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Dessalinização por Osmose Reversa

Neste tutorial você modelará uma planta de dessalinização de água do mar na GUI Clássica do DWSIM usando uma unidade de membrana de Osmose Reversa. RO é a tecnologia dominante para produção de água doce a partir de água do mar (>60% da capacidade global de dessalinização).

O que você vai aprender

  • Como modelar um sistema com eletrólitos (Na+, Cl-, água)
  • Como usar a operação unitária de Osmose Reversa (Edição Plus / Patreon)
  • Como ler propriedades da água doce (permeado) e da salmoura (rejeito)

Pré-requisitos

Recurso do Plus

Osmose Reversa requer ativação do DWSIM Plus / Edição Patreon. Sem ativação, a operação não fica disponível na Object Palette.

Visão Geral do Processo

Pressão maior que a pressão osmótica natural é aplicada no lado salgado de uma membrana semipermeável. A água passa pela membrana; sais são rejeitados. Saída: permeado de baixa salinidade + salmoura de alta salinidade.

Água do mar (35 g/kg de TDS) tem pressão osmótica ~25 bar. RO industrial opera a 60-80 bar com 40-50% de recuperação.

Diagrama de Fluxo do Processo

graph LR
    SW["Seawater<br/>298 K, 1 atm<br/>35 g/kg salt"] --> P["P-1<br/>HP Pump<br/>70 bar"]
    P --> RO["RO-1<br/>Membrane"]
    RO -->|Permeate| FW["Fresh Water"]
    RO -->|Reject| BR["Brine"]

Parâmetros de Projeto

Parâmetro Valor
Compostos Water, Sodium ion, Chloride ion
Pacote Termodinâmico Sour Water (ou Electrolyte NRTL)
Alimentação 1 kg/s, 25 °C, 1 atm, salinidade 35 g/kg
Pressão de saída da bomba 70 bar
Rejeição de sal 99,5%
Recuperação de água 45%

Passo a Passo na GUI Clássica

1. Configuração

File > New Chemical Process Model:

  • Compostos: Water, Sodium ion, Chloride ion (os íons estão listados na base de dados Electrolytes)
  • Pacote Termodinâmico: Sour Water (ou Electrolyte NRTL se o Plus estiver ativado)

Por que um pacote eletrolítico/aquoso?

Soluções de cloreto de sódio são fortemente não ideais devido a interações iônicas. NRTL ou PR padrão não conseguem capturar a rejeição de sal nem a pressão osmótica corretamente; modelos eletrolíticos (electrolyte-NRTL, Pitzer) são necessários para o comportamento iônico completo nas salinidades industriais.

2. Construir o flowsheet

Arraste e configure:

  1. Material Stream Seawater: T=298,15 K, P=1 atm, vazão mássica=1 kg/s; frações mássicas: Water=0,965, Sodium ion=0,0138, Chloride ion=0,0212
  2. Pump P-1: pressão de saída=70 bar (7000000 Pa), eficiência=75%; criar corrente de energia W_pump

Por que uma bomba de alta pressão (70 bar)?

RO funciona vencendo a pressão osmótica da carga. A água do mar tem pressão osmótica em torno de 25-28 bar; é preciso alimentar a 60-80 bar para empurrar a água através da membrana retendo o sal, com margem suficiente para manter um fluxo de permeado útil.

  1. Material Stream Pumped (vazia)
  2. Reverse Osmosis RO-1: rejeição de sal=0,995, recuperação de água=0,45 (esses ajustes ficam no editor da unidade)
  3. Material Stream Fresh-Water (vazia)
  4. Material Stream Brine (vazia)

Conexões: Seawater → P-1 → Pumped → RO-1 → (Fresh-Water como porta 0, Brine como porta 1).

Flowsheet de dessalinização por RO

3. Resolver

F6 LIGADO → Solve.

4. Analisar

  • Fresh-Water Results: salinidade deve ser < 0,5 g/kg (qualidade de água potável)
  • Brine Results: salinidade ~60-80 g/kg (cerca de 2× a da água do mar)
  • W_pump Energy: potência de bombeamento; divida pela vazão de permeado para obter a energia específica (kWh/m³)

Energia específica típica: 2-4 kWh/m³ para RO moderna a 45% de recuperação.

Resultados e Validação

Variável Esperado
Salinidade do permeado < 0,5 g/kg
Salinidade da salmoura 60-80 g/kg
Recuperação 0,45
Energia específica 2-4 kWh/m³

Resultados esperados

O permeado é água doce; a salmoura é concentrada. Energia específica próxima ao mínimo termodinâmico.

Entendendo os Resultados

RO é uma separação por membrana. A rejeição de sal e a permeabilidade à água da membrana determinam a qualidade e o fluxo do produto. Fatores econômicos chave:

  • Recuperação maior → volume menor de salmoura, mas requer pressão mais alta
  • 45% de recuperação / 70 bar → ~3 kWh/m³, próximo ao mínimo termodinâmico
  • Pré-tratamento é crítico para evitar incrustação e bioincrustação

O descarte de salmoura no mar cria uma pluma densa que pode prejudicar ecossistemas marinhos: uma preocupação ambiental relevante.

Automatizando Este Tutorial

Arquivos neste repositório

Veja examples/advanced/06_reverse_osmosis.py no repositório DWSIM.Tutorials.

dwsim.unitop.add com tipo Pump e ReverseOsmosis; em seguida conectar e resolver.

O resultado pode variar

O resultado depende da capacidade de raciocínio e do uso correto de ferramentas pelo LLM. Sempre verifique se a simulação corresponde à sua intenção antes de confiar nos números.

Use o DWSIM (via servidor MCP) para construir a seguinte simulação:

- Crie um flowsheet chamado "ReverseOsmosis"
- Adicione Water, Sodium ion e Chloride ion como compostos; configure
  o pacote termodinâmico como "Sour Water" (ou "Electrolyte NRTL"
  se disponível)
- Adicione uma corrente material "Seawater" a 298,15 K e 1 atm com
  vazão mássica = 1 kg/s e frações mássicas Water = 0,965,
  Sodium ion = 0,0138, Chloride ion = 0,0212
- Adicione uma Pump "P-1" com pressão de saída = 7000000 Pa (70 bar)
  e eficiência = 75%; corrente de energia = W_pump
- Adicione uma unidade Reverse Osmosis "RO-1" com rejeição de sal
  = 0,995 e recuperação de água = 0,45; saída de permeado
  = Fresh-Water, saída de retentado = Brine
- Conecte: Seawater → P-1 → RO-1 → (Fresh-Water, Brine)
- Resolva o flowsheet
- Reporte a salinidade (g/kg) de Fresh-Water e Brine, a razão de
  recuperação, a potência de bombeamento W_pump e a energia
  específica (kWh por m³ de permeado)

Exercícios

  1. Reduza a rejeição de sal para 95%. Como muda a salinidade do permeado?
  2. Aumente a pressão da bomba para 80 bar. A energia específica melhora?
  3. Aumente a recuperação para 60%. Qual a pressão de bomba necessária?

Leitura Complementar

Referências selecionadas da bibliografia técnica do DWSIM. Clique no link DOI para acessar cada artigo.

  • Chau-Chyun Chen, Harry I. Britt, Joseph F. Boston & Lewis B. Evans. (1982). Local Composition Model for Excess Gibbs Energy of Electrolyte Systems. AIChE Journal. doi:10.1002/aic.690280410
  • Chau-Chyun Chen & Lewis B. Evans. (1986). A Local Composition Model for the Excess Gibbs Energy of Aqueous Electrolyte Systems. AIChE Journal. doi:10.1002/aic.690320311
  • Leos J. Zeman & Andrew L. Zydney. (1996). Microfiltration and Ultrafiltration: Principles and Applications. Marcel Dekker
  • Munir Cheryan. (1998). Ultrafiltration and Microfiltration Handbook. CRC Press

Próximos Passos

Em Síntese de Metanol, você construirá um processo completo de gás de síntese a metanol com reciclo.