PROMOÇÃO E REALIZAÇÃO
REDE METROLÓGICA DO ESTADO DE
SÃO PAULO - REMESP
REDE DE SANEAMENTO E
ABASTECIMENTO DE ÁGUA - RESAG
29 a 31 de outubro de 2014
Local: Associação Brasileira da Indústria de Máquinas e Equipamentos – ABIMAQ
Influência da aplicação de vácuo em processos de dessalinização
por destilação térmica
Ana Paula Pereira da Silveira 1, Ariovaldo Nuvolari 2, Francisco Tadeu Degasperi 3 Wladimir Firsoff 4
1
Faculdade de Tecnologia de São Paulo, São Paulo, Brasil, [email protected]
Faculdade de Tecnologia de São Paulo, São Paulo, Brasil, [email protected]
3
Faculdade de Tecnologia de São Paulo, São Paulo, Brasil, [email protected]
4
Faculdade de Tecnologia de São Paulo, São Paulo, Brasil, [email protected]
2
Resumo
A água é um dos recursos de maior importância para a vida no planeta e vem sofrendo as consequências do mau uso
e da irresponsabilidade humana ao longo dos tempos. Sabe-se que ¾ da superfície terrestre é recoberta de água.
Algumas regiões do planeta, afetadas pela escassez hídrica já obtém parte ou, em alguns casos, a totalidade da água de
abastecimento público, através de processos de dessalinização de águas salobras e salinas.
Palavras-chave: Dessalinização; Tecnologia do vácuo; Sustentabilidade.
1. INTRODUÇÃO
O problema da escassez da água, utilizada nas diversas atividades humanas, quer sejam: no abastecimento público,
industrial ou uso agropecuário (irrigação de culturas agrícolas e dessedentação de animais) vem recrudescendo nas
últimas décadas. A situação está se tornando cada vez mais crítica não só em virtude do aumento populacional (que
exige uma produção crescente de água para suprir a demanda), mas também pelo alto nível de poluição dos corpos
d´água, o que vem diminuindo a qualidade das águas brutas, exigindo cada vez mais técnicas avançadas e/ou produtos
químicos para se fazer o tratamento, visando à obtenção de água adequada a cada uso [1].
Em várias regiões do planeta, onde a disponibilidade hídrica é baixa, a situação já é tão crítica que a única solução
viável, apesar de ser ainda considerada de alto custo, é a dessalinização de águas salobras ou salinas. Isso ocorre, não
somente nos países do oriente médio, mas também em algumas cidades da Austrália, Singapura, Argélia, Espanha,
Israel, diversas ilhas no mundo todo (inclusive no Brasil) e algumas regiões costeiras dos EUA, nas quais a
dessalinização já é uma corriqueira e viável alternativa [1].
Com os objetivos voltados a essa realidade, foi criado um grupo de estudos denominado: GEP – Dessalinização de
águas salobras e salinas, cujos integrantes estão vinculados à FATEC-SP – Faculdade de Tecnologia de São Paulo. O
grupo iniciou seus estudos no ano de 2011, tendo como objetivo estudar processos de dessalinização por destilação
térmica, aliada à aplicação de vácuo, para futuramente estudar sistemas ambientalmente sustentáveis.
1
Até o momento, foram coletados dados experimentais em laboratório que estão permitindo a caracterização dos
sistemas em estudo, e o comportamento do tempo de destilação e da remoção de sais (com base na medida da
condutividade) e com utilização de vácuo no sistema.
2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
A presente pesquisa de dessalinização de águas pelo processo de destilação térmica com aplicação de vácuo foi
realizada utilizando água marinha, tendo como fonte energética 4 lâmpadas de 250W cada uma, direcionadas para um
balão volumétrico (Ver Fig. 1).
Fig. 1 – Vista geral do protótipo utilizado em 2014
Este balão volumétrico (de 1000 mL, com volume de amostra de 500 mL ) foi interligado a um sistema de
arrefecimento, que por sua vez foi interligado a um recipiente (kitassato), usado para receber o líquido destilado. Ligada
ao kitassato foi instalada uma bomba de vácuo e antecedendo a bomba, um filtro para evitar que os vapores chegassem
até ela.
Durante cada ensaio foi medida a temperatura, através de três termopares colocados em diferentes pontos:
T1 - Ponto de medida de temperatura situado dentro do balão contendo a água bruta em processo de aquecimento.
Esse líquido, ao final de cada ensaio foi chamado de condensado, por apresentar uma salinidade bem maior do que a da
água bruta;
T2 - Ponto de medida de temperatura situado na parte superior do balão contendo a água bruta em processo de
aquecimento. Na verdade esse termopar mede a temperatura do vapor que passa em direção ao sistema de
arrefecimento;
T3 - Ponto de medida de temperatura situado dentro do kitassato que recebe o destilado.
A pressão foi medida no manômetro instalado na bomba, podendo ser aferido pelo manômetro de coluna de
mercúrio. Os ensaios realizados com esse protótipo foram feitos em dias e horários diferentes; O tempo de cada ensaio
foi fixado em 90 minutos, contado a partir do momento em que a temperatura no ponto T1 (dentro do líquido em
processo de aquecimento) atingia 30°C.
Os ensaios foram feitos em triplicata, sempre mantendo a mesma pressão no kitassato durante cada ensaio. Com a
ajuda da bomba de vácuo foram feitos ensaios com as seguintes pressões: 700 mmHg (valor estimado para a pressão
atmosférica local), 600, 500, 400, 300, 200 e 100 mmHg.
Toda destilação sempre gera um volume de destilado (coletado no Kitassato) e um volume de concentrado
(armazenado no balão volumétrico onde a amostra foi colocada para ser destilada).
Foram medidos os seguintes parâmetros de controle: condutividade, pH e turbidez da água bruta, do destilado e do
condensado, além dos volumes de destilado e de concentrado ao final de cada ensaio. Os resultados de alguns dos
parâmetros anteriormente listados são apresentados na Tab. 1.
2
3. RESULTADOS
ANO DE 2014 - DESTILAÇÕES COM 4 LÂMPADAS DE INFRAVERMELHO de 250W cada
Tab. 1 - Comparação dos resultados de alguns parâmetros de controle para pressões de 700 a 100 mmHg
PRESSÃO
Nº DO
VOLUMES (mL)
CONDUTIVIDADE (microSiemens/cm)
pH
mmHg
ENSAIO
CONC.
DEST.
AB
CONC.
% conc.
DEST.
% rem.
AB
1º
235
265
51.500
88.100
71,1
232
99,5
7,89
8,05
4,84
2º
230
270
58.800
96.500
64,1
85
99,9
7,15
8,34
4,42
3º
225
275
53.500
99.500
86,0
74
99,9
7,92
7,89
4,42
MEDIA
232,5
267,5
55.150
92.300
67,6
158,5
99,7
7,5
8,2
4,6
1º
245
255
51.800
83.600
61,4
72
99,9
8,09
8,20
5,27
2º
225
275
64.200
99.300
54,7
98
99,8
6,98
8,32
4,90
3º
230
270
52.300
97.300
86,0
101
99,8
8,01
7,85
5,67
MEDIA
233,3
266,7
56.100
93.400
67,4
90,3
99,8
7,7
8,1
5,3
1º
210
290
51.100
104.300
104,1
101
99,8
8,15
8,20
4,58
2º
225
275
66.200
99.200
49,8
87
99,9
8,32
8,67
5,16
3º
205
295
54.100
106.600
97,0
90
99,8
7,85
7,86
5,21
MEDIA
213,3
286,7
57.133
103.367
83,7
92,7
99,8
8,1
8,2
5,0
1º
190
310
51.600
104.300
102,1
101
99,8
7,72
8,20
4,58
2º
205
295
62.700
106.300
69,5
96
99,8
8,16
8,14
4,44
700
600
500
400
300
CONC. DEST.
3º
195
305
53.200
108.800
104,5
127
99,8
8,12
8,04
5,48
MEDIA
196,7
303,3
55.833
106.467
92,1
108,0
99,8
8,0
8,1
4,8
1º
175
325
52.100
107.200
105,8
105
99,8
7,75
8,24
4,33
2º
190
310
53.000
112.400
112,1
106
99,8
6,91
8,27
4,45
3º
180
320
54.100
115.700
113,9
132
99,8
7,92
7,94
4,43
MEDIA
181,7
318,3
53.067
111.767
110,6
114,3
99,8
7,5
8,2
4,4
1º
185
315
52.100
104.900
101,3
116
99,8
7,85
7,93
4,18
2º
180
320
52.800
116.600
120,8
137
99,7
7,98
7,83
4,01
3º
175
325
54.300
117.400
116,2
45
99,9
8,11
7,91
4,27
MEDIA
180,0
320,0
53.067
112.967
112,8
99,3
99,8
8,0
7,9
4,2
1º
175
325
51.200
105.800
106,6
125
99,8
7,22
7,98
4,01
2º
165
335
51.900
122.700
136,4
196
99,6
7,85
7,68
3,69
3º
165
335
55.100
124.800
126,5
129
99,8
7,92
7,68
4,56
MEDIA
168,3
331,7
52.733
117.767
123,2
150,0
99,7
7,7
7,8
4,1
NTS
NTS
54.667
105.690
NTS
113,1
NTS
7,80
8,06
4,62
DESVIO PADRÁO
NTS
NTS
3.914
10.035
NTS
37,5
NTS
0,36
0,22
0,49
MENOR VALOR
165,0
255,0
51.100
83.600
49,8
45,0
99,5
6,91
7,68
3,69
MAIOR VALOR
245,0
335,0
66.200
124.800
136,4
232,0
99,9
8,32
8,67
5,67
200
100
MÉDIA
OBSERV: CONC. = concentrado DEST. = destilado AB = água bruta NTS = não tem sentido
% conc. e % rem = percentuais de concentração e de remoção de condutividade
Tab. 1 - Comparação dos resultados de alguns parâmetros de controle para pressões de 700 a 100 mmHg
Utilizando-se os valores médios dos 3 ensaios realizados, foram estudadas as correlações e apresentadas nas Figuras
2, 3 e 4.
Na Figura 2 é apresentado um gráfico que correlaciona as pressões efetivas aplicadas com os volumes de destilado
obtidos e, como já se frisou, para um tempo de ensaio de 90 minutos.
3
PEFET = Pressões efetivas (mmHg)
VDEST. = Volume de destilado (mL)
700
600
500
400
300
200
100
267,5
266,7
286,7
303,3
318,3
320,0
331,7
400
VDEST = Volume de destilado
(mL)
350
300
250
VDEST = -0,1181 . PEFET + 346,43
R² = 0,956
200
150
100
50
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
PEFET = PRESSÃO EFETIVA ( m m H g )
Fig. 2 - Correlação entre a pressão efetiva aplicada e o volume de destilado (tempo de ensaio = 90 minutos)
Analisando a figura 2, observa-se que houve boa correlação entre o volume de destilado produzido em relação à
pressão aplicada, ou seja, a aplicação do vácuo resultou em maior volume de destilado durante o tempo de 90 min. de
destilação.
Na figura 3, é apresentada uma correlação entre a pressão aplicada e a condutividade do concentrado.
PEFET
=
Pressões efetivas (mmHg)
CONDCONC. = Condutiv. concentrado (microSiemens/cm)
700
600
500
400
300
200
100
92.300
93.400
103.367
106.467
111.767
112.967
117.767
CONDCONC = Condutividade do
concentrado (microSiemens/cm)
140.000
120.000
100.000
80.000
CONDCONC. = - 44,263. PEFET. + 123.139
R² = 0,9597
60.000
40.000
20.000
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
PEFET = PRESSÃO EFETIVA ( m m H g )
Fig. 3 - Correlação entre a pressão efetiva aplicada e a condutividade do concentrado
De acordo com a figura 3, houve boa correlação entre a condutividade do concentrado e a pressão aplicada. Isso se
explica, pois quanto menor foi a pressão aplicada, maior foi o volume destilado, o que ocasiona na diminuição do
volume inicial, tornando-o mais concentrado. A correlação entre a condutividade do destilado e a pressão aplicada não
se torna possível, pois em todos os ensaios houve boa remoção de condutividade, o que faz com que esse resultado
flutue muito.
4
Na Tab. 2 são apresentados os valores das temperaturas iniciais e finais de cada ensaio realizado, bem como a média
dos três ensaios, nos três termopares:
Termopar situado no interior do balão, o qual mede a temperatura inicial da água bruta e final no líquido
T1 =
concentrado;
Termopar situado no topo do balão, o qual mede a temperatura do vapor em direção ao sistema de
T2 =
resfriamento;
Termopar situado no interior do kitassato, que recebe o líquido destilado, o qual mede a temperatura
T3 =
deste líquido, após a passagem pelo sistema de resfriamento.
Tab. 2 - Temperaturas iniciais e finais de cada ensaio, medidas nos termopares: T1, T2 e T3
PRESSÃO
(mmHg)
700
600
500
400
300
200
100
( °C )
1º ENSAIO
T1 °C T2 °C T3 °C
2º ENSAIO
T1 °C T2 °C T3 °C
3º ENSAIO
T1 °C T2 °C T3 °C
T1 °C
inicial
18,3
19,2
19,2
20,0
22,5
21,8
19,0
21,5
19,7
19,1
21,1
20,2
final
96,8
95,9
20,6
97,5
97,0
21,8
98,0
96,6
21,8
97,4
96,5
21,4
inicial
19,5
20,6
19,2
19,8
22,6
22,6
19,4
21,8
20,2
19,6
21,7
20,7
final
92,7
91,0
20,7
94,1
92,0
26,5
94,0
85,3
22,5
93,6
89,4
23,2
inicial
20,7
21,5
20,5
19,9
22,3
21,7
19,1
21,4
20,0
19,9
21,7
20,7
final
88,2
86,9
24,4
88,8
86,2
26,0
88,5
81,4
21,9
88,5
84,8
24,1
inicial
21,3
22,7
21,2
20,0
22,2
22,3
19,6
21,5
21,2
20,3
22,1
21,6
final
82,9
80,7
22,3
85,5
80,9
26,0
84,2
77,5
21,7
84,2
79,7
23,3
inicial
20,7
22,1
22,2
18,5
20,5
20,5
19,1
20,7
20,4
19,4
21,1
21,0
TEMP.
MEDIAS
T2 °C T3 °C
final
77,1
74,3
23,9
77,7
68,7
23,3
76,8
72,8
21,6
77,2
71,9
22,9
inicial
19,6
21,7
21,1
19,1
20,6
20,6
18,8
20,9
21,1
19,2
21,1
20,9
final
68,0
65,1
25,7
69,6
65,0
25,7
67,6
64,1
22,4
68,4
64,7
24,6
inicial
19,7
21,5
21,5
18,9
21,2
19,2
18,9
20,7
19,3
19,2
21,1
20,0
final
57,5
63,6
25,4
58,5
52,4
22,6
56,5
59,3
21,0
57,5
58,4
23,0
Tab.
- Temperaturas
iniciais
e finais
de cada
ensaio,
medidas
nos termopares:
T1, T2 e T3
OBS.: As médias
das2temperaturas
finais de
cada ensaio
foram
obtidas
utilizando
as 7 últimas
leituras, ou seja:
após relativa estabilização das leituras (tempos de destilação de 60 minutos a 90 minutos). O valor utilizado
Na Fig. 4 sãonaapresentadas
três12,curvas,
as epressões
efetivas
elaboração da Figura
é a médiacorrelacionando
das temperaturas iniciais
finais dos três
ensaios aplicadas e a média das temperaturas
finais dos três ensaios e nos três termopares.
Pressões efetivas (mmHg)
100
200
300
400
500
600
700
T1 = temperatura final no concentrado (ºC)
57,5
68,4
77,2
84,2
88,5
93,6
97,4
T2 = temperatura final no topo do balão (ºC)
58,4
64,7
71,9
79,7
84,8
89,4
96,5
T3 = temperatura final no destilado (ºC)
23,0
24,6
22,9
23,3
24,1
23,2
21,4
100
T1= 16,213 . PEFET.0,2737
T1, T2 e T3 = Temperaturas finais (ºC)
R2 = 0,999
80
T2 = 16,972 . PEFET.0,2594
R2 = 0,97
60
40
20
T3 = 26,361 . PEFET.-0,022
R2 = 0,1164
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
PEFET = Pressão efetiva (mmHg)
Fig. 4 - Fig.
Correlação
entre entre
a pressão
efetiva
aplicada
finais
termopares:
12 - Correlação
a pressão
efetiva
aplicadae eas
astemperaturas
temperaturas finais
nosnos
termopares:
T1, T2T1,
e T3T2 e T3
5
4. CONCLUSÃO
Os processos de destilação térmica tornam-se mais viáveis quando utilizadas instalações com duplo propósito
(produção de energia termo-elétrica e dessalinização);
Com o uso do vácuo, para um mesmo tempo fixo de destilação, houve maior produção de destilado. Nos ensaios
realizados, tivemos como média 99,7% de remoção de condutividade, cabendo observar que não houve perda na
eficiência de remoção com a aplicação de vácuo. Houve uma produção média de destilado de 267,5 mL para pressão
atmosférica e de 331 mL quando a pressão aplicada foi de 100 mmHg, ou seja, um ganho de 63,5 mL, o que comprova,
neste estudo, a eficiência da utilização do vácuo no processo de destilação térmica.
REFERÊNCIAS
[1] REBOUÇAS, Aldo da C. Água doce no Brasil e no mundo. In: BRAGA, B., REBOUÇAS, A., e TUNDISI, J.
(org.) Águas doces no Brasil: Capital Ecológico, Uso e Conservação. 3ª ed. São Paulo: Escrituras, 748p. 2006
6