Simulação fluidodinâmica computacional de processos de separação por membranas

Abstract

Nos últimos anos, os processos de separação por membranas têm recebido atenção especial frente a outras alternativas de operações unitárias de separação. Isto se deve às várias características únicas típicas destes processos, o que os torna muito competitivos economicamente quando comparados com processos de separação já bem estabelecidos. A alta seletividade, flexibilidade de operação, maior facilidade para a separação de compostos termolábeis, dentre outras vantagens, trazem como conseqüência o uso das membranas como alternativas promissoras em vários ramos da Engenharia Química, e até mesmo em diversas áreas do conhecimento, tais como Medicina, Farmácia, Biotecnologia, Indústria Aeroespacial, dentre muitas outras.Aliada a estas características, as técnicas de simulação fluidodinâmica têm também crescido, principalmente devido ao aumento na capacidade de processamento dos computadores modernos. Por causa da ainda recente impossibilidade de obter-se uma solução analítica completa para a grande maioria dos escoamentos, as técnicas numéricas, quando combinadas com o pré-processamento (definição do problema físico e condições de contorno), processamento (solução das equações governantes) e pós-processamento (visualização e análise dos resultados), permitem a solução dos mais diversos tipos de problemas. No caso dos processos de separação envolvendo membranas, o grande interesse está focado no comportamento da camada limite de polarização por concentração, o qual é um fenômeno que comumente causa alguns problemas. Desta forma, o uso de uma ferramenta para a resolução de escoamentos complexos torna possível a compreensão destes fenômenos, aumentando em muito a qualidade do projeto e de possíveis tomadas de decisões em processos de separação envolvendo membranas.Neste trabalho, um programa de simulação fluidodinâmica comercial, chamado CFX, foi utilizado para realizar uma série de simulações de processos de separação com membranas, comparando-se os dados obtidos com aqueles presentes na literatura. Foram analisados alguns estudos de caso, dentre os quais: microfiltração tangencial de suspensão de partículas de sílica, escoamento de água em módulo de microfiltração para diferentes geometrias e ultrafiltração de soluto macromolecular (albumina de soro bovino ou BSA). Os resultados da microfiltração de partículas desílica e da ultrafiltração de BSA primeiramente foram comparados com dados experimentais, considerando-se a estrutura porosa da membrana nas simulações. Posteriormente os mesmos sistemas foram simulados levando-se em conta apenas o escoamento dentro do canal, e os resultados foram comparados com modelos clássicos de previsão de fluxo permeado presentes na literatura. Uma proposta para a simulação do fluxo através da correção do coeficiente de difusão da proteína BSA foi realizada, pois existem muito poucos modelos que tratam dos problemas relativos à separação de solutos de alta massa molar. Além disso, simulações de problemas envolvendo simples escoamentos foram também realizadas, de forma a avaliar o simulador frente às soluções analíticas destes problemas.Concluiu-se que o CFX é capaz de reproduzir resultados experimentais e teóricos com um bom grau de concordância, e que fatores como pressão transmembrana e parâmetros de turbulência afetam os resultados, bem como os desvios em relação aos experimentos e modelos testados.

In the last years, membrane separation processes have received a special attention when compared with other unit operations of separation. This is due to several unique features of these processes, which make them economically competitive with other even well-established separation processes. The high selectivity, the operation flexibility, the separation of thermo labile compounds, among other advantages, make the use of membranes a promising alternative in several branches of Chemical Engineering, and even in other areas of knowledge, such as Medicine, Pharmacy, Biotechnology, Aerospace Industry, among many others. Besides, the techniques of fluid dynamics simulation have also grown, especially due to increasing in computer processing capacity. Because of the impossibility in obtaining a complete analytical solution for most flow problems, a numerical procedure can be applied in order to achieve the solution. Concerning the membrane separation processes, the great interest is focused in the study of the concentration polarization boundary layer, a phenomenon that commonly causes flux decline and changes in membrane retention. Thus, the use of a tool which can be used to solve complex flow problems can help in the understanding of these phenomena, increasing the quality of the design of separation processes with membranes. In this work, a commercial fluid dynamics software, CFX, was used to carry out many membrane processes simulations, and the data obtained were compared with ones available in the literature. The following case studies were investigated: cross flow microfiltration of silica particles suspension, flow of water in microfiltration modules with different geometries and ultrafiltration of macromolecular solute (bovine serum albumin, or BSA). The results of microfiltration of silica particles suspension and ultrafiltration of BSA were firstly compared with experimental data, considering the porous structure of the membrane in these simulations. Later on, the same systems were simulated taken into account only the flow within the channel, and the results were compared with classical models for permeate flux prediction presented in the literature. A model to simulate flux by means of the correction of the diffusion coefficient of BSA protein was carried out, since there are only few models to treat the problems about separation of solutes with high molar mass.It has been concluded that CFX is able to reproduce experimental and theoretical results in a good concordance, and parameters such as transmembrane pressure and turbulence affect the results, as well as the deviations in relation to experiments and models tested.