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PRINCÍPIOS DA EVAPORAÇÃO, IMPORTÂNCIA E UTILIZAÇÃO.
EvaporaçãoA evaporação é a operação unitária que tem por objetivo a concentração de uma solução,
pela retirada de solvente, fazendo a solução entrar em ebulição.
EvaporadoresBasicamente um evaporador consiste de um trocador de calor para aquecer a solução à
ebulição e um separador do vapor formado pela fase líquida em ebulição. O produto de um evaporador é geralmente a solução concentrada.A figura abaixo mostra um esquema simplificado de um evaporador.
O meio de aquecimento normalmente utilizado é o vapor d’água, que, ao passar pelo trocador, passa ao estado líquido cedendo o seu calor de condensação para a solução que então entra em ebulição.Existe uma infinidade de tipos de evaporadores sendo que a escolha do tipo adequado para a realização de uma determinada tarefa depende das condições e das características da solução a concentrar como também das características que se deseja para o produto final.
Transferência de calorEste é o fator mais importante no projeto de evaporadores, pois a superfície de
aquecimento representa a maior parte do seu custo. Igualmente, o tipo de evaporador selecionado deve ter o mais alto coeficiente de transferência de calor sobre condições operacionais desejadas em termos de J/s×K (corrente térmica britânica unidades por hora por grau Fahrenheit) por dólar de custo instalado. Quando é exigido potencia para induzir uma circulação além da superfície de aquecimento, o coeficiente de troca térmica deve ser mais alto para compensar o custo de energia para circulação.
Separação vapor-líquidoEste problema de projeto pode ser importante por inúmeras razões. A mais importante
normalmente é a prevenção de arraste por causa do valor do produto perdido, poluição, contaminação do vapor condensado, ou corrosão de superfícies nas quais o vapor é condensado. A Separação vapor-líquido no vapor de topo também pode ser importante quando o pulverizador forma depósitos nas paredes, quando os vórtices aumentarem as exigências de
Figura 1
Solvente Vaporizado
Vapor de Aquecimento
Vapor Condensado
Solução Concentrada
Alimentação ou Carga
bombas de circulação para o topo, e quando o circuito curto fizer com que o liquido ou vapor não flasheado seja devolvido à bomba de circulação e ao elemento de aquecimento. O desempenho do evaporador é avaliado com base na economia de vapor, ou seja, quilogramas de solvente evaporado por quilograma de vapor usado.
Em evaporadores o calor é requerido para: Aumentar a temperatura inicial do alimentado até sua temperatura de ebulição. Fornecer a energia termodinâmica mínima para separar o solvente do alimentado. Vaporizar o solvente.
A maior economia de vapor é obtida reutilizando o solvente vaporizado. Isto é conseguido em um evaporador de múltiplo efeito usando o vapor de um efeito como meio de aquecimento em um outro efeito no qual ocorra a ebulição a uma temperatura e pressão mais baixa. Um outro método de aumento na utilização da energia é utilizar um evaporador de termocompressão no qual o vapor é comprimido de modo que se condense a uma temperatura bastante alta para permitir seu uso como meio de aquecimento no mesmo evaporador.
Seleção do tipo de evaporadorCom exceção da transferência de calor, a seleção do melhor tipo de evaporador para uma
situação particular é governada pelas características de alimentação e do produto. Outro ponto a ser considerado é a cristalização, formação de depósitos, qualidade do produto, corrosão e formação de espuma. No exemplo de um evaporador de cristalização o desejo de produzir cristais de um tamanho uniforme limita geralmente a escolha de evaporadores que tem meios positivos de circulação.Depósito de sais, que é o crescimento no corpo e na superfície de aquecimento das paredes de um material que tem solubilidade que aumenta com o aumento da temperatura, é encontrada freqüentemente em evaporadores de cristalização. Isto pode ser reduzido ou eliminado mantendo o líquido evaporando ou em freqüente contato com a grande área superficial dos sólidos cristalizados. A formação de escama é a deposição e crescimento nas paredes do corpo, e especialmente sobre superfícies aquecidas, de um material que submete-se a um produto de reação química irreversível em um evaporador que tenha solubilidade que diminua com o aumento da temperatura. A escamação pode ser reduzida ou eliminada da mesma forma que os depósitos de sais. Líquidos que provocam problemas de depósitos de sais e escamação são melhores manuseados em evaporadores que não dependem de entrar em ebulição para induzir circulação. Fouling é a formação de depósitos além dos depósitos de sais e escamas e que pode ser devido a corrosão e materiais sólidos entrando com o alimentado ou ainda pela condensação do vapor.
Qualidade do ProdutoPara obter um produto de qualidade exige-se menor tempo de operação e temperatura
baixa para evitar degradação térmica. Baixos tempos de operação eliminam alguns tipos de evaporadores e alguns tipos são eliminados também devido a uma pobre transferência de calor que são características de baixas temperaturas. Para qualidade do produto pode também ser determinante a qualidade dos materiais utilizados na construção para evitar contaminação metálica ou efeitos catalíticos na decomposição do produto.
CorrosãoPode também influenciar a seleção do evaporador, pois as vantagens dos evaporadores
tendo elevados coeficientes de transferência de calor são mais aparentes quando materiais de construção mais caros são indicados. Corrosão e erosão são freqüentemente mais severas nos evaporadores do que em outros tipos de equipamento por causa das velocidades elevadas do líquido e do vapor usadas, presença freqüente dos sólidos na suspensão, e a diferença de concentração necessária.
EXIGÊNCIAS DO PROCESSO DE EVAPORAÇÃO EM FÁBRICAS DE PAPEL E CELULOSE
A primeira etapa na recuperação dos químicos alcalinos é a concentração do licor preto por evaporação.Os objetivos básicos do processo de evaporação de licor são os seguintes:
Concentrar o licor até o nível desejado para queima na caldeira de recuperação; Uso eficiente da energia, que normalmente representa em torno de 25% do total
requerido numa indústria de celulose branqueada; Eficiente separação dos sabões, quando presentes, que além do seu valor econômico,
poderão ocasionar problemas de espuma e incrustações.O licor coletado do sistema de lavagem da polpa e extração de digestor tem normalmente de 13 a 17% de sólidos e é denominado licor preto fraco. Este deve ser concentrado em torno de 65% de sólidos para ser queimado na caldeira de recuperação. Nestes sistemas o licor é concentrado em torno de 50% de sólidos em evaporadores de múltiplo efeito e então elevado para 65% de sólidos nos evaporadores de contato direto, no caso de plantas mais antigas, ou concentradores de contato indireto. O licor com 50% de sólidos é normalmente chamado de licor preto forte.A temperatura do licor preto fraco fica entre 70 e 95 0C, dependendo do número de estágios de lavagem e da temperatura da água quente utilizada.Para uma concentração de sólidos na saída dos evaporadores de múltiplo efeito pré-fixada, o aumento da temperatura do licor preto fraco na entrada diminui a vazão de vapor necessária para aquecer o licor no evaporador, diminuindo portanto, o consumo específico na evaporação, desde que, para este pré-aquecimento seja utilizada alguma energia residual da fábrica.O aumento desta temperatura pode ser realizado com o isolamento de tanques e tubulações de licor preto fraco e o seu pré-aquecimento com trocadores de calor usando como fluido o próprio condensado do evaporador.As modernas plantas de evaporação já incluem normalmente sistemas de “stripping” para tratamento de condensados e separação de gases.A relação entre a quantidade de água evaporada e a mudança do conteúdo de sólidos no licor não é altamente linear como mostrado na figura 3. Muito mais água é evaporada para baixas concentrações. Por exemplo, a carga da evaporação para passar de 15 - 25% de sólidos é maior que a necessária para passar de 25 - 65%. A quantidade de evaporado para ir de 50 - 65% de sólidos é tipicamente em torno de 8% do total da carga de evaporação. A carga total de evaporação é usualmente em torno de 2,27 kg de água / 0,45 kg de sólidos, mas isto depende muito da concentração do licor fraco.
Evaporadores são equipamentos de transferência de calor. Eles requerem em torno de 252 kcal para evaporar 0,454 kg de água, e a mesma quantidade de calor é recuperada quando 0,454 kg de vapor d’água é condensado. Este é o calor latente de vaporização. Desta maneira, em torno de 2780 kcal/kg de sólidos ou 3 a 3,8 Gcal / ton de polpa devem ser transferidos para o evaporador. Se toda essa energia tivesse que vir de uma fonte externa, o custo para recuperação do licor preto seria proibitivo.Várias técnicas, como evaporação de múltiplos efeitos ou termocompressores, o qual usa o calor contido no vapor d’água para obter uma evaporação adicional, ajuda a reduzir a quantidade de energia requerida.A evaporação do licor preto normalmente é feita em evaporadores tipo múltiplo efeito. Vapor vivo é introduzido no primeiro efeito e o vapor produzido pela evaporação do licor do primeiro efeito é usado como meio de aquecimento no segundo efeito a uma pressão menor, continuando sucessivamente até o último efeito, que opera sob condições de vácuo.Os vapores produzidos no último efeito são condensados sendo os incondensáveis extraídos pelo sistema de vácuo (bombas de vácuo de anel líquido ou ejetores de vapor).O sistema de múltiplo efeito permite o uso de reevaporação dos condensados as pressões subseqüentes, assim como o calor do licor de alimentação.
Figura 3 : Variações de Sólidos X Carga do Evaporador.
SólidosIniciais
Frações de Licor Evaporado
Co
nt
eú
do
de
Só
lid
os
do
Co
nc
en
tra
do
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
Como conseqüência, um sistema de seis efeitos, bem operado permite obter para cada tonelada de vapor alimentado, em torno de 5 toneladas de água evaporada. A figura 4 mostra a relação entre a economia de vapor e o número de efeitos.
A relação entre água evaporada e vapor vivo (procedente de uma fonte externa) é chamada de Economia de vapor.
E = t. Água evaporada. t. Vapor vivo
Mesmo que sistemas eficientes sejam usados, a concentração do licor consome até 25% da energia total consumida numa planta de papel kraft branqueada.O vapor que se desprende quando o licor preto é evaporado não é vapor d’água puro. Alguns constituintes voláteis no licor preto estão também presentes. Quando o evaporado é condensado estes voláteis poderão condensar e contaminar o condensado ou permanecerem como gases não condensáveis. Pressões ambientais normalmente exigem que os dois os condensáveis e os não condensáveis sejam tratados.O sabão de Tall oil precipita do licor preto no momento em que está sendo concentrado, com a insolubilidade máxima alcançada aproximadamente em torno de 25% de sólidos. Se o licor preto contiver quantidade significativa de sabão, este licor parcialmente concentrado é bombeado ao tanque de transbordo, onde o sabão é removido antes do licor retornar aos evaporadores.
Kg
de Á
gua
Eva
pora
da p
or
Kg
de V
apor
Número de Efeitos
Figura 4 : Economia de Vapor na Evaporação em função do número de efeitos.
1 2 3 4 5 6 7
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
EQUIPAMENTOS
Tipos de Evaporadores
Evaporador de filme descendente
ProjetoTrocador de calor com shell e tubo vertical, com separador centrifugo arranjado
concêntrica ou lateralmente.
OperaçãoO liquido a ser concentrado é alimentado no topo dos tubos de aquecimento de tal modo
que o fluxo desce nas paredes internas como um filme fino. O filme liquido inicia a ebulição devido ao aquecimento externo dos tubos e é parcialmente evaporado como resultado. O fluxo para baixo inicialmente pela ação da gravidade, é aumentado pelo fluxo paralelo de vapor formado.O vapor e o filme liquido residual é separado em baixo, parte na calandria e a jusante no separador centrifugo. É essencial que a superfície inteira de aquecimento do filme seja aquecida, especialmente a região de baixo que deve ser suficiente e uniformemente tocada pelo liquido.Onde este não for o caso, serão formadas manchas secas que irão provocar incrustação e formação de depósitos. Para que a superfície de aquecimento seja molhada completamente, é importante que um sistema de distribuição satisfatório seja selecionado para a cabeça do evaporador.
Taxas de molhadura são aumentadas quando os tubos são mantidos por mais tempo em contato com o liquido, dividindo o evaporador em diversos compartimentos ou por recirculação do produto.
Dois sistemas de distribuição satisfatórios
Características particulares melhor qualidade do produto – devido a evaporação suave, principalmente sob vácuo, e
tempo de residência extremamente curto no evaporador. Alta eficiência de energia – devido ao arranjo de múltiplo efeito ou por recompressão do
vapor por aquecimento térmico ou mecanicamente, baseado na mais baixa diferença teórica de temperatura.
Processo simples de controle e automação – devido ao seu conteúdo de liquido, o evaporador de filme descendente reage rapidamente a mudanças no fornecimento de energia, vácuo, quantidade alimentada, concentração, etc. É um importante requisito para uma concentração final uniforme.
Flexibilidade de operação – partida rápida, facilidade na operação de limpeza e mudanças de produto descomplicadas.
Campos de aplicação Locais onde se deseje produção de até 150 ton / h e que tenha espaço disponível
reduzido. Pode ser usada com produtos sensíveis a temperatura. Para líquidos que contenha baixa ou moderada tendência à formação de incrustação.
Evaporador de circulação forçada
ProjetoTrocador de calor com shell e tubo vertical ou horizontal ou trocador de calor de pratos
como a calandria com vaso separador de flash sobre a calandria e bomba de circulação.
OperaçãoO liquido é circulado através da calandria por meio de uma bomba de circulação, onde
ele é superaquecido a uma elevada pressão, maior que sua pressão normal de ebulição, ao entrar no separador a pressão do liquido é rapidamente reduzida resultando em uma quantidade de liquido flasheada ou rapidamente evaporada pra fora. Considerando que a circulação do liquido é mantida, a velocidade do fluxo nos tubos e a temperatura do liquido pode ser controlada para adaptá-lo as exigências do produto independentemente a diferença de temperatura pré-selecionada.
Características particulares Períodos longos de operação – a ebulição/evaporação não pode acontecer na superfície
de aquecimento e sim no separador. Sujeiras devidas incrustação e precipitação na calandria são então minimizadas.
Superfície dos trocadores de calor otimizados – a velocidade do fluxo de liquido nos tubos é determinado pela bomba de circulação.
Campos de aplicação Líquidos com alta tendência a sujeira, altamente viscosos, como os de alta concentração
depois de passarem por evaporadores de múltiplo efeito. Evaporadores de circulação forçada são ótimos para serem usados com evaporadores de
cristalização para soluções salinas.
Planta de evaporação de circulação forçada com efeito de filme descendente em contracorrente, arranjado com a sistema para a purificação do vapor condensado a jusante por destilação de água que contém sais e combinações orgânicas evitando desperdício. Taxa de evaporação: 9,000 kg/hr concentraram a 65% TS
Evaporadores de pratos
ProjetoTrocador de calor de prato, separador.Configuração de prato-e-armação emprega pratos especiais, com produto alternado e canais de aquecimento. Os pratos são lacrados por gaxetas localizado dentro de aberturas especialmente projetadas que não fazem requerem adesivos. Estas gaxetas podem ser inseridas e removidas sem necessidade de ferramentas especiais.
OperaçãoProdutos com médio aquecimento são transferidos em contracorrente através de
passagens relevantes. As distancias dos pratos são definidas em conjunto com pratos de formas especiais que geram forte turbulência, resultando em uma ótima transferência de calor.Intensa transferência de calor provoca ebulição do produto, causas de transferência de calor intensivas o produto para ferver enquanto o vapor formado carrega o líquido residual, como um filme ascendente, no tubo de vapor do pacote de prato. Líquido residual e vapor são separados a jusante dentro do separador centrífugo. O grande tubo de entrada e o movimento para cima asseguram ótima distribuição sobre a seção transversal total do trocador de calor.
Planta de evaporação de prato de múltiplo efeito para fructoseTaxa de evaporação: 16 ton/h
Características particulares Uso de diferentes médias de aquecimento – devido a geometria dos pratos, o sistema
pode ser aquecido tanto com água quente como com vapor. Alta qualidade do produto – devido a operação de evaporação ser suave e uniforme
durante a operação de passo único. Pouco espaço requerido – devido ao projeto compacto, linhas de conexão curtas e
pequena altura, cerca de 3 a 4m. Fácil instalação requerendo pouco tempo – devido ao pré-ajuste e unidades de
construção transportáveis. Taxas de evaporação flexíveis – Pela adição ou remoção de pratos. Fácil manutenção e limpeza – devido os pratos de recheios serem facilmente abertos.
Campos de aplicação Para baixas e médias taxas de evaporação Para líquidos que contem pequenas quantidades de sólidos não dissolvidos e com
tendência a formar sujeira. Para produtos sensíveis a temperatura, produtos altamente viscosos e condições
extremas de evaporação, um projeto para circulação do produto foi escolhido.
Evaporadores de circulação
ProjetoTrocador de calor de shell-tubo vertical curto com separador lateral arranjado no topo.
OperaçãoO liquido a ser concentrado é alimentado pelo fundo e sobe para o topo pelos tubos de
aquecimento de acordo com o principio do filme ascendente. Devido ao aquecimento externo dos tubos, o filme liquido dentro das paredes do tubo inicia a ebulição liberando vapor. O liquido é carregado para o topo dos tubos como resultado do movimento do vapor para cima.O liquido é separado do vapor no separador a jusante e flui através dos tubos de circulação do licor no interior do evaporador, garantindo estabilidade e uniformidade de circulação.A maior diferença de temperatura entre a câmara de aquecimento e a câmara de ebulição, a maior intensidade de evaporação e, consequentemente, a circulação do líquido e taxas de transferência de calor.Na câmara de ebulição do evaporador de circulação é dividido em várias câmaras separadas, cada um equipado com seu próprio sistema de circulação de líquido, a superfície de aquecimento requerida para concentrações finais altas pode ser consideravelmente reduzida comparada a um sistema não dividido. A concentração final só é alcançada na última câmara. Em outras câmaras, a transferência de calor é consideravelmente mais alta devido a mais baixas viscosidades e elevações de ponto de ebulição.
Características particulares Inicio rápido e grande capacidade especifica – o conteúdo de liquido no evaporador é
baixo devido aos tubos de aquecimento serem curtos e de pequenos diâmetros.
Campos de aplicação Para evaporação de produtos insensíveis a altas temperaturas onde grandes taxas de
evaporação são requeridas. Para produtos que tem grande tendência de sujar e para produtos não newtonianos onde
a viscosidade aparente pode ser reduzida a altas velocidades. A circulação do evaporador com câmaras de ebulição divididas e separador montado no
topo.Podem ser usados como um alto concentrador.
planta de evaporação de circulação de 3 efeitos para água de glicerina.Taxa de evaporação: 3,600 kg/hr
Evaporadores de leito fluidizado
ProjetoTrocador de calor de leito fluidizado (no lado do tubo partículas sólidas tais como gotas
de cerâmica ou de vidro ou partículas de aço inoxidável são misturadas ao liquido) vaso separador flash e bombas de circulação
OperaçãoMesmo principio dos evaporadores de circulação forçada.
O movimento do liquido para cima misturado com as partículas sólidas, as quais promovem uma ação de limpeza e polimento. Junto com o liquido eles são transferidos através dos tubos da calandria.Na cabeça da calandria as partículas sólidas são separadas do liquido e recicladas para a câmara de entrada da calandria.O liquido superaquecido a temperatura de ebulição é flasheado no separador a jusante e é parcialmente evaporado.
Características particulares Longos períodos de operação – devido à superfície de aquecimento estar continuamente
limpo pelas partículas do leito fluidizado e conseqüente melhora na transferência de calor.
Campos de aplicação Para líquidos que tem alta tendência de sujar, onde esta sujeira não pode ser prevenida
ou retardada e nem tem um padrão em evaporadores de circulação forçada. Para líquidos de baixa para média viscosidade.
Evaporadores de filme descendente
ProjetoTrocadores de calor de Shell e tubo vertical equipados com tubos condensadores
arranjados concentricamente dentro dos tubos e separador integrado na parte de baixo da unidade.
OperaçãoO líquido é distribuído uniformemente em cima dos tubos de aquecimento por
meio de um sistema de distribuição de fluxo como um filme fino descendo pelas paredes internas. O aquecimento externo dos tubos causa a ebulição do filme líquido. O vapor formado é condensado nas paredes externas dos tubos e flui para baixo. Produto de fundo e destilado é mantido separado e descarregado na parte de baixo do evaporador.
Características particulares Tratamento do produto particularmente suave – devido a temperatura e pressão do
processo muito baixa. Tempo de residência do produto muito curto e operação de passo único. Possível destilação a vácuo com pressão variando de 1 mbar a 0,01 mbar. Devido a ter tubo condensador integrado não há perda de fluxo de vapor.
Projeto otimizado – Não há problema de desgaste mecânico devido o sistema não ter partes internas giratórias.
Baixo custo de investimento Adaptável também a altas taxas de evaporação.
Campos de aplicação Particularmente para soluções não aquosas sensíveis a temperatura.
Evaporadores de filme ascendente
ProjetoTrocador de calo com Shell e tubo vertical com separador de vapor montado no topo.
OperaçãoO liquido a ser concentrado é alimentado no fundo do evaporador e sobe para o topo de
acordo com o principio de filme ascendente.Devido ao aquecimento externo, o liquido inicia a ebulição nas paredes laterais dos tubos e é parcialmente evaporado durante este processo. Como resultado do movimento para cima das correntes de bolhas, o liquido é transferido para o topo.Durante a ascensão, mais e mais vapor é formado. O liquido inicia seu movimento ao longo das paredes. O vapor e o liquido são separados no separador montado no topo.
Características particulares Alta diferença de temperatura entre a câmara de aquecimento e a câmara de ebulição –
Para assegurar transferência de liquido suficiente nos tubos de comprimento 5 a 7 m, e garantir a elevação do filme liquido.
Alta turbulência no liquido – Devido ao movimento para cima contra a ação da gravidade. Por esta razão evaporadores de filme ascendente são também adaptáveis a produtos de alta viscosidade e aqueles com tendência a sujar as superfícies de aquecimento.
Operação estável e de alto desempenho – baseado na recirculação do produto com uma extensa gama de condições.
Campos de aplicação Para altas taxas de evaporação, para produtos de alta viscosidade e que tem a tendência
de sujar. Pode ser usado como um alto concentrador de passo único que opera baseado em tempos
de residência extremamente curtos.
Evaporadores em contra corrente
ProjetoTrocadores de calor com Shell e tubo na parte de baixo da calandria, maiores que o do
evaporador de filme ascendente, separador de topo equipado com sistema integrado de distribuição de liquido.
Planta de evaporação de filme descendente em contracorrentecom unidade de retificação para refino de óleo de azeitona
OperaçãoComo é um evaporador de filme descendente, o liquido é alimentado pelo topo e
distribuído nos tubos do evaporador, mas o vapor flui para o topo em contracorrente ao liquido.
Características particulares Destilação parcial – Os constituintes voláteis do produto podem ser retirados para serem
concentrados. Este processo pode ser otimizado pela entrada de vapor ou gás inerte na parte de baixo da calandria.
Campos de aplicação Este tipo de evaporador projetado para casos especiais, é usado para aumentar a
transferência de massa entre liquido e vapor. Se um fluxo de gás é passado em contracorrente ao liquido, reações químicas podem ser ativadas.
Evaporadores agitadores
ProjetoVaso de aquecimento com jaqueta externa e agitador
Evaporador agitador usado como um alto concentrador de extrato de fermentoTaxa de evaporação 300 kg/h
OperaçãoO liquido é alimentado no vaso em bateladas,a ebulição é conseguida através de agitação
continua até a concentração final exigida.Se o liquido evaporado é continuamente devolvido como produto fino, e se o conteúdo é deste modo mantido constante, então a planta pode ser operada em semi batelada.
Características particulares Baixa taxa de evaporação – devido a pequena superfície de troca de calor, por esta razão,
grandes diferenças de temperatura da jaqueta aquecida e a câmara de ebulição são exigidas. Desde que as propriedades do produto permitam, a superfície de aquecimento pode ser aumentada através da imersão e espirais de aquecimento (serpentinas).
Campos de aplicação Para produtos, polpas e pastas altamente viscosos, quando as propriedades não são
negativamente influenciadas pelo tempo de residência de diversas horas, ou se as propriedades do produto particular exigem longos tempos de residência.
Ele também pode ser utilizado como um alto concentrador a jusante do pré evaporador operando continuamente.
EQUIPAMENTOS AUXILIARES
Os evaporadores possuem uma série de equipamentos auxiliares para permitir o seu funcionamento contínuo e eficiente.
Condensadores
Destinam-se a condensar vapores que se desprendem da solução no evaporador, para permitir o vácuo dentro do evaporador e possibilitar a recuperação do solvente.Os vapores provenientes do último estágio de evaporador de múltiplo efeito e dos ejetores do sistema de vácuo quando existentes, são condensados em trocadores de calor.Vários tipos de condensadores têm sido usados nas plantas de evaporação como mostra a figura 15.
Os tipos de contato direto, barométricos ou de jato de água foram muito usados, existem dois inconvenientes na sua aplicação apesar do seu custo reduzido:
Meio ambiente: o grande volume de água, que impossibilita o tratamento, o circulante carrega consigo boa parte dos componentes malcheirosos e de alta DBO;
Energia: não permitem o aproveitamento da água morna no processo (pelos mesmos motivos).
Condensadores de superfície, de contato indireto, são atualmente usados em praticamente todas as novas instalações, devido as necessidades de redução da poluição e necessidade de conservação de energia.
BombasOs evaporadores necessitam de bombas para alimentação, retirada do condensado,
circulação da água de resfriamento, etc.Geralmente, as bombas usadas em sistemas de evaporação do licor preto são do tipo centrífuga. Elas devem ser projetadas para bombeamento de líquidos com tendência a formação de espuma e se adaptarem bem ao trabalho com sucção e pressão de descarga variáveis (cavitação). Quando são usadas para retirar o condensado de um depósito sob vácuo, a sua construção deve ser especial para poder operar com vácuo satisfatoriamente.Todas as partes em contato com o licor e condensados secundários são, geralmente, fabricados em aço inoxidável ou um material não corrosível.Especial atenção deve ser dada na hora da especificação ao NPSH, no caso de bombas que operam em efeitos sob vácuo. Para evitar entrada de ar no sistema usam-se gaxetas providas de água de selagem.
Ventarola
A B
C D
Ejetor
Entrada
de Água
Porta de Visita
Entrada de Vapor
Saída de Vapor
Entrada de Vapor
Entrada de Água
Saída de Água
Saída de Ar
Entrada de Ar
Entrada de Vapor
Tanque Resfriador de
Água
Entrada de Ar
Elemento de Aquecimento
Entrada de ÁguaSaída de
Água
Entrada de Vapor
Suspiro
Figura 15 : Vários tipos de Condensadores usados no Sistema de Evaporação.
Para aplicações onde é preciso bombear licores com alto teor de sólidos (70% ou mais) usam-se bombas de deslocamento positivo (parafusos).
Tanque de vapor flashTanques de expansão para aproveitamento de vapor de reevaporação são usados em
sistemas múltiplo efeito para melhor aproveitamento da energia do licor de alimentação, produto, condensado primário e secundário.Economias de 20 a 30% não são difíceis de conseguir com o aproveitamento destes recursos.O licor preto é flasheado para pressão ligeiramente abaixo da atmosférica com um ganho de 1 a 2% na concentração de sólidos.O tanque flash é um vaso simples provido com uma entrada e saída de licor, uma saída de vapor, e um separador interno de vapor de flash e licor.Tanques flash são normalmente utilizados para recuperar vapor d’água para reutilização na evaporação.Tanques flash de duas ou três seções ou aproveitamentos sucessivos em vários efeitos são freqüentes em plantas modernas.
PurgadoresEstes se destinam a separar o vapor condensado no trocador de calor de aquecimento da
solução, evitando o acúmulo de líquido como também a saída de vapor do sistema.
Separadores de gotasO vapor e o líquido ao saírem dos tubos do aquecedor estão animados de uma velocidade
relativamente alta. Para separar as gotas do vapor que vai para o condensador, são necessários certos dispositivos. Os tipos mais comuns são tipos, ciclones, separadores centrífugos e defletores. Todos se baseiam no mesmo princípio, provocar a coalescência das gotas através do impacto contra uma superfície, separando a corrente de vapor.
Sistema de vácuoO vácuo para a remoção dos gases não condensáveis, pode ser realizado por meio de
bombas ou ejetores. As bombas mais usadas para este fim são as alternativas. Os ejetores são hoje os mais empregados para vácuo elevado, pois apresentam a vantagem de não ter partes móveis, sendo, portanto, de fácil manutenção.O vácuo é freqüentemente utilizado em instalações de evaporadores. As razões para o seu uso são:
Separar gases não condensáveis; Facilitar a evaporação do solvente diminuindo o ponto de ebulição da mistura (neste
caso reduz-se a quantidade de vapor de aquecimento); E nos casos em que o soluto sofre decomposição a altas temperaturas consegue-se
reduzir a temperatura de ebulição através do vácuo.A bomba de vácuo tem comparativamente um custo operacional inferior e maior custo de manutenção devido a corrosividade dos gases. Bombas totalmente fabricadas em aço inoxidável reduzem ao mínimo estes custos, porém, o valor inicial da instalação é elevado.
Exemplo de processo que utiliza evaporadoresNa indústria de alimentos e sucos, evaporação se refere à operação que consiste em remover
a água existente nos alimentos in natura (todo alimento contém água natural em sua composição).Para a evaporação, usa-se transferência de calor para ferver o alimento, e obter um produto aquoso de concentração mais elevada. Este processo é utilizado para retirada da água dos alimentos mais variados como:
Fabricação de leite condensado. Sucos de frutas concentrados (laranja, abacaxi, uva, etc.). Extrato e Catchup de tomate.
Polpas de frutas (banana, morango, manga, etc.). Doces em massas (goiabada, marmelada, batata doce, etc.).
O evaporador tem a função principal de fornecer calor para evaporar a água do alimento (troca térmica), através da ebulição. Para que o alimento não perca a sua cor, aromas e ingredientes nutritivos, esta operação de fervura é realizada sob vácuo no interior do evaporador isto é, o alimento entra em ebulição a baixa temperatura. Alguns fatores são importantes na evaporação da água do alimento e que, deve ser observado:
Viscosidade do Produto Alimentício Quanto mais concentrado o produto mais viscoso ele fica, até um ponto em que a troca
térmica não é mais possível.
Pressão no Evaporador A temperatura do produto no interior do evaporador é função da pressão interna ou seja, a
temperatura do vapor é igual a temperatura de saturação na mesma pressão.
Vácuo InternoAumentando o vácuo interno no evaporador, aumenta a troca térmica no alimento e evita a
degradação do mesmo como: perda de sabor, aromas, cor e nutrientes.
Evaporadores de um EfeitoNeste tipo de evaporador também chamado de simples efeito, o vapor liberado da concentração isto é, não é reaproveitado para um pré aquecimento do alimento. Veja o esquema:
f = entrada do alimento p = alimento concentrado v = água evaporada s = vapor de aquecimento c = saída do condensado
M = quantidade de alimento T = temperatura P = pressão absoluta W = concentração final
O vapor saturado Ts entra no trocador de valor acima da entrada do alimento Tf. A troca térmica começa a ocorrer e o alimento entra em ebulição a uma temperatura Tp (temperatura de equilíbrio com a temperatura do vapor), ou seja, a quantidade de calor transferida ao alimento, é diretamente proporcional à quantidade de vapor que condensa. Está quantidade pode ser calculada pela equação:
Q = V x A (Ts - Tp ) = Ms ( Hs - Hc )
Q = quantidade total de vaporU = coeficiente global de transferência de calorA = área da superfície de aquecimentoTs = temperatura do vaporTp = temperatura do alimentoMs = quantidade de vaporHs = entalpia do vapor de aquecimentoHc = entalpia do condensado liberado
As equações para o cálculo do processo de evaporação, são as seguintes:Balanço de Massa
Mf + Ms = Mp + Mv + Mc (com Ms = Mc)
Concentração final do Alimento
Mf x Wf = Mp x Wp
Balanço de Energia (Equação da Concentração)
Mf Hf + Ms Hs = Mp Hp + Mv Hv + Mc HcMs (Hs - Hc) = Mp Hp + Mv Hv - Mf HfMs (Hs - Hc) = Mp Hp + Mv - Mf Hc = U x A (Ts - Tp)
Temperatura do Vapor
Tv = f x Pv
A temperatura do vapor é controlada pela pressão mantida no evaporador.
Temperatura do ProdutoO alimento no evaporador em ebulição, vai estar em equilíbrio com a temperatura do valor de aquecimento, portanto:
Tp = Tv x PE x mPE = ponto de ebulição do alimento (PE=0,51).m = 1000 x Wp / M (1 - Wp)M = peso molecular do alimento concentradom = peso específico do alimento
O exemplo a seguir, ilustra os resultados obtidos pelas equações
Em um evaporador queremos concentrar suco de laranja, numa proporção de 10.000 kg/h (T=30ºC). A concentração inicial do suco é de 15% de sólidos solúveis e deve ser concentrado
até 60% de sólidos solúveis. Calcular a temperatura de concentração do produto, balanço de massa, a água evaporada no processo, balanço energético do evaporador, área de aquecimento. São conhecidos os seguintes valores:
Pv = 0,1994 bar (pressão de vapor)Ts = 120ºC (temperatura do vapor saturado)U = 1000 W/m2 (coeficiente de transferência de calor, fornecida pelo fabricante do equipamento)M = 342 kg (área superfície de troca térmica)Wp = 60% (concentração final do suco)Ws = 15% (concentração inicial do suco)
Solução
Mf = 10.000 kg/h; Pv = 0,1994 bar; Tv = 60ºC (temperatura do vapor de aquecimento.
Calor específico do produto
PE = 0,71 x m = 0,51 x 4,39 = 2,24ºCTp = Tv + PE = 60 + 2,24 = 62,24ºC (temperatura do produto).
Cálculo do Balanço de Massa
Ws x Mf = Wp x Mp0,15 x Mf = 0,60 x Mp --> Mp = 0,15 x Mf / 0,60Mp = 0,15 x 10.000 / 0,60 --> Mp = 2.500 kg/h, onde
Mp é a quantidade obtida de produto na concentração de 60% de sólidos solúveis.
Água Evaporada no Processo
Mf = Mp + Mv --> Mv = Mf - MpMv = 10.000 - 2.500 --> Mv = 7.500 kg/h
Balanço Energético do Evaporador
Ms (Hs - Hc) = Mp Hp + Mv Hv - Mf Hf
Hv = entalpia da água evaporadaHs = entalpia do vapor de aquecimentoHc = entalpia do condensado liberadoHp = entalpia do produto inicialHw = entalpia do produto concentrado
Hp = Hw(62,2ºC) (1 - 0,7 Wp) --> 260,7 (1 - 0,7 x 0,6) --> Hp = 151,2 kg/kgHf = Hw(30ºC) (1 - 0,7 Wf) --> 125,76 (1 - 0,7 x 0,15) --> Hf = 112,6 kg/kgHv = 2.609,6 kg/kg
ßs = (Hs - Hc) = 2.202,6 kg/kg
Área de Transferência de Aquecimento
Q = V x A (Ts - Tp) --> A = Ms ßs / U (Ts - Tp)
Ms = 8546 kg/h = (8546 / 3600) = 2,374 kg/segßs = 2.206,6 kj/h x 1000 = 2202600 j/seg
Eficiência do Processo de Evaporação
A eficiência do processo é calculada pela quantidade evaporada pelo consumo de vapor utilizado no processo todo, portanto:
Ev = Mv / Ms = 7.500 / 8.546 = 0,877 kg água evaporada / kg de vapor gasto.A eficiência diz que está se utilizando 1,0 kg de vapor para evaporar 0,877 kg de água do produto. Isto significa que o processo esta antieconômico; esta havendo disperdício de vapor que é a características dos evaporadores de um único efeito.
Evaporadores de Múltiplos EfeitoOs evaporadores de múltiplo efeito, conjugam em série dois ou mais evaporadores de um efeito. A grande vantagem desta conjugação e a economia de vapor gasto por kg de água evaporada do alimento. As ligações nos evaporadores de múltiplo efeito, são feitas de modo que o vaor produzido em um efeito do evaporador, serve como meio de aquecimento para o seguinte efeito e assim sucessivamente até o último efeito. Cada efeito age como um simples efeito. O calor liberado pelo vapor de aquecimento usado (TP1) e a pressão (PV1), é usado para o aquecimento do alimento no segundo efeito (MV1), onde se tem uma temperatura (TP2) e pressão (PV2) e assim sucessivamente até o último efeito do sistema. O esquema a seguir, ilustra um evaporador conjugado de três efeitos:
Na
prática por questões comerciais e para não elevar os custos do investimento, os números de efeito são todos semelhantes , e a área de transferência de calor são iguais. Se o coeficiente de transferência de calor é o mesmo para cada efeito, a quantidade de vapor utilizado será sempre o mesmo, desde que a temperatura seja a mesma para cada efeito. Portanto teremos:
Exemplo de cálculo de um evaporador triplo efeito.Supondo o exemplo utilizado no evaporador simples efeito,agora utilizando um evaporador com três efeito. Deve-se concentrar um produto a 10.000 kg/h que esta com 15% de sólidos solúveis inicial, a uma temperatura de 30ºC até uma concentração final de 60% de sólidos solúveis. A temperatura do vapor no primeiro efeito é de 120ºC e, a pressão do vapor no último efeito é PV = 0,1994 bar. O coeficiente de transferência de calor para cada efeito é U=1.000 W/m2 e, o peso específico do produto é M=342 kg/m.
solução
Sendo a mesma quantidade de vapor, podemos escrever:MV1 = MV2 = MV3 = MC1 = MC2 = MV
Concentrado obtido no sistema:0,15 Mf = 0,60 MP3 --> 0,15 x 10.000 = 0,60 MP3 --> MP3 = 2.500 kg/hLogoMV1 = MV2 = MV3 = MC1 = MC2 = 2.500 kg/h
No 1º Efeito
MP1 = Mf - MV1 = 10.000 - 2.500 --> MP1 = 7.500 kg/hWP1 = Wf ( Mf / MP1 ) = 0,15 (10.000 / 7.500 ) --> WP1 = 0,20
No 2º Efeito
MP2 = MP1 - MV2 = 7.500 - 2.500 --> MP2 = 5.000 kg/hWP2 = WP1 ( MP1 / MP2 ) = 0,20 (7.500 / 5.000) --> WP2 = 0,30
PV3 = 0,1994 x TV3 = 60ºC
Peso Específico em cada estágio
Portanto temos:TV1=TP1 - PE1 = 101,1 - 0,37 = 100,7ºCTP3=TV3 - PE3 = 60 + 2,24 = 62,2ºCT3=TV2 - TP3 --> TV2=TP3 + T3 = 62,2 + 18,9 = 81,1ºCTP2=TV2 + PE2 = 81,1 + 0,64 = 81,7ºC
Resumindo temos os resultados:
Mf = 10.000 kg/h; Tf = 30ºC; Wf = 0,15
MP1 = 7.500 kg/h; TP1 = 101,1ºC; WP1 = 0,20
MP2 = 5.000 kg/h; TP2= 81,7ºC; WP2 = 0,30
MP3 = 2.500 kg/h; TP3 = 62,24ºC; WP3 = 0,60
TV1 = 100,7ºC; TV2 = 81,1ºC; TV3 = 60,0ºC
MV1 = MV2 = MV3 = MC1 = MC2 = 2.500 kg/h
Balanço de Energia no 1º Efeito
O balanço de energia, deve sempre ser avaliado no efeito que recebe o vapor diretamente da caldeira. Calculando neste exemplo, temos:
Mf Hf + MS HS = MP1 HP1 + MV1 HV1 + MC HC
HP1 = HWP1 (1 - 0,7 WP1 ) = 423,2 ( 1 - 0,7 x 0,2 ) = 364 Kj/kg Hf = HP2 ( 1 - 0,7 Wf ) = 125,76 ( 1 - 0,7 x 0,15 ) = 112,6 Kj/kg HV1 = 2677,5 Kj/kg --> ( HS - HC ) = 2202,6 Kj/kg
Este valor da eficiência, representa para cada 1,0 kg de vapor são evaporados 1,99 kg de água do alimento que está sendo concentrado, portanto uma boa eficiência.
Área de Aquecimento Total
Portanto quando adicionamos dois ou mais efeito na evaoração, maior é a economia de vapor. Deve-se fazer sempre um estudo do produto a ser processado para se determinar o total de efeitos ótimo para o processo pois, corre-se o risco de haver degradação do produto processado ou por elevada temperatura, ou por muita demora para a conclusão de um ciclo de evaporação tornando o processo enviável e anti econômico.
Problemas
Formação de espumaAs perdas por espuma resultam geralmente da presença em evaporar líquido com colóides ou de agentes de tensão superficial e sólidos finamente divididos. Agentes antiespumantes são freqüentemente eficazes. Outros meios de combater espuma inclui o uso de jatos de vapor que chocam-se com a superfície da espuma, a remoção do produto na camada superfícial, onde a espuma parece concentrar, é feita mantendo o nível de liquido baixo de modo que as superfícies quentes possam quebrar a espuma. Choques a alta velocidade de encontro a um defletor tendem a quebrar a espuma. Operações a baixas temperatura e altas concentrações de sólidos dissolvidos podem também reduzir a tendência a formação de espuma.
Formação ar no condensado e no condensadorObs.: -falar sobre o que causa o problema e dar uma solução
Separação de sólidos formadosObs.: -falar sobre o que causa o problema e dar uma solução
IncrustaçãoObs.: -falar sobre o que causa o problema e dar uma solução
O que é o diagrama de Dühring? Explique este diagrama.
Qual é o interesse de se fazer uma evaporação a vácuo?É utilizado quando se deseja aumentar troca térmica dentro dos evaporadores e ao mesmo tempo evitar a degradação quando se esta trabalhando com alimentos evitando também a perda de sabor, aroma, cor e nutrientes.
