, sendo coletado nos canais como destilado, deixando progressivamente a instalação, em paralelo com o rejeito salino, até que ambos são extraídos do último estágio à temperatura de cerca de 40oC. Vácuo é aplicado nas câmaras
„Flash‟ para manter a queda requerida na pressão do vapor.
2.3.1.2 Destilação Solar
A utilização direta da energia solar para a dessalinização da água tem sido pesquisada e utilizada já a algum tempo. Durante a II Guerra Mundial, realizou-se trabalho considerável para fazer pequenos alambiques solares, conhecidos como destiladores solares, para utilização em botes salva-vidas. Este trabalho continuou após a guerra, resultando numa variedade de dispositivos sendo construídos e testados.
Estes dispositivos geralmente imitam uma parte do ciclo hidrológico natural no qual a água salina é aquecida pelos raios solares de forma a propiciar a produção de vapor
d‟água (umidificação). O vapor de água é então condensado em uma superfície fria e o condensado coletado como água produto. Um exemplo deste tipo de processo é o destilador solar, similar à estufa solar de plantas e vegetais, no qual a água é aquecida num reservatório existente sobre o piso (ocupando toda área do piso). A água condensa na superfície interna da cobertura inclinada de vidro que cobre o reservatório conforme mostra a figura 2.3.
As variantes deste tipo de destilador solar têm sido feitas num esforço para aumentar a sua eficiência, mas todos compartilham as seguintes dificuldades, que restringem a utilização desta técnica para produção em larga escala:
- Necessidade de amplas áreas de coleta solar; - Alto custo de capital;
- Vulnerabilidade a danos relacionados ao clima.
Figura 2.3: Destilação por evaporação através de energia solar – SPIEGLER (1965)
Vários dispositivos já foram utilizados para aumentar o efeito da radiação solar, tais como o emprego de lentes e espelhos. A radiação solar se divide em três tipos: 40 % de radiação visível, cerca de 5% de radiação ultravioleta, que varia com a umidade do ar, e radiação infravermelha invisível que representa de 55 a 60 % da energia solar.
É possível captar mais energia pela rotação da superfície receptora continuamente para manter sempre incidência normal. Por exemplo, numa latitude de 35o, é possível interceptar 58% de radiação solar a mais.
As perdas de energia dependem de:
Condições meteorológicas, tais como, irradiação, temperatura do ar, velocidade dos ventos;
Exemplos de aplicação do processo na África e na Índia apresentaram produção na faixa de 1,9.10-7 m3/s/m2 a 3,7.10-7 m3/s/m2, com eficiência de 50% do aproveitamento da energia solar disponível.
2.3.1.3Destilação de Múltiplo Efeito (MED)
Destilação de múltiplos efeitos (MED), como o processo MSF, acontece em uma série de recipientes (efeitos) e utiliza o princípio de redução de pressão interna nos vários efeitos. Isto permite à água marinha se submeter à ebulição múltipla sem suprimento de calor adicional após o primeiro efeito. Em uma planta MED, a água marinha entra no primeiro efeito e a sua temperatura é elevada até o ponto de ebulição após ser pré-aquecida nos tubos. A água marinha é então vaporizada sobre as superfícies dos tubos evaporadores numa película fina para promover ebulição e evaporação rápida. Os tubos são aquecidos pelo vapor através de um aquecedor, ou de outra fonte, que é condensado durante o processo de transferência de calor. O condensado do vapor é reciclado para reutilização.
Apenas uma porção de água marinha aplicada aos tubos do primeiro efeito é evaporada. A água remanescente é levada para o segundo efeito, onde é novamente aplicada a uma série de tubos. Estes tubos são por sua vez aquecidos pelos vapores criados no primeiro efeito. Este vapor é condensado formando o produto água doce, enquanto libera calor para evaporar uma porção de água marinha remanescente no próximo efeito. Isto continua pelos vários efeitos. Nas grandes plantas, tipicamente são encontradas de 8 a 16 efeitos.
Algumas das plantas mais recentes foram construídas para operar com uma temperatura de topo (no primeiro efeito) de cerca de 70 oC. Isto reduz o potencial para formação de crostas causadas pela água marinha no interior da instalação, mas por sua vez aumenta a necessidade da área de transferência de calor adicional na forma de tubos. À maioria das instalações mais recentes das plantas MED estão localizadas em algumas áreas caribenhas. Embora o número de plantas MED ainda seja relativamente pequeno em comparação aos de plantas MSF, este número tem aumentado.
2.3.1.4 Destilação por Compressão de Vapor
A destilação por compressão de vapor é geralmente utilizada para unidades de dessalinização de água marinha em larga e média escala. O calor para evaporação da água vem da compressão do vapor muito mais do que da troca direta de calor a partir do vapor produzido em um aquecedor.
As plantas que utilizam este processo são geralmente desenhadas para tirar vantagem do princípio de redução da temperatura do ponto de ebulição através da redução de pressão. Dois métodos primários são utilizados tanto para condensar vapor quanto para produzir calor suficiente para evaporar a água do mar que chega: um compressor mecânico ou um jato de vapor. O compressor mecânico é comumente operado eletricamente, permitindo o uso exclusivo de energia elétrica para produzir água através da destilação.
As unidades de VC têm sido construídas em várias configurações para promover a troca de calor para evaporar a água marinha. O compressor cria um vácuo no recipiente e então comprime o vapor retirado do recipiente e condensa-o dentro de um grupo de tubos no mesmo recipiente. A água marinha é espalhada nas superfícies dos tubos aquecidos onde ferve e evapora parcialmente, produzindo mais água.
Figura 2.5: Destilação pelo Processo de compressão de Vapor – LORCH (1987)
Tem-se na figura 2.5 um esquema simplificado do processo. A água a tratar é pré-aquecida a uma temperatura de 60 a 100oC pela troca de calor com a condensação do destilado e com o rejeito salino. Para dar a partida e garantir as condições de operação normal, um pré-aquecedor é alimentado externamente. O processo pode ser único ou com vários efeitos. O vapor produzido no efeito é comprimido, mecanicamente ou por termo-compressão antes de entrar no condensador e realizar a troca de calor no evaporador. O destilado e o rejeito salino são descarregados através de um trocador de calor.
2.3.1.5 Congelamento
Foi realizado um amplo trabalho nos anos 50 e 60 para desenvolver a dessalinização por congelamento. Durante o processo de congelamento, os sais dissolvidos são excluídos naturalmente durante a formação de cristais de gelo. A água marinha pode ser dessalinizada através do resfriamento para formar cristais em condições controladas. Antes de toda a massa de água ter sido congelada, a mistura é normalmente lavada e enxaguada para remover os sais da água remanescente ou aderidos aos cristais de gelo. O gelo é então derretido para produzir água doce.
desenvolvido. Estas vantagens incluem uma requisição de energia teoricamente mais baixa, potencial mínimo para corrosão e pouca incrustação ou precipitação. A desvantagem é que esta envolve o manuseio de misturas de gelo e água que são mecanicamente complexas tanto no transporte, como no processamento.
Os processos de dessalinização por congelamento são baseados nos princípios e equipamentos da tecnologia de refrigeração, e podem se diretos ou indiretos.
No congelamento direto, a água funciona como seu próprio refrigerante, usando
vapor d‟água, e no indireto é usado é usado um líquido mais volátil, como por exemplo o
n-butano, que é insolúvel na água, dispensando a instalação de dois sistemas de circulação separados por superfícies de troca de calor.
2.3.1.5.1 Congelamento Direto
No congelamento direto, água a tratar é pré-resfriada por troca de calor e entra
numa torre de congelamento ou “freezer”, conforme mostra a figura 2.6, onde a pressão é
mantida a aproximadamente 4,052.102 N/m2, Sob tal pressão, a água salina entra em ebulição e libera vapor. Este calor de evaporação é removido da água resfriada é dá início à formação dos cristais de gelo. O líquido residual é o resíduo salino concentrado, que através de trocadores de calor, volta à temperatura ambiente e é afastado do processo, com
exceção de uma parcela que retorna ao “freezer”, para controle da fluidez do rejeito.
Os cristais de gelo são raspados na direção do derretedor, que para impedir a entrada de ar e facilitar a entrada dos cristais, mantém a mesma pressão do “freezer”. No recipiente de derretimento, o gelo é distribuído e entra em contato com o vapor d‟água do “freezer” que é condensado, derretendo o gelo. A água produzida está à temperatura
próxima do ponto de congelamento, o que é aproveitado, bombeando-a para armazenamento, através de trocadores de calor que vão resfriar a água de alimentação que está entrando no processo.
Para manter o equilíbrio térmico do sistema, é preciso compensar as entradas de calor, derivadas das seguintes fontes: energia aplicada ao compressor principal, trabalho de bombeamento e penetração de calor da atmosfera. Para isolar o sistema dessas entradas de calor, em geral e usado m sistema convencional de refrigeração, que remove calor da água de alimentação.
2.3.1.5.2 Congelamento Indireto
No sistema de congelamento, mostrado na figura 2.7, o n-butano é misturado com a água do mar pré-resfriada. Ocorre então a troca de calor, congelando a água e esquentando o hidrocarboneto. Devido à baixa pressão no sistema, o n-butano evapora.
A solução salina adsorvida nos cristais de gelo é removida através de lavagem com água doce. Os cristais de gelo são levados a um recipiente para o derretimento e obtenção do produto água.
Pouca energia é envolvida nesse processo, no qual são formados gelos de relativamente grandes dimensões, diminuindo os custos de lavagem. Se a taxa de formação de cristais for alta, e a retirada de vapores não esta envolvida, o equipamento requer volume relativamente pequeno. A desvantagem de processo indireto é a dispendiosa separação e lavagem do gelo.
2.3.2 Processos Através de Membrana
Na natureza, as membranas desempenham um importante papel na separação dos sais. Isto inclui tanto os processos de diálise quanto de osmose que ocorrem no corpo. As membranas são utilizadas em dois processos comercialmente importantes de dessalinização: Eletrodiálise (ED) e Osmose Reversa (RO). Cada processo utiliza a capacidade das membranas de diferenciar e separar seletivamente sais e água. Entretanto, as membranas são utilizadas diferentemente em cada um destes processos.
A eletrodiálise utiliza um potencial elétrico para deslocar seletivamente os sais através de uma membrana, deixando para trás água doce, como produto.
No processo RO, a pressão é utilizada para a separação permitindo-se que a água doce se mova através de uma membrana, deixando para trás os sais.
Estes dois conceitos têm sido explorados pelos cientistas desde a virada do século passado, mas sua comercialização para dessalinização da água tem ocorrido apenas nos últimos trinta anos.
2.3.2.1Osmose Reversa
fortemente concentrado e sob pressão, obviamente superior à pressão osmótica e cujo valor depende da diferença entre as concentrações.
Na prática, a água salina é bombeada para um recipiente fechado onde é pressurizada contra a membrana. Como uma parte da água passa através da membrana, a água remanescente aumenta a concentração de sal. Ao mesmo tempo, uma parte desta água é escoada sem passar através da membrana.
A Figura 2.8 mostra uma comparação entre osmose e osmose reversa.
Figura 2.8: Comparação entre Osmose e Osmose Reversa – KEMMER (1988).
Sem este escoamento controlado, a água pressurizada continuaria a aumentar a concentração de sal, criando problemas como precipitação de sais supersaturados e aumento da pressão osmótica através das membranas. A quantidade de água escoada para ser consumida neste fluxo de salmoura varia de 20 a 70% do fluxo de alimentação, dependendo da quantidade de sal da água do abastecimento.
A bomba de alta pressão fornece a pressão necessária para permitir à água passar pela membrana e ter os sais rejeitados. Esta pressão varia de 1,7.106 a 2,7.106 N/m2 para a água salobra e de 5,4.106 a 8,0.106 N/m2 para a água salgada.
A membrana e seu conjunto consistem de um recipiente de pressão e uma membrana que permite que a água seja pressurizada contra a membrana. A membrana deve ser capaz de suportar a queda de toda a pressão através dela. As membranas semipermeáveis são frágeis e variam em sua capacidade de passar água doce e rejeitar a passagem de sais. Nenhuma membrana é perfeita na sua capacidade de rejeição de sais, de forma que uma pequena quantidade de sais passa através da membrana e aparece na água produto.
As membranas de RO são de configurações variadas. Duas destas membranas mais bem sucedidas comercialmente são em forma de espiral e a de fibra fina porosa. Estas configurações são utilizadas para dessalinizar tanto água salobra quanto marinha, embora a construção da membrana e o recipiente de pressão irão variar dependendo do fabricante e do conteúdo de sal da água.
O pós-tratamento consiste na estabilização da água e preparação desta para distribuição. Este pós-tratamento deverá consistir da remoção de gases tais como sulfeto de hidrogênio e ajuste de pH.
Dois aperfeiçoamentos têm ajudado a reduzir o custo operacional das plantas RO durante a ultima década: O desenvolvimento de membranas que possam operar eficazmente com pressões mais baixas e a utilização de instrumentos para recuperação de energia. As membranas de baixa pressão são amplamente utilizadas para dessalinizar água ligeiramente salgada (salobra). Os instrumentos de recuperação de energia são conectados ao fluxo de concentrado à medida que este deixa o recipiente de pressão. A água na corrente de concentrado perde apenas 1,0.106 a 4,0.106 N/m2 em relação à pressão aplicada pela bomba de alta pressão. Estes instrumentos de recuperação de energia são mecânicos e geralmente consistem de turbinas ou bombas de algum tipo que possam converter a queda de pressão em energia rotativa.
Os principais problemas que envolvem o equipamento de osmose reversa em geral e a membrana em particular são provocados por resíduos. Portanto, ao projetar o pré-tratamento é necessário considerar o seguinte:
precipitação de óxidos metálicos entupimento no equipamento resíduos coloidais
crescimento biológico dentro do equipamento.
O projeto simplificado de um sistema de osmose reversa para a dessalinização de água consiste basicamente de uma bomba para trazer a água a tratar na pressão de operação requerida, uma membrana num recipiente sob pressão e uma válvula para controle da descarga do rejeito salino. Entretanto, para que o tratamento seja interessante devem ser consideradas algumas exigências tais como:
Resistência da membrana a pressões da ordem de 14,18.105 a 83,08.105 N/m2 , dependendo da concentração dos sólidos dissolvidos totais da água a tratar Alta produtividade por unidade de volume
Manutenção fácil da limpeza do equipamento
Evitar a passagem secundária da água de alimentação para o produto.
2.3.2.2Eletrodiálise
A eletrodiálise foi comercialmente introduzida nos anos 60, cerca de 10 anos antes da Osmose Reversa. O desenvolvimento da eletrodiálise forneceu uma forma eficaz no que se refere a custo para dessalinizar a água salobra e incitou um interesse considerável nesta área.
A eletrodiálise depende dos seguintes princípios gerais:
A maioria dos sais dissolvidos na água são iônicos, estando carregados positivamente (catiônico) ou negativamente (aniônico).
Estes íons são atraídos para eletrodos com carga elétrica oposta.
As membranas podem ser construídas para permitir a passagem seletiva tanto de ânions como de cátions.
uma bateria e um contêiner de água salgada, a corrente elétrica é transportada através da solução, com os íons tendendo a migrar para o eletrodo de carga oposta.
Para estes fenômenos dessalinizarem a água, as membranas deverão permitir a passagem de cátions ou ânions (mas não de ambas), sendo colocadas entre um par de eletrodos. Estas membranas são arrumadas alternadamente com uma membrana seletiva de ânions seguida de uma membrana seletiva de cátions. Uma chapa espaçadora que permite à água fluir pela face da membrana é colocada entre cada par de membranas.
Um espaçador estabelece um canal que transporta água como produto, enquanto o próximo carrega água salobra. Como os eletrodos estão carregados e a água salina flui ao longo do espaçador em ângulos retos para os eletrodos, os ânions na água são atraídos e desviados na direção dos eletrodos positivos. Isto dilui o conteúdo de sal da água no canal. Os ânions passam através da membrana seletiva de ânions, mas não podem passar além da membrana seletiva de cátions, que bloqueia seu trajeto e prende o ânion na água salgada. De forma semelhante, os cátions sob a influencia do eletrodo negativo movem-se na direção oposta através da membrana seletiva de cátion para o canal de concentrado no outro lado. Aqui os cátions são aprisionados porque a próxima membrana é seletiva de ânions e evita mais movimento na direção do eletrodo.
Através desta combinação, as soluções concentradas e diluídas são criadas nos espaços entre as membranas alternantes. Estes espaços, ligados pelas duas membranas (uma aniônico e outra catiônica) são chamados células. O par de células consiste de duas células, uma na qual os íons migram (a célula diluída com a água produto) e outra na qual os íons se concentram (a célula concentrada com o fluxo de salmoura).
A unidade básica de eletrodiálise consiste de vários pares (centenas) de células juntas a eletrodos na parte externa e é referida como um perfilado de membranas. A água passa simultaneamente em caminhos paralelos através de todas as células para proporcionar um fluxo contínuo de água dessalinizada e água salgada para emergir no perfilado. Dependendo do desenho do sistema, produtos químicos podem ser adicionados aos fluxos no perfilado, para reduzir o potencial de formação crostas.
medida que esta passa através de passagens estreitas. Geralmente, é usado um retificador para transformar corrente alternada em corrente contínua nos eletrodos do lado externo dos perfilados de membranas.
O pós-tratamento consiste na estabilização da água e na preparação desta para a distribuição. Este pós-tratamento deverá consistir da remoção de gases tais como sulfeto de hidrogênio e ajuste de pH.
A medida da eficiência do processo é quanto da energia aplicada é usada no transporte dos íons, em oposição à dissipação como calor no retorno da resistividade elétrica interna do sistema, ou seu desperdício em outra forma de expressão eletroquímica. Uma das exigências no desempenho das membranas, é que passem facilmente os íons para minimizar a resistência interna. A segunda é que possuam baixa transferência de água, para assegurar tão alta produção de água dessalinizada quanto possível.
Como qualquer processo, a eletrodiálise também apresenta alguns problemas: impedimentos à passagem de corrente elétrica entre o arranjo das membranas, com as interfaces solução/membrana apresentando resistências, imperfeição das membranas na seletividade dos íons, desperdício de energia provocado pelo aquecimento das próprias membranas e da solução ionizada, e polarização das concentrações de sal. Portanto, os níveis teóricos de energia necessária para a prática da eletrodiálise ficam maiores.
A eficiência total do processo depende da eficiência na utilização da corrente elétrica, das necessidades de voltagem e da polarização da solução. O nível de eficiência de corrente vai depender da quebra da molécula da água com a ionização, formando hidrogênio (H+) e hidroxila (OH-), e conseqüentemente desvio de corrente: menor seletividade das membranas é função da grande transferência de água e surgimento de corrente alternativa paralela através das pilhas, e uma tendência à formação de incrustações de carbonato e sulfato de cálcio, junto às membranas.
A polarização, além de conseqüências técnicas, apresenta conseqüências econômicas. O uso de bombas de circulação, caracterizadas por altas taxas de escoamento, minimiza a formação de camadas nas divisas e aumentam os espaços dos compartimentos. Os custos de energia de circulação serão adicionados, mas, a redução da polarização vai diminuir a energia total necessária à pilha.
resulta em reações químicas, que devem se acomodadas no projeto da pilha. Para tanto, recomenda-se isolamento hidráulico dos compartimentos dos eletrodos. Reações no catodo provocam aumento da alcalinidade devido à formação de hidroxilas, e neste caso deve-se ajustar o pH. E se houver tendência à concentração de íons cloro (reações no anodo), pode-se usar agentes redutores, tais como bissulfito de sódio.
Do ponto de vista do produto água, é importante considerar:
A alimentação do processo deve ser água livre de ferro, manganês, turbidez, e matéria orgânica para a ótima operação.
Dados sobre a vida útil das membranas e eletrodos são importantes na determinação de custo.
Em geral, 10 a 30% da alimentação são necessários para afastar os sais concentrados e os minerais removidos. Pequenas unidades compactas de eletrodiálise produzem de 0,5 m3 a 1,0 m3 de água por dia, consumindo menos que 60 watts. Em geral são empregados para uso doméstico e pequenas fazendas onde energia elétrica é disponível.
CAPÍTULO III
BALANÇO TERMICO EM UM DESSALINIZADOR MED DE
PEQUENO PORTE TIPO HTTF
3.1 INTRODUÇÃO
A configuração típica utilizada nos desenhos de plantas MED mais atuais é a do tipo HTTF com uma disposição na qual a água salgada é distribuída como um delgado filme sobre a face externa dos tubos horizontais com o vapor que se condensa fluindo para a face interna dos tubos. Podem ser alcançados altos coeficientes de transferência de calor devido ao fato de que a água salgada está fervendo fora dos tubos e o vapor está se condensando dentro. Com o vapor que aquece entrando na série de tubos por um lado e o destilado sendo descarregado pelo outro, temos gases não condensáveis direcionados positivamente e unidirecionalmente, fora da zona de transferência de calor. O desprendimento do vapor da água em ebulição é muito suave, de forma que o transporte de gotículas é minimizado visto que a evaporação ocorre por sobre toda a superfície de transferência de calor.
As plantas MED de disposição HTTF podem ser configuradas de várias formas. O arranjo normal é ter o suprimento pré-aquecido em vários pré-aquecedores até atingir uma temperatura logo abaixo daquela do primeiro efeito numa configuração de alimentação para frente com um fluxo e água salgada (concentrado) único em cada efeito. A água salgada do segundo efeito se torna o abastecimento do terceiro efeito e assim por diante. Neste arranjo a concentração da água salgada aumenta enquanto que a temperatura diminui à medida o concentrado avança do efeito de topo para os que os se sucedem, conseqüentemente a concentração mais alta ocorrerá à temperatura mais baixa. Este é obviamente o melhor arranjo do ponto de vista de formação de crostas.
3.2 ASPECTO DO DESENHO DO EVAPORADOR
O evaporador MED considerado nesse estudo é de configuração HTTF, devido a sua configuração e arranjo este modelo é chamado de MES (Multi-efect stack), EL-NASHAR (1985), consta de 18 efeitos, 17 pré-aquecedores e um condensador, no qual os diferentes efeitos são dispostos em duas colunas com o efeito de topo (1º efeito) sendo comum às duas colunas. Uma coluna contém os efeitos de números impares (1,3,5,...N-1) e na outra coluna os efeitos de números pares (2,4,6,...N). Existem passagens com interconexão entre os as duas colunas para permitir que o vapor gerado em m efeito passe para o próximo efeito na outra coluna. A água de abastecimento pré-aquecida é espalhada no feixe de tubos do primeiro efeito e a água salada (concentrado) deste efeito é dividida igualmente entre as duas colunas (2 grupos) e flui pela ação da gravidade cascateando para baixo de um efeito para o efeito seguinte. Dessa forma cada grupo carregará metade da água salgada concentrada descarregada a partir do primeiro efeito. A água salgada concentrada quando alcança o efeito mais baixo (de base) é descarregada no mar.
Figura 3.1: Diagrama esquemático do dessalinizador MED
E1 ÁGUA
AQUECIDA
P1
P2 E2
E3
Ei
Pi
Ei-1
E18
E17 P17
C ÁGUA
MARINHA DESCARTE DO
CONCENTRADO mf
17
md(i-1) i=1
mv(1) Taq(1)
Taq(2)
mc(1)/2
Tam(2)
Tam(1) Tp(1)
mc(1)/2
mv(i)
Tp(i+1)
md(i)
Md
mv(2)
mv(3)
PRODUTO mC(2)
O vapor é gerado em cada efeito através de fervura e evaporação instantânea exceto no primeiro efeito no qual o vapor é gerado principalmente através da fervura. O vapor gerado em um efeito passa através dos separadores para dentro dos tubos no efeito seguinte onde este se condensa para formar parte do vapor gerado naquele efeito. O condensado de um efeito junta-se ao condensado do efeito seguinte através de tubos de conexões. O vapor gerado no ultimo efeito é condensado em um condensador. O destilado que sai do condensador junta-se ao destilado acumulado de todos os efeitos, como mostra a figura 4.1.
O nosso desenho baseia-se em uma planta MED de dessalinização solar em funcionamento em Abu Dhabi (EUA), El-Nashar (1985). Onde, a áreas de superfícies de cada um dos diferentes feixes de tubos são:
Evaporador do 1º efeito, 24 m2.
Evaporadores do 3º ao 13º efeitos, 61m2.
Evaporadores do 2º e do 14º ao 18º efeitos, 63m2. Condensador, 35m2.
Pré-aquecedores, 19m2.
A capacidade nominal da planta é de 1,389 m3/s e a quantidade de calor consumido TCC é 183,35.103 J/kg de destilado.
3.3 ANÁLISE TÉRMICA DA INSTALAÇÃO
O modelo simples a ser desenvolvido neste estudo baseia-se nas seguintes afirmações:
O processo ocorre em regime permanente.
Nenhuma perda de calor para a atmosfera de qualquer parte da planta. Não á mistura da água salgada concentrada com o vapor.
O condensado que deixa cada efeito está m estado líquido saturado. A queda de pressão através dos separadores é desprezível.
A diferença de temperatura do vapor entre os sucessivos é assumida constante. A diferença de temperatura da água de alimentação que passa através de cada pré-aquecedor é assumida constante.
A diferença entre a temperatura de saída da água aquecida e a temperatura da água de alimentação que deixa o pré-aquecedor é constante e igual a 1,1°C em conformidade com dados experimentais.
A diferença entre a temperatura de saída da água aquecida e a temperatura da água salgada concentrada no aquecedor é assumida como constante e igual a 1,2°C em conformidade com dados experimentais.
O evaporador em estudo pode ser concebido como consistindo de quatro partes estruturais: o bloco aquecedor (primeiro efeito), o bloco evaporador (consistindo dos efeitos N-1) e o bloco pré-aquecedor (consistindo dos efeitos N-1) e o bloco condensador, sendo N = 18.
3.3.1 Aquecedor
Um balanço de massa, sal e de energia em torno do aquecedor (Figura 4.2) pode ser escrito como segue:
Figura 3.2: Diagrama de Fluxo do Aquecedor (1o Efeito)
E1 ÁGUA
AQUECIDA
maq Taq(1)
Taq(2)
CONCENTRADO DE ÁGUA SALGADA
mc(1) Tc(1)
1 m ) 1 ( m
mf c v ( 3.1 )
1 m m S S c f f
c ( 3.2 )
1 T C m 1 T 1 C 1 m 1 h 1 m 2 T 1 T C
maq paq a a v v c pc c f pf p ( 3.3 )
A equação da transferência de calor para o aquecedor pode ser escrita como:
1 T 2 T 1 T 1 T ln 2 T 1 T U A 2 T 1 T C m Q c aq c aq aq aq aq aq aq aq paq aq
aq ( 3. 4)
Onde o coeficiente global de transferência de calor Uaq é dado pela seguinte correlação baseado em testes experimentais, EL-NASHAR (1990):
1,3516 v 0,28935 v aq aq 0,476136 f 0,3039 aq
aq T 1 T 1
2 2 T 1 T m m 3 4,186
U ( 3.5 )
Onde Uaq está em unidade J/m2.s.°C e as taxas de fluxo maq e mf são expressas em m3/h.
3.3.2 Evaporadores
Figura 3.3: Diagrama de Fluxo do Evaporador (Efeitos 2 e 3) i m i m 2 1 m v b
c ( 3.6 )
i 2m 1 m i S i S c c c
c ( 3.7 )
1 T 1 C 2 1 m i T i C i m i h i m 1 i Q 1 i L 1 i m c pc c c pc c v v p v
( 3.8 )
Para os efeitos seguintes (i=4 até N), Fig. 4.4, as equações da conservação de massa e energia são:
VAPOR mv(i)
mc(i) Tc(i)
VAPOR mV(i-1) CONCENTRADO DE
ÁGUA SALGADA
mc(i)/2 Tc(i)
CONDENSADO md(i)
Figura 3.4: Diagrama de Fluxo do Evaporador (Efeitos 4 a N) i m i m 1 i
mc c v ( 3.9 )
i m 2 i m 2 i S i S c c c
c ( 3.10 )
1 i T 1 i C 1 i m i T i C i m i h i m 1 i Q 1 i L 1 i m c pc c c pc c v v p v
( 3.11 )
Onde QP(i-1) é o calor transferido a água de alimentada no pré-aquecedor (i-1). A equação da transferência de calor para um efeito típico Ei pode ser dada como:
EPE 1 i T i T i A i U 1 i Q 1 i L 1 i m i
Qev v p ev ev v v ( 3.12 )
Onde o coeficiente global de transferência de calor Uev(i) pode ser expresso como:
i h 1 i h 1 1 i U evt evs
ev ( 3.13 )
VAPOR mv(i)
mc(i) Tc(i)
VAPOR mV(i-1) CONCENTRADO DE
ÁGUA SALGADA
mc(i-1) Tc(i-1)
Onde hevs(i) e hevt(i) são os coeficientes de película do lado externo e lado interno do tubo, respectivamente. As correlações que expressam estes coeficientes em termos de taxa de fluxo e temperatura são obtidas de ELNASHAR (1990) e são dados abaixo:
1,063 v
v 0,48 v 0,386 c
evsi 422,2 m i T i T i 1 T i
h ( 3.14 )
1,415 v v
evti 3026,7 T i 1 T i
h ( 3.15 )
Estes coeficientes são expressos em J/s.m2.°C, a taxa de fluxo em m3/h e a temperatura em °C.
3.3.3 Pré-aquecedores
A equação da conservação da energia para um pré-aquecedor típico (Figura 4.5), Pi é dada abaixo:
Figura 3.5: Diagrama de fluxo do Pré-Aquecedor
1 i T i T i C m i
Qp f pf p p ( 3.16 ) SAÍDA DE
VAPOR
mf(i+1) Tp(i+1) mv(i) ENTRADA
DE VAPOR mv(i)
Esta equação é aplicável no intervalo i = 1 a N-1. Para o ultimo pré-aquecedor, a equação da energia toma a seguinte forma:
2 T 1 N T 1 N C m 1 N
Qp f pf p am ( 3.17 )
A equação da transferência de calor par um pré-aquecedor típico pode ser escrita como: 1 i T i T i C m i T i T 1 i T i T ln i T i T 1 i T i T A i U i Q p p pf f p v p v p v p v p p p
( 3.18 )
O coeficiente global de transferência de calor para um pré-aquecedor típico é também escrito em termos dos coeficientes de películas externa e externa do tubo como:
i h 1 i h 1 1 i U pt ps
p ( 3.19 )
As correlações para os dois coeficientes para os pré-aquecedores são obtidas de Duckler et al. (1969):
0,85 p
v
ps i 2253,5 T i 1 T i 1
h ( 3.20 )
0,8 f p p
pt i 244,4 1,35 0,01T i 1 T i m
h ( 3.21 )
3.3.4 Condensador
A equação da conservação de massa no condensador (Figura 4.6) é como segue:
Figura 3.6: Diagrama de Fluxo do Condensador
) N ( m ) N (
md v ( 3.22 )
Aplicando a lei da conservação da energia em torno do condensador, obtemos:
l d v v am am pam
am C T 2 T 1 m N h N m (N) h
m ( 3.23 )
A equação da transferência de calor para o condensador é:
2 T N T 1 T N T ln 2 T N T 1 T N T A U Q am v am v am v am v cond cond
cond ( 3.24 )
O coeficiente global de transferência de calor para o condensador é dado como segue: cont cons cond h 1 h 1 1
U ( 3.25 ) ÁGUA
MARINHA mv(18)
mam, Tam(1) md(18)
As correlações para os coeficientes de películas para o lados externo e interno do tubo do condensador são dadas como em EL-NASHAR (1990):
0,462 am am v conds 2 2 T 1 T N T 4,649
h ( 3.26 )
0,8 f am
am
condt 228,5 T 1 T 2 m
h ( 3.27 )
Novamente, as unidades para estas correlações são as mesmas como as anteriores.
3.3.5 Balanço global
Em adição as equações de conservação e de transferência de calor apresentadas em cada um dos blocos, três equações de conservação adicionais para água, sal e energia podem ser obtidas pela aplicação dos princípios do balanço de calor e massa para a planta como um todo. As equações resultantes são dadas abaixo:
N m 1 N m M
mf d c c ( 3.28 )
N S N m 1 N S 1 N m S
mf am c c c c ( 3.29 )
1 T C m h M N T N C N m 1 N T 1 N C 1 N m 2 T C m -m 2 T 1 T C m am pam am l d c pc c c pc am pam f am aq aq paq aq
( 3.30 )
3.4 PROPRIEDADES FÍSICAS
3.4.1 Calor específico
As correlações usadas na determinação do calor específico foi extraída de FIORINI et al (2001):
6 3 2
p A T CT DT 10
C ( 3.31 )
Onde: 2 2S 10 1,2288 S 6,6197 4206,8
A ( 3.31a )
2 4 2S 2,2719 10 S
10 5,4178 1,1262
B ( 3.31b)
2 6 4
2 5,3566 10 S 1,8906 10 S
10 1,026
C ( 3.31c)
2 9 6
7 1,517 10 S 4,42 10 S
10 6,87774
D ( 3.31d )
Onde Cp é expresso em J/kg.°C.
3.4.2 Calor latente de vaporização
O calor latente de vaporização é determinado como em EL-NASHAR; QAMHIYEH (1995): 4186 T 10 0,2859 T 10 0,7828 T 0,565 597,6
L 4 2 5 2
3.4.3 Elevação do ponto de ebulição (EPE)
As correções usadas na determinação da EPE foi extraída de EL-NASHAR; QAMHIYEH (1995):
2 4 2 T 0,1647 10 T
10 0,8189 0,9576 S 8,77 0,05
EPE ( 3.33 )
3.5 MÉTODO COMPUTACIONAL
Os códigos computacionais foram desenvolvidos utilizando a linguagem de programação FORTRAN 90 e usando-se o Power Station 4.0 sendo executado em ambiente Windows. A plataforma computacional foi um Microcomputador K¨6 II de 450 MHz com 160 MB de memória RAM.
Um valor aproximado para a diferença de temperatura entre a água do mar na saída do condensador, e a água do mar na entrada do condensador é assumido e ajustes da temperatura de saída aquecida taq( 2 ) e da temperatura da água do mar na saída do condensador tam( 2 ) são feitos.
As condições iniciais nos leva as seguintes equações:
1,2 2 T N
Tv am ( 3.34 )
1,1 2 T 1
Tp aq ( 3.35 )
2 , 1 2 T 1
Tc aq ( 3.36 )
v v
v i T i 1 T
T ( 3.37 )
1 N N T 1 T
T v v
p p
p i T i 1 T
T Δ ( 3.39 )
1 N 2 T 1 T
Tp p am ( 3.40 )
Os parâmetros de entrada de dados são a taxa de fluxo da água aquecida maa, temperatura da água aquecida taq, taxa de fluxo de água marinha mam taxa de fluxo da água de abastecimento do sistema mf e temperatura da água do mar na entrada do condensador tam( 1 ). Os resultado de saída são a produção de destilado Md, a taxa de consumo de calor específico CCE, a distribuição de temperatura da água salgada concentrada, massa tac( i ), massa de água salgada em cada efeito mc( i ), massa de vapor em cada efeito mv( i ) e a concentração salina em cada efeito S( i ).
A taxa de consumo de calar específico é determinada através da expressão:
d
M
aq
Q
CCE ( 3.41 )
3.5.1 Outras propriedades
No desenvolvimento do método computacional, outras propriedades da água e do vapor saturado também foram consideradas. Estas propriedades são determinadas como segue:
3.5.1.1 Densidade
A densidade é determinada como em FOFONOFF; MILLARD Jr. (1983):
2 0 3/2 2 2 1 0 4 4 3 2 2 1 0 ap
am ρ b b T b T b t S c c T c t S d S
