Configurações para sistemas de membranas

Configurações para sistemas de membranas

Por Daniel
sab, 12/11/2016 - Atualizado 2 anos atrás
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Combinando-se a variedade de membranas existentes no mercado com as milhares de aplicações disponíveis para esta tecnologia é possível ter uma ideia das infinitas formas das quais um sistema pode ser composto. Mesmo assim, existem semelhanças entre os processos que permitem classificar os diferentes tipos de instalações. A partir de uma aplicação é possível determinar um arranjo típico e, a partir dele comparar membranas distintas e determinar a eficiência do processo e as condições para a realização do balanço de massa.

O objetivo deste guia é apresentar de forma simplificada os diferentes arranjos possíveis para os sistemas de membranas, seus pontos fortes e fracos para cada aplicação. Como a tecnologia de membranas está em constante evolução, este guia será atualizado de acordo conforme a necessidade.

Filtração direta "Dead-End"

Características

Configuração mais utilizada em sistemas para abastecimento público e potabilização de água. Opera através da filtração de toda a corrente de água sem a produção de concentrado. Periodicamente é realizada uma operação de contralavagem e limpeza com ar para a remoção dos sólidos acumulados. A limpeza dura entre 1 e 3 minutos e é realizada de 1 a 3 vezes por hora.

Aplicações

  • Tratamento de água de superfície (rios, represas ou do mar).
  • Reuso de águas cinzas.
  • Tratamento de águas de poços (remoção de argila, silte e ferro).
  • Reuso de efluentes terciários.

Vantagens

  • Alta recuperação de água sem a produção de concentrado.
  • Arranjo muito compacto.
  • Não há contato da água com a atmosfera.
  • Baixo consumo energético.
  • Baixas pressões.

Limitações

  • Requer contralavegem automatizada para a remoção de sólidos.
  • Automação complexa.
  • Não é contínuo, deve ser interrompido para contralavagem e remoção dos sólidos acumulados.
  • Não permite alimentação com elevados teores de sólidos (usualmente mais de 100mg/L ou 300 NTU de turbidez).
  • Requer tanque de água tratada para a contralavagem.

Membranas típicas

  • Microfiltração e Ultrafiltração nas configurações de fibra oca ou tubulares.

Dicas de projeto

  • Calcular a vazão de produto e fluxo considerando a água consumida na contralavagem e o período em que não há produção.
  • Prever acionamento da contralavagem por diferencial de pressão e temporizado. O uso exclusivo do controle temporizado pode comprometer as membranas em caso de alterações na água de alimentação.
  • Prever entradas de ar para o esvaziamento dos módulos de membranas.

Diagrama simplificado

Membranas em filtração direta ou dead-end
Filtração direta ou "dead end"

 

Filtração tangencial "Cross-Flow"

Características

Configuração típica para processos de Osmose Reversa, Nanofiltração e sistemas que utilizam membranas tubulares. A operação ocorre de forma contínua sem interrupções. A limpeza é obtida pela elevada velocidade de circulação (de 3 a 7m/s) através dos módulos.

Aplicações

  • Osmose Reversa (dessalinização)
  • Nanofiltração (abrandamento)
  • Tratamento de efluentes com elevada carga orgânica.
  • Tratamento de efluentes oleosos.
  • Tratamento de soluções com altas temperaturas.
  • Processos industriais diversos.

Vantagens

  • Robusto, permite alimentar as membranas com elevadas concentrações de sólidos e fluidos distintos.
  • Baixo custo de instalação.
  • Baixo nível de automação.

Limitações

  • Alto consumo energético em função das altas velocidades de circulação.
  • Baixo fluxo nos elementos de membranas leva a arranjos menos compactos.
  • Aquecimento do fluido dependendo do regime de circulação.
  • As altas velocidades podem danificar as partículas que se deseja separar.

Membranas típicas

  • Osmose Reversa (espiral)
  • Nanofiltração (espiral)
  • Microfitlração e Ultrafiltração tubulares.
  • Microfiltração e Ultrafiltração através de membranas cerâmicas.

Dicas de projeto

  • Considerar inversores de frequência para a acelaração suave do fluido nas membranas.
  • Seguir sempre a velocidade mínima de circulação indicada pelos fabricantes.
  • Instalar pré-filtros para evitar o dano das membranas por partículas grandes.

Diagrama simplificado

Membranas em filtração tangencial ou "cross-flow"
Membranas em filtração tangencial ou "cross-flow"

 

Filtração tangencial com múltiplos estágios

Características

Configuração usual em sistemas de Osmose Reversa e Nanofiltração. Permite obter uma maior recuperação de água sem a necessidade de recircular o fluido para a alimentação com uma instalação relativamente simples.

Aplicações

  • Dessalinização ou desmineralização de água.

Vantagens

  • Instalação simples, requer apenas uma bomba, instrumentos e válvulas manuais.
  • Baixo nível de automação.
  • Permite obter alta recuperação de água.
  • Não aquece a água pois não há recirculação.

Limitações

  • Distribuição de fluxo desigual. As primeiras membranas da sequência produzem mais do que as últimas.
  • Alto consumo energético em função das altas velocidades de circulação.
  • Produção de concentrado contínua.
  • Utilizando membranas em espiral, a concentração de sólidos na alimentação é restrita.

Membranas típicas

  • Ultrafiltração, Nanofiltração e Osmose Reversa em espiral.
  • Microfiltração e Ultrafiltração tubulares.

Dicas de projeto

  • Prever pontos para a introdução dos dispositivos de limpeza das linhas e membranas.

Diagrama simplificado

Membranas em filtração tangencial ou "cross-flow" com múltiplos estágios
Membranas em filtração tangencial ou "cross-flow" com múltiplos estágios

 

Filtração tangencial com recirculação individual

Características

Configuração adotada na indústria alimentícia e de separações industriais, para fluidos com elevado teor de sólidos, densidade ou viscosidade. A recirculação individual permite reduzir a pressão na bomba de recirculação do sistema e equaliza a distribuição de fluxo através das membranas permitindo que todas operem sob as mesmas condições.

Aplicações

  • Concentração de soro de leite.
  • Concentração de sucos, vinho e bebidas em geral.
  • Separação de emulsões.

Vantagens

  • Distribuição de fluxo uniforme
  • Menor pressão da recirculação se comparada à configuração de fluxo tangencial convencional.
  • Robusto, permite alimentar as membranas com elevadas concentrações de sólidos e fluidos distintos.
  • Baixo nível de automação.

Limitações

  • Alto consumo energético em função das altas velocidades de circulação.
  • Utilizando membranas em espiral, a concentração de sólidos na alimentação é restrita.
  • Dificuldade de sanitização em função da complexidade da instalação (várias bombas)
  • Aquecimento do fluido dependendo do regime de circulação.

Membranas típicas

  • Microfiltração e Ultrafiltração tubulares.
  • Microfiltração e Ultrafiltração em espiral.

Dicas de projeto

  • Prever pontos para a introdução dos dispositivos de limpeza das linhas e membranas.

Diagrama simplificado

Membranas em filtração tangencial ou "cross-flow" com recirculação parcial
Membranas em filtração tangencial ou "cross-flow" com recirculação parcial

 

Módulos submersos

Características

Esta configuração é amplamente adotada em sistemas de micro e ultrafiltração para uso em MBR (Biorreatores de Membranas) e tratamento de águas de superfície com elevados teores de sólidos. As membranas são instaladas mergulhadas em tanques e operam através de uma bomba de vácuo ou da ação da gravidade. Usualmente, para evitar o acúmulo de sólidos na superfície da membrana é utilizado um sistema de limpeza com ar.

Aplicações

  • Tratamento de Efluentes (MBR)
  • Reuso de água.
  • Tratamento de água.

Vantagens

  • Pressão de operação muito baixa: economia de energia.
  • Suporta altas concentrações de sólidos na alimentação.
  • Pode operar de forma contínua, sem interrupções.

Limitações

  • Pressão máxima de operação de aproximadamente 10mca (pressão de vapor da água).
  • Baixo fluxo nas membranas em função das limitações de pressão.
  • Ocupam área muito superior aos sistemas pressurizados em função dos baixos fluxos.
  • Consumo de ar para limpeza é significativo.
  • As operações de limpeza periódica são menos eficientes que em sistemas pressurizados.
  • A troca das membranas requer o uso de talhas ou guindastes.

Membranas típicas

  • Microfiltração e Ultrafiltração de placas planas.
  • Microfiltração e Ultrafiltração de fibras ocas.

Dicas de projeto

  • Prever área para a colocação e retirada dos módulos bem como espaço para limpeza externa dos mesmos.

Diagrama simplificado

Membranas submersas
Membranas submersas