Universidade Federal de São João Del Rei

Departamento de Engenharia Química e Estatística

Laboratório de Engenharia Química II

Prática 2

Evaporador Contínuo de Um Efeito de Tubos Verticais

Ouro Branco, Abril de 2015.

Universidade Federal de São João Del Rei

Departamento de Engenharia Química e Estatística

Laboratório de Engenharia Química II

Prática 2

Evaporador Contínuo de Um Efeito de Tubos Verticais

Anna Luisa Silva Cotta

Júlia Paula de Oliveira Júlio

Camylla Karen Sales Silva

Maysa Martins Almeida

Tássia Caroline Passos Pereira

Ouro Branco, Abril de 2015.

SUMÁRIO

1. RESULTADO E DISCUSSÃO ..........................................................................1

2. CONCLUSÃO .................................................................................................10

3. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...............................................................11

4. ANEXO ...........................................................................................................12

4.1 Memória de Cálculo ..................................................................................12

1

1. RESULTADO E DISCUSSÃO

Evaporação trata-se de uma operação unitária que utiliza a transferência de

calor convectiva para concentrar substâncias não voláteis em solução ou

suspensão, produzindo produtos de maior concentração [1].

Os evaporadores são basicamente constituídos por um trocador de calor,

capaz de levar a solução à fervura, e um separador de vapor formado pela fase

líquida em ebulição. O equipamento consiste em uma câmara, dentro da qual existe

um trocador de calor com aquecimento indireto que proporciona o meio de

transmissão de calor ao produto através do vapor à baixa pressão [2].

Estes são divididos em dois grandes grupos: os de tubos longos verticais e os

de tubos horizontais. Os de tubos verticais podem ser divididos em: de filmes

acedente, de filme descente ou de circulação forçada [3].

Figura 1: Evaporador de tubos verticais com circulação natural.

2

O objetivo foi concentrar uma solução 10% em massa de açúcar cristal em

água e a partir disso fazer o balanço de massa, componente e energia, além de

determinar o valor da constante global de transferência de calor em um evaporador

contínuo de único efeito.

Para isso, inicialmente fechou-se todas as válvulas e então ligou-se o

refrigerador, sendo este o fornecedor de água fria para o condensador. Então ligou-

se a bomba peristáltica para que essa começasse a bombear solução para o

evaporador. No momento que atingiu a marca de aproximadamente um centímetro

acima da vedação esta foi desligada e em seguida ligou-se a caldeira.

Posteriormente a válvula do desumidificador foi aberta, e então controlou-se a vazão

de água evitando assim a saída de vapor. Assim que o condensado começou a ser

formado, a bomba peristáltica foi novamente ligada, em baixa rotação, desde modo

bombeou-se mais líquido para o evaporador. Logo após a válvula de saída do

concentrado foi aberta e controlou-se a vazão da mesma. Então foi feito um controle

de vazão, tanto do concentrado como na saída de líquido saturado. Isto foi feito com

intuito de manter a marca de um centímetro constante no evaporador. Assim que

isso foi atingido indicou-se que o regime estava permanente.

No momento que atingiu o regime permanente, foram medidos os valores das

temperaturas do tanque de alimentação com o auxílio de um termopar, do vapor da

solução, da solução concentrada, do vapor de aquecimento e do condensado do

vapor de aquecimento, através de um termostato. Estes estão expostos na Tabela 1

a seguir.

3

Tabela 1: Valores obtidos pelo termopar e temperatura da solução inicial

Local de medição Temperatura (ºC)

Solução concentrada 70,5

Vapor de solução 89,3

Vapor de aquecimento 99,8

Condensado do vapor de aquecimento 85,1

Alimentação 59,0

Foram medidas também as vazões mássicas pela técnica massa/tempo, tanto

da solução concentrada como do vapor da solução, sendo que o último foi feito

coletando o líquido de saída do condensador. Para fazer tal medida utilizou-se dois

béqueres pesados previamente e determinou-se um tempo de aproximadamente 1

minuto, sendo que as duas vazões foram medidas simultaneamente. Essas medidas

são apresentadas na Tabela 2 abaixo, sendo que a vazão foi calculada através da

equação (1.1) a seguir.

(1.1)

Onde:

V = vazão [Kg/h];

m = massa [Kg];

t = tempo de coleta [h].

Tabela 2: Vazões mássicas da solução concentrada e do vapor de solução

Massa (Kg) Tempo (h) Vazão (Kg/h)

Solução concentrada 0,012 0,017 0,720

Vapor de solução 0,006 0,017 0,360

4

A partir da Tabela 2 foi possível observar que a vazão mássica do vapor da

solução é muito menor que a vazão da solução concentrada. Isso se deve ao fato de

uma parte do vapor gerado pelo aquecimento da solução ter ficado retido no

condensador durante a análise da vazão. Outra justificativa seria um controle

inadequado da vazão de entrada da solução no evaporador.

A partir destes dados coletados foi possível calcular o valor da vazão de

alimentação através do balanço de massa representado pela equação (1.2), e a

fração mássica da solução concentrada através do balanço de componentes que

está exibido na equação (1.3).

(1.2)

Onde:

F = vazão de alimentação da solução [Kg/h];

C = vazão do concentrado [Kg/h];

P = vazão do vapor da solução [Kg/h].

(1.3)

Onde:

F = vazão de alimentação da solução [Kg/h];

= fração de açúcar na solução;

V = vazão do vapor da solução [Kg/h];

= fração de sólidos no vapor da solução;

L = vazão do concentrado [Kg/h];

= fração de açúcar na solução concentrada.

5

Com essa fração mássica e com os dados de calor específico da água e da

sacarose retirados da literatura determinou-se o calor específico da solução

concentrada. Já para realizar tal cálculo para a solução diluída a fração mássica

utilizada foi a da corrente de alimentação, ou seja, essa era uma solução 10% em

massa de açúcar. Para este cálculo utilizou-se a equação (1.4).

(1.4)

Onde:

Cp,L = calor específico da solução;

= fração mássica da água;

= fração mássica do açúcar;

= calor específico da água;

= calor específico do açúcar.

Em seguida calculou-se a entalpia da solução concentrada e de alimentação

através da equação (1.5).

( ) (1.5)

Onde:

h = entalpia [KJ/Kg];

Cp= capacidade calorífica da solução [KJ/Kg.ºC];

T= temperatura que a solução [ºC];

T*= temperatura de referência = 0 °C.

6

Já a vazão do vapor de aquecimento foi determinada através do balanço de

energia representado pela equação (1.6), sendo que este já está manipulado de

forma a isolar a variável de interesse.

(1.6)

Onde:

S = vazão do vapor de aquecimento [KJ/h];

F= vazão de alimentação da solução [KJ/h];

hF= entalpia da solução de alimentação [KJ/Kg];

V= vazão do vapor da solução [KJ/h];

Hv= entalpia do vapor da solução [KJ/Kg];

L= vazão do concentrado [KJ/h];

hL= entalpia da solução concentrada [KJ/Kg];

Hs= entalpia do vapor de aquecimento [KJ/Kg];

hc= entalpia do vapor do condensado [KJ/Kg].

E com isso calculou-se também o calor fornecido pelo vapor de aquecimento

através da equação (1.7).

( ) (1.7)

Onde:

q = calor fornecido pelo vapor de aquecimento [KJ/h];

S = vazão do vapor de aquecimento [KJ/h];

Hs =entalpia do vapor de alimentação [KJ/Kg];

hc =entalpia do vapor do condensado [KJ/Kg].

7

Posteriormente, foi necessário o cálculo da área de troca térmica pela

equação (1.8).

( ) ( ) (1.8)

Onde:

L= comprimento do tubo;

= diâmetro do tubo menor;

= diâmetro do tubo central.

O diâmetro do tubo menor foi medido novamente após a prática, isso se deve

aos possíveis erros operacionais levando a medidas errôneas do mesmo.

Assim feito, o cálculo do coeficiente global de troca térmica tornou-se possível

pela equação (1.9).

( ) (1.9)

Onde:

U = coeficiente global de troca térmica [KJ/h.m2.ºC];

q = calor fornecido pelo vapor de aquecimento [KJ/h];

A = área de troca térmica [m2];

TS= temperatura de entrada do vapor de alimentação [ºC];

TV = temperatura do vapor da solução [ºC].

Outro dado calculado foi a economia de vapor. Este foi feito através da

equação (1.10).

8

(1.10)

Onde:

EV = economia de vapor;

V = vazão do vapor da solução [KJ/h];

S = vazão do vapor de aquecimento [KJ/h].

O resultado para todos esses cálculos estão dispostos na Tabela 3 abaixo, e

a memória de cálculo está exposta no Anexo.

Tabela 3: Valores calculados das variáveis do sistema de evaporação

Variável Resultado

Vazão da Alimentação ⁄

Fração mássica da solução concentrada

Calor específico da solução concentrada ⁄

Calor específico da solução diluída ⁄

Entalpia da solução concentrada ⁄

Entalpia da solução de alimentação ⁄

Vazão do vapor de aquecimento ⁄

Área de troca térmica

Calor fornecido ⁄

Coeficiente global de troca térmica ( ⁄ )

Economia de vapor

Por se tratar de um evaporador, pode-se utilizar as equações de transferência

de calor para estimar o coeficiente global da troca térmica, para assim obter uma

9

estimativa de quanto de energia em forma de calor por unidade de área é necessário

para aumentar a temperatura da solução em um dado tempo. Observou-se que para

esse caso é necessário fornecer 707,916 KJ/ m² para variar 1ºC em 1 hora. Além de

analisar o desempenho alcançado, mostrando que esse atingiu o resultado proposto,

ou seja, aumentou a concentração de açúcar em 33%. Para uma análise mais

coerente da efetividade deve-se ter um parâmetro de concentração final desejada do

açúcar.

Na análise da eficiência de evaporadores de um único efeito, o valor

encontrado sempre estará na faixa entre zero e a unidade. Um evaporador será

considerado economicamente eficaz caso este cálculo tenha resultado maior ou

igual a 0,4 (E ≥ 0,4) [3].

O valor obtido para o cálculo da economia de vapor do evaporador do

experimento foi de 0,928, como explicitado na Tabela 3, que demonstra que a

economia de vapor foi eficiente, uma vez que o valor foi superior a 0,4. O valor

obtido para a economia de vapor indica que o processo de evaporação apresentou

uma eficiência satisfatória. Além disso, o alto valor obtido do coeficiente global de

troca térmica confirma a eficiência do evaporador [4]. Desta forma, não há

necessidade de verificação dos eliminadores de ar e nem dos purgadores. O alto

valor do coeficiente global de troca térmica aliado ao alto valor para economia de

vapor indica que as incrustações ainda não estão interferindo de forma significativa.

A eficiência de um evaporador pode ser aumentada adicionando-se

evaporadores em série ou aumentando-se o número de efeitos. Já que em um

evaporador de múltiplos efeitos o solvente vaporizado é reutilizado, ou seja, o vapor

de um efeito é utilizado como meio de aquecimento num outro efeito no qual ocorra

a ebulição a uma temperatura e pressão mais baixa [5].

10

2. CONCLUSÃO

A função de um evaporador é concentrar uma solução. Isto pôde ser

observado através deste experimento. Neste a solução alimentada era de 10% em

massa de açúcar, já a solução final foi de 15% em massa de açúcar, o que significa

que o objetivo foi cumprido.

Para o evaporador de único efeito utilizado para concentrar a solução de

sacarose foi feito balanço de massa e o balanço de energia. Sendo que através

destes foi possível a determinação da vazão de alimentação da solução e a vazão

do vapor de alimentação, respectivamente.

O valor encontrado para a economia de vapor demonstrou que o evaporador

foi eficiente no processo de evaporação, apresentando um valor superior a 0,4. Esta

eficiência poderia ser aumentada adicionando-se evaporadores em série ou

aumentando-se o número de efeitos.

11

3. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Princípios das operações Unitárias no Processamento de Alimentos. Disponível

em:

http://professordanielrossi.yolasite.com/resources/OU%20em%20Ind%C3%BAstrias

%20de%20Alimentos.pdf. Acesso em: 31/03/2015.

[2] Operações Unitárias II – Evaporação. Disponível em:

http://www.ebah.com.br/content/ABAAAANpgAF/evaporacao. Acesso em:

01/03/2015.

[3] MCCABE, W. L., SMITH, J. C., HARRIOTT., P. Unit Operations of Chemical

Engineering. 5ª edição. 1993.

[4] FOUST, A. S.; WENZEL, L. A.; CLUMP, C. W.; MAUS, L.; ANDERSEN, L. B.

Princípios das Operações Unitárias. 2. ed. LTC, Rio de Janeiro, 1982.

[5] Princípios da evaporação, importância e utilização. Disponível em:

http://www.ebah.com.br/content/ABAAAACkkAI/evaporadores. Acesso em:

31/03/2015.

[6] PERRY, R.H., GREEN, D. ed. Perry’s chemical engineers ‘handbook. 7ed. New

York: McGraw-Hill, 1997. 2603p.

12

4. ANEXO

4.1. Memória de Cálculo

Cálculo das vazões mássicas:

Primeiramente calcularam-se as vazões mássicas, através da equação (1.1).

- Vazão mássica da solução concentrada:

- Vazão mássica da saída do vapor da solução:

A vazão mássica da solução diluída foi encontrada pelo balanço de massa,

obtido pela equação (1.2).

Assim:

Através do balanço de componentes representado pela equação (1.3),

encontrou-se a fração mássica de açúcar na solução concentrada.

Assim:

13

Cálculo de entalpia da solução:

Para o cálculo de entalpia da solução foi necessário determinar inicialmente o

calor específico da solução concentrada e da alimentação, através da equação (1.4).

Os valores de e encontrados na literatura [6] para a solução

concentrada são respectivamente, 4,197 KJ/Kg.ºC e 1,260 KJ/Kg.ºC, e para a

solução da alimentação são respectivamente 4,189 KJ/Kg.ºC e 1,260 KJ/Kg.ºC [6].

- Calor específico da solução concentrada:

Onde:

= 0,850;

= 0,150.

- Calor específico da solução de alimentação:

Onde:

= 0,900;

= 0,100.

Com os valores de calor especifico da solução concentrada e da alimentação,

pode-se calcular a entalpia da solução pela equação (1.5).

14

- Entalpia da solução concentrada:

( )

- Entalpia da solução de alimentação:

( )

Cálculo da vazão do vapor de aquecimento:

Através da manipulação da equação do balanço de energia calculou-se a

vazão do vapor de aquecimento pela equação (1.6).

Os valores de entalpia para o vapor da solução, vapor de aquecimento e

vapor do condensado foram obtidos por interpolação na Tabela A1. Sendo estes:

Entalpia do vapor de solução á temperatura de 89,3 ºC = 2657,467KJ/Kg;

Entalpia do vapor de aquecimento á temperatura de 99,8 ºC = 2673,938KJ/Kg;

Entalpia do vapor do condensado á temperatura de 85,1 ºC = 355,878 KJ/Kg.

Assim:

Cálculo do calor fornecido pelo vapor de aquecimento:

O cálculo do calor fornecido pelo vapor de aquecimento foi dado pela

equação (1.7).

15

Assim:

( )

Cálculo do coeficiente global de troca térmica:

Para calcular o coeficiente global de troca térmica, calculou-se primeiramente

a área de troca térmica através da equação (1.8).

Assim:

( ) ( )

Sendo:

= 33;

= 0,0063 m;

= 1;

= 0,019 m;

= 0,17 m.

Posteriormente foi possível calcular o coeficiente global de troca térmica pela

equação (1.9).

Assim:

( )

Cálculo da economia de vapor:

Calculou-se a economia de vapor através da equação (1.10).

16

Assim:

Tabela A1: Vapor de água saturado.