Universidade Federal de Santa Catarina UFSC Departamento de Eng. Qumica e Eng. de Alimentos EQA

Disciplina: Op. Unitrias de Transferncia de Calor II EQA5332 Professor: Dr. Ing. Haiko Hense

Evaporadores

Definio Ebulio Clculo de evaporadores Mltiplo efeito

Bibliografia

- Processos de Transm. De Calor Kern, D.Q. Ed. Guanabara Dois, 1980 - Princpios das Operaes Unitrias Foust Ed. Guanabara Dois, 1082 - Tecnologia Qumica Vol. II- Ope. Unit. Ed. Fundao Calouste Gulbenkian, Coulson J.M./Richardson J.F., 1987 (Cap. 13-1965) - Apostila Evaporadores, Brando, S.C.C. e Teixeira M.C.B., Univ. Fed. Viosa. -Apostila de Processos na Concentrao de Alimentos, Siozawa Y.Y. e Quast , D.G., (ITAL), 1975. - Las Operaciones em la Ingenieria de los Alimentos, Brennan, Butters, Cowell e Lilly, Ed. Acribia. - Manual de Operaes Unitrias, Bleckadder e Nedderman, Ed. Hemus - Mc Cabe Operaes Unitrias, Editorial Revert - Manual de Eng. Qumica, Perry e Chilton , Ed. Quanabara Dois

Definio:

a Operao Unitria que estuda a concentrao de uma soluo por evaporao do solvente, e que em alimentos geralmente a gua.

ou: a Operao Unitria , na qual a concentrao de uma soluo diluda aumentada com a retirada de uma parte do solvente (H2O) sob a forma de vapor.

Exemplos tpicos: concentrao de solues de acar; cloreto de sdio; hidrxido de sdio; cola; glicerol; leite e suco de laranja.

Fatores que influenciam no processo

As propriedades fsicas e qumicas da soluo a ser concentrada e do vapor, determinam o tipo de evaporador bem como a presso e temperatura do processo.

A alimentao um lquido diludo (em gua) com baixa viscosidade altos hs

lquido evaporado aumenta a concentrao de slidos solveis aumentando a viscosidade at ficar pastoso eventualment e conseqentemente diminuindo os coeficientes de pelcula (h) necessitando normalmente de agitao forada.

Fatores que influenciam no processo

1 Concentrao::

Em alguns casos o produto da evaporao o solvente como no caso de evaporadores de potncia. Ex.: processo de evaporao de gua do mar, ou, alimentao de grandes caldeiras de processos qumicos! deseja-se uma gua livre de minerais.

Na maioria dos casos o produto desejado o concentrado, que muitas vezes aps resfriado vai para cristalizadores. Como ex. temos os evaporadores em usinas de acar ou concentrao de sucos, de leite etc.

2 Solubilidade:

Como aumenta a concentrao de sais, existe um limite onde inicia a cristalizar .-> grficos.

Geralmente a solubilidade das solues aumenta com a temperatura, logo, a diminuio da temperatura propicia a cristalizao.

Obs. Cuidas com a solubilidade inversa que pode causar incrustao (carbonatos).

3 Sensibilidade trmica:

Quando a temperatura aumentada por tempo longo, pode degradar alimentos termossensveis. Isto pode ser evitado com a evaporao rpida e a evaporao em temperaturas baixas.

4 Espumas:

Leite desnatado e algumas solues de cidos graxos, formam espumas estveis durante a ebulio, com isto h o arraste de soluo concentrada com o vapor (solvente evaporado). Para evitar so utilizados compostos tensoativos e desestabilizantes de espumas.

5- Incrustao:

Solues com slidos dissolvidos podem depositar sobre a superfcie de transmisso de calor, diminuindo o coeficiente global de transferncia de calor. Isto promove a destruio de componentes termolbeis.

Para evitas utiliza-se: alimentos processados em evaporadores de circulao forada, e, de fcil acesso para limpeza.

6- Materiais de construo:

Geralmente so utilizados os aos AISI 304 e 316, que evitam a corroso e contaminao de alimentos. A desvantagem que tem uma baixa condutividade trmica (k).

O calor fornecido ao processo basicamente parar prover o calor latente de vaporizao, adotando-se mtodos para recuperar o calor do evaporado.

O meio de aquecimento geralmente vapor saturado baixas presses, eventualmente Dowtherm ou gases de escape!

Portanto, o projeto de evaporadores requer a aplicao prtica de dados de transferncia de calor para lquidos em ebulio, juntamente com dados do que acontece ao fluido durante a concentrao.

EBULIO: Quando a soluo est uma temperatura perto da

temperatura de ebulio, formam-se bolhas em pontos aleatrios sobre a superfcie de transmisso de calor (TC).

devido foras superficiais na interface esfrica liquido/vapor, a presso de saturao interior a bolha menor que a presso de saturao do lquido circundante (ou soluo);

Logo, a temperatura interna da bolha menor que a temperatura do lquido, e, calor flui para dentro da bolha

ela cresce! quando as foras de empuxo se tornam maiores que as

foras que a mantm ligada superfcie de TC, a bolha se solta e sobe para a superfcie do lquido agita o lquido!

T(Tsup. Tlq.) 5 10 50 100

103

102

105

106

104

hv

A

B

C

D

E

Curva de NURYIYAMA (Curva caract. p/ ebulio de superfcies submersas):

AB Conveco natura CD Regime de transio BC Ebulio nucleada DE Ebulio pelicular ou de filme

- Na conveco natural h apenas movimentao do fluido pela diferena de densidades;

- Ebulio nucleada: quando a vaporizao ocorre diretamente na superfcie que esta sendo aquecida. Pequenas bolhas de vapor se desprendem agitando e implementando a conveco livre.

- o fluxo de calor atinge um mximo (C) e define um Tcrtico. Para gua , (Q/A) max. = 400.000 Btu/h.ft2 presso atmosfrica, neste instante hv 8.800 Btu/h.ft2 0F.

- Na regio de transio a quantidade de bolhas tamanha que j impede o fluido de atingir (cada vez mais) a superfcie aquecida, ocorrendo um aumento de temperatura nos pontos que no mais esto em contato com o lquido!

- Acima de determinado T a ebulio pelicular quando a vaporizao ocorre atravs de uma camada com recobrimento de uma pelcula de vapor (resistncia TC.)

Obs. Para que acontea o mesmo fluxo de calor mximo, temos que garantir um T relativo ao ponto E, s que em alguns casos este gradiente excede o ponto de fuso da superfcie e resultam desastres.

Tw crticos at entre 60 120 C.

- Portanto, tambm o coeficiente de pelcula aumenta medida que aumenta o T, at pouco antes do Tcrtico ( 45-50C para gua), aps o qual decresce.

Concluso:

Pode-se aumentar o T (favorvel na conveco e conduo) at um limite na vaporizao!

Coeficiente de Pelcula: para lquidos em ebulio pode ser estimada pela equao de Mc Nelly:

sendo: hb = coeficiente de pelcula para lquidos em ebulio

d = dimenso caracterstica

k = condutividade trmica do lquido

L = viscosidade do lquido

q = fluxo de calor

= calor latente de vaporizao poar unidade de massa

P = presso

= tenso interfacial (superficial)

L = densidade do lquido

v = densidade do vapor

31,031,069,069,0

1.

.

..225,0

.

v

ldP

l

dq

k

lCp

k

dhb

Para conveco forada em tubos a situao se complica mais, pois no caso de ebulio em tubos verticais as condies de ebulio mudam com o local.

Os coeficientes de pelcula do lado do vapor condensante so bastante altos (adotando-se um valor conservativo); logo os Us so da ordem de 4.800 a 14.640 kcal/h.m2 C (1.000 a 3.000 Btu/ h.ftF).

Transmisso de Calor em Evaporadores

Equao de projeto: Q = A.U. T

Q = calor transferido por unidade de tempo;

U = coeficiente global de Transferncia de calor (TC);

A = superfcie de TC;

T = diferena de temperatura entre os 2 fluxos (vapor

condensante e soluo em ebulio).

Quando aplicamos Q=A.U. T a evaporadores, qual o valor correto para o T?

A pergunta pertinente pois acontecem fenmenos no interior do evaporador como a EPE (elevao do ponto de ebulio) e eventualmente a elevao da presso hidrosttica.

1 EPE: Quando evaporamos gua pura sob determinada presso, ento a sua

temperatura definida e pode ser obtida das tabelas de vapor, obtendo-se o T (Temp.vapor Temp.soluo aquosa em ebulio).

mesma presso uma soluo ter uma elevao do ponto de

ebulio (T maior que a Teb. da gua pura), diminuindo conseqentemente o gradiente de temperatura entre o vapor e a soluo.

Ex. sol. 25% NaCl pto. Ebul. 281K (EPE=8K) Logo, se usamos vapor de aquecimento a 289K para concentr-la,

resulta um T = 8K e no de 16K (273K a temp. eb. da gua pura!) A EPE no pode ser predita a partir de dados fsicos (Obs. A equao de

Othmer com base na eq. de Clausius & Clapeyron s vlida para solues ideais= diludas e no reais!).

Utiliza-se uma regra emprica Regra de Dhring.

Pto. Ebulio da gua [K]

Pto. Eb. soluo

Regra de Dhring. Se os pontos de ebulio de uma soluo ( em K, C ou F) so plotados contra os pontos de ebulio da gua pura na mesma presso, obtm-se uma linha reta conforme a figura abaixo:

Para cada concentrao, tem-se uma reta;

diferentes presses muda o Pto. ebulio da gua (das tabelas de vapor!!!)

Portanto, se a presso fixada, o ponto de ebulio da gua obtido das tabelas de vapor, e, as EPE dos Diagramas de Dhring.

Obs. Quanto mais fortes os eletrlitos, maior a Elevao do Ponto de

Ebulio Quando necessrio, deve-se computar nos clculos de evaporadores o

calor de soluo: dissolve NaOH h desprendimento de calor - reao exotrmica concentra NaOH absorve calor reao endotrmica Para tal so utilizados os grficos de H x [ ] de Perry & Chilton,

Himmelblau (pg. 322, ou Geankoplis (pg. 350), salientando que contribui pouco no computo geral de energia este acrscimo.

2 Efeitos da Presso (Lei de Raoult)

O ponto de ebulio uma funo da presso no ambiente do evaporador. Num evaporador de tubos longos verticais, devido presso hidrosttica, a temperatura de ebulio da soluo varia com a profundidade a que ela se encontra.

Isto reduz o T til (Tvap.-Tsol.), podendo sobre-aquecer a soluo.

Portanto, quando for necessrio (tubos longos verticais) usa-se uma temperatura de ebulio mdia baseada na presso de coluna de soluo (presso da coluna de soluo, meia altura do tubo longo).

Vcuo: Da mesma maneira a diminuio da presso no interior do evaporador diminui a temperatura de ebulio da soluo! (Observar a quantidade de vapor de alta presso necessria para a produo de baixas presses por meio de ejetores)

No evaporador de uma Planta de potncia, a poro NO evaporada da alimentao constitui o resduo.

No evaporador qumico, constitui o produto.

Clculo de um evaporador simples efeito

Evaporador: trocador de calor modificado. O projeto envolve princpios de T.C. e transporte de fluidos.

Consiste

1- num trocador de calor: vapor dgua saturado no exterior de tubos fornece:

calor sensvel e

latente de vaporizao para a soluo;

Vapor sat.

Condensado

Soluo

2- Um condensador dos vapores produzidos caso o evaporador trabalhe

com uma presso interna diferente da presso atmosfrica (para

sustentar o vcuo!).

3- Um espao razovel na parte superior para separar o vapor liberado da

soluo lquida (minimizar o arraste!), e, propiciar local para expanso dos

vapores;

Evaporado (E)

Condensado (C)

Concentrado (D)

Vapor (V)

Alimentado (M)

Figura : Desenho esquemtico com fluxos de fluidos no Evaporador. Massa de Alimentado (M): TM , hM e xM frao mssica de slidos no alimentado Massa de Evaporado (E): TE , hE e xE frao mssica de slidos no evaporado Massa de Concentrado (D): TD , hD e xD frao mssica de slidos no concentrado Massa de Vapor sat. (V): TV , hg Massa de Condensado (C): TV e hf hfg = hg hf (calor latente de mudana de fase)

A temperatura no interior do evaporador uniforme, logo:

TE = TD

A presso PE a presso de saturao da soluo concentrada, de composio xD, na sua temperatura de ebulio.

Balano Material: costuma-se fazer um quadro.

Obs. O dado chave o concentrado total!

Slido lquido total

Alimentado M.xM M(1- xM) M

Concentrado D . xD

Evaporado ---- M(1-xM/xD ) M(1-xM/xD )

Bal. Total: M = D + E

Bal. Slidos: M.xm = D.xd + E.xe (conc. sl. no evaporado=0)

Evaporado: M.xm = D.xd , mas D=M-E

M.xm = M.xd-E.xd

M.xm-M.xd = -E.xd

E = M(1-xM/xD )

Os outros valores obtemos por diferena: M(1-xm) M(1-xm/xd) = M-M.xm M + M.xm/xd = M(xm/xd xm)

E, alimentado total evaporado = concentrado.

M M(1-xm/xd) = M-M+

Balano Trmico: (Calor Entra = Calor que Sai!)

M.hm + V.hg = E.he + C.hf + D.hd + R (perdas)

Como V = C

M.hm + V.hg V.hf = E.he + D.hd + O! Considerando R = 0

Calor transferido pelo vapor para o evaporador =

q = V(hg-hf) = V.hfg

hfg = calor latente de vaporizao ,de

tabelas de vapor!

hm, hd, he : so aproximaes pois geralmente no so disponveis.

1- Aproxima-se que o calor latente de evaporao de 1 kg dgua de uma soluo pode ser obtido de tabelas de vapor usando-se para tal a temperatura de ebulio da soluo (T1) ao invs da temperatura de equilbrio para gua pura P1 (presso no evaporador 1)

ou seja, hfg (entalpias hf - hg) tomadas das tabelas de vapor mas temperatura de ebulio da SOLUO.

2- Conhecidos os Cps da alimentao e do concentrado, negligenciamos o calor de soluo e calculamos as entalpias como:

Entalpias: (H) A referncia de entalpia pode ser tanto a 0C quanto

a 25C ou outra qualquer, inclusive a temperatura no interior do EVAPORADOR. Se esta ltima escolhida, o estado lquido dever ser a referncia. (assim, entalpia do concentrado lquido igual a zero!!).

EXEMPLO: (com EPE)

Uma usina me 50 ton. de cana/h e produz 80% desta quantidade em peso de caldo diludo a 15 Brix.

Deseja-se concentrar esta soluo at 60 Brix por meio de um evaporador de simples efeito que trabalha nas seguintes condies:

- a alimentao entra pr-aquecida a 80C.

- o Cp mdio da soluo de 0,9 kcal/kgC.

- o U= 4000 kcal/h.m2 C.

- o vapor de aquecimento entra no aparelho com 1 ate e internamente o aparelho trabalha com uma presso (vcuo) de 0,8 kgf/cm2 .

Calcular: o consumo de vapor e a rea de aquecimento.

V

M

E

C

D

P = 0,8 kg/cm2

M = 50.000 . 0,8 = 40.000kg/h caldo Xm = 15% T = 80C Cp mdio = 0,9 cal/g.C

Vapor: 1 ate = 2 ata T = 119,8 120 C hg = 645,8 hf = 119,8 hfg = 525,9 kcal/kg

Concentrado: D, massa = ? xd = 60%, T = ? Cp mdio = 0,9 kcal/kg.C

Evaporado: E=? e T=? Condensado: hf = 119,8 kcal/kg, e P = 2 ata

1- Balano Material:

Sendo: M(xm/xd) = 40.000.15/60 = 10.000 kg/h.

2- Elevao do ponto de ebulio (EPE) conforme pg. 324 Kern.

60 Brix tem uma EPE de 6,3 F.

como a variao de 1,1C = 2F, ento 6,3F corresponde a 3,5C.

Logo, a nova temperatura no interior do evaporador passa de:

Pevap. = 0,8 kgf/cm2 com hf=92,99; hg=636,2 e hfg=543,2

com Tsat.= 92,99 93C para: 93 + 3,5 = 96,5C

Slido Lquido Total

Alimentado 6.000 34.000 40.000

Concentrado 6.000 4.000 10.000

Evaporado --- 30.000 30.000

2- Entalpia de superaquecimento: entalpia que o vapor no interior do evaporador (evaporado!) possui.

[ 1 . 0,5 . 3,5]

hSA = hg + m.Cp vap. (T), sendo o T = EPE

hg tomado presso de 0,8 kgf/cm2

hSA = 636,2 + 1 (kg de evaporado) . 0,5 (Cp do vapor) . 3,5 (EPE)

hSA = 637,95 kcal/kg = hE

3- Balano Trmico: Referncia da entalpia = 0C (Tab. de Vapor) M.hm + V.hg = E.he + C.hf + D.hd + 0 como V=C M.hm + V.Hg V.hf + E.he + D.hd e, M.hm + V.hfg = E.he + D.hd hm = 0,9 (80-0) = 72 kcal/kg hd = entalpia do lquido 96,5C = 0,9 . (96,5-0) = 86,85 kcal/kg logo: 40.000 . 72 + V.525,9= 30.000 . 637,95 + 10.000 . 86,85 2.880.000 + V.525,9 = 19.138.500 + 868.500 V = 17.127.000/525,9 = 32.567,028 kg vapor

4- rea de Aquecimento:

Q = A.U.T ou A= Q/U.T = 32.567 . 525,9/ 4.000 (119,8-96,5)

A = 183,766 m2 184 m2

TIPOS DE EVAPORADORES

Os tipos de equipamentos utilizados dependem bastante dos mtodos:

de fornecimento de calor para o licor e; de agitao da soluo. Os mtodos de fornecimento de calor poder ser: diretos e

indiretos. Diretos: Por exemplo a evaporao por meio da energia solar

onde o sol incide diretamente sobre a soluo, evaporando a gua, nas salinas, ou, a combusto submersa de um fluido, por ex. a concentrao de um cido por meio de uma chama alimentada com combustvel e comburente, que cede calor para evaporar o solvente...

Indiretos: o calor geralmente fornecido pela condensao de vapor saturado, como nos tachos encamisados ou nos evaporadores qumicos.

O indiretos, tambm chamados evaporadores qumicos, so divididos em 3 classes: circulao natural, circulao forada e os tipo filme.

Circulao natural:

1 Tubos horizontais: a superfcie de transmisso de calor constituda de tubos horizontais como num trocador de calor, o vapor passa pelo interior dos tubos e condensa, enquanto a soluo cobre os tubos pela parte externa destes, recebe o calor latente de mudana de fase do vapor sendo aquecido e evaporando uma parte do solvente. pequeno, barato, imprprio para solues que depositam slidos e portanto utilizado para lquidos no viscosos.

2 Tubos verticais: estes podem ser a) curtos e b) longos. curtos: a superfcie de transmisso de calor (TC) constituda de tubos curtos

verticais no interior dos quais passa soluo e, por fora o vapor condensa. A soluo, devido ebulio, diminui de densidade e sobe nos tubos por circulao natural, aumentando o U. A soluo volta para baixo por uma abertura central. No utilizado para lquidos viscosos. Uma variao deste tipo o tipo calandra removvel ou cesta: este elemento removvel com tubos suspenso no interior do evaporador.

Pode-se incrementar a circulao instalando-se uma hlice no fundo cnico do evaporador, passando a ser de circulao forada! No so indicados contudo para lquidos com altas viscosidades. Podem ser utilizados com lquidos que possuem tendncia a criar incrustaes. Ex. indstria aucareira, de sal e de soda custica.

Longos: consiste de um elemento aquecedor tubular longo projetado para a passagem da soluo atravs dos tubos uma vez apenas (circ. natural). Como o coeficiente de transmisso de calor do lado do vapor condensante alto se comparado ao do lado da evaporao do solvente, altas velocidades de soluo so desejadas. A agitao neste caso promovida no interior do tubos longos (3 a 10m) onde se formam bolhas de vapor causando uma ao de bombeamento que resulta em altas velocidades da soluo. No indicado para solues salinas, mas para solues com sabes ou que formam espumas (espumosas!).

Circulao natural:

1 Tubos horizontais:

2 Tubos verticais: podem ser a) curtos e b) longos.

curtos:

Longos:

Circulao Forada

Quando a velocidade da soluo incrementada, atravs de um agitador (hlice ou turbina), ou, por meio de uma bomba de circulao.

Obs. O custo do bombeamento aumenta com a velocidade da soluo ao cubo!!! Geralmente so utilizadas velocidades entre 2-5 m/s.

Na maioria das unidades a soluo no ebule nos tubos devido carga hidrosttica (aumenta o ponto de ebulio!) que eleva o ponto de ebulio acima da temperatura de ebulio presso da seo de separao. Logo, a alimentao feita pelo fundo e medida que ascende, a soluo aquecida nos tubos e a presso diminui. No separador a presso suficientemente baixa para ocorrer a ebulio.

As bombas podem recircular parte do concentrado pelo trocador de calor, que pode ser interno ou externo.

empregado em extratos de carne, soda custica, solues que cristalizam, gelatinas, lcoois e materiais espumosos.

Evaporadores tipo filme

Solues tipo suco de laranja, plasma sanguneo, extratos de fgado e vitaminas so muito termolbeis, e para tal foram idealizados evaporadores com tempo de residncia de apenas alguns segundos (5 a 10 seg.).

Filme descendente: uma variao do de tubos longos; a soluo alimentada no topo dos tubos e flui pelos tubos abaixo como um filme. O separador vapor-lquido geralmente na parte inferior.

Filme ascendente: a soluo passa por tubos longos verticais, sendo a ebulio em poro!

Evaporador de filme agitado

So os evaporadores de superfcie raspada tipo votator ou Luwa. Consiste num tubo encamisado com um rotor a ps no tubo interno. Proporciona altos fluxos de calor com solues viscosas.

Evaporadores tipo filme

Evaporador de filme agitado

Evaporador tipo placa

Consiste num trocador de calor a placas onde escoa por sees contguas o vapor condensante e a soluo, aps o que a soluo separada do vapor por um separador ciclone. Existem dois sistemas chamados APV Paraflash e APV Paravap. No primeiro a presso no interior do trocador de calor a placas aumentada por meio de uma placa de orifcio no seu final do equipamento. Quando a presso da soluo aliviada (quando ultrapassa o orifcio!) uma parte do solvente evapora instantaneamente no separador. No segundo a presso no aumentada e o solvente evapora dentro do trocador de calor, sendo separado no separador.

Evaporador Flash

Consiste de um trocador de calor normal onde se evita a ebulio no trocador de calor, e, uma posterior alimentao desta soluo superaquecida num separador operando a presso reduzida, permite a evaporao de parte do solvente.

Evaporador tipo spray

A soluo atomizada por um bocal no topo do evaporador e cai em contracorrente com ar quente ou vapor (menos oxidante!), concentrando ou secando. Utilizado para obter leite em p, caf em p, secar barbotina etc... (ler Spray Drying de K. Masters, ou Foust pg. 425 atomizadores, pg. 435 evaporadores!)

CLASSIFICAO: Os evaporadores podem ser classificados quanto ao nmero em:

- Simples efeito (j visto!)

- Mltiplo efeito:

Quando o vapor que se forma no primeiro estgio (recebe vapor saturado da caldeira!) usado como meio de aquecimento do segundo estgio, diz-se que o trocador possui duplo estgio de operao. Quando se aplicar ao caso de 3 estgios trata-se de um evaporador de operao tripla. Mais de 3 chamado mltiplo estgio.

-

Afim de manter as diferenas de temperatura para a transmisso de calor entre o vapor de um estgio da operao e o lquido que est em ebulio no estgio seguinte, a presso em cada evaporador sucessivo deve ser menor do que a do precedente.

Economia de vapor ou Eficincia de vapor

Obs. Num mltiplo efeito seria: