OPERACES UNITRIAS II

EvaporadoresParte IIProf. Antonio Batista de Oliveira Jnior

Evaporao A evaporao a operao de se concentrar uma soluo mediante a eliminao do solvente por ebulio (McCabe, 1982). O objetivo da evaporao concentrar uma soluo consistente de um soluto no voltil e um solvente voltil . A grande maioria dos processos de evaporao utilizam gua como solvente.

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EvaporadorUm evaporador consiste basicamente de um trocador de calor capaz de ferver a soluo e um dispositivo para separar a fase vapor do lquido em ebulio.

vapor Alimentao calor lquido

Componentes bsicos de um evaporador

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Operao de Simples e Mltiplo EfeitoEvaporao de Simples Efeito: Este o processo onde se utiliza somente 1 evaporador, o vapor procedente do lquido em ebulio condensado e descartado. Este mtodo recebe o nome de evaporao.

Evaporao de Mltiplo efeito: O vapor procedente de um dos evaporadores utilizado como alimentao no elemento aquecedor de um segundo evaporador, e o vapor procedente deste condensado, essa operao recebe o nome de duplo efeito. Ao utilizar uma srie de evaporadores o processo recebe o nome de evaporao de mltiplo efeito.

Operao de Simples e Mltiplo EfeitoEvaporao de Simples Efeito

Com um passo

De circulao forada

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Operao de Simples e Mltiplo EfeitoDistintos mtodos de alimentao em evaporao de mltiplo efeitoAlimentao direta Alimentao inversa

Alimentao mista

Alimentao paralela

Tipos de evaporadores

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Evaporadores de circulao natural de tubos curtos horizontais

Evaporadores de circulao natural de tubos curtos verticais

De cesta

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Evaporadores de circulao forada

Evaporador de filme ascendente Um evaporador de filme ascendente consta de um feixe de tubos dentro de uma carcaa, os tubos so mais compridos que o de outros evaporadores (10-15m). O produto utilizado deve ser de baixa viscosidade devido ao movimento ascendente ser natural. Os tubos se aquecem com o vapor existente no exterior de tal forma que o lquido ascende pelo interior dos tubos, devido ao arrastre exercido pelo vapor formado. O movimento desse vapor gera uma pelcula que se move rpidamente para o reservatrio superior.

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Evaporador de filme descendenteNeste evaporador, uma pelcula fina de lquido desce por gravidade dentro dos tubos e, externamente aos tubos, circula o vapor de aquecimento.

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BALANO MATERIAL E DE ENERGIA

BALANO MATERIAL E DE ENERGIA

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BALANO MATERIAL E DE ENERGIA

PERFORMANCE DE EVAPORADORES TUBULARESPrincipais medidas de performance: Capacidade: Massa de gua vaporizada por unidade de tempo; Economia: Massa de gua vaporizada por massa de vapor consumido (menor que 1 no de simples efeito e elevado para mltiplo efeito); Consumo de vapor: massa de vapor consumida por unidade de tempo que igual capacidade dividida pela economia.

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ELAVAO DA TEMPERATURA DE EBULIO E A REGRA DE DHRINGA presso de vapor de vrias solues aquosas menor que a da gua pura na mesma temperatura. Conseqentemente, para uma dada presso a temperatura de ebulio da soluo ser maior que a da gua pura. Solues diludas e colides orgnicos elevao ebulioscpica pequena; Solues de sais inorgnicos elevao ebulioscpica elevada; Regra de Dhring a elevao ebulioscpica linear com relao concentrao da soluo.

SOLUES COM ELEVADO CALOR DE DILUIONesse caso, a variao de entalpia no ser linear com relao concentrao.

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RESOLUO DE PROBLEMAS COM EVAPORADORESEx. 1 Uma soluo de colides orgnicos em gua concentrada de 10 para 50% em slidos em um evaporador de simples efeito. O vapor utilizado no aquecimento est disponivel a uma presso manomtrica de 1,03 atm a 120,5C ( s = 2200 kJ/kg) . Uma presso absoluta de 102 mmHg mantida na regio de vapor da soluo, o que corresponde a uma temperatura de ebulio de 51,7C ( = 2380 kJ/kg). O fluxo de alimentao da soluo 24950 kg/h. O coeficiente global de transferncia de calor pode ser considerado de 2800 W/(mC). A elevao ebulioscpica e o calor de diluio da soluo podem ser considerados insignificantes. Calcule o consumo de vapor, a economia, e a superfcie de transferncia requerida se a temperatura da alimentao for: a) 51,7C; b) 21,1C; c) 93,3C. O calor de vaporizao da soluo na alimentao 3,770 kJ/(kgC)

RESOLUO DE PROBLEMAS COM EVAPORADORESEx. 1 soluo a) Balano material: Soluto 24950*0,1-m*0,5=0 m=4990kg/h mv=24950-4990=19960kg/h Balano de energia (calor dil. Desprezivel) ms=[19960*2380+24950*3,770*(51,751,7)]/2200=21593 kg/h Economia=mv/ms=19960/21593=0,924 rea necessria de T. C.: Q=21593*2200=47504600kJ/h Q=13195722W A=13195722/[2800*(120,5-51,7)] A=68,5 m

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RESOLUO DE PROBLEMAS COM EVAPORADORESEx. 1 soluo b) Balano material: Soluto 24950*0,1-m*0,5=0 m=4990kg/h mv=24950-4990=19960kg/h Balano de energia (calor dil. Desprezivel) ms=[19960*2380+24950*3,770*(51,721,1)]/2200=22901 kg/h Economia=mv/ms=19960/22901=0,872 rea necessria de T. C.: Q=22901*2200=50382200kJ/h Q=13995056W A=13995056/[2800*(120,5-51,7)] A=72,6 m

RESOLUO DE PROBLEMAS COM EVAPORADORESEx. 1 soluo c) Balano material: Soluto 24950*0,1-m*0,5=0 m=4990kg/h mv=24950-4990=19960kg/h Balano de energia (calor dil. Desprezivel) ms=[19960*2380+24950*3,770*(51,793,3)]/2200=19814 kg/h Economia=mv/ms=19960/19814=1,007 rea necessria de T. C.: Q=19814*2200=43590800kJ/h Q=12108556W A=12108556/[2800*(120,5-51,7)] A=62,9 m Quanto maior a temperatura da alimentao, menor a superfcie de T.C. necessria e maior a economia de vapor do processo.

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RESOLUO DE PROBLEMAS COM EVAPORADORESEx. 2 Um evaporador de simples efeito est concentrando 9070 kg/h de uma soluo de soda caustica de 20% em massa para 50%. A presso absoluta do vapor de 1,37 atm ( s=2231064 J/kg) a presso absoluta da fase vapor da soluo 100 mmHg (1,93 lbf/in,T ebulio da gua 124F). O coeficiente global de transferncia de calor estimado 1400 W/m C. A temperatura da alimentao 100 F (37,8 C). Calcule a quantidade de vapor consumido, a economia e a rea superficial de aquecimento requerida.

RESOLUO DE PROBLEMAS COM EVAPORADORESEx. 2 soluo Balano material: Soluto 9070*0,2-m*0,5=0 m=3628 kg/h mv=9060-3628=5432 kg/h

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RESOLUO DE PROBLEMAS COM EVAPORADORESEx. 2 soluo Balano de energia Ver grficos na sequencia: Temperatura de ebulio da gua pura: 124F Temperatura de ebulio da soluo: 197F Alimentao (20%, 100F): hf=55Btu/lb=127930J/kg Soluo concentrada (50%, 197F): h=221 Btu/lb=514046J/kg Vapor deixa a soluo (197F,1,93lbf/in): (tabela termodinmica vapor superaquecido) hv=1149 Btu/lb=2672574J/kg Q=3628*514046+5432*2672574-9070*127930 Q=15222055756 J/h=4228349W ms=15222055756/2231064=6823 kg/h Economia=5432/6823=0,80 T=259F-197F=126,1C-91,7C=34,4C A=4228349/(1400*34,4)=87,8 m

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Evaporadores de Mltiplo EfeitoEvaporadores de Mltiplo Efeito: Os evaporadores de mltiplo efeito, conjugam em srie dois ou mais evaporadores de um efeito. A grande vantagem desta conjugao e a economia de vapor gasto por kg de gua evaporada da soluo. As ligaes nos evaporadores de mltiplo efeito, so feitas de modo que o vapor produzido em um efeito do evaporador, serve como meio de aquecimento para o seguinte efeito e assim sucessivamente at o ltimo efeito. Cada efeito age como um simples efeito. O calor liberado pelo vapor de aquecimento usado no primeiro evaporador, usado para o aquecimento da soluo no segundo efeito e assim sucessivamente at o ltimo efeito do sistema. O esquema a seguir, ilustra um evaporador cojugado de trs efeitos (alimentao direta, evaporadores de tubos curtos verticais):

Evaporadores de Mltiplo EfeitoEvaporadores de Mltiplo Efeito: Na prtica por questes comerciais e para no elevar os custos do investimento, os efeitos so todos semelhantes, sendo suas reas de transferncia de calor iguais.

No exemplo, a alimentao feita no primeiro efeito, no qual a presso maior, enquanto no ltimo efeito teremos a menor presso. A soluo diluda alimentada no primeiro efeito, onde parcialmente concentrada, flui para o segundo efeito onde ocorre uma concentrao adicional e, ento, segue para o terceiro efeito onde obtida a concentrao final. A soluo concentrada bombeada do terceiro efeito efeito.

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Evaporadores de Mltiplo EfeitoEvaporadores de Mltiplo Efeito: No estado estacionrio, os fluxos de alimentao e a taxa de evaporao so tais que nenhum solvente ou soluto acumule em nenhum dos efeitos. A temperatura, presso, a concentrao e o fluxo de alimentao so mantidos constantes em todos os estgios pela prpria operao do processo. A concentrao da soluo concentrada (produto) pode ser controlada pelo fluxo de alimentao, onde um aumento do fluxo gera uma diminuio da concentrao do produto e vice-versa.

Evaporadores de Mltiplo EfeitoSimplificao para elevao do ponto de ebulio e calor utilizado para aquecer a alimentao desprezveis: Considerando que o efeito da elevao do ponto de ebulio e a quantidade de calor utilizada para aquecer a alimentao sejam desprezveis, a taxa de transferncia de calor no evaporador triplo efeito apresentado, pode ser calculada utilizando o calor latente de vaporizao da soluo, o que acarreta em uma taxa de transferncia de calor aproximadamente igual para cada um dos estgios. Q/A=U1 T1= U2 T2= U3 T3 =U T (Obs. Esta equao apenas uma aproximao, devendo ser corrigida pela adio dos termos excludos na aproximao). T=Ts-T3 U=1/(1/U1+1/U2+1/U3)

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RESOLUO DE PROBLEMAS COM EVAPORADORESEx. 3 Um evaporador de triplo efeito (alimentao direta) est concentrando uma soluo com elevao da temperatura de ebulio desprezvel. A temperatura do vapor alimentado no primeiro efeito 108,3C e a temperatura de ebulio da soluo no ltimo efeito 51,7C. O coeficiente global de transferncia de calor no 1, 2 e 3 efeitos so 2800, 2200 e 1100 W/(mC), respectivamente. Assumindo que a rea superficial e a taxa de tranferncia de calor so iguais nos 3 efeitos, calcule as temperaturas de ebulio no primeiro e segundo efeitos. U=1/(1/U1+1/U2+1/U3)=581,1 W/(mC), T=Ts-T3= 56,6C U1 T1= U2 T2= U3 T3 =U T, T1 =11,7C, T2 =15,0C, T3 =29,9C T1=96,6C, T2=81,6C, T3=51,7C

Evaporadores de Mltiplo EfeitoEfeito da elevao da temperatura de ebulio: A elevao da temperatura de ebulio ir reduzir a capacidade de evaporadores de mltiplo efeito pois reduzir a diferena de temperatura em cada estgio do evaporador. Nmero timo de efeitos: O custo de um evaporador pela raiz quadrada da superfcie funo da rea superficial total de todos os efeitos. A medida que se aumenta o nmero de efeitos, a rea superficial de transferncia de calor total diminui at atingir um valor aproximadamente constante para vrios efeitos. Dessa forma, o nmero timo de efeitos deve ser calculado a partir de um balano econmico entre a quantidade de vapor economizada e o investimento requerido.

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Evaporadores de Mltiplo EfeitoEfeito da elevao da temperatura de ebulio: A elevao da temperatura de ebulio ir reduzir a capacidade de evaporadores de mltiplo efeito pois reduzir a diferena de temperatura em cada estgio do evaporador. Nmero timo de efeitos: O custo de um evaporador pela raiz quadrada da superfcie funo da rea superficial total de todos os efeitos. A medida que se aumenta o nmero de efeitos, a rea superficial de transferncia de calor total diminui at atingir um valor aproximadamente constante para vrios efeitos. Dessa forma, o nmero timo de efeitos deve ser calculado a partir de um balano econmico entre a quantidade de vapor economizada e o investimento requerido.

Evaporadores de Mltiplo EfeitoClculos em evaporadores de mltiplo efeito: No projeto de evaporadores de mltiplos efeitos, os resultados normalmente desejados so: a quantidade de vapor consumida; a rea de transferncia de calor requerida; as temperaturas aproximadas nos efeitos e a quantidade de vapor que deixa o ltimo efeito. Dessa forma, tem-se o seguinte nmero de variveis (para n efeitos): Variveis= 1 (fluxo de vapor) + n (fluxosde sada de cada efeito) + n-1 (temperaturas de ebulio em cada efeito excluindo o ltimo) + 1 (rea superficial de cada efeito igual para todos os efeitos = 2n+1 incgnitas Equaes= n (balanos de energia para cada efeito) + n (balanos de capacidade de transferncia de calor para cada efeito) + 1 (quantidade total de lquido evaporado ou diferena entre os fluxos de soluo diluda alimentada e de soluo concentrada otida) = 2n + 1 equaes. Pode-se utilizar softwares de simulao (HYSYS, etc) ou resolver (de forma tediosa0 o sistema de equaes, ou utilizar a metodologia de tentativa e erro proposta por Mc. Cabe & Smith (1976).

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Evaporadores de Mltiplo EfeitoClculos em evaporadores de mltiplo efeito - Mc. Cabe e Smith (1976): O mtodo de calculo proposto composto pelas seguintes etapas: 1) Assumem-se valores para as temperaturas de ebulio no 1, 2,..., (n-1) efeitos; 2) A partir dos balanos de entalpia encontram-se os fluxos de vapor e da soluo de um efeito para outro efeito; 3) Calcula-se a rea superficial necessria em cada efeito a partir das equaes de capacidade; 4) Se as reas no forem aproximadamente iguais, estime os novos valores para as temperaturas de ebulio e repita os itens 2 e 3 at as reas superficiais se igualarem. Na prtica, os clculos apresentados so mais simples utilizando-se um computador.

RESOLUO DE PROBLEMAS COM EVAPORADORESEx. 4 Um evaporador de circulao forada de triplo efeito (na configurao apresentada na figura) ser alimentado com 22215 kg/h de uma soluo 10% em massa de soda custica a uma temperatura de 82,2C (180F). A soluo ser concentrada a50%. Ser utilizado vapor saturado a3,43atm(absoluto, T=281F=138,3C, hv=2,73x106 J/kg, hl=5,79 105 J/kg) e a temperatura de condensao do vapor do 3 efeito de 37,8C (100F, h=2,58x106 J/kg). Os coeficientes globais de transferncia de calor, corrigidos para a elevao da temperatura de ebulio so: U1=3970 W/mC U2=5680 W/mC U3=4540 W/mC.

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