OPII_cap9

VAPORIZADORES

Capítulo 9

1

VAPORIZADORES

03/2011

Capítulo 9

9.1. Conceito

9.2. Vaporização

9.3. Tipos de Refervedores

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9.4. Comportamento Termofluidodinâmico

9.1. Conceito

Vaporizadores

São equipamentos destinados a promover amudança de fase de uma corrente na fase líquida

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mudança de fase de uma corrente na fase líquidapara fase vapor.

9.1. Conceito

Exemplos

� Uma caldeira (fired boiler) que transfere o calorliberado pela queima de um combustível para a

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vaporização da água.

� Uma caldeira de recuperação de calor (waste

heat boiler) que gera vapor através de umacorrente quente a alta temperatura oriunda de umreator.

9.1. Conceito

Exemplos

� Um refervedor (reboiler) que vaporiza umacorrente líquida oriunda do fundo de uma coluna

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de destilação.

� Um trocador de calor que é responsável pelarevaporização de um gás que foi anteriormentecondensado para transporte e armazenamento.

9.1. Conceito

Exemplos

� Um equipamento que obtém um componentepuro na fase vapor a partir de uma mistura, tal

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como nos processos de dessalinização da água.

� Um evaporador (evaporator) utilizado paraconcentrar uma solução ou mesmo efetuar a suacristalização.

� Um chiller que resfria uma corrente através davaporização de um fluido refrigerante.

No contexto do nosso curso, iremos focar oestudo dos vaporizadores basicamente comorefervedores de colunas de destilação.

Entretanto, os conceitos discutidos podem

9.1. Conceito

7

Entretanto, os conceitos discutidos podemser aplicados na análise de trocadores em geral,executando serviços de vaporização em linhas deprocesso, baseados na ebulição de uma correntelíquida.

Evaporadores não serão incluídos no escopodo curso.

9.2. Vaporização

O termo vaporização é utilizado para definiro processo de transição da fase líquida para a fasevapor.

Pode ocorrer de duas formas:

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Pode ocorrer de duas formas:

� Ebulição

�Evaporação

9.2. Vaporização

� Ebulição:

A transição da fase líquida para a fase vaporocorre através da formação de bolhas sobre umasuperfície aquecida.

9

superfície aquecida.

)( satw

vapTT

qh

−=

Excesso de temperatura

9.2. Vaporização

� Evaporação:

A transição da fase líquida para a fase vaporocorre através da interface entre o líquido e seuvapor.

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vapor.

)( ∞−=

TT

qh

liq

vap

9.2. Vaporização

� Observações:

A ebulição ocorre quando o líquido está emcontato com uma superfície com temperaturaacima a sua temperatura de saturação.

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acima a sua temperatura de saturação.

A evaporação ocorre quando a temperaturado líquido alcança um pequeno superaquecimentoem relação a sua saturação ou quando está emcontato com seu vapor e um gás não condensável.

Em determinadas situações a vaporizaçãopode ocorrer por ebulição e evaporaçãosimultaneamente.

9.2.1. Ebulição

De acordo com o movimento do fluido, aebulição pode ser caracterizada como:

� Ebulição em piscina (pool boiling): Omovimento do fluido ocorre devido às correntes de

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movimento do fluido ocorre devido às correntes deconvecção natural e em função da ascensão dasbolhas de vapor no seio do líquido.

� Ebulição com convecção forçada (forced

convective boiling): Além das correntes deconvecção natural e das bolhas de vapor, o fluidose movimenta em função de um agente externo.

9.2.2. Ebulição em piscina

Considerando o aquecimento gradativo deuma superfície em contato com um líquido,verifica-se que o fenômeno da ebulição passa pordiferentes regimes:

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diferentes regimes:

� Ebulição com convecção natural

� Ebulição nucleada

� Ebulição de transição

� Ebulição em película

Aumento doexcesso detemperatura


� Ebulição com convecção natural:

Para baixos valores de excesso detemperatura, a transferência de calor ocorre

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temperatura, a transferência de calor ocorreatravés de convecção natural, uma vez que aindanão há a formação de bolhas de vapor.

Neste regime, o aumento de temperatura dasuperfície aumenta o fluxo térmico.


� Ebulição com convecção natural:

q

15∆∆∆∆Te


� Ebulição nucleada:

Com o aumento do excesso de temperatura,surge a ebulição nucleada onde as bolhas seformam sobre a superfície aquecida e se

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formam sobre a superfície aquecida e sedesprendem para o interior do líquido.

Caso o seio do líquido (bulk) esteja a umatemperatura inferior à temperatura de saturaçãoestas bolhas podem condensar antes de chegar àsuperfície livre (ebulição nucleada subresfriada).



À medida que a temperatura da superfícieaumenta, o fluxo térmico aumenta, com o vapor

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aumenta, o fluxo térmico aumenta, com o vaporinicialmente se desprendendo na forma de bolhasindividuais e, posteriormente, na forma de jatos ecolunas.

Atingindo um determinado valor de excessode temperatura, o fluxo térmico atinge um valormáximo denominado fluxo crítico.



q

18∆∆∆∆Te


� Ebulição de transição:

Neste regime, a formação de bolhas é tãointensa que a superfície passa a sergradativamente tomada por uma camada de vapor.

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gradativamente tomada por uma camada de vapor.As condições em cada ponto da superfície oscilamentre ebulição nucleada e de película.

Em função do crescente recobrimento dasuperfície por uma camada de vapor (vapor

blanketing), o fluxo térmico cai com o aumento datemperatura.


� Ebulição de transição:

q

20∆∆∆∆Te


� Ebulição em película:

Neste regime, a superfície de aquecimentoestá totalmente recoberta por um filme de vapor.

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está totalmente recoberta por um filme de vapor.Iniciando em um ponto de mínimo do fluxotérmico (Ponto de Leidenfrost), na ebulição empelícula o aumento da temperatura volta a levar aum aumento do fluxo térmico.


q

� Ebulição em película:

22∆∆∆∆Te


q

� Observação: Dispositivos com fluxo controlado

23∆∆∆∆Te

9.2.3. Ebulição com convecção forçada

Na ebulição com convecção forçada, o fluidose movimenta através da superfície detransferência de calor em função de um agente

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transferência de calor em função de um agenteexterno (coluna de líquido, como no caso dostermossifões, ou uma bomba, como no caso dosrefervedores com circulação forçada) associadosaos movimentos naturais das correntes deconvecção natural e das bolhas ascendentes devapor.


Escoamento anular

Escoamento névoa (mist)

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Convecção sem mudança de fase

Escoamento com bolhas

Escoamento slug


Névoa VaporTransiçãoAnular

LíquidoBolhas e slug

h

26Qualidade


São trocadores de calor cuja função évaporizar uma corrente líquida do fundo decolunas de destilação, retornando o vapor ao fundo

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colunas de destilação, retornando o vapor ao fundoda própria coluna, propiciando assim energia paraa realização do fracionamento.

A fonte de calor para a vaporização pode serproveniente de uma utilidade (e.g. vapor d´água),de um fluido de processo (e.g.. recuperação de


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de um fluido de processo (e.g.. recuperação decalor de uma corrente quente de um reator) oumesmo da queima de um combustível (e.g. fornorefervedor em refinarias).

No escopo do nosso curso vamos enfocarrefervedores na forma de trocadores de calorcasco-e-tubos.

Neste sentido, os refervedores podem ser


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Neste sentido, os refervedores podem serclassificados de acordo com a direção doescoamento em relação ao eixo principal da áreade transferência de calor:

�� Escoamento transversal (cross-flow)

�� Escoamento longitudinal (axial-flow)

As alternativas de refervedores envolvendotrocadores de calor casco-e-tubos são:

�� Refervedor tipo kettle


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�� Refervedor interno à coluna

�� Termossifão horizontal

�� Termossifão vertical – lado dos tubos

�� Termossifão vertical – lado do casco

�� Refervedores com circulação forçada

9.3.1. Refervedor tipo kettle

Neste tipo de trocador o feixe de tubos ficaimerso no líquido em ebulição. A corrente dealimentação escoa para o interior do trocador porgravidade.

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gravidade.

Os vapores formados são separados dolíquido através de uma extensão do casco,correspondendo ao casco tipo K da TEMA.

O feixe de tubos pode ser do tipo tubo em Uou cabeçote flutuante.


32

Fonte: Heat Exchanger Design Handbook


33

Fonte:

www.distillationgroup.com


34

Fonte:

http://engineering.wikia.com/wiki/Shell_and_tube_heat_exchanger


35

Fonte:

http://engineering.wikia.com/wiki/Shell_and_tube_heat_exchanger


36

Fonte:

http://www.red-bag.com/jcms/design-standards

� Vantagens:

- Sua operação é hidraulicamente maissimples e confiável.


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simples e confiável.

- No caso de fluidos perto do ponto crítico, adiferença entre as densidades do líquido e do vapornão é significativa, o que dificulta a utilização deum termossifão, neste caso, um refervedor tipokettle pode ser uma boa opção.


� Desvantagens:

- Em relação às outras alternativas, sãoalcançados menores valores para os coeficientes detransferência.

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transferência.

- São mais caros quando comparados com osmodelos com termossifão, em função do tamanhodo casco K.

- São mais suscetíveis a problemas dedeposição.

9.3.2. Refervedor interno à coluna

Este tipo de refervedor é semelhante aorefervedor tipo kettle, porém ao invés da presençade um casco, o feixe de tubos é embutido no

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de um casco, o feixe de tubos é embutido nointerior da coluna.


40



41

Fonte:



42

Fonte:

http://lorien.ncl.ac.uk/ming/distil/reboil.htm

� Vantagens:

- Como não está conectado a tubulaçõesexternas, possui ainda menos problemas do ponto


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externas, possui ainda menos problemas do pontode vista hidráulico que um kettle.

- Uma vez que é formado apenas por umfeixe de tubos, é a alternativa mais barata.

- Os problemas de deposição são menosimportantes que em um kettle convencional.

� Desvantagens:

- Em função da limitação imposta pelodiâmetro da coluna de destilação, a área máxima


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diâmetro da coluna de destilação, a área máximaque pode ser utilizada pode ser uma restriçãoimportante.

- Caso seja preciso acessar o feixe de tubospara a manutenção do trocador, é necessário abrira coluna de destilação.

9.3.3. Termossifão horizontal

Nos termossifões, a circulação ocorre emfunção da diferença de densidade entre a coluna delíquido proveniente da torre e a mistura bifásicana saída do trocador.

45

na saída do trocador.

Em um termossifão horizontal, a correnteem ebulição escoa transversalmente ao feixe detubos, por onde escoa o fluido de aquecimentoatravés de um ou mais passes.


46



47

Fonte:



48

Fonte:

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Thermosyphon_Reboiler.png

� Vantagens:

- A disposição do feixe na horizontal, reduz aaltura da coluna de líquido necessária para o


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altura da coluna de líquido necessária para oescoamento.

- Com recirculação, é possível alcançarmaiores velocidades, o que permite diminuir aformação de depósitos, quando comparado com okettle.

� Desvantagens:

- Se houver problemas de deposição, estesirão exigir a limpeza do casco.


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irão exigir a limpeza do casco.

- Em unidades maiores, torna-se necessárioinstalar sistemas de distribuição com vários bocaisao longo do casco para a uniformização doescoamento, o que pode aumentar os custos.

9.3.4. Termossifão vertical – lado dos tubos

Nos termossifões, a circulação ocorre emfunção da diferença de densidade entre a coluna delíquido proveniente da torre e a mistura bifásicana saída do trocador.

51

na saída do trocador.

Neste tipo de refervedor, a corrente emebulição escoa no interior do feixe de tubosrecebendo calor do fluido quente proveniente deum casco tipo E.


52



53

Fonte:



54

Fonte:

http://lorien.ncl.ac.uk/ming/distil/reboil.htm


55

Fonte:

http://www.red-bag.com/jcms/design-standards


� Observações:

Recomenda-se a utilização de fraçõesvaporizadas na saída do refervedor da ordem de

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vaporizadas na saída do refervedor da ordem de0,10 a 0,35 para hidrocarbonetos e 0,02 a 0,10 paraágua e soluções aquosas.

Deve-se estar atento para uma adequadacirculação, principalmente para refervedoresenvolvendo longos comprimentos de tubos, sob orisco de dry-out.

� Vantagens:

- As maiores velocidades alcançadas noescoamento no interior dos tubos reduzem os


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escoamento no interior dos tubos reduzem osproblemas associados à deposição.

- Em geral, apresentam maiores valores decoeficiente de convecção.

- Se houver a formação de depósitos, estesestarão nos tubos, facilitando a limpeza.

� Desvantagens:

- Devido à orientação vertical do feixe,torna-se necessário uma maior altura de coluna de


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torna-se necessário uma maior altura de coluna delíquido, implicando na necessidade de uma maiorelevação da torre.

- Seu desempenho é bastante dependente dascondições fluidodinâmicas, o que pode acarretarproblemas operacionais.

9.3.5. Termossifão vertical – lado do casco

Neste tipo de refervedor, a corrente emebulição escoa no casco com o fluido quenteescoando no feixe de tubos.

59

escoando no feixe de tubos.


60



61

Fonte:


� Vantagens:

Termosifões verticais são usualmenteconstruídos com a vaporização no lado dos tubos,


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construídos com a vaporização no lado dos tubos,porém em certas situações a alocação do fluido deaquecimento no lado do casco pode não ser viável(e.g. aquecimento com um fluido de processocorrosivo ou que requeira materiais especiais).

� Desvantagens:

A construção do casco deve ser feita com omínimo de restrições possíveis ao escoamento,


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mínimo de restrições possíveis ao escoamento,evitando espaços mortos onde pode haver acúmulode vapor, o que costuma implicar em problemasoperacionais de superaquecimento, especialmentejunto ao espelho superior.

9.3.6. Refervedores com circulação forçada

Nos refervedores com circulação forçada, omovimento do fluido ocorre em função de umabomba. Podem ser utilizados com orientação

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bomba. Podem ser utilizados com orientaçãovertical ou horizontal, onde a vaporização éusualmente conduzida no interior dos tubos.


65



66

Fonte:



67

Fonte:

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Fired_Reboiler.png

� Vantagens:

A utilização de uma bomba para manter oescoamento pode ser a única alternativa


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escoamento pode ser a única alternativaeconomicamente viável de vaporização emrefervedores no caso de correntes líquidas de altaviscosidade e/ou com severos problemas dedeposição.

� Desvantagens:

A necessidade de bombeamento penaliza oinvestimento e o custo operacional do sistema


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investimento e o custo operacional do sistema(velocidades de 5 m/s a 6 m/s podem sernecessárias para um serviço efetivo).

9.4. Comportamento Termofluidodinâmico

�� Kettle e termossifão horizontal

Equações para um dimensionamento preliminar:

70

�� Kettle e termossifão horizontal

�� Termossifão vertical

Para o kettle, serão adotadas equaçõesrelativas à ebulição nucleada, incluindo fatores decorreção pertinentes à presença do feixe de tubos.

9.4.1. Kettle e Termossifão horizontal

71

No caso dos termossifões horizontais, seráadotada como abordagem preliminar econservadora, ignorar os efeitos relativos àcirculação externa de fluido.


Correlação de Mostinski:

�� Ebulição nucleada em um tubo isolado:

Pcnb FqPh 7,069,0

1 00417,0=

72

Pcnb FqPh 1 00417,0=

onde hnb1 é o coeficiente de convecção paraebulição nucleada em um tubo isolado em W/m2,Pc é a pressão crítica em kPa, q é o fluxo térmicoem W/m2, Fp é um fator de correção relativo àpressão:

( ) 17,0/8,1 cP PPF =


Em função da presença de vários tubosconfinados, há uma intensificação do fluxo

�� Efeitos convectivos devido ao feixe:

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confinados, há uma intensificação do fluxomássico, contribuindo para um aumento docoeficiente de convecção.



nccbnbb hFFhh += 1

74

onde hb é o coeficiente de convecção para ebuliçãonucleada no feixe, Fb é um fator de correção devidoaos efeitos de convecção no feixe, Fc é um fator decorreção relativo à presença de uma mistura e hnc éo coeficiente de convecção associado às correnteslíquidas de convecção natural.


Este fenômeno é complexo e exige umconjunto de cálculos especiais, entretanto é


75

conjunto de cálculos especiais, entretanto épossível adotar algumas premissas simplificadorasadequadas para fins de cálculos preliminares.



Fb pode variar entre 2 e 3, porém para fins deprojeto, recomenda-se utilizar conservadoramente

76

b

projeto, recomenda-se utilizar conservadoramente1,5.

hnc corresponde a 250 W/m2K para correntesde hidrocarbonetos e 1000 W/m2K para correntesaquosas.


Verifica-se que os valores dos coeficientes deconvecção associados a misturas são inferiores aosvalores correspondentes para substâncias puras.

�� Efeitos de mistura:

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valores correspondentes para substâncias puras.Uma alternativa de cálculo deste fator pode

ser dada por (se Fc < 0,1 então Fc = 0,1):

)](027,0exp[ PBPOc TTF −−=

onde TPO e TPB são, respectivamente, a temperaturado ponto de orvalho e a temperatura do ponto debolha.


Para fluidos puros ou misturas com faixa deebulição estreita, utiliza-se a média logarítmica da

�� Diferença de temperatura média:

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ebulição estreita, utiliza-se a média logarítmica dadiferença de temperatura (LMTD).

Se a faixa de ebulição for considerável, autilização da LMTD fornece resultados muitootimistas.


De forma conservadora, em refervedores dotipo kettle, adota-se a LMTD baseada na


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tipo kettle, adota-se a LMTD baseada natemperatura de saída do vapor.

No caso de termossifões, a adoção destaabordagem fornece valores muito baixos. Nestecaso, recomenda-se a utilização da LMTD co-corrente ou o valor equivalente para escoamentocruzado.


Observação: Deve-se levar em conta que atemperatura de ebulição é afetada pela pressão,


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temperatura de ebulição é afetada pela pressão,fator especialmente importante no caso deoperações a vácuo.


No projeto de vaporizadores, o fluxo térmicodeve estar, em geral, abaixo do fluxo crítico

�� Fluxo crítico:

81

deve estar, em geral, abaixo do fluxo crítico(<70%).


Fluxo crítico para um tubo isolado:

Correlação de Mostinski


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Correlação de Mostinski

9,035,0

max,1 1367

−

=

cc

cP

P

P

PPq

onde q1,max é o fluxo crítico para um tubo isoladoem W/m2, P é a pressão do sistema em kPa, Pc é apressão crítica em kPa.


Efeito do feixe de tubos:

Correlação de Palen e Small


83

Correlação de Palen e Small

bb qq φmax,1max, =

onde qb,max é o fluxo crítico para o feixe em W/m2 eφφφφb é um fator de correção ligado à geometria dofeixe (φφφφb ≤≤≤≤ 1).


Efeito do feixe de tubos:


LDbπψ =ψφ 2,2= com

84

A

LDbb

πψ =

onde Db é o diâmetro do feixe de tubos em m, L é ocomprimento do feixe em m e A é a área detransferência de calor em m2.

bb ψφ 2,2= com


Problemas de fluxo térmico excessivo podemser corrigidos através das seguintes alternativas:


85

- Aumento do espaçamento entre os tubos;

- Aumento no comprimento e redução dodiâmetro do feixe;

- Redução da temperatura do fluido deaquecimento.

9.4.2. Termossifão vertical

Correlação de Chen:

�� Ebulição nucleada e Convecção forçada:

cbnbb hshh +=

86

cbnbb hshh +=

onde hb é o coeficiente de convecção para aebulição em W/m2, hnb é a contribuição daebulição nucleada em W/m2, hcb é a contribuiçãoda convecção forçada em W/m2 e s é o fator desupressão da ebulição nucleada.


Correlação de Chen:

�� Contribuição da ebulição nucleada:

cnbnb Fhh 1=

87

cnbnb Fhh 1=

onde hnb é o coeficiente de convecção para aebulição nucleada em W/m2, hnb1 é o coeficientede convecção para ebulição nucleada em um tuboisolado em W/m2 (vide Correlação de Mostinski)e Fc é o fator de correção relativo à presença deuma mistura.


�� Contribuição da convecção forçada:

)( ttlcb Xfhh =

onde hl é o coeficiente de convecção para olíquido escoando sozinho e X é o parâmetro de

88

líquido escoando sozinho e Xtt é o parâmetro deMartinelli (raiz quadrada da razão entre a quedade pressão na fase líquida e vapor):

1,05,09,01

−=

g

l

l

g

ttx

xX

µ

µ

ρ

ρ

tal que x é a fração vaporizada em base mássica.


�� Contribuição da convecção forçada:

=

1 para 1/Xtt ≤≤≤≤ 1

89

+=

736,0)213,0/1(35,2

1)(

tt

ttX

Xfpara 1/Xtt ≤≤≤≤ 1

para 1/Xtt > 1


�� Fator de supressão da ebulição nucleada:

17,16 Re1053,21

1

tp

s−⋅+

=

90

Re1053,21 tp⋅+

com:

25,1)(ReRe ttltp Xf=


�� Observação:

No caso de operação à vácuo, a modificaçãodo ponto de ebulição com a temperatura pode ser

91

do ponto de ebulição com a temperatura pode sersignificativa e deve ser levada em conta noscálculos térmicos.


−

=

cc

c

it

P

P

P

PP

L

Dq 123660

25,0

61,0

35,02

,

max


92

cc PPL

onde Dt,i e L são o diâmetro interno e ocomprimento da tubulação em m, respectivamente,P é a pressão em kPa e Pc é a pressão crítica emkPa.

Como primeira aproximação pode ser



93

Como primeira aproximação pode serutilizada a média logarítmica da diferença detemperatura (LMTD).

� Fluido de aquecimento:

Considerando a utilização de vapor como

9.4.3. Observações

94

Considerando a utilização de vapor comofluido de aquecimento, pode-se adotar um valor decoeficiente de película (sujo) igual a 8500 W/m2K

9.4.3. Observações

�� Estimativa do diâmetro do casco:

A relação entre o número de tubos (Ntt) e odiâmetro do casco (Ds) pode ser aproximada emcálculos preliminares pelo seguinte resultado:

95

s

cálculos preliminares pelo seguinte resultado:

ctptts FLN

D 22

4=

π

onde Ltp é o passo do feixe e Fc é um fatorassociado ao arranjo da matriz tubular, tal queFc = 1, se arranjo quadrado e Fc = 0,866, searranjo triangular.

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