Evaporador

OPERACÕES UNITÁRIAS II
Evaporadores
Prof. Dr. Félix Monteiro Pereira
Evaporação
• A evaporação é a operação de se concentrar uma solução mediante a
eliminação do solvente por ebulição (McCabe, 1982).
• O objetivo da evaporação é concentrar uma solução consistente de um
soluto não volátil e um solvente volátil .
• A grande maioria dos processos de evaporação utilizam água como
solvente.
Evaporador
Um evaporador consiste basicamente de um trocador de calor
capaz de ferver a solução e um dispositivo para separar a fase
vapor do líquido em ebulição.
vapor
Alimentação
calor
líquido
Componentes básicos de um
evaporador
Operação de Simples
e Múltiplo Efeito
Evaporação de Simples Efeito:
Este é o processo onde se utiliza somente 1 evaporador, o vapor procedente
do líquido em ebulição é condensado e descartado. Este método recebe o
nome de evaporação.
Evaporação de Múltiplo efeito:
O vapor procedente de um dos evaporadores é utilizado como alimentação no
elemento aquecedor de um segundo evaporador, e o vapor procedente deste é
condensado, essa operação recebe o nome de duplo efeito. Ao utilizar uma
série de evaporadores o processo recebe o nome de evaporação de múltiplo
efeito.
Operação de Simples
e Múltiplo Efeito
Evaporação de Simples Efeito
Com um passo
De circulação forçada
Operação de Simples
e Múltiplo Efeito
Distintos métodos de alimentação em evaporação de múltiplo efeito
Alimentação
direta
Alimentação
inversa
Alimentação
mista
Alimentação
paralela
Tipos de evaporadores
Evaporadores de circulação natural de tubos curtos
horizontais
Evaporadores de circulação natural de tubos curtos
verticais
De cesta
Evaporadores de circulação forçada
Evaporador de filme ascendente
• Um evaporador de filme ascendente consta de um feixe de tubos
dentro de uma carcaça
carcaça,, os tubos são mais compridos que o de
outros evaporadores (10
10--15
15m)
m)..
• O produto utilizado deve ser de baixa viscosidade devido ao
movimento ascendente ser natural
natural..
• Os tubos se aquecem com o vapor existente no exterior de tal
forma que o líquido ascende pelo interior dos tubos, devido ao
arrastre exercido pelo vapor formado
formado.. O movimento desse vapor
gera uma película que se move rápidamente para o reservatório
superior..
superior
Evaporador de filme descendente
Neste
evaporador,
uma
película fina de líquido desce
por gravidade dentro dos
tubos e, externamente aos
tubos, circula o vapor de
aquecimento..
aquecimento
BALANÇO MATERIAL E DE ENERGIA
BALANÇO MATERIAL E DE ENERGIA
BALANÇO MATERIAL E DE ENERGIA
PERFORMANCE DE EVAPORADORES
TUBULARES
Principais medidas de performance:
• Capacidade: Massa de água vaporizada por unidade de tempo;
• Economia: Massa de água vaporizada por massa de vapor consumido (menor que 1 no
de simples efeito e elevado para múltiplo efeito);
• Consumo de vapor: massa de vapor consumida por unidade de tempo que é igual à
capacidade dividida pela economia.
PERFORMANCE DE EVAPORADORES
TUBULARES
Principais medidas de performance:
• Capacidade: Massa de água vaporizada por unidade de tempo;
• Economia: Massa de água vaporizada por massa de vapor consumido (menor que 1 no
de simples efeito e elevado para múltiplo efeito);
• Consumo de vapor: massa de vapor consumida por unidade de tempo que é igual à
capacidade dividida pela economia.
ELAVAÇÃO DA TEMPERATURA DE
EBULIÇÃO E A REGRA DE DÜHRING
A pressão de vapor de várias soluções
aquosas é menor que a da água pura na
mesma temperatura
temperatura.. Consequentemente,
Consequentemente, para
uma dada pressão a temperatura de ebulição
da solução será maior que a da água pura.
pura.
• Soluções diluídas e colóides orgânicos elevação ebulioscópica pequena
pequena;;
• Soluções de sais inorgânicos elevação
ebulioscópica elevada;
elevada;
• Regra de Dühring a elevação
ebulioscópica é linear com relação à
concentração da solução.
solução.
SOLUÇÕES COM ELEVADO CALOR
DE DILUIÇÃO
Nesse caso, a variação de entalpia não será linear com relação à concentração.
concentração.
RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS COM
EVAPORADORES
Ex.
Ex. 1 – Uma solução de colóides orgânicos em água é concentrada de 10 para
50
50%
% em sólidos em um evaporador de simples efeito.
efeito. O vapor utilizado no
aquecimento está disponivel a uma pressão manométrica de 1,03 atm a 120,
120,5ºC
(λs = 2200 kJ
kJ/kg)
/kg) . Uma pressão absoluta de 102 mmHg é mantida na região de
vapor da solução,
solução, o que corresponde a uma temperatura de ebulição de 51
51,,7ºC
(λ = 2380 kJ
kJ/kg)
/kg).. O fluxo de alimentação da solução é 24950 kg/h
kg/h.. O coeficiente
global de transferência de calor pode ser considerado de 2800 W/(m²ºC)
W/(m²ºC).. A
elevação ebulioscópica e o calor de diluição da solução podem ser considerados
insignificantes.. Calcule o consumo de vapor, a economia,
insignificantes
economia, e a superfície de
transferência requerida se a temperatura da alimentação for
for::
a) 51,
51,7ºC
ºC;; b) 21,
21,1ºC
ºC;; c) 93
93,,3ºC
ºC.. O calor de vaporização da solução na
alimentação é 3,770 kJ
kJ/(
/(kgºC
kgºC))
RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS COM
EVAPORADORES
Ex
Ex.. 1 – solução
a) Balanço material:
material:
Soluto
24950**0,1-m*0
24950
m*0,5=0
m=4990
m=4990kg/h
kg/h
mv=2495024950-4990=
4990=19960kg/h
19960kg/h
Balanço de energia (calor dil
dil.. Desprezivel)
Desprezivel)
ms=[
=[19960
19960*
*2380+
2380+24950*
24950*3,770*(
770*(51
51,,751,
51,7)]/
)]/2200
2200=
=21593 kg/h
Economia=m
Economia=
mv/ms=19960/
19960/21593=
21593=0,924
Área necessária de T. C.:
Q=
Q=21593
21593*
*2200=
2200=47504600kJ/h
47504600kJ/h
Q=
Q=13195722
13195722W
W
A=
A=13195722
13195722/[
/[2800
2800*(
*(120
120,,5-51,
51,7)]
A=
A=68
68,,5 m²
RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS COM
EVAPORADORES
Ex
Ex.. 1 – solução
b) Balanço material:
material:
Soluto
24950**0,1-m*0
24950
m*0,5=0
m=4990
m=4990kg/h
kg/h
mv=2495024950-4990=
4990=19960kg/h
19960kg/h
Balanço de energia (calor dil
dil.. Desprezivel)
Desprezivel)
ms=[
=[19960
19960*
*2380+
2380+24950*
24950*3,770*(
770*(51
51,,721,
21,1)]/
)]/2200
2200=
=22901 kg/h
Economia=m
Economia=
mv/ms=19960/
19960/22901=
22901=0,872
Área necessária de T. C.:
Q=
Q=22901
22901*
*2200=
2200=50382200kJ/h
50382200kJ/h
Q=
Q=13995056
13995056W
W
A=
A=13995056
13995056/[
/[2800
2800*(
*(120
120,,5-51,
51,7)]
A=
A=72
72,,6 m²
RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS COM
EVAPORADORES
Ex
Ex.. 1 – solução
b) Balanço material:
material:
Soluto
24950**0,1-m*0
24950
m*0,5=0
m=4990
m=4990kg/h
kg/h
mv=2495024950-4990=
4990=19960kg/h
19960kg/h
Balanço de energia (calor dil
dil.. Desprezivel)
Desprezivel)
ms=[
=[19960
19960*
*2380+
2380+24950*
24950*3,770*(
770*(51
51,,721,
21,1)]/
)]/2200
2200=
=22901 kg/h
Economia=m
Economia=
mv/ms=19960/
19960/22901=
22901=0,872
Área necessária de T. C.:
Q=
Q=22901
22901*
*2200=
2200=50382200kJ/h
50382200kJ/h
Q=
Q=13995056
13995056W
W
A=
A=13995056
13995056/[
/[2800
2800*(
*(120
120,,5-51,
51,7)]
A=
A=72
72,,6 m²
RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS COM
EVAPORADORES
Ex
Ex.. 1 – solução
c) Balanço material:
material:
Soluto
24950**0,1-m*0
24950
m*0,5=0
m=4990
m=4990kg/h
kg/h
mv=2495024950-4990=
4990=19960kg/h
19960kg/h
Balanço de energia (calor dil
dil.. Desprezivel)
Desprezivel)
ms=[
=[19960
19960*
*2380+
2380+24950*
24950*3,770*(
770*(51
51,,793,
93,3)]/
)]/2200
2200=
=19814 kg/h
Economia=m
Economia=
mv/ms=19960/
19960/19814=
19814=1,007
Área necessária de T. C.:
Q=
Q=19814
19814*
*2200=
2200=43590800kJ/h
43590800kJ/h
Q=
Q=12108556
12108556W
W
A=
A=12108556
12108556/[
/[2800
2800*(
*(120
120,,5-51,
51,7)]
A=
A=62
62,,9 m²
“Quanto maior a temperatura da
alimentação, menor a superfície de
T.C. necessária e maior a economia de
vapor do processo”.
processo”.
RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS COM
EVAPORADORES
Ex.
Ex. 2 – Um evaporador de simples efeito está concentrando 9070 kg/h de uma
solução de soda caustica de 20%
20% em massa para 50%
50%. A pressão absoluta do
vapor é de 1,37 atm (λs=2231064 J/kg) a pressão absoluta da fase vapor da
solução é 100 mmHg (1,93 lbf/in²,T
lbf/in²,T ebulição da água 124ºF)
124ºF).. O coeficiente
global de transferência de calor estimado é 1400 W/m² ºC.
ºC. A temperatura da
alimentação é 100 ºF (37
37,,8 ºC)
ºC).. Calcule a quantidade de vapor consumido, a
economia e a área superficial de aquecimento requerida
requerida..
RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS COM
EVAPORADORES
Ex
Ex.. 2 – solução
Balanço material:
material:
Soluto
9070**0,2-m*0
9070
m*0,5=0
m=3628
m=3628 kg/h
mv=90609060-3628=
3628=5432 kg/h
RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS COM
EVAPORADORES
Ex
Ex.. 2 – solução
Balanço de energia
Ver gráficos na sequencia:
sequencia:
Temperatura de ebulição da água pura
pura:: 124ºF
124ºF
Temperatura de ebulição da solução
solução:: 197ºF
197ºF
Alimentação (20%
20%, 100ºF)
100ºF)::
hf=55Btu/
55Btu/lb
lb=
=127930
127930J/kg
J/kg
Solução concentrada (50%
50%, 197
197ºF)
ºF)::
h=221
h=221 Btu/
Btu/lb=
lb=514046
514046J/kg
J/kg
Vapor deixa a solução (197ºF,
197ºF,1
1,93lbf
93lbf/in)
/in)::
(tabela termodinâmica vapor superaquecido)
hv=
hv=1149 Btu/
Btu/lb=
lb=2672574
2672574J/kg
J/kg
Q=
Q=3628
3628*
*514046+
514046+5432*
5432*26725742672574-9070
9070*
*127930
Q=
Q=15222055756
15222055756 J/h=4228349
J/h=4228349W
W
ms=15222055756/
15222055756/2231064=
2231064=6823 kg/h
Economia=
Economia
=5432/
5432/6823=
6823=0,80
∆T=259
∆T=
259ºF
ºF--197ºF=
197ºF=126
126,,1ºCºC-91,
91,7ºC=
ºC=34
34,,4ºC
A=
A=4228349
4228349/(
/(1400
1400*
*34,
34,4)=87
)=87,,8 m²
Evaporadores de Múltiplo Efeito
Evaporadores de Múltiplo Efeito:
Os 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 da solução. As ligações nos evaporadores de múltiplo efeito, são feitas de
modo que o vapor 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 no primeiro evaporador, é usado para o aquecimento da solução no segundo efeito
e assim sucessivamente até o último efeito do sistema. O esquema a seguir, ilustra um
evaporador cojugado de três efeitos (alimentação direta, evaporadores de tubos curtos
verticais):
Evaporadores de Múltiplo Efeito
Evaporadores de Múltiplo Efeito:
Na prática por questões comerciais e para não elevar os custos do investimento, os
efeitos são todos semelhantes, sendo suas áreas de transferência de calor iguais.
No exemplo, a alimentação é feita no primeiro efeito, no qual a pressão é maior,
enquanto no último efeito teremos a menor pressão. A solução diluída é
alimentada no primeiro efeito, onde é parcialmente concentrada, flui para o
segundo efeito onde ocorre uma concentração adicional e, então, segue para o
terceiro efeito onde é obtida a concentração final. A solução concentrada é
bombeada do terceiro efeito efeito.
Evaporadores de Múltiplo Efeito
Evaporadores de Múltiplo Efeito:
No estado estacionário, os fluxos de alimentação e a taxa de evaporação são tais que
nenhum solvente ou soluto acumule em nenhum dos efeitos.
A temperatura, pressão, a concentração e o fluxo de alimentação são mantidos constantes
em todos os estágios pela própria operação do processo. A concentração da solução
concentrada (produto) pode ser controlada pelo fluxo de alimentação, onde um aumento
do fluxo gera uma diminuição da concentração do produto e vice-versa.
Evaporadores de Múltiplo Efeito
Simplificação para elevação do ponto de ebulição e calor utilizado para aquecer a
alimentação desprezíveis:
Considerando que o efeito da elevação do ponto de ebulição e a quantidade de calor
utilizada para aquecer a alimentação sejam desprezíveis, a taxa de transferência de calor
no evaporador triplo efeito apresentado, pode ser calculada utilizando o calor latente de
vaporização da solução, o que acarreta em uma taxa de transferência de calor
aproximadamente igual para cada um dos estágios.
Q/A=U1∆T1= U2∆T2= U3∆T3 =U∆T (Obs. Esta equação é apenas uma aproximação,
devendo ser corrigida pela adição dos termos excluídos na aproximação).
∆T=Ts-T3
U=1/(1/U1+1/U2+1/U3)
RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS COM
EVAPORADORES
Ex.
Ex. 3 – Um evaporador de triplo efeito (alimentação direta)
direta) está concentrando
uma solução com elevação da temperatura de ebulição desprezível.
desprezível. A
temperatura do vapor alimentado no primeiro efeito é 108,
108,3ºC e a temperatura de
ebulição da solução no último efeito é 51
51,,7 ºC.
ºC. O coeficiente global de
transferência de calor no 1º, 2º e 3º efeitos são 2800
2800,, 2200 e 1100 W/(m²ºC),
respectivamente.. Assumindo que a área superficial e a taxa de tranferência de
respectivamente
calor são iguais nos 3 efeitos
efeitos,, calcule as temperaturas de ebulição no primeiro e
segundo efeitos
efeitos..
U=1/(1/U1+1/U2+1/U3)=581,1 W/(m²ºC), ∆T=Ts-T3= 56
56,,6ºC
U1∆T1= U2∆T2= U3∆T3 =U∆T, ∆T1 =11,7ºC, ∆T2 =15,0ºC, ∆T3 =29,9ºC
96,,6ºC, T2=81
81,,6ºC, T3=51
51,,7ºC
T1=96
Evaporadores de Múltiplo Efeito
Efeito da elevação da temperatura de ebulição:
A elevação da temperatura de ebulição irá reduzir a capacidade de evaporadores de
múltiplo efeito pois reduzirá a diferença de temperatura em cada estágio do evaporador.
Número ótimo de efeitos:
O custo de um evaporador pela raiz quadrada da superfície é função da área superficial
total de todos os efeitos. A medida que se aumenta o número de efeitos, a área superficial
de transferência de calor total diminui até atingir um valor aproximadamente constante
para vários efeitos. Dessa forma, o número ótimo de efeitos deve ser calculado a partir de
um balanço econômico entre a quantidade de vapor economizada e o investimento
requerido.
Evaporadores de Múltiplo Efeito
Efeito da elevação da temperatura de ebulição:
A elevação da temperatura de ebulição irá reduzir a capacidade de evaporadores de
múltiplo efeito pois reduzirá a diferença de temperatura em cada estágio do evaporador.
Número ótimo de efeitos:
O custo de um evaporador pela raiz quadrada da superfície é função da área superficial
total de todos os efeitos. A medida que se aumenta o número de efeitos, a área superficial
de transferência de calor total diminui até atingir um valor aproximadamente constante
para vários efeitos. Dessa forma, o número ótimo de efeitos deve ser calculado a partir de
um balanço econômico entre a quantidade de vapor economizada e o investimento
requerido.
Evaporadores de Múltiplo Efeito
Cálculos em evaporadores de múltiplo efeito:
No projeto de evaporadores de múltiplos efeitos, os resultados normalmente
desejados são: a quantidade de vapor consumida; a área de transferência de
calor requerida; as temperaturas aproximadas nos efeitos e a quantidade de
vapor que deixa o último efeito. Dessa forma, tem-se o seguinte número de
variáveis (para n efeitos):
Variáveis= 1 (fluxo de vapor) + n (fluxosde saída de cada efeito) + n-1
(temperaturas de ebulição em cada efeito excluindo o último) + 1 (área
superficial de cada efeito “igual para todos os efeitos” = 2n+1 incógnitas
Equações= n (balanços de energia para cada efeito) + n (balanços de
capacidade de transferência de calor para cada efeito) + 1 (quantidade total de
líquido evaporado ou diferença entre os fluxos de solução diluída alimentada e
de solução concentrada otida) = 2n + 1 equações.
Pode-se utilizar softwares de simulação (HYSYS, etc) ou resolver (de forma
tediosa0 o sistema de equações, ou utilizar a metodologia de tentativa e erro
proposta por Mc. Cabe & Smith (1976).
Evaporadores de Múltiplo Efeito
Cálculos em evaporadores de múltiplo efeito – Mc. Cabe e Smith (1976):
O método de calculo proposto é composto pelas seguintes etapas:
1) Assumem-se valores para as temperaturas de ebulição no 1º, 2º,..., (n-1)º
efeitos;
2) A partir dos balanços de entalpia encontram-se os fluxos de vapor e da
solução de um efeito para outro efeito;
3) Calcula-se a área superficial necessária em cada efeito a partir das
equações de capacidade;
4) Se as áreas não forem aproximadamente iguais, estime os novos valores
para as temperaturas de ebulição e repita os itens 2 e 3 até as áreas
superficiais se igualarem.
Na prática, os cálculos apresentados são mais simples utilizando-se um
computador.
RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS COM
EVAPORADORES
Ex.
Ex. 4 – Um evaporador de circulação forçada de triplo efeito (na configuração
apresentada na figura) será alimentado com 22215 kg/h de uma solução 10%
10% em
massa de soda cáustica a uma temperatura de 82,
82,2ºC (180
180ºF)
ºF).. A solução será
concentrada a 50%
50%. Será utilizado vapor saturado a 3,43 atm (absoluto,
T=281
T=281ºF=
ºF=138
138,,3ºC, hv=2,73x
73x106 J/kg, hl=5,79 105 J/kg) e a temperatura de
condensação do vapor do 3º efeito é de 37,
37,8ºC (100ºF,
100ºF, h=
h=22,58
58xx106 J/kg)
J/kg).. Os
coeficientes globais de transferência de calor, corrigidos para a elevação da
temperatura de ebulição são:
são:
U1=3970 W/m²ºC
U2=5680 W/m²ºC
U3=4540 W/m²ºC.