Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10348/6959
Title: Estudo da hidrodinâmica em canais de alimentação de uma membrana semipermeável de dessalinização
Authors: Silva, João Manuel Costa
Advisor: Rouboa, Abel Ilah
Soares, Armando da Assunção
Keywords: Dessalinização
Membrana
Espaçadores em ziguezague
Escoamento estacionário
Escoamento não estacionário
Issue Date: 30-Nov-2016
Abstract: A escassez de água para consumo humano é um problema cada vez mais atual. Deste modo, existe uma necessidade de aprimorar as técnicas para a obtenção de água potável. A dessalinização, que consiste na remoção de sais dissolvidos na água do mar ou água salobra, é considerada uma técnica viável para este processo. Dentro dos processos de dessalinização destacam-se os métodos de separação por membrana, onde a osmose inversa é o processo de separação por membrana mais utilizado. O principal desafio que, atualmente, esta indústria enfrenta é a produção de água potável com elevada qualidade gastando a menor energia possível no processo, diminuindo o fenómeno de polarização por concentração. Este fenómeno é o principal problema inerente aos processos de separação por membrana, pois promove a acumulação de resíduos na parede da membrana e consequentemente reduz o fluxo permeado. Nesta dissertação, usaram-se técnicas de Dinâmica dos Fluidos Computacional (DFC), para estudar a hidrodinâmica em canais de alimentação de uma membrana semipermeável de dessalinização com espaçadores dispostos em ziguezague e transversais ao escoamento. As soluções numéricas foram obtidas através do FLUENT, para escoamentos laminares em canais preenchidos com quatro tipos diferentes de filamentos, para quatro comprimentos de células distintos. Foi investigada a hidrodinâmica para dois regimes de escoamento distintos; regime estacionário e regime não estacionário. Em regime estacionário estudou-se de que forma a existência da permeabilidade afeta a hidrodinâmica no interior das células que constituem os canais de alimentação. Os resultados para este regime mostram a distribuição das velocidades, as isolinhas da função corrente, a queda de pressão e as tensões de corte na parede impermeável da membrana, para diferentes números de Reynolds (10 ≤ Re ≤200). Para o escoamento em regime não estacionário, foi utilizada uma função sinusoidal e uma função com a forma característica de um batimento cardíaco, de modo a estudar a influência da variação temporal da velocidade de entrada na célula no comportamento da hidrodinâmica. Os resultados apresentados, para este regime de escoamento, mostram a distribuição da velocidades, a velocidade média no interior do canal, as isolinhas da função corrente, a queda de pressão e as tensões de corte na parede impermeável da membrana, para números de Reynolds a oscilar entre 50 e 150. A diminuição da distância entre os filamentos conduz ao aparecimento de zonas de recirculação mais ativas, que poderão promover a transferência de massa e a diminuição da camada de concentrações. Em contrapartida esta diminuição aumenta a queda de pressão, e consequentemente, a energia gasta no processo, além de diminuir a área útil da membrana. A utilização da função característica do batimento cardíaco demonstra ter resultados promissores, no que diz respeito ao gasto de energia no processo e na otimização das zonas de recirculação, em comparação com a função sinusoidal.
The scarcity of water for human consumption is a growing problem. Thus, there´s a need to improve the techniques for obtaining potable water. Desalinization, which consists in removing salts dissolved on the sea water or brackish water, is considered a viable technique for this process. Desalinization processes include the membrane separation, where the reverse osmosis is the most widely used separation process. The main challenge which this industry faces, is the production of high quality water, spending a lesser energy in the process, decreasing the concentration polarization phenomena. This phenomena is the main problem inherent in the membrane separation processes, it promotes the accumulation of solute on the wall of the membrane and consequently reduces the permeate flux. In this study is used Computational Fluid Dynamics techniques to investigate the hydrodynamics of feed channels of a desalinization membrane filled with spacers in zigzag arrangements and transverse to the flow. Numerical solutions were obtained with FLUENT, for laminar flows in channels filled with four different spacers, for four length of cells. Hydrodynamics was investigated for two different states; steady-state and unsteady-state. In steady-state was studied how the existence of permeability affects the hydrodynamic inside the feed channels The results show the velocity profile, the distribution of velocity, the streamlines, the pressure drop and the shear stresses on the impermeable wall of the membrane for different Reynolds numbers (10 ≤ Re ≤200) .For unsteady flow a sine function and a characteristic function of a heartbeat was used, in order to study the influence of temporal variation in the feed velocity in the hydrodynamic behavior. The results show the distribution of velocity, the average velocity within the channel, the streamlines, the pressure drop and the shear stresses on the impermeable wall of the membrane, to the Reynolds number range between 50 and 150. The reduction in the distance between the filaments of the spacers, leads to the appearance of more active recirculation zones that can promote mass transfer and decreasing concentrations layers. On the other hand, this reduction increases the pressure drop and consequently the energy expended in the process, and reduce the useful area of the membrane. The use of the characteristic function of the heartbeat demonstrates promising results, regarding to the energy spent in the process and optimization of the recirculation zones, in comparison to the sine function.
Description: Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica
URI: http://hdl.handle.net/10348/6959
Document Type: Master Thesis
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