EVAPORAÇÃO Operações Unitárias Prof a. Kelly Tafari Catelam

Apresentação em tema: "EVAPORAÇÃO Operações Unitárias Prof a. Kelly Tafari Catelam"— Transcrição da apresentação:

1 EVAPORAÇÃO Operações Unitárias Prof a. Kelly Tafari Catelam
Tecnologia em Biocombustíveis IFSP Matão

2 Evaporação Processo físico que consiste em separar (evaporar) uma parte do líquido contido em uma solução ou suspensão. Calor adicionado a solução  evaporação do solvente (Condensação de vapor d’água) Ex: Concentração de soluções aquosas!!!!

3 Conceito de Evaporação: Remoção de solvente baseada na transferência de calor de um líquido em ebulição Objetivo do Processo: Concentrar uma solução para obter um concentrado, com volume e peso reduzidos e com melhor características de conservação Características Especiais: Pode ser etapa Intermediária na obtenção de produtos desidratados Devido à sensibilidade térmica de alguns produtos, o processo é conduzido sob vácuo para permitir a evaporação em baixas temperaturas Outras Formas de Concentração: Osmose Reversa, ultrafiltração e criocentração

4 Evaporador Trocador de calor projetado especialmente para fornecer ao fluido o seu calor latente de vaporização. Partes essenciais: - câmara de aquecimento - câmara de evaporação

5 Vapor direcionado ao condensador
Evaporador Vapor direcionado ao condensador Alimentação P1 Vapor de água saturado T1 Condensado Produto concentrado  (calor latente) Água líquida Vapor d’água  (calor latente)

6 Classificação dos Evaporadores
A evaporação pode ser feita em: um único efeito: tachos usados antigamente para produção de açúcar mascavo (inicialmente com fogo direto e posteriormente com vapor). múltiplo efeito: sistema empregado pelas usinas e que promove economia de vapor de aquecimento (e bagaço).

7 O múltiplo efeito, além de promover economia de vapor de aquecimento, gera vapor (chamado vapor vegetal) para uso no aquecimento de caldo e no aquecimento dos cozedores a vácuo. A condensação de vapor no múltiplo efeito gera condensado, utilizado como água de alimentação de caldeira, atendendo a maior parte desta necessidade.

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9 Alguns fatores importantes...
Concentração da solução de alimentação: Inicialmente... Solução diluída  baixa viscosidade  altos coef. de transferência A medida em que a solução se evapora... Solução concentrada  maior viscosidade  baixos coef. de transferência Circulação do líquido deve ser otimizada

10 Alguns fatores importantes...
Solubilidade: Inicialmente... A solução é aquecida e a concentração do soluto aumenta com o tempo. A medida em que a solução se evapora... A solubilidade limite do soluto na solução pode ser excedida e cristais podem ser formados A solubilidade limita a máxima concentração da solução

11 Alguns fatores importantes...
Materiais sensíveis à temperatura: Alguns materiais podem ser sensíveis e se degradar à altas temperaturas ou após prolongado aquecimento. Uso de vácuo para reduzir a temperatura de ebulição Baixo tempo de residência no evaporador!!!!!!

12 Alguns fatores importantes...
Pressão e temperatura: O ponto de ebulição da solução esta relacionado com a pressão do sistema. P  Teb Com aumento da concentração do soluto na solução a temperatura de ebulição pode aumentar. Este fenômeno é chamado “elevação do ponto de ebulição” (EPE). x  Teb

13 Alguns fatores importantes...
Formação de espuma durante a ebulição: Usa-se dispositivos para evitar que a espuma seja arrastada juntamente com o vapor

14 Métodos de Operação: Simples Efeito
Vapor direcionado ao condensador (T1, HV) Alimentação (TF, hF, xF)) P1 T1 Vapor de água saturado (TS, HS) Condensado: (TS, hs) Produto concentrado (T1, hL, xL) T do vapor = T produto concentrado = T ebulição da solução = T1 P1 = pressão de vapor da solução à T1

15 Balanços de Massa e Energia
1 etapa: Balanço de massa F (TF, hF, xF) S (TS, HS) S (TS, hs) L (T1, hL, xL) V (T1, HV) T1 P1 Global, F = L + V Soluto, FxF = LxL

16 Balanços de Massa e Energia
2 etapa: Balanço de energia F (TF, hF, xF) S (TS, HS) S (TS, hs) L (T1, hL, xL) V (T1, HV) T1 P1 Global, FhF + SHS = LhL + VHV + ShS FhF + S = LhL + VHV Calor transferido para a solução q = S(HS-hS) = S  = calor latente

17 Balanços de Massa e Energia
3 etapa: Equação da taxa de transferência de calor F (TF, hF, xF) S (TS, HS) S (TS, hs) L (T1, hL, xL) V (T1, HV) T1 P1 q = UAT T = (TS – T1) U = coeficiente global de transferência de calor A = área de troca

18 Determinação da Temp. de Ebulição no Evaporador
F (TF, hF, xF) S (TS, HS) S (TS, hs) L (T1, hL, xL) V (T1, HV) T1 P1 Teb Teb solução aquosa ≠ Teb água Efeito do soluto Concentração da solução Temperatura de ebulição Difícil predição

19 Uso das tabelas de vapor de água
Propriedades do vapor/líquido saturado

20 Uso das tabelas de vapor de água
Propriedades do vapor superaquecido

21 Determinação da Temp. de Ebulição no Evaporador
F (TF, hF, xF) S (TS, HS) S (TS, hs) L (T1, hL, xL) V (T1, HV) T1 P1 Teb Teb solução aquosa - Teb água = EPE EPE – elevação do ponto de ebulição

22 Determinação da Temp. de Ebulição no Evaporador
Diagrama de Dühring

23 Determinação da Temp. de Ebulição no Evaporador
Exemplo 1: A pressão na câmara de evaporação de um evaporador é de 25,6 kPa e uma solução de 30 % de NaOH está sendo evaporada. Determine a temperatura de ebulição desta solução e a elevação do ponto de ebulição (EPE) na pressão da câmara. Dado: Temperatura de ebulição da água à 25,6 kPa = 65,6 ºC (tabelas de vapor saturado)

24 Determinação da Temp. de Ebulição no Evaporador
Resolução: ~ 79,5 ºC EPE ~ 13,9 ºC

25 Determinação da Entalpia das soluções
Diagrama entalpia-concentração

26 Obtenção de dados para cálculo
Temperaturas: TS (tabelas de vapor saturado sendo dado PS) T1 (tabelas de liquido saturado sendo dado P1 e diagrama de Dühring) TF (geralmente fornecido) Entalpias:  = (HS – hS) - (tabelas de vapor/líquido saturado) HV (tabelas de vapor superaquecido) hF (diagrama entalpia-concentração) hL (diagrama entalpia-concentração)

27 Desempenho do Evaporador
Capacidade (C)  C = V (kg água evaporada/h) Economia (E)  E = V (kg água evaporada/h) S (kg água consumida/h) Consumo de Vapor (CV)  CV = C/E (kg vapor consumido/h)

28 Métodos de Operação: Múltiplo Efeito
Objetivo: Aproveitar o calor latente do vapor produzido para evaporar, em uma etapa subsequente, uma solução que ferve a uma temperatura inferior à de condensação deste. Vapor (T1, HV1) Vapor (T2, HV2) Alimentação (TF, hF, xF) P1 P2 P1 > P2 T2 T1 Vapor de água sat. (TS, HS) T1 > T2 Concentrado 1º efeito (T1, hL, xL) Produto Concentrado (T2, hL2, xL2)

29 Para que o vapor gerado por uma caixa (corpo) possa aquecer e levar o caldo da caixa seguinte à ebulição é necessário que haja uma diferença de temperaturas que permita o transporte do calor do vapor ao caldo. Este efeito pode ser conseguido pela diminuição da pressão no topo da caixa seguinte. Num múltiplo efeito este efeito é conseguido pela diminuição da pressão no topo da última caixa.

30 Relação entre P eT de ebulição

31 Relação entre P eT de ebulição: vácuo

32 Métodos de Operação: Múltiplo Efeito
Princípio de Rillieux: “Um quilograma de vapor evaporará um número de quilogramas de água do caldo igual ao número de corpos do múltiplo efeito”. Portanto, num quádruplo efeito, um quilo de vapor evaporará quatro quilos de água

33 Métodos de Operação: Múltiplo Efeito
A principal vantagem do emprego de um múltiplo efeito está na redução do consumo de vapor

34 Economia de vapor = Princípio de Rillieux
Exemplo: Qual seria o consumo de vapor de escape para se concentrar 100 toneladas de caldo por hora de 15 até 60 °Brix, num triplo, num quádruplo e num quíntuplo efeito?

35 Métodos de Operação: Múltiplo Efeito
Alimentação direta (fluxo dos fluidos em paralelo) 1º efeito 2º efeito 3º efeito Para o condensador e sistema de vácuo Vapor (T1, HV1) Vapor (T2, HV2) Vapor (T3, HV3) Alimentação (TF, hF, xF) P1 P2 P3 T1 T2 T3 Vapor de água sat. (TS, HS) Concentrado 1º efeito (T1, hL, xL) Concentrado 2º efeito (T2, hL2, xL2) Produto concentrado (T3, hL3, xL3)

36 Métodos de Operação: Múltiplo Efeito
Alimentação direta: Vantagens: Não necessita de bombas para deslocar a solução de um estágio para outro (vácuo). Desvantagens: Efetua todo aquecimento de carga no primeiro efeito, de modo que a quantidade de vapor gerada pelo vapor de água de aquecimento é menor. A solução mais concentrada esta sujeita à temperatura mais baixa. Recomendado no caso de alimentação quente e solutos termosensíveis

37 Métodos de Operação: Múltiplo Efeito
Alimentação inversa (fluxo dos fluidos contra corrente) 1º efeito 2º efeito 3º efeito Para o condensador e sistema de vácuo Vapor (T1, HV1) Vapor (T2, HV2) Vapor (T3, HV3) P1 P2 P3 T1 T2 T3 Alimentação (TF, hF, xF) Vapor de água sat. (TS, HS) Produto concentrado (T1, hL, xL) Concentrado 2º efeito (T2, hL2, xL2) Concentrado 3º efeito (T3, hL3, xL3)

38 Métodos de Operação: Múltiplo Efeito
Alimentação inversa Vantagens: A solução mais concentrada está sujeita à temperatura mais elevada. Menor quantidade de vapor é utilizada para aquecer a alimentação. Desvantagens: É necessário o uso de bombas para transportar a solução entre os efeitos. Recomendado no caso de alimentação fria e produtos viscosos

39 Métodos de Operação: Múltiplo Efeito
Alimentação mista 1º efeito 2º efeito 3º efeito Para o condensador e sistema de vácuo Vapor (T1, HV1) Vapor (T2, HV2) Vapor (T3, HV3) P1 P2 P3 T1 T2 T3 Vapor de água sat. (TS, HS) Produto concentrado (T1, hL, xL) Concentrado 1º efeito (T3, hL3, xL3) Alimentação (TF, hF, xF) Concentrado 2º efeito (T2, hL2, xL2)

40 Diferença de temperatura em um evaporador a três efeitos
A quantidade de calor transferido por hora no primeiro efeito pode ser dada pela seguinte expressão: q1 = U1A1T1 q1 = U1A1(TS – T1) ou T1 - diferença entre a temperatura do vapor de aquecimento e a temperatura de ebulição do líquido na câmara de evaporação no 1º efeito. Supondo que: a solução não sofre aumento na Ta de ebulição o vapor não perde P ao passar de um efeito a outro o calor sensível utilizado para aquecer a alimentação até o ponto de ebulição pode ser desprezado. o vapor que condensa no segundo efeito fornece aproximadamente a mesma quantidade de calor q1.

41 Diferença de temperatura em um evaporador a três efeitos
A quantidade de calor transferido por hora no segundo efeito pode ser dada pela seguinte expressão: q2 = U2A2T2 q2 = U2A2(T1 – T2) ou T2 - diferença entre a temperatura do vapor produzido no 1º efeito e a temperatura de ebulição do líquido na câmara de evaporação no 2º efeito. Do mesmo modo... q3 = U3A3T3 ou q3 = U3A3(T2 – T3) T3 - diferença entre a temperatura do vapor de produzido no 2º efeito e a temperatura de ebulição do líquido na câmara de evaporação no 3º efeito.

42 Diferença de temperatura em um evaporador a três efeitos
Visto que q1 ~ q2 ~ q3: U1A1T1 = U2A2T2 = U3A3T3 Geralmente,na prática as áreas em cada efeito são iguais: T é inversamente proporcional aos valores de U

43 Diferença de temperatura em um evaporador a três efeitos
sendo: (diferença total de temperatura) Podemos escrever:

44 Capacidade de um evaporador a três efeitos
O calor total pode ser dado por: Considerando que os valores de U e de A são os mesmos em cada efeito: Onde: Mesma taxa de calor que seria obtida em um único efeito operando entre os mesmos níveis extremos de temperatura

45 Capacidade de um evaporador a três efeitos
A evaporação múltiplo efeito aumenta a economia de vapor mas diminui o fluxo térmico por efeito da ordem de 1/n em relação a uma operação em um só efeito entre as mesmas temperaturas terminais; Não se têm aumento de capacidade em um múltiplo efeito; O aumento na economia do vapor deve ser equilibrado com o aumento no custo do equipamento. A evaporação com mais de 5 efeitos raramente é econômica.

46 Efeito da EPE EPE reduz a capacidade do evaporador: diminuição do T
sem EPE: T = Ts – T1, onde T1  temperatura de ebulição da água com EPE: T = Ts – T1, onde T1  temperatura de ebulição da solução T ebulição da solução > T ebulição da água

47 Efeito da EPE Em um múltiplo efeito no qual consideramos a EPE a diferença global de temperatura efetiva é dada por:

48 Limites de Temperatura
Temperatura Superior: Existe uma temperatura crítica acima da qual o açúcar contido no caldo tende a caramelizar, causando ao mesmo tempo a perda de sacarose e a formação de cor. A cor persistirá até a formação do cristal no cozimento, comprometendo sua qualidade. Na literatura, para caldo de cana, há várias recomendações, que variam de 118 a 125 °C, como temperaturas máximas a serem atingidas pelo caldo em evaporadores comuns (“Robert”) operando como primeira caixa (pré-evaporador), onde o tempo de contato pode ser de alguns minutos (3 a 4 minutos). Por segurança não se deve exceder o valor de 120°C, a uma pressão relativa de 1,0 kgf/cm2

49 Limites de Temperatura
No caso de evaporadores de filme descendente, onde a passagem de caldo é muito rápida, se permitem temperaturas de até 130 °C. Caldo Vapor

50 Limites de Temperatura
Temperatura inferior: O limite da temperatura inferior é dada por: Aumento da viscosidade do xarope dificultando a transmissão de calor; Em evaporadores tipo Roberts, a temperatura no último efeito deve ser mantida ao redor de 55,8°C, que corresponde a um vácuo de 25 “Hg. Não se deve operar a evaporação com um vácuo na última caixa inferior a 24 “Hg (60,2°C) e nem superior a 26 “Hg (51,5 °C).

51 Diferença total de Temperaturas
Diferença total de temperatura disponível para operação: Respeitando-se os limites apresentados se obtém esta diferença: Vapor de aquecimento = 127 °C Vapor do último efeito = 56 °C Diferença disponível = 71 °C

52 Múltiplo Efeito : Cálculo
Geralmente desejamos saber: A área de troca em cada efeito (capacidade); A vazão de vapor de aquecimento necessária para se atingir o objetivo fixado; A economia de vapor. Geralmente conhecemos: Pressão na corrente de vapor de aquecimento (1º efeito); Pressão na câmara de evaporação do último efeito; Condições de alimentação; Concentração final no líquido deixando o último efeito; Propriedades físicas das correntes e coeficiente global de troca térmica em cada efeito;

53 Metodologia de cálculo
1º passo: A partir dos dados da pressão na câmara de evaporação no último efeito e da concentração final da solução determine a temperatura de ebulição no último efeito (levar em consideração a EPE caso exista) 2º passo: Determine a quantidade total de vapor evaporado por meio de um balanço de massa global; Como primeira tentativa, considere que as quantidades de vapor evaporado em cada efeito são iguais: V1 = V2 = V3; Aplique o balanço de massa global em cada efeito de modo a obter L1, L2 e L3. Calcule a concentração de sólido em cada efeito por meio de um balanço de massa para o sólido.

54 Metodologia de cálculo
3º passo: No caso da existência de uma EPE, estimar as pressões no 1º e 2º efeito e determine a EPE para todos os efeitos. Estime as diferenças de temperatura T1, T2 e T3 para cada efeito utilizando as equações: Onde: Calcule a temperatura de ebulição em cada efeito.

55 Metodologia de cálculo
4º passo: Aplique um balanço de energia e massa em cada efeito e calcule a quantidade de vapor vaporizada e o fluxo de líquido em cada efeito. Se as quantidades de vapor obtidas diferir apreciavelmente das assumidas no passo 2, os passos 2, 3 e 4 devem ser repetidos usando as novas quantidades de vapor obtidas. 5º passo: Calcule a taxa de calor transferida em cada efeito. Aplicando a equação da taxa para cada efeito calcular as áreas A1, A2 e A3. Calcule em seguida uma área média Am: Se as áreas são próximas, o cálculo esta completo. Caso as áreas sejam diferentes uma segunda tentativa deve ser realizada segundo metodologia descrita nos passos 6, 7 e 8.

56 Metodologia de cálculo
6º passo: Para iniciar os novos cálculos use os valores de L1, L2, L3, V1, V2 e V3 calculados no passo 4 e calcule as novas concentrações de sólido em cada efeito por meio de um balanço de massa. 7º passo: Use as novas concentrações obtidas no passo 6 e calcule os novos valores para a EPE e calcule o Tefetivo. Obtenha novos valores de T1’, T2’ e T3’ a partir das seguintes relações: A soma T1’ + T2’ + T3’ deve ser igual ao Tefetivo , caso contrário, reajustar todos os valores proporcionalmente de modo que esta igualdade seja respeitada. Calcule o ponto de ebulição em cada efeito.

57 Metodologia de cálculo
8º passo: Usando os novos valores de T’ obtidos no passo 7, repita os cálculos a partir do passo 4. O cálculo é concluído desde que obtenhamos áreas equivalentes para cada efeito

58 Exemplo 2: Simples Efeito
Evaporador de tubos curtos verticais de simples efeito para concentração de solução de açúcares em sistema contínuo. Assuma e.p.e e perdas desprezíveis. Φtubos=1”; L tubos=1.55 m Para evaporação a 47,4 KPa, qual a taxa de consumo de vapor d’água Vo e qual o número necessário de tubos?

59 Dados: Cp xarope= 3.96 kJ/kg.K; Cp agua=4.186 kJ/kg.K; U = 2600 W/m2K hF = 62,79 kJ/kg hL = 316,8 kJ/kg Hs = 2699 kJ/kg hs = 482,48 kJ/kg Hv = 2643,8 kJ/kg

60 Solução: Φ=1” = 0,0254m Ltubos = 1,55 m hF = 62,79 kJ/kg
Cpxarope = 3.96 kJ/kg.K; Cpágua = kJ/kg.K; U = 2600 W/m2K xL = 0,40 PS = 169 kPa PL = 47,4 kPa (vácuo) F = 100 kg/h, TF = 15°C, xF = 0,10 hF = 62,79 kJ/kg hL = 316,8 kJ/kg Hs = 2699 kJ/kg hs = 482,48 kJ/kg Hv = 2643,8 kJ/kg

61 Para PS = 169 kPa  TS = 115°C (vapor saturado)
Para PL = 47,4 kPa  TL = 80°C (temperatura ebulição produto)  Pelos Balanços de Massa Global e de Soluto L = 25 kg concentrado/h V = 75 kg de evaporado/h FxF = LxL F = L + V

62 Pelo Balanço de Energia:
 S = 90,2 kg de vapor/h Unindo as expressões e sabendo que Atotal=(2πrL).x: Temos que: x = 4,934 ~ 5 tubos. F.hF + S. = L.hL + V.HV q = S(HS-hS) q = U.A.T

63 Exemplo de cálculo (entregar na próxima aula valendo nota!
Dimensionar um evaporador para concentrar Kg/h de uma solução de 8 a 50%. A alimentação entrará a 25oC e o evaporador deverá funcionar a vácuo com uma pressão absoluta de 100 mmHg. Para aquecimento se dispõe de vapor sob pressão de 1,4 Kg/cm2. Determinar: a) A área da superfície de aquecimento. b) O consumo de vapor que deverá ter o evaporador. Dados: -Calor específico da alimentação = 0,95 Kcal/KgoC. -Calor específico do concentrado = 0,85 Kcal/KgoC. -Elevação do ponto de ebulição para a solução a 50% em peso = 12oC. -Coeficiente de transmissão experimental = Kcal/m2hoC. -Temperatura de ebulição da alimentação: 63,5 oC

64 Tipos de Evaporadores Principais características que diferem os diversos tipos de evaporadores utilizados na indústria química: Configuração da superfície de troca de calor Modos de circulação do líquido Conseguir um funcionamento eficaz e um valor máximo para o coeficiente de transmissão do calor

65 Tipos de Evaporadores Tacho Evaporador

66 Circulação Natural: tubos curtos verticais
U = w/m2K L = 1,5 - 3,5 m; DItubos = mm

67 Filme ascendente: tubos longos verticais
DItubos = 3/4 - 2” U = 1800 w/m2K

68 Filme descendente: tubos longos verticais
DItubos = mm U = w/m2K

69 Limites de concentração do xarope
A concentração na qual o açúcar contido no xarope começa a cristalizar está ao redor de 78 a 80 °Brix. Por segurança, para se evitar que ocorra a cristalização de açúcar, deve-se evitar a elevação da concentração do xarope acima de 70 a 72 °brix Deve ser meta da estação de evaporação a produção de xarope com concentração de 65 °Brix Vantagens do uso de xarope com esta concentração: Economia de vapor no cozimento. Menor tempo envolvido nas operações de cozimento.

70 Nível de caldo O nível de caldo nos evaporadores está diretamente ligado à performance do equipamento. Se o nível estiver muito baixo, o caldo em ebulição não atingirá o topo dos tubos, podendo secar e levar à queima de açúcar. Se o nível estiver muito alto, os tubos estarão submersos desaparecendo o efeito de filme ascendente comprometendo a evaporação.

71 OBRIGADA!!!!!!!