0p.unit.II Evaporadores 2

Op. Unit. II

EvaporadoresCaldeiras e evaporador de duplo efeito concorrente

Ateno: Estas notas de aula destinam-se exclusivamente a servir como roteiro de estudo. Figuras e tabelas de outras fontes foram reproduzidas estritamente com fins didticos.

Prof. Lucrcio Fbio

Operaes Unitrias - II

Op. Unit. II

2

Introduo

Muitas indstrias usam vapor em seus processos de produo. E a principalparcela do custo operacional envolvido em um sistema de evaporao justamente o do vapor.

A gerao de vapor pode ser realizada em:

Caldeiras;

Equipamentos geradores de vapor, ou

Aproveitamento do calor residual proveniente de alguns tipos de processos

industriais (Ex.: siderurgia: gases de alto-forno.

Op. Unit. II

3

Com base na presso, as caldeiras foram classificadas segundo a NR-13 em:

Classificao

As caldeiras podem ser classificadas de acordo com:

classe de presso; grau de automao; tipo de energia empregada; tipo de troca trmica.

Categoria A: caldeira cuja presso de operao superior a 1960 kPa(19, 98kgf/cm2);

Categoria C: caldeiras com presso de operao igual ou inferior a 588 kPa (5,99kgf/cm2) e volume interno igual ou inferior a 100 litros;

Categoria B: caldeiras que no se enquadram nas categorias anteriores.

Noes sobre caldeira

Op. Unit. II

4

Existem outras maneiras particulares de classificao, a saber: quanto aotipo de montagem, circulao de gua, sistema de tiragem e tipo desustentao.

De acordo com o grau de automao, as caldeiras podem se classificar em:

Manuais; Semi-automticas; e Automticas.

De acordo com o tipo de energia empregada, elas podem ser do tipo

Combustvel slido; Lquido; Gasoso; Caldeiras eltricas; e Caldeiras de recuperao.

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5

A classificao mais usual de caldeiras de combusto refere-se localizaode gua/gases e divide-as em: flamotubulares, aquatubulares e mistas.

As caldeiras flamotubulares ou fogotubulares so aquelas em que os gasesprovenientes da combusto (gases quentes) circulam no interior dos tubos,ficando por fora a gua a ser aquecida ou vaporizada, conforme ilustraoabaixo.

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Caldeiras flamotubulares

Este tipo de caldeira de construo mais simples, e pode ser classificadoquanto distribuio dos tubos, que podem ser tubos verticais ouhorizontais.

Nestas, os tubos so colocados verticalmente num corpo cilndrico fechadonas extremidades por placas, chamadas espelhos. A fornalha interna fica nocorpo cilndrico logo abaixo do espelho inferior. Os gases de combustosobem atravs dos tubos, aquecendo e vaporizando a gua que est emvolta deles.

Caldeiras de tubos verticais

As fornalhas externas so utilizadas principalmente no aproveitamento daqueima de combustveis de baixo poder calorfico, tais como: serragem,palha, casca de caf e de amendoim.

Op. Unit. II

7

Op. Unit. II

8

As caldeiras de tubos horizontais abrangem vrios modelos, desde as

caldeiras Cornulia e Lancaster, de grande volume de gua, at as modernas

unidades compactas.

Caldeiras de tubos horizontais

As principais caldeiras

horizontais apresentam

tubules internos nos quais

ocorre a combusto e atravs

destes passam os gases

quentes. Podem ter de 1 a 4

tubules por fornalha.

Flamotubular tpica

Op. Unit. II

9

Op. Unit. II

10

As caldeiras flamotubulares primitivas possuam superfcie de aquecimentomuito pequena, tendo como consequncia uma baixa vaporizaoespecfica (12 a 14kg de vapor gerado/m).

Com o passar do tempo e com a necessidade do aumento da produo devapor e com maiores nveis de presso, trocaram os tubos de fogo por tubosde gua, o que aumentou muito a superfcie de aquecimento, surgindo acaldeira aquatubular, conforme ilustrao abaixo.

Caldeiras aquatubulares

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Nesse tipo de caldeira os tubos conduzem a gua, o que aumenta muito asuperfcie de aquecimento e consequentemente aumenta a capacidade deproduo de vapor.

Op. Unit. II

12

Op. Unit. II

13

Principais energticos no Brasil

Op. Unit. II

14

Poder calorfico do leo: Cp (9.000 a 10.000 cal/g)

Calor liberado pela queima de 1 g de leo combustvel:

]cal[.Cx]g

cal[Cx]g[1Q pp

cal)hH.(m]g

cal)[hH(x]g[mQ o1vo1vapor

(1)

(2)

Caldeira ()

leo

gua

To, ho

Vapor

)H,T,P,m( 111

)C( p

Op. Unit. II

15

o1

p

vo1vphH

.Cm )hH.(m.C

Igualando as equaes (1) e (2):

.C

)hH(mm

p

o1vleo

Op. Unit. IIOp. Unit. II

16

Exerccios

1. Tendo-se um leo combustvel de Cp = 9.400 cal/g queimando em uma

caldeira, com rendimento de 88%, calcular a quantidade de vapor gerado

por kg de leo, sabendo que a gua entra na caldeira a 25oC e o vapor

sai a 5 kgf/cm2 (manomtrico).

Caldeira ( = 88%)

leo

(Cp = 9400 cal/g)

gua

To = 25oC

Vapor

)man(cm/kg5P

?m

2

1

v

Soluo:

Resposta : mv = 13,06 kg


17

2. Um evaporador deve ser projetado para concentrar 4.000 kg de uma

soluo de um sal inorgnico, de 8% (em peso) at 40% (em peso). A

soluo dever ser alimentada a 32oC na cmara de evaporao, que

ser operada a 0,25 kg/cm2. O coeficiente global de troca de calor (U)

1.400 kcal/h.m2.oC. O vapor, a 158,1oC, fornecido por uma caldeira. A

caldeira tem eficincia de 85%, alimentada com gua a 18oC e consome

combustvel com poder calorfico de 9300 kcal/kg.

Calcule:

a) o consumo de vapor;

b) a rea que dever ter o evaporador; e

c) o consumo de combustvel (leo BPF).

Dados:

ETE = 35,1x

Cp = (1 0,8x)soluo


18

hFFxFTF

VoVo

HVo

L1xL1

hL1

T1

TVo D1

HD1

P1

Q

V1H*V1

Caldeira

( = 85%)

leo

(Cp = 9300 cal/g)

gua

To = 18oC

Vapor

TVo


19

1. Proposto: Projeta-se um evaporador para concentrar 5.000kg/h de uma

soluo desde 8% at 50% de soluto (em peso). A alimentao do

evaporador entra a 25oC e este funciona a uma presso absoluta de 100

mmHg. Para aquecimento usa-se vapor dgua a 1,4 kgf/cm2. determinar:a) a rea de troca de calor;

b) consumo horrio de vapor;

c) consumo horrio de leo combustvel ( Cp = 9.350 cal/g)

Dados:

Cpf = 0,95 cal/goC

CpL1 = 0,85 cal/goC

U = 1.150 kcal/h.m2.oC

ETE = 12oCCaldeira: = 88% e To = 25

oC


20

Evaporador de duplo efeito concorrente

, hFF, xF , TF

VopVo

HVo

L1 , xL1, hL1

T1

U1 D1

hD1

P1

Q1

V1H*V1

HV1

L2 , xL2 , hL2

T2

U2 D2

hD2

P2

Q2

V2 H*V2

A1 A2

= HS hE

Evaporado (1)

soluo conc. (1)

soluo diluda

vapor

soluo conc. (2)

Evaporado (2)

T1

INCIO (1)

FIM (2)


21

Balano de massa

1) Cmara de evaporao

L V F 11

x.L F.x 1L1F

221 V L L

x.L .xL 2L2L11

2) Cmara de condensao1o D V

21 D V

(1)

(2)

(3)

(4)

(7)

(8)

V L V F 221 (5) [(1) e (3)]

x.L F.x 2L2F (6) [(2) e (4)]


Balano de energia

F1L11V*

11DVoo

1F1L11V*

11D1Voo

1L11D11V*

1VooF

FhhLHV)hH(V

QFhhLHVhDHV

hLhDHVHVFh

(9)F1L11V*

11o FhhLHVV

1L12L22V*

221 h.Lh.LH.V.V (10)

2D22V*

22L21V11L1 h.DH.Vh.LH.Vh.L

entrada sada

1L12V*

22L22D1V1 h.LH.Vh.L)hH.(V

vapor soluo

21L12V*

22L22D21V1 Qh.LH.Vh.Lh.DH.V 21 D V

1o D V

Evap

ora

do

r 1

Evap

ora

do

r 2


23

Nas equaes (9) e (10)

F1L11V*

11o FhhLHVV

1L12L22V*

221 h.Lh.LH.V.V

Duas equaes e quatro incgnitas (L1, V1, V2, Vo)

Dados: F, L2

Eq. (1):11 V F L

212 L V F V Eq. (5):


24

1L2V*

2

1L2V*

2V*

2L21

hH

)hH.(F)Hh.(LV

F1V*

11L11o h.FH.Vh).VF(.V

Na equao (10) 1L12L22V*

221 h.Lh.LH.V.V

)hH.(F)Hh.(L)hH.(V

h)VF(H).LVF(h.LV

1L2V*

2V*

2L21L2V*

21

1L12V*

212L221

(11)

Na equao (9) F1L11V*

11o FhhLHVV 11 V F L

1

F1V*

11L1o

h.FH.Vh).VF(V

(12)


25

Troca de calor

1111o1 T.A.UVQ (13)

(14)222212 T.A.UVQ

11

1o1

T.U

.VA

22

212

T.U

.VA

Soluo por tentativa:

Primeira tentativa: a) V1 = V2b) Q1 = Q2

Segunda tentativa:

21

2211m

TT

T.AT.AA

m

222

m

111

A

T.AT ;

A

T.AT


26

Exerccio

3. Uma soluo de NaOH a 5% em peso deve ser concentrada at 40% emum evaporador de duplo efeito concorrente, com taxa de alimentao de24.000 lb/h, a 68oF. O vapor de aquecimento est a 78,4 psig. A presso dosegundo estgio de 1,275 psia. Os coeficientes globais de troca de calorso 2.250 e 2.050 kcal/h.m2.oC para o primeiro e segundo estgiosrespectivamente. O primeiro evaporador tem uma rea de troca de calorduas vezes maior que o do segundo evaporador. Determine as reas detroca de calor.


27

2. Proposto: Um Evaporador de duplo efeito concorrente deve ser projetadopara concentrar 600kg/h de uma soluo de NaOH a 10% at 50%, em peso. Asoluo est a 30oC. O vapor para aquecimento est a 8,5 kgf/cm

2. A cmara deevaporao do 2 estgio deve ser operado a 0,15 kgf/cm2. Os coeficientes deglobais de troca de calor so 1.450 e 1.350 kcal/h.m2.oC para o primeiro esegundo estgio, respectivamente. O estgios devero ter reas iguais. Calculeo consumo de vapor e as rea de troca de calor.


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Evaporador de duplo efeito contracorrente

HV1

L2 , xL2 , hL2

T2

U2D2hD2

P2

Q2

V2 H*V2

A2VopVo

HVoL1 , xL1, hL1

T1

U1D1hD1

P1

Q1

V1H*V1

A1

, hFF, xF , TF

soluo diluda

vapor

soluo conc.

1 2


29

Balano de massa

1) Cmara de evaporao L V F 22

x.L F.x 2L2F

112 V L L

x.L .xL 1L1L22

2) Cmara de condensao1o D V

21 D V

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(CE -1)

(CE -2)

(CC -1)

(CC -2)


Balano de energia

2L21L11V*

11D1Voo

1L11D11V*

12L2Voo

hLhLHVhDhV

hLhDHVhLhV

(7)

21 D V

1o D V

Evap

ora

do

r 1

Evap

ora

do

r 2

2L21L11V*

1oo hLhLHVV

F2L22V*

22D21V1

2L22D22V*

21V1F

FhhLHVhDHV

hLhDHVHVFh

F2L22V*

211 FhhLHVV (8)


31

Troca de calor

111oo1 T.A.UVQ (9)

(10)222112 T.A.UVQ

11

oo1

T.U

.VA

22

112

T.U

.VA

Simplificao de incgnitas nas equaes (7) e (8)

2L111L11V*

1oo h)VL(hLHVV

F2L112V*

1111 Fhh)VL(H)VLF(V


32

Das equaes (1) e (3):

Da equao (1):

112

112

L V F V

L V V F

112 V L L

2L12L11L11V*

1oo hVhLhLHVV

o

2L1L12L1V*

1o

)hh(L)hH(VV

(11)


33

F2L112V*

1111 Fhh)VL(H)VLF(V

F2L12L12V*

12V*

12V*

11 FhhVhLHVHLFHV

)hH(F)Hh(L)hH(V F2V*

2V*

2L12L12V*

1

2L12V*

F2V*

2V*

2L11

hH

)hH(F)Hh(LV

(11)


34

Exerccio

4. Repetir os clculos do exerccio (3), usando os seguintes coeficientesglobais de troca de calor: 2.100 e 2.200 kcal/h.m2.oC, para o primeiro esegundo estgios, respectivamente.

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