Estudo de um sistema híbrido de destilação solar para polimento de águas produzidas

The oil industry, experiencing a great economic and environmental impact, has increasingly invested in researches aiming a more satisfactory treatment of its largest effluent, i.e., produced water. These are mostly discarded at sea, without reuse and after a basic treatment. Such effluent contains a range of organic compounds with high toxicity and are difficult to remove, such as polycyclic aromatic hydrocarbons, salts, heavy metals, etc.. The main objective of this work was to study the solar distillation of produced water pre-treated to remove salts and other contaminants trough of a hybrid system with a pre-heater. This developed apparatus was called solar system, which consists of a solar heater and a conventional distillation solar still. The first device consisted of a water tank, a solar flat plate collector and a thermal reservoir. The solar distillator is of simple effect, with 1m2 of flat area and 20° of inclination. This dissertation was divided in five steps: measurements in the solar system, i.e. temperatures and distillate flow rate and weather data; modeling and simulation of the system; study of vapor-liquid equilibrium of the synthetic wastewater by the aqueous solution of p-xylene; physical and chemical analyses of samples of the feed, distillate and residue, as well as climatology pertinent variables of Natal-RN. The solar system was tested separately, with the supply water, aqueous NaCl and synthetic oil produced water. Temperature measurements were taken every minute of the thermal reservoir, water tank and distillator (liquid and vapor phases). Data of solar radiation and rainfall were obtained from INPE (National Institute for Space Research). The solar pre-heater demonstrated to be effective for the liquid systems tested. The reservoir fluid had an average temperature of 58°C, which enabled the feed to be pre-heated in the distillator. The temperature profile in the solar distillator showed a similar behavior to daily solar radiation, with temperatures near 70°C. The distillation had an average yield of 2.4 L /day, i.e., an efficiency of 27.2%. Mathematical modeling aided the identification of the most important variables and parameters in the solar system. The study of the vapor-liquid equilibrium from Total Organic Carbon (TOC) analysis indicated heteroazeotropia and the vapor phase resulted more concentrated in p-xylene. The physical-chemical analysis of pH, conductivity, Total Dissolved Solids (TDS), chlorides, cations (including heavy metals) and anions, the effluent distillate showed satisfactory results, which presents a potential for reuse. The climatological study indicates the region of Natal-RN as favorable to the operation of solar systems, but the use of auxiliary heating during periods of higher rainfall and cloud cover is also recommended

A indústria do petróleo, sentindo um grande impacto econômico e ambiental, tem investido crescentemente em pesquisas visando a um tratamento mais satisfatório de seu maior efluente: as águas produzidas em campos de produção. Estas são, em sua maioria, descartadas no mar, sem aproveitamento, após serem tratadas. Esse tipo de efluente contém uma gama de compostos orgânicos de alta toxicidade e difícil remoção, como hidrocarbonetos policíclicos aromáticos, além de sais, metais pesados etc. O objetivo principal desse trabalho foi estudar a destilação solar da água de produção pré-tratada para remoção de sais e contaminantes da mesma a partir do uso de um sistema híbrido com pré-aquecimento. Este aparato desenvolvido foi denominado de sistema solar, que é composto por um aquecedor solar convencional e um destilador solar; o primeiro constitui-se de uma caixa d'água, uma placa coletora solar plana e um reservatório térmico; o destilador solar é de simples efeito, com 1m2 de área útil e 20° de inclinação na cobertura. A metodologia consistiu em cinco etapas: experimentos no sistema solar, com medição de temperaturas e de destilado obtido e obtenção de dados climatológicos; modelagem e simulação do sistema; estudo de equilíbrio líquido-vapor de um efluente modelo de solução aquosa de p-xileno; realização de análises físico-químicas de amostras de alimentação, destilado e resíduo; e um estudo climatológico da cidade de Natal-RN. O sistema solar foi testado, separadamente, com água de abastecimento, solução aquosa sintética de NaCl e água produzida de petróleo. Foram realizadas medições de temperatura, a cada minuto, no reservatório térmico, na caixa d´água e no destilador (fases líquida e vapor). Dados de radiação solar e precipitação pluviométrica foram obtidos do INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais). O pré-aquecimento solar mostrou-se eficiente para os líquidos testados e o fluido no reservatório térmico apresentou uma temperatura média de 58 ºC, o que viabilizou a alimentação aquecida no destilador. O perfil de temperaturas no destilador solar apresentou comportamento similar à radiação solar diária, com temperaturas máximas próximas a 70 ºC. Esse equipamento teve rendimento médio de 2,52 L/d e eficiência média de 27,2%. A modelagem matemática permitiu identificar as variáveis e parâmetros mais influentes no sistema solar. O estudo do equilíbrio líquido-vapor, a partir de análise de TOC, indicou condição de heteroazeotropia, com o p-xileno se concentrando na fase vapor. As análises físico-químicas de pH, condutividade, STD, cloretos, cátions (incluindo metais pesados) e ânions, do efluente destilado apresentaram resultados satisfatórios, o que evidencia um potencial de reuso. O estudo climatológico indica a cidade ou a região de Natal-RN como favorável à operação de sistemas solares, mas o uso de aquecimento auxiliar nos períodos de maior pluviosidade e nebulosidade é recomendado