UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
Operações Unitárias II
Evaporação
Professor Paul Fernand Milcent
Monitora Patrícia Carrano Moreira Pereira
2013
Sumário
1.
2.
3.
Introdução ...........................................................................................................................2
1.1.
Fontes de energia ......................................................................................................2
1.2.
Evaporação ≠ Secagem............................................................................................2
1.3.
Evaporação ≠ Destilação ..........................................................................................2
1.4.
Evaporação ≠ Cristalização ......................................................................................3
Evaporadores .....................................................................................................................3
2.1.
Simples Efeito ............................................................................................................4
2.2.
Múltiplo efeito .............................................................................................................4
2.3.
Compressão mecânica .............................................................................................8
2.4.
Compressão térmica .................................................................................................9
2.5.
Múltiplos efeitos de expansão ................................................................................11
2.6.
Bomba de calor ........................................................................................................12
Evaporação ......................................................................................................................13
3.1.
Pressão na câmara de evaporação ......................................................................14
3.2.
Pressão na câmara de condensação ...................................................................14
3.3.
Projeto do Equipamento .........................................................................................15
3.4.
Perfil da temperatura ...............................................................................................16
3.5.
Influência da perda de carga no projeto ...............................................................17
3.6.
Tipo de Solução .......................................................................................................18
3.6.1.
Regra de Duhring .............................................................................................19
3.6.2.
Ábaco do Perry.................................................................................................20
3.7.
4.
Calor de dissolução .................................................................................................21
Cálculo do evaporador ....................................................................................................21
3.7.
Equipamentos ..........................................................................................................34
3.7.1.
Evaporador de uma passagem ......................................................................34
3.7.2.
Recirculação .....................................................................................................35
3.7.3.
Evaporação solar .............................................................................................35
3.7.4.
Combustão Submersa.....................................................................................35
3.7.5.
Circulação natural ............................................................................................35
3.7.6.
Circulação Forçada..........................................................................................36
3.7.7.
Evaporador de Filme Ascendente .................................................................37
1
4.
3.7.8.
Evaporador de Filme Descendente ...............................................................38
3.7.9.
Filme Agitado....................................................................................................39
Exercícios propostos .......................................................................................................41
1. Introdução
A evaporação é uma operação unitária que tem por finalidade concentrar
soluções constituídas de solventes voláteis e solutos considerados não-voláteis
através da evaporação parcial do solvente.
Como os solutos são considerados não voláteis, no equilíbrio a fase
gasosa ou o evaporado só contém solvente, ou seja, a fração de solvente no
evaporado é de 100% ( ysolvente=1; ysoluto=0). Porém, na fase líquida, que é a
solução a ser concentrada, há frações tanto de soluto quanto de solvente
(xsolvente e xsoluto).
1.1. Fontes de energia
Vapor d’agua
Combustão
-Eólica
Energia elétrica (resistências) -Hidroelétrica
-Solar
-Nuclear
1.2. Evaporação ≠ Secagem
Na evaporação, ao término da operação, é obtido um produto líquido
concentrado, já na secagem tem-se um produto sólido.
2
1.3. Evaporação ≠ Destilação
Diferente da evaporação, na destilação o soluto pode ser volátil, assim a
fração de solvente na corrente gasosa não é de 100%.
1.4. Evaporação ≠ Cristalização
A cristalização pode ser feita de duas maneiras, uma delas é alterando a
temperatura da solução para diminuir a solubilidade do sólido dissolvido, a
outra é evaporando o solvente até que a solução chegue ao ponto de
saturação e os cristais comecem a se formar.
Quando se utiliza o segundo método, a evaporação e a cristalização são
basicamente o mesmo processo, mas diferem na finalidade da operação. Na
cristalização, evapora-se o solvente até que a solução fique saturada e,
consequentemente, o soluto cristalize, enquanto na evaporação ocorre apenas
a concentração da solução sem que se atinja o ponto de saturação.
2. Evaporadores
Os evaporadores podem operar de várias maneiras, são elas:
-Simples Efeito
-Múltiplo Efeito
Operação
-Por Compressão - Mecânica
- Térmica
-Múltiplos Efeitos de Expansão
-Bomba de Calor
3
2.1. Simples Efeito
Figura 1 - Esquema de evaporador de simples efeito
A evaporação por simples efeito é um processo em que se utiliza apenas
um evaporador. É importante no entendimento dos equipamentos de
evaporação, mas na prática não é muito usado por gastar muita energia.
2.2. Múltiplo efeito
A evaporação por múltiplos efeitos é um processo em que há a
associação de vários evaporadores, neste sistema o evaporado de um efeito é
utilizado como fluido de aquecimento no próximo efeito, como mostrado na
Figura 2. Esta configuração não resulta em uma produção maior que o simples
efeito, sua vantagem é a economia de energia.
Figura 2 - Esquema de evaporador de múltiplo efeito
4
As pressões são diferentes em cada efeito (P1>P2>PN), pois é
necessário que a solução entre em ebulição a temperaturas cada vez menores,
já que o fluido de aquecimento será o evaporado proveniente do efeito anterior,
ou seja, se a pressão for a mesma, o vapor estará a mesma temperatura de
ebulição da solução e não haverá troca de calor. Com essa diferença de
pressão T1>T2>TN.
O sistema de alimentação dos efeitos poder ter quatro configurações
diferentes:
 Cocorrente
Figura 3 - Esquema de evaporador de múltiplo efeito em cocorrente
Dessa maneira, o evaporado e a solução concentrada seguem no
mesmo sentido (Figura 3). Assim, no efeito em que a temperatura é maior, a
concentração da solução será a menor, sendo uma boa forma de alimentar
soluções termosensíveis. Da mesma forma, no efeito em que a temperatura é a
menor, a concentração é a maior, sendo uma forma ruim de alimentar soluções
viscosas.
5
 Contracorrente
Figura 4 - Esquema de evaporador de múltiplo efeito em contracorrente
Ao contrário da alimentação em cocorrente, a alimentação em
contracorrente é feita de forma que o evaporado segue em um sentido e a
solução segue no sentido contrário (Figura 4). Assim, essa forma de
alimentação é ruim para soluções termosensíveis e boa para soluções
viscosas.
Porém, esse arranjo traz outro problema, a solução segue no sentido da
menor para a maior pressão, ou seja, o escoamento não ocorrerá
naturalmente, sendo necessário utilizar muitas bombas para que ele aconteça.
 Misto
Figura 5 - Esquema de evaporador de múltiplo efeito misto
6
Essa configuração corrige o problema da alimentação em contracorrente.
Nela a alimentação da solução diluída é feita em um estágio do meio da linha e
a solução segue para os efeitos posteriores e depois volta para os iniciais.
Dessa forma é necessário um menor numero de bombas, mas o arranjo
continua atendendo bem a soluções de alta viscosidade.
 Cruzado
Figura 6 - Esquema de evaporador de múltiplo efeito cruzado
Na alimentação cruzada, a solução diluída é alimentada em todos os
estágios e a solução concentrada também é retirada de todos eles, já o
evaporado segue para os estágios sequenciais.
As grandes vantagens dessa configuração são: é possível concentrar
varias soluções diferentes ao mesmo tempo ou, se utilizada para a
cristalização, evita a quebra dos cristais que ocorreria caso a solução ficasse
passando de um estagio para outro.
7
2.3. Compressão mecânica
Figura 7 - Esquema de evaporador por compressão mecânica
Nesse tipo de evaporador, o evaporado é aproveitado no trocador de
calor, mas como a entalpia do evaporado é um pouco menor que a do vapor
vivo, é utilizado um compressor. Esse compressor fornece a energia
necessária para ajustar a entalpia do evaporado.
Por exemplo, se o evaporado sai do evaporador a uma pressão de
P=2,4atm, temperatura T=125°C e entalpia de hg=648kcal/kg, mas o vapor que
deve ser alimentado para que o equipamento atenda às especificações de
projeto e apresente diferença de temperatura suficiente para a troca térmica
com a solução é um vapor de P=4atm, T=145°C e hg=654kcal/kg, como
ilustrado na Figura 8. Nesse caso, pode-se usar um compressor para adequar
o evaporado à essas condições. Lembrando que a energia elétrica consumida
pelo compressor usualmente é mais cara que energia térmica, portanto este
tipo de operação deve ser escolhido com cautela.
E
ΔT=20°C
W’
P=2,4atm
T=125°C
Hg=648kcal/kg
F
W
P=4atm
T=145°C
Hg=654kcal/kg
S
Figura 8 - Exemplo de evaporador por compressão mecânica
8
2.4. Compressão térmica
Figura 9 - Esquema de evaporador por compressão térmica
Segue o mesmo princípio do evaporador por compressão mecânica,
mas ao invés de um compressor, utiliza-se um ejetor a jato de vapor d’água. O
ejetor funciona como uma válvula redutora de pressão e é aplicável quando há
grande disponibilidade de vapor a alta pressão e escassez de vapor de baixa
pressão.
Um ejetor a jato de vapor d’água funciona da seguinte maneira:
Figura 10 - Esquema de ejetor a jato de vapor d'água
No bocal do fluido motriz: como há estrangulamento do fluido motriz
(vapor de alta pressão), a velocidade aumenta e, pela equação de Bernoulli, a
pressão vai diminuir.
Na caixa de mistura: o evaporado com baixa pressão é aspirado pelo
vácuo formado e é misturado com o vapor.
9
No difusor: há uma abertura e então a velocidade diminui e a pressão
aumenta, fornecendo então ao evaporado a energia necessária. Sai então o
vapor a média pressão nos padrões desejados.
É possível calcular a pressão do vapor vivo de alta pressão que deve ser
alimentado no ejetor através da seguinte equação:
Onde:
m é a razão entre a massa de vapor do evaporado e a massa de vapor vivo
de alta pressão.
PA é a pressão do vapor vivo de alta pressão.
PB é a pressão baixa do evaporado.
PM é a pressão média do vapor necessário para alimentar a câmara de
condensação.
10
2.5. Múltiplos efeitos de expansão
F
1
2
N
W
Sn
Figura 11 - Esquema de evaporador de múltiplos efeitos de expansão
Nesse tipo de evaporador, a alimentação é pré aquecida em trocadores
de calor em que o fluido de aquecimento é o evaporado de cada estágio,
depois ela passa por outro trocador de calor onde é aquecida por vapor vivo.
Após aquecida, a alimentação passa antes de cada efeito por uma válvula de
expansão que causa o flasheamento da solução, cada efeito então separa um
pouco de evaporado.
11
2.6. Bomba de calor
Q1
T MENOR
Q2
T MAIOR
SISTEMA
Q1 + W = Q2 + perdas
W
ENERGIA
ADICIONAL
Figura 12 - Esquema de bomba de calor
Em uma bomba de calor existem basicamente quatro componentes:
Compressor, condensador, dispositivo de expansão e evaporador.
O fluido refrigerante na forma de líquido saturado passa pela válvula de
expansão, onde é submetido a uma queda de pressão brusca e passa a ter
12
dois estados, o líquido e o gasoso. O fluido refrigerante, nesse ponto, é
denominado de flash gás. Então o fluido é conduzido pelo evaporador, onde
absorverá calor do ar do evaporador, vaporizando-se.
Na saída do evaporador, na forma de gás ele é succionado pelo
compressor, que eleva sua pressão e sua temperatura para que possa ser
conduzido através do condensador, que cederá calor ao ambiente externo,
condensando o fluido e completando o ciclo.
3. Evaporação
Pode-se representar um equipamento de evaporação, de maneira
simplificada, como uma câmara de condensação e uma câmara de
evaporação. Assim, como há duas câmaras separadas, a pressão em cada
uma das câmaras pode ser diferente (Figura 13).
Figura 13- Representação simplificada de um evaporador
A Equação 1 é a equação que relaciona a área de troca do evaporador
com o coeficiente global de troca térmica e a diferença de temperatura.
(1)
Em que ΔT é a diferença entre a temperatura de condensação e a
temperatura de evaporação e é função de
13
 Pressão na câmara de evaporação
 Pressão na câmara de condensação
 Tipo de solução
 Projeto do equipamento
3.1. Pressão na câmara de evaporação
Em geral, é comum que a pressão na câmara de evaporação seja menor
que a pressão atmosférica (vácuo), pois quanto maior a pressão, menor a
temperatura de evaporação e, consequentemente, maior a diferença de
temperatura ΔT.
Então, analisando a Equação 1, temos que
Ou
Se a área diminui, o custo com o equipamento também diminui e se a
taxa de transferência de calor aumenta, a capacidade (vazão de evaporado)
também aumenta. (Lembre no entanto, que baixas pressões também
representam custos.)
3.2. Pressão na câmara de condensação
Da mesma forma, a fim de se ter um ΔT maior, geralmente a pressão na
câmara de condensação é mais elevada. Porém, a medida que essa pressão
aumenta, a entalpia do vapor saturado diminui e é necessário mais vapor para
o aquecimento, além disso as paredes do equipamento precisam ter uma
espessura maior, aumentando os custos. Dessa forma não é viável operar com
uma pressão muito elevada, deve-se encontrar um ponto de equilíbrio
(digamos, vapor saturado a 4 ata).
14
3.3. Projeto do Equipamento
 Ex: Evaporador padrão de tubos verticais
Figura 14 - Esquema de evaporador padrão de tubos verticais
Figura 15 - Esquema de trocador de calor do evaporador
A parte do trocador de calor funciona como um trocador de calor de
casco e tubos em que o vapor vivo passa pelo casco e a solução passa pelos
tubos.
É considerado de circulação natural, pois a circulação da solução
acontece exclusivamente devido à convecção natural.
15
A solução que vai sendo aquecida, sobe pelos tubos de menor
diâmetro, enquanto no tubo central de maior diâmetro (50-100% maior que os
outros), como o fluido está mais distante da parede e portanto com temperatura
menor, a solução desce.
3.4. Perfil da temperatura
Figura 16 - Representação da variação da temperatura com a
profundidade no trocador de calor do evaporador
Pode-se dizer que enquanto a solução está descendo a temperatura não
muda, mas a pressão vai aumentando e a ebulição não vai mais ocorrendo. A
solução sobe pelos tubos de menor diâmetro e vai se aquecendo e enquanto
ela sobe a pressão vai diminuindo e começa a ebulição.
Para cálculos de transferência a temperatura do topo não é utilizada,
mas sim a do sistema, que é uma temperatura média ( ).
(2)
Então, na prática, o ΔT é menor que o teórico, pois o T evap ( ) é menor
que o esperado T topo.
16
3.5. Influência da perda de carga no projeto
Ex: Múltiplo efeito
Figura 17 - Representação simplificada de evaporador de múltiplo efeito
P1
é a pressão na câmara do efeito anterior
P2
é a pressão no condensador do efeito posterior
Se não houver perda de carga P1 é igual a P2, mas se houver P2 é
maior que P1. Se P2 for menor, a temperatura de saturação também será e,
consequentemente, o vapor usado no efeito posterior estará a uma
temperatura menor, diminuindo o ΔT do sistema. Por isso, são usados tubos de
maior diâmetro para conduzir o evaporado a fim de evitar ao máximo a perda
de carga.
17
Figura 18 - Diagrama de Pressão versus Temperatura do vapor
3.6. Tipo de Solução
A mudança da fase líquida para a fase vapor ocorre na pressão de vapor
(Pv). A água pura na temperatura de 100°C apresenta P v=760mmHg, já uma
solução aquosa de NaOH 60% na temperatura de 100°C apresenta
Pv=30,1mmHg. Então, é possível perceber que a água, em presença de um
soluto, apresenta um abaixamento da pressão de vapor.
Para que a solução aquosa de NaOH tenha a mesma pressão de vapor
da agua pura (Pv= 760mmHg), esta deve estar a uma temperatura de 167°C. A
esse aumento na temperatura, dá-se o nome de elevação do ponto de ebulição
(e.p.e.) e ele pode ser determinado pela regra de Duhring.
Os maiores e.p.e. são observados quando o soluto é composto de
moléculas pequenas e iônicas, podendo chegar a 80°C, quando a molécula é
muito grande e/ou orgânica o e.p.e. é muito baixo chegando a ser desprezível.
Quando a solução apresenta e.p.e., o evaporado retirado do equipamento é um
vapor superaquecido.
18
3.6.1. Regra de Duhring
Consiste em traçar um gráfico representando a variação da temperatura
de ebulição do solvente puro com a temperatura de ebulição da solução,
obtendo retas com dois pontos experimentais para cada concentração da
solução.
Figura 19 - Diagrama de Duhring
Exemplo: Qual o e.p.e. de uma solução de NaOH 60% quando a
temperatura de ebulição do solvente puro é de 95°C? Utilizar o Diagrama de
Duhring da Figura 19. (Resposta: TEsolução=160°C; e.p.e.=65°C)
19
3.6.2. Ábaco do Perry
Além desse diagrama, o PERRY também traz um ábaco no qual é
possível encontrar o e.p.e. para diversas substâncias.
Figura 20 - Ábaco do Perry para determinação do e.p.e de soluções
O ábaco da Figura 20 é lido da seguinte forma:
 Encontrar na escala à direita a temperatura da solução em °F
 Traçar uma reta deste ponto até o ponto correspondente à
substância
 Prolongar esta reta até o anteparo no lado esquerdo do ábaco
 A partir do ponto marcado no anteparo, traçar uma reta até a
porcentagem correspondente
 Prolongar esta reta até a escala à direita, a reta tocará no ponto
correspondente ao ponto de ebulição da solução.
20
3.7. Calor de dissolução
Se o calor de dissolução for apreciável, é necessário considerá-lo no
balanço de energia. Estes valores de entalpia podem ser encontrados em
diagramas de Entalpia x Concentração, em que cada curva representa uma
temperatura diferente, e eles são específicos para cada solução.
A Figura 21 apresenta um diagrama Entalpia x Concentração para
soluções aquosas de NaOH.
Figura 21 - Diagrama de entalpia versus concentração
4. Cálculo do evaporador
Tópicos gerais para cálculo de um equipamento
 Balanço material
 Balanço energético (Entálpico)
 Condições de equilíbrio
 Propriedades termodinâmicas
 Velocidades de transferência
 Dimensionamento
21
- Trocador de calor
Para qualquer x, y é sempre igual a 1
- Câmara de separação
P = Psat = f (T, x)
E, he
F, hF, xf
W
hg
hf
S, hs, xs
Figura 22 - Esquema de evaporador de simples efeito
F, E, W, S
hF, he, hs
Vazões mássicas [kg/h]
Entalpias [kcal/kg]
hg
Entalpia do vapor saturado [kcal/kg]
hf
Entalpia do liquido saturado [kcal/kg]
q
Fluxo de calor [kcal/h]
A
Área de troca térmica [m²]
U
Coeficiente global de troca térmica [kcal/h.m².°C]
x
Concentração de sólidos (base úmida) [kgsoluto/kgsolução]
 Balanço material
Global:
(3)
Soluto:
(4)
 Balanço Entálpico
(5)
22
(6)
(7)
OU
(8)
(9)
 U
Pode ser fornecido ou estimado
(10)
 Considerações termodinâmicas
Sem mudança de fase:
(11)
A pressão constante:
(12)
Na referência
:
23
(13)
 Para misturas
o Pode-se desprezar o calor de mistura quando há pouca interação
entre as moléculas
 Moléculas grandes (orgânicas) interagem pouco
 Moléculas pequenas (inorgânicas e iônicas) interagem
muito
função linear por não ter efeito
de mistura
Conhecendo-se Cp para uma concentração, interpola-se para encontrar
Cp em outras concentrações.
Interpolando:
(14)

Atenção! Se houver elevação
do ponto de ebulição, o vapor de água que sai na corrente de evaporado
sairá superaquecido, então haverá um incremento na entalpia da
24
corrente E que antes era considerada como a entalpia do vapor saturado
retirada da tabela de vapor. Essa diferença na entalpia pode ser
observada no gráfico da Figura 23.
Figura 23 - Diagrama de Temperatura versus entalpia da água
Na Figura 23, observa-se os pontos B, C e D marcados sobre a curva
que representa uma pressão constante e igual para todos, em que B
representa a entalpia do líquido saturado (hf), C representa a entalpia do vapor
saturado (hg) e D representa a entalpia do vapor superaquecido que, para os
casos em que há elevação do ponto de ebulição, é a entalpia da corrente E
(hE).
Assim, para calcular o valor de hE utiliza-se:
Ou
(15)
Uma boa simplificação, que traz bons resultados, é considerar:
25

Economia
o
Economia do simples efeito
(16)
o Economia do múltiplo efeito
1ª Hipótese
(17)
(18)
(19)
2ª Hipótese
(20)
(21)
(22)
Então,
Como
(23)
À medida que o número de estágios aumenta a economia também
aumenta o que justifica a associação de evaporadores.
26
 Capacidade
o Capacidade do simples efeito
o Capacidade do múltiplo efeito
Considerando
constante
Como
e considerando que a área de troca e o coeficiente
global de troca térmica em cada efeito sejam os mesmos que os do simples
efeito.
Considerando ainda que a diferença de temperatura global do múltiplo
efeito seja a mesma diferença de temperatura do simples efeito, então:
Assim, pode-se perceber que a operação em múltiplos efeitos não
aumenta a capacidade de produção, apenas economiza energia.
27
Exemplo Resolvido 1
Uma solução aquosa de um colóide orgânico deve ser concentrada de
10% até 40% em um evaporador simples na vazão de 15000kg/h. O vapor de
aquecimento é vapor de água saturado a 2ata e abandona a câmara de
condensação na temperatura de condensação. Na câmara de evaporação
mantém-se uma pressão absoluta de 150mmHg. O calor de dissolução, de
diluição e as perdas de calor ao exterior são desprezadas. O coeficiente
integral de transmissão de calor vale 2000kcal/h.m².°C e a capacidade
calorífica a pressão constante da alimentação é 0,9kcal/kg.°C. A solução pode
entrar no evaporador a 20°C, 50°C ou 80°C. Determine para cada uma das
condições de entrada o consumo de vapor vivo, a superfície necessária de
troca térmica e a economia do processo.
F=15000kg/h; xF=0,10; xS=0,40
T = 119,6°C
Vapor
saturado
P=
Tabela de vapor
h2ata
f = 120,3kcal/kg
hg = 645,9kcal/kg
Pcâmara= 150mmHg = 0,197ata
Tabela de vapor
TE = 60°C
hE = 623,2kcal/kg
Balanço material:
28
Balanço entálpico:
Para alimentação a 20°C
Para alimentação a 50°C
29
Para alimentação a 80°C
Economia do processo:
30
Exemplo Resolvido 2
Em um evaporador simples processamos 15000kg/h de uma solução de
NaOH de 10% a 50% em peso. O vapor empregado é vapor saturado a 3,5ata
e uma vez condensado sai na temperatura de condensação. O vácuo mantido
na câmara de evaporação é de 620mmHg referido a pressão atmosférica
normal. O coeficiente integral de transmissão de calor vale 1600kcal/h.m²°C.
Se a alimentação entra a 40°C e não se perde calor ao sistema, determinar o
consumo horário de vapor de aquecimento, a superfície de aquecimento e a
economia.
Balanço Soluto
Balanço Global
Balanço Entálpico
31
Tabela de
Vapor
Tabela de
Vapor
Tsat=59°C
hg =623 kcal/kg
TW =138°C
hf =139 kcal/kg
hg =652 kcal/kg
Tsat=59°C
Para o solvente puro!
hg =623 kcal/kg
Diagrama de
Duhring
TS=103°C
Como a entalpia de dissolução é apreciável
40°C
hf
Xf = 0,1
103°C
hf
Xf = 0,5
Diagrama
hx X
hF=35 kcal/kg
Diagrama
hx X
hS=134 kcal/kg
Como há epe, E é superaquecido
Substituindo os valores no balanço de energia
32
Assim
Economia
33
3.7. Equipamentos
Podem ser classificados de acordo com o tipo de aquecimento ou de
operação.
Uma passagem
Operação
Recirculação
Evaporação Solar
Direto
Combustão Submersa
Aquecimento
Circulação Natural
Circulação Forçada
Indireto
Tipo Filme
Ascendente
Descendente
Filme agitado
3.7.1. Evaporador de uma passagem
F
S
E
Figura 24 - Esquema de evaporador de uma passagem
O tempo de permanência é muito pequeno, resultando em um
rendimento baixo.
Comumente usado quando se tem um material orgânico que pode sofrer
degradação se exposto a altas temperaturas por muito tempo.
34
3.7.2. Recirculação
F
S
E
Figura 25 - Esquema de evaporador de recirculação
O tempo de permanência da solução no evaporador é alto, não podendo
ser usado para materiais que sofram degradação a altas temperaturas.
3.7.3. Evaporação solar
Como o próprio nome sugere, a solução é exposta ao sol para que haja
a evaporação do solvente.
3.7.4. Combustão Submersa
Faz uso de gases de combustão borbulhando através do líquido como
meio de transferência de calor. Consiste simplesmente num tanque para
armazenar o líquido, um queimador, um distribuidor de gás que pode ser
inserido no líquido e um sistema de controle de combustão. Uma vez que não
existe nenhuma superfície de aquecimento, este evaporador é adequado para
uso com líquidos em grande escala. A facilidade de construção do tanque com
um queimador de ligas especiais ou materiais não metálicos torna prático o
manuseio de soluções altamente corrosivas. No entanto, como o vapor é
misturado com uma grande quantidade de gases não condensáveis, é
impossível reutilizar o calor deste vapor.
Uma das dificuldades frequentemente encontradas na utilização de
evaporadores de combustão submersa é uma elevada perda por arraste. Além
disso, estes evaporadores não podem ser usados quando, no caso da
cristalização, o controle de tamanho dos cristais é muito importante.
3.7.5. Circulação natural
A construção do equipamento permite que a circulação ocorra
naturalmente, resultado das correntes convectivas.
35
O trocador de calor se localiza no interior do separador de fases, então a
solução alimentada entra em contato com a superfície de aquecimento e,
devido ao modo como este trocador de calor é construído, como já foi visto em
seções anteriores na Figura 15 e na Figura 16, a solução sofre efeito das
correntes convectivas tornando o aquecimento homogêneo e a troca de calor
eficiente.
Assim, este tipo de evaporador dispensa o uso de bombas, o que o torna
uma opção de baixo custo energético.
Figura 26 - Esquema de evaporador de circulação natural
3.7.6. Circulação Forçada
Utiliza uma bomba para fazer a circulação da solução a ser concentrada,
é comumente usada para fluidos viscosos ou corrosivos.
Embora ele não seja o mais econômico para muitas utilizações, o
evaporador de circulação forçada é adequado para uma ampla variedade de
aplicações. A utilização de uma bomba para assegurar a circulação pela
superfície de aquecimento torna possível a separação das funções de
transferência de calor, separação vapor-líquido, e cristalização. A bomba retira
a solução da câmara flash e força sua passagem através do elemento de
aquecimento de volta para a câmara flash. A circulação é mantida
36
independentemente da taxa de evaporação, de modo que este tipo de
evaporador é bem adequado para a operação de cristalização, em que os
sólidos devem ser mantidos em suspensão. A velocidade do líquido após a
superfície de aquecimento é limitada apenas pelo bombeamento e por corrosão
acelerada e erosão em velocidades mais elevadas.
Figura 27 - Esquema de evaporador de circulação forçada
3.7.7. Evaporador de Filme Ascendente
Os evaporadores de filme ascendente são do tipo casco e tubos, nos
quais o produto circula pelos tubos e o vapor pelo casco, aquecendo as
paredes externas dos mesmos. A alimentação entra na parte inferior do tubo e
começa a evaporar parcialmente no seu interior, esse vapor arrasta a solução
que, desse modo, ascende. A mistura de líquido e vapor que sai na parte
superior colide a alta velocidade contra um deflector colocado sobre a folha de
tubos. Esse defletor é eficaz tanto como um separador primário e como um
disjuntor de espuma.
37
Normalmente o tempo de permanência da solução é de apenas alguns
segundos. Devido aos tubos longos e aos relativamente altos coeficientes de
transferência de calor, é possível atingir as capacidades-unitárias mais
elevadas neste tipo de evaporador do que em qualquer outro.
Em muitos casos, tal como quando a proporção de alimentação para a
evaporação ou a taxa de alimentação para a superfície de aquecimento é
baixa, é desejável prever recirculação do produto através do evaporador. Isto
pode ser feito adicionando uma conexão de tubo entre a linha de produtos e a
linha de alimentação.
Figura 28 - Esquema de evaporador de filme ascendente
3.7.8. Evaporador de Filme Descendente
É semelhante ao evaporador de filme ascendente, mas nesse caso a
alimentação é feita no topo e a solução desce por efeito da gravidade.
O líquido é alimentado pelo topo dos tubos e flui para baixo pelas
paredes, como um filme. A separação das fases normalmente ocorre na parte
inferior, embora alguns evaporadores deste tipo sejam dispostos de modo que
o vapor suba através do tubo em contracorrente com o líquido. A queda de
pressão através dos tubos é geralmente muito pequena e a temperatura de
38
ebulição do líquido é substancialmente a mesma que a temperatura do vapor
da cabeça.
O evaporador de filme descendente é amplamente utilizado para a
concentração de materiais sensíveis ao calor, como sumos de frutas, porque o
tempo de residência é muito pequeno, o líquido não é superaquecido durante a
passagem através do evaporador e os coeficientes de transferência de calor
são elevados, mesmo a baixas temperaturas de ebulição.
O principal problema com esse tipo de evaporador é que a distribuição
de alimentação pelos tubos. É essencial que todas as superfícies do tubo
sejam humedecidas continuamente. Isto requer geralmente a recirculação do
líquido, a menos que a proporção de alimentação para a evaporação seja
bastante elevada. Uma alternativa para o sistema de recirculação simples é por
vezes usado quando a alimentação é submetida a uma variação de
concentração apreciável e o produto é viscoso e / ou tem um elevado aumento
do ponto de ebulição. A câmara de e o vapor são divididos em uma série de
compartimentos de solução e bombas separadas são usadas para passar a
solução através de vários bancos de tubos em série, todos em paralelo. A
distribuição efetiva da alimentação para os tubos individuais do equipamento
pode ser conseguida pelo emprego de orifícios na entrada de cada tubo, por
uma placa perfurada sobre os tubos ou por um ou mais bicos de pulverização.
3.7.9. Filme Agitado
Utilizam uma superfície de aquecimento que consiste de um tubo de
grande diâmetro que pode ser reto ou cônico, horizontal ou vertical. O líquido é
espalhado sobre a parede do tubo por um conjunto de lâminas rotativas que
mantém uma folga estreita a partir da parede ou realmente formam uma
película de líquido na parede. A construção dispendiosa limita a aplicação para
a maioria dos materiais. Alta agitação e poder permitem o manuseio de
materiais extremamente viscosos. Tempos de residência de apenas alguns
segundos permitem a concentração de materiais sensíveis ao calor. Altas
vazões de alimentação podem ser manuseadas sem recirculação.
39
Considerações econômicas e de processo geralmente ditam que
evaporadores de filme agitado sejam operados em simples efeito. Diferenças
de temperatura muito altas podem então ser utilizadas: muitos são aquecidos
com fluidos térmicos. Isto permite atingir capacidades razoáveis, apesar de os
coeficientes de transferência de calor relativamente baixos e a superfície
pequena, que pode ser fornecida num único tubo.
Figura 29 - Esquema de evaporador de filme agitado
40
4. Exercícios propostos
1. Em um evaporador simples se concentram 20000kg/h de uma solução
de 10% a 50% em peso. O vapor de aquecimento é vapor saturado a
1,6ata e na câmara de evaporação se mantém uma pressão absoluta de
450mmHg. Para a solução de 50% o e.p.e é de 10°C e a capacidade
calorifica a pressão constante da solução diluída é 0,85kcal/kg°C.
Considerando desprezíveis os efeitos térmicos de diluição e dissolução,
determine o consumo horário de vapor e a superfície de aquecimento
necessária. A solução entra no evaporador a 25°C e U=1800kcal/m²h°C.
(Resposta: W=18620kg/h; A=326m²)
2. Uma solução de NaOH é concentrada de 8% a 25% em peso em um
evaporador simples. A alimentação é de 3000kg/h. Antes da solução
entrar no evaporador, ela é aquecida em um trocador de calor até 70°C
empregando como meio de aquecimento o condensado que sai da
câmara de condensação. Para o aquecimento do evaporador é
empregado vapor saturado a 108°C, mantendo-se a câmara de
evaporação na pressão absoluta de 90mmHg. Determine o coeficiente
integral de transmissão de calor sabendo que a superfície de
aquecimento é de 20m². (Resposta: W=2120kg/h; U=1180kcal/hm²°C)
41