e Vapor Adores

EvaporadoresEvaporadores

OPERACÕES UNITÁRIAS OPERACÕES UNITÁRIAS IIII

Prof. Dr. Félix Monteiro Pereira

Evaporação

• A evaporação é a operação de se concentrar uma solução mediante aeliminação do solvente por ebulição (McCabe, 1982).

• O objetivo da evaporação é concentrar uma solução consistente de umsoluto não volátil e um solvente volátil .

• A grande maioria dos processos de evaporação utilizam água comosolvente.

Evaporador

Um evaporador consiste basicamente de um trocador de calorcapaz de ferver a solução e um dispositivo para separar a fasevapor do líquido em ebulição.

calorAlimentação

vapor

líquido

Componentes básicos de umevaporador

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 écondensado, essa operação recebe o nome de duplo efeito. Ao utilizar uma

série de evaporadores o processo recebe o nome de evaporação de múltiplo

efeito.


Evaporação de Simples Efeito

De circulação forçadaCom um passo


Distintos métodos de alimentação em evaporação de múltiplo efeito

Alimentaçãodireta

Alimentaçãoinversa

Alimentaçãomista

Alimentaçãoparalela

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 ascendenteEvaporador de filme ascendente

•• UmUm evaporadorevaporador dede filmefilme ascendenteascendente constaconsta dede umum feixefeixe dede tubostubosdentrodentro dede umauma carcaçacarcaça,, osos tubostubos sãosão maismais compridoscompridos queque oo dedeoutrosoutros evaporadoresevaporadores ((1010--1515m)m)..

•• OO produtoproduto utilizadoutilizado devedeve serser dede baixabaixa viscosidadeviscosidade devidodevido aoaomovimentomovimento ascendenteascendente serser naturalnatural..

•• OsOs tubostubos sese aquecemaquecem comcom oo vaporvapor existenteexistente nono exteriorexterior dede taltalformaforma queque oo líquidolíquido ascendeascende pelopelo interiorinterior dosdos tubos,tubos, devidodevido aoaoarrastrearrastre exercidoexercido pelopelo vaporvapor formadoformado.. OO movimentomovimento dessedesse vaporvaporgeragera umauma películapelícula queque sese movemove rápidamenterápidamente parapara oo reservatórioreservatóriosuperiorsuperior..

NesteNeste evaporador,evaporador, umaumapelículapelícula finafina dede líquidolíquido descedesceporpor gravidadegravidade dentrodentro dosdostubostubos e,e, externamenteexternamente aosaostubos,tubos, circulacircula oo vaporvapor dedeaquecimentoaquecimento..

Evaporador de filme descendente Evaporador de filme descendente

BALANÇO MATERIAL E DE ENERGIABALANÇO MATERIAL E DE ENERGIA



PERFORMANCE DE EVAPORADORES PERFORMANCE DE EVAPORADORES TUBULARESTUBULARES

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 node simples efeito e elevado para múltiplo efeito);• Consumo de vapor: massa de vapor consumida por unidade de tempo que é igual àcapacidade dividida pela economia.capacidade dividida pela economia.

PERFORMANCE DE EVAPORADORES PERFORMANCE DE EVAPORADORES TUBULARESTUBULARES

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 node simples efeito e elevado para múltiplo efeito);• Consumo de vapor: massa de vapor consumida por unidade de tempo que é igual àcapacidade dividida pela economia.capacidade dividida pela economia.

ELAVAÇÃO DA TEMPERATURA DE ELAVAÇÃO DA TEMPERATURA DE EBULIÇÃO E A REGRA DE DÜHRINGEBULIÇÃO E A REGRA DE DÜHRING

AA pressãopressão dede vaporvapor dede váriasvárias soluçõessoluçõesaquosasaquosas éé menormenor queque aa dada águaágua purapura nanamesmamesma temperaturatemperatura.. ConsequentementeConsequentemente,, paraparaumauma dadadada pressãopressão aa temperaturatemperatura dede ebuliçãoebuliçãodada soluçãosolução seráserá maiormaior queque aa dada águaágua purapura..

•• SoluçõesSoluções diluídasdiluídas ee colóidescolóides orgânicosorgânicos ��

elevaçãoelevação ebulioscópicaebulioscópica pequenapequena;;elevaçãoelevação ebulioscópicaebulioscópica pequenapequena;;

•• SoluçõesSoluções dede saissais inorgânicosinorgânicos �� elevaçãoelevaçãoebulioscópicaebulioscópica elevadaelevada;;

•• RegraRegra dede DühringDühring �� aa elevaçãoelevaçãoebulioscópicaebulioscópica éé linearlinear comcom relaçãorelação ààconcentraçãoconcentração dada soluçãosolução..

SOLUÇÕES COM ELEVADO CALOR SOLUÇÕES COM ELEVADO CALOR DE DILUIÇÃODE DILUIÇÃO

NesseNesse caso,caso, aa variaçãovariação dede entalpiaentalpia nãonão seráserá linearlinear comcom relaçãorelação àà concentraçãoconcentração..

RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS COM RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS COM EVAPORADORESEVAPORADORES

ExEx.. 11 –– UmaUma soluçãosolução dede colóidescolóides orgânicosorgânicos emem águaágua éé concentradaconcentrada dede 1010 parapara5050%% emem sólidossólidos emem umum evaporadorevaporador dede simplessimples efeitoefeito.. OO vaporvapor utilizadoutilizado nonoaquecimentoaquecimento estáestá disponiveldisponivel aa umauma pressãopressão manométricamanométrica dede 11,,0303 atmatm aa 120120,,55ºCºC((λλ

ss== 22002200 kJkJ/kg)/kg) .. UmaUma pressãopressão absolutaabsoluta dede 102102 mmHgmmHg éé mantidamantida nana regiãoregião dede

vaporvapor dada soluçãosolução,, oo queque correspondecorresponde aa umauma temperaturatemperatura dede ebuliçãoebulição dede 5151,,77ºCºC((λλ == 23802380 kJkJ/kg)/kg).. OO fluxofluxo dede alimentaçãoalimentação dada soluçãosolução éé 2495024950 kg/hkg/h.. OO coeficientecoeficienteglobalglobal dede transferênciatransferência dede calorcalor podepode serser consideradoconsiderado dede 28002800 W/(m²ºC)W/(m²ºC).. AAglobalglobal dede transferênciatransferência dede calorcalor podepode serser consideradoconsiderado dede 28002800 W/(m²ºC)W/(m²ºC).. AAelevaçãoelevação ebulioscópicaebulioscópica ee oo calorcalor dede diluiçãodiluição dada soluçãosolução podempodem serser consideradosconsideradosinsignificantesinsignificantes.. CalculeCalcule oo consumoconsumo dede vapor,vapor, aa economiaeconomia,, ee aa superfíciesuperfície dedetransferênciatransferência requeridarequerida sese aa temperaturatemperatura dada alimentaçãoalimentação forfor::

a)a) 5151,,77ºCºC;; b)b) 2121,,11ºCºC;; c)c) 9393,,33ºCºC.. OO calorcalor dede vaporizaçãovaporização dada soluçãosolução nanaalimentaçãoalimentação éé 33,,770770 kJkJ/(/(kgºCkgºC))


ExEx.. 11 –– soluçãosolução

a)a) BalançoBalanço materialmaterial::

SolutoSoluto

2495024950**00,,11--m*m*00,,55==00

m=m=49904990kg/hkg/h

mmvv==2495024950--49904990==1996019960kg/hkg/h

BalançoBalanço dede energiaenergia (calor(calor dildil.. DesprezivelDesprezivel))

mmss=[=[1996019960**23802380++2495024950**33,,770770*(*(5151,,77--5151,,77)]/)]/22002200==2159321593 kg/hkg/h

Economia=Economia=mmvv//mmss==1996019960//2159321593==00,,924924

ÁreaÁrea necessárianecessária dede TT.. CC.:.:

Q=Q=2159321593**22002200==4750460047504600kJ/hkJ/h

Q=Q=1319572213195722WW

A=A=1319572213195722/[/[28002800*(*(120120,,55--5151,,77)])]

A=A=6868,,55 m²m²



b)b) BalançoBalanço materialmaterial::

SolutoSoluto

2495024950**00,,11--m*m*00,,55==00


mmvv==2495024950--49904990==1996019960kg/hkg/h


mmss=[=[1996019960**23802380++2495024950**33,,770770*(*(5151,,77--2121,,11)]/)]/22002200==2290122901 kg/hkg/h



Q=Q=2290122901**22002200==5038220050382200kJ/hkJ/h

Q=Q=1399505613995056WW

A=A=1399505613995056/[/[28002800*(*(120120,,55--5151,,77)])]

A=A=7272,,66 m²m²



b)b) BalançoBalanço materialmaterial::

SolutoSoluto

2495024950**00,,11--m*m*00,,55==00


mmvv==2495024950--49904990==1996019960kg/hkg/h


mmss=[=[1996019960**23802380++2495024950**33,,770770*(*(5151,,77--2121,,11)]/)]/22002200==2290122901 kg/hkg/h



Q=Q=2290122901**22002200==5038220050382200kJ/hkJ/h

Q=Q=1399505613995056WW

A=A=1399505613995056/[/[28002800*(*(120120,,55--5151,,77)])]

A=A=7272,,66 m²m²



c)c) BalançoBalanço materialmaterial::

SolutoSoluto

2495024950**00,,11--m*m*00,,55==00


mmvv==2495024950--49904990==1996019960kg/hkg/h


mmss=[=[1996019960**23802380++2495024950**33,,770770*(*(5151,,77--9393,,33)]/)]/22002200==1981419814 kg/hkg/h



Q=Q=1981419814**22002200==4359080043590800kJ/hkJ/h

Q=Q=1210855612108556WW

A=A=1210855612108556/[/[28002800*(*(120120,,55--5151,,77)])]

A=A=6262,,99 m²m²

“Quanto“Quanto maiormaior aa temperaturatemperatura dadaalimentação,alimentação, menormenor aa superfíciesuperfície dedeTT..CC.. necessárianecessária ee maiormaior aa economiaeconomia dedevaporvapor dodo processo”processo”..


ExEx.. 22 –– UmUm evaporadorevaporador dede simplessimples efeitoefeito estáestá concentrandoconcentrando 90709070 kg/hkg/h dede umaumasoluçãosolução dede sodasoda causticacaustica dede 2020%% emem massamassa parapara 5050%%.. AA pressãopressão absolutaabsoluta dodovaporvapor éé dede 11,,3737 atmatm ((λλss==22310642231064 J/kg)J/kg) aa pressãopressão absolutaabsoluta dada fasefase vaporvapor dadasoluçãosolução éé 100100 mmHgmmHg ((11,,9393 lbflbf/in²,T/in²,T ebuliçãoebulição dada águaágua 124124ºF)ºF).. OO coeficientecoeficienteglobalglobal dede transferênciatransferência dede calorcalor estimadoestimado éé 14001400 W/m²W/m² ºCºC.. AA temperaturatemperatura dadaalimentaçãoalimentação éé 100100 ºFºF ((3737,,88 ºC)ºC).. CalculeCalcule aa quantidadequantidade dede vaporvapor consumido,consumido, aaeconomiaeconomia ee aa áreaárea superficialsuperficial dede aquecimentoaquecimento requeridarequerida..economiaeconomia ee aa áreaárea superficialsuperficial dede aquecimentoaquecimento requeridarequerida..



BalançoBalanço materialmaterial::

SolutoSoluto

90709070**00,,22--m*m*00,,55==00

m=m=36283628 kg/hkg/h

mmvv==90609060--36283628==54325432 kg/hkg/h



BalançoBalanço dede energiaenergia

VerVer gráficosgráficos nana sequenciasequencia::

TemperaturaTemperatura dede ebuliçãoebulição dada águaágua purapura:: 124124ºFºF

TemperaturaTemperatura dede ebuliçãoebulição dada soluçãosolução:: 197197ºFºF

AlimentaçãoAlimentação ((2020%%,, 100100ºF)ºF)::

hhff==5555Btu/Btu/lblb==127930127930J/kgJ/kghhff==5555Btu/Btu/lblb==127930127930J/kgJ/kg

SoluçãoSolução concentradaconcentrada ((5050%%,, 197197ºF)ºF)::

h=h=221221 BtuBtu//lblb==514046514046J/kgJ/kg

VaporVapor deixadeixa aa soluçãosolução ((197197ºF,ºF,11,,9393lbflbf/in)/in)::

(tabela(tabela termodinâmicatermodinâmica vaporvapor superaquecido)superaquecido)

hvhv==11491149 BtuBtu//lblb==26725742672574J/kgJ/kg

Q=Q=36283628**514046514046++54325432**26725742672574--90709070**127930127930

Q=Q=1522205575615222055756 J/h=J/h=42283494228349WW

mmss==1522205575615222055756//22310642231064==68236823 kg/hkg/h

EconomiaEconomia==54325432//68236823==00,,8080

∆T=∆T=259259ºFºF--197197ºF=ºF=126126,,11ºCºC--9191,,77ºC=ºC=3434,,44ºCºC

A=A=42283494228349/(/(14001400**3434,,44)=)=8787,,88 m²m²

Evaporadores de Múltiplo EfeitoEvaporadores de Múltiplo Efeito:

Os evaporadores de múltiplo efeito, conjugam em série dois ou mais evaporadores de umefeito. A grande vantagem desta conjugação e a economia de vapor gasto por kg de águaevaporada da solução. As ligações nos evaporadores de múltiplo efeito, são feitas demodo que o vapor produzido em um efeito do evaporador, serve como meio deaquecimento para o seguinte efeito e assim sucessivamente até o último efeito.Cada efeito age como um simples efeito. O calor liberado pelo vapor de aquecimentousado no primeiro evaporador, é usado para o aquecimento da solução no segundo efeitoe assim sucessivamente até o último efeito do sistema. O esquema a seguir, ilustra umevaporador cojugado de três efeitos (alimentação direta, evaporadores de tubos curtosevaporador cojugado de três efeitos (alimentação direta, evaporadores de tubos curtosverticais):


Na prática por questões comerciais e para não elevar os custos do investimento, osefeitos 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 éalimentada no primeiro efeito, onde é parcialmente concentrada, flui para o

segundo efeito onde ocorre uma concentração adicional e, então, segue para oterceiro efeito onde é obtida a concentração final. A solução concentrada ébombeada do terceiro efeito efeito.


No estado estacionário, os fluxos de alimentação e a taxa de evaporação são tais quenenhum solvente ou soluto acumule em nenhum dos efeitos.A temperatura, pressão, a concentração e o fluxo de alimentação são mantidos constantesem todos os estágios pela própria operação do processo. A concentração da soluçãoconcentrada (produto) pode ser controlada pelo fluxo de alimentação, onde um aumentodo fluxo gera uma diminuição da concentração do produto e vice-versa.

Evaporadores de Múltiplo EfeitoSimplificação 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 calorutilizada para aquecer a alimentação sejam desprezíveis, a taxa de transferência de calorno evaporador triplo efeito apresentado, pode ser calculada utilizando o calor latente devaporização da solução, o que acarreta em uma taxa de transferência de caloraproximadamente 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∆T=Ts-T3

U=1/(1/U1+1/U2+1/U3)


ExEx.. 33 –– UmUm evaporadorevaporador dede triplotriplo efeitoefeito ((alimentaçãoalimentação diretadireta)) estáestá concentrandoconcentrandoumauma soluçãosolução comcom elevaçãoelevação dada temperaturatemperatura dede ebuliçãoebulição desprezíveldesprezível.. AAtemperaturatemperatura dodo vaporvapor alimentadoalimentado nono primeiroprimeiro efeitoefeito éé 108108,,33ºCºC ee aa temperaturatemperatura dedeebuliçãoebulição dada soluçãosolução nono últimoúltimo efeitoefeito éé 5151,,77 ºCºC.. OO coeficientecoeficiente globalglobal dedetransferênciatransferência dede calorcalor nono 11º,º, 22ºº ee 33ºº efeitosefeitos sãosão 28002800,, 22002200 ee 11001100 W/(m²ºC),W/(m²ºC),respectivamenterespectivamente.. AssumindoAssumindo queque aa áreaárea superficialsuperficial ee aa taxataxa dede tranferênciatranferência dedecalorcalor sãosão iguaisiguais nosnos 33 efeitosefeitos,, calculecalcule asas temperaturastemperaturas dede ebuliçãoebulição nono primeiroprimeiro eecalorcalor sãosão iguaisiguais nosnos 33 efeitosefeitos,, calculecalcule asas temperaturastemperaturas dede ebuliçãoebulição nono primeiroprimeiro eesegundosegundo efeitosefeitos..

U=1/(1/U1+1/U2+1/U3)=581,1 W/(m²ºC),W/(m²ºC), ∆T=Ts-T3== 5656,,66ºCºC

U1∆T1= U2∆T2= U3∆T3 =U∆T, ∆T1 =11,7ºC,∆T2 =15,0ºC,∆T3 =29,9ºC

TT11==9696,,66ºC,ºC, TT22==8181,,66ºC,ºC, TT33==5151,,77ºCºC

Evaporadores de Múltiplo Efeito

Efeito da elevação da temperatura de ebulição:

A elevação da temperatura de ebulição irá reduzir a capacidade de evaporadores demúltiplo 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 superficialtotal de todos os efeitos. A medida que se aumenta o número de efeitos, a área superficialtotal de todos os efeitos. A medida que se aumenta o número de efeitos, a área superficialde transferência de calor total diminui até atingir um valor aproximadamente constantepara vários efeitos. Dessa forma, o número ótimo de efeitos deve ser calculado a partir deum balanço econômico entre a quantidade de vapor economizada e o investimentorequerido.


Efeito da elevação da temperatura de ebulição:

A elevação da temperatura de ebulição irá reduzir a capacidade de evaporadores demúltiplo 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 superficialtotal de todos os efeitos. A medida que se aumenta o número de efeitos, a área superficialtotal de todos os efeitos. A medida que se aumenta o número de efeitos, a área superficialde transferência de calor total diminui até atingir um valor aproximadamente constantepara vários efeitos. Dessa forma, o número ótimo de efeitos deve ser calculado a partir deum balanço econômico entre a quantidade de vapor economizada e o investimentorequerido.


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 decalor requerida; as temperaturas aproximadas nos efeitos e a quantidade devapor 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(temperaturas de ebulição em cada efeito excluindo o último) + 1 (área

superficial de cada efeito “igual para todos os efeitos” = 2n+1 incógnitasEquações= 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 ede solução concentrada otida) = 2n + 1 equações.

Pode-se utilizar softwares de simulação (HYSYS, etc) ou resolver (de formatediosa0 o sistema de equações, ou utilizar a metodologia de tentativa e erro

proposta por Mc. Cabe & Smith (1976).


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)ºefeitos;

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 das3) 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.


ExEx.. 44 –– UmUm evaporadorevaporador dede circulaçãocirculação forçadaforçada dede triplotriplo efeitoefeito ((nana configuraçãoconfiguraçãoapresentadaapresentada nana figura)figura) seráserá alimentadoalimentado comcom 2221522215 kg/hkg/h dede umauma soluçãosolução 1010%% ememmassamassa dede sodasoda cáusticacáustica aa umauma temperaturatemperatura dede 8282,,22ºCºC ((180180ºF)ºF).. AA soluçãosolução seráseráconcentradaconcentrada aa 5050%%.. SeráSerá utilizadoutilizado vaporvapor saturadosaturado aa 33,,4343 atmatm (absoluto,(absoluto,T=T=281281ºF=ºF=138138,,33ºC,ºC, hhvv==22,,7373xx101066 J/kg,J/kg, hhll==55,,7979 101055 J/kg)J/kg) ee aa temperaturatemperatura dedecondensaçãocondensação dodo vaporvapor dodo 33ºº efeitoefeito éé dede 3737,,88ºCºC ((100100ºF,ºF, h=h=22,,5858xx101066 J/kg)J/kg).. OsOscoeficientescoeficientes globaisglobais dede transferênciatransferência dede calor,calor, corrigidoscorrigidos parapara aa elevaçãoelevação dadacoeficientescoeficientes globaisglobais dede transferênciatransferência dede calor,calor, corrigidoscorrigidos parapara aa elevaçãoelevação dadatemperaturatemperatura dede ebuliçãoebulição sãosão::

UU11=3970 W/m²ºC

U2=5680 W/m²ºC

U3=4540 W/m²ºC.

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e Vapor Adores