Universidade Federal de São João del-ReiDepartamento de Engenharia Química e Estatística

EVAPORADOR CONTÍNUO DE UM EFEITO DE TUBOS VERTICAIS

Relatório apresentado ao curso de EngenhariaQuímica, pela disciplina de Laboratório deEngenharia Química II, sob supervisão do Prof.Alexandre Bôscaro.

Adriana Lopes-104500054Ana Cristina Garcia-104500020

Izabella Rezende-104500015Juliana Leal-104500025

Maria Alexandra -104500051

Ouro Branco, MG2015

1

1. Resultados e Discussão

O objetivo da evaporação é concentrar uma solução contendo um soluto não volátil e um solvente que é volátil. Na grande maioria dos evaporadores o solvente é a água. O processo é conduzido vaporizando-se uma porção do solvente para produção de uma solução mais concentrada. Sendo que, na grande maioria dos processos, a solução é um produto de alto valor comercial, e o vapor condensado é descartado. (MCCABE)

O funcionamento dos evaporadores consiste em uma corrente aquecida que se condensa na superfície de tubos de metal, nos quais o material a ser evaporado flui. O evaporador  pode ser classificado como um evaporador de único efeito, ou seja, o líquido condensado é descartado, ou no caso onde o vapor da solução é utilizado para alimentar um segundo evaporador, tem-se o chamado evaporador de dois efeitos. Esse método pode abranger uma série de evaporadores, sendo chamado, então, de evaporador de múltiplos efeitos. (MCCABE)

No caso, o estudo envolveu um evaporador de tubos verticais curtos, contínuo de único efeito, sendo o objetivo do experimento concentrar uma solução de 10% de glicose. Neste tipo de evaporador, o líquido a ser concentrado escoa para cima através dos tubos e para baixo através de um anel central. Devido à ebulição do líquido, e da diminuição de sua densidade, a elevação do liquido na tubulação acontece de maneira natural, fato que acarreta o aumento do coeficiente de transferência de calor. Faz-se importante notar que evaporadores de tubos curtos geralmente são utilizados para evaporação de líquidos viscosos.(GEANKOPLIS) Tratando-se de instalações de grande porte, vários canais de retorno podem existir no lugar no único canal central. (FOUST) Os cálculos relativos ao evaporador foram realizados tomando em consideração os balanços de massa e de energia. O diagrama abaixo representa um esquema do processo.

Figura 1. Diagrama esquemático do funcionamento de um evaporador contínuo de efeito único.

Após o sistema entrar em regime permanente, foram realizadas medições de vazão mássica, e de temperaturas. A vazão mássica da solução concentrada e do vapor da

2

solução foi obtida pela técnica massa/tempo, em que as massas foram coletadas em erlenmeyers previamente pesados durante um tempo fixo. A vazão mássica da alimentação foi obtida por meio do balanço de massa e do vapor de aquecimento por meio do balanço de energia. A temperatura da alimentação foi medida utilizando um termômetro e as demais temperaturas utilizando termopares. Os dados pertinentes ao cálculo das vazões mássicas da solução concentrada e do vapor da solução são apresentados na Tabela 1, assim como a vazões mássicas calculadas, da solução concentrada, do vapor de solução, e da corrente de entrada, todas em kg/h. O detalhamento dos cálculos realizados pode ser verificado no anexo A.

Tabela 1.  Vazões mássicas da solução concentrada e do vapor da solução obtidas pela técnica massa/tempo.

Massa erlenmeyervazio (g)

Massa erlenmeyer cheio

(g)

Massa do fluido (g)

Tempo de coleta (min)

Vazão mássica (kg/h)

Solução concentrada 143,61 440,92 297,31 10:19 1,78

Vapor da solução 142,11 179,68 37,57 10:19 0.225

Alimentação - - - - 2,01

Para a determinação da vazão mássica do vapor de aquecimento, foi realizado o balanço de energia. As temperaturas foram medidas, as entalpias de entrada e saída foram calculadas. Para os fluidos compostos somente por água, a tabela de vapor saturado foi utilizada, e para as misturas de água e açúcar, o calor específico da mistura foi calculado com base nas proporções de cada  componente. Os calores específicos foram obtidos por meio de tabelas do Perry. Todos os dados necessários para o balanço de energia estão dispostos na Tabela 2.

Tabela 2. Entalpias dos fluidos de entrada e saída.

Fluido Temperatura (ºC) Calor específico (cal/g ºC) Entalpia (kcal/kg)

Alimentação 38 0.93 35,32

Solução Concentrada 74,1 0.92 68,45

Vapor da solução 89 - 634,61

Vapor de aquecimento 99,8 - 638,66

Condensado 86,5 - 86,40

3

Um importante fator a ser notado, é uma queda de 15 ºC entre o temperatura do vapor de alimentação e o condensado de saída. Pode-se atribuir essa diferença às perdas do sistema, visto que a transferência de calor não é um processo 100% eficiente.  Como a energia presente no evaporador consiste na energia que é carregada para dentro ou para fora do evaporador pelos fluídos que fazem parte do processo, isso implica que fricção na tubulação de vapor, perdas devido à aceleração do material nos tubos de entrada e saída, assim como perdas relativas à fricção e aceleração nas superfícies de contato de troca de calor, acarretam diminuição da temperatura. (PERRY)

Utilizando-se dos dados encontrados na Tabela 2, a vazão mássica do vapor de aquecimento pôde ser calculada através do balanço de energia, sendo o valor encontrado de 0.353 Kg/h. O calor (Q), fornecido pelo vapor também pode ser calculado para as condições especificadas na Tabela 2. O valor encontrado foi de 727,15 KJ/m2hoC .

Usualmente, num trocador a simples efeito em que as propriedades da solução se assemelham a da água pura, é necessário aproximadamente um quilograma de condensado para produzir cada quilograma de vapor da solução. (FOUST) No experimento em questão, mais de um quilograma de vapor de aquecimento/condensado foi necessário para cada quilograma de vapor da solução produzido, entretanto, observou-se que a temperatura da alimentação não estava muito próxima do ponto de ebulição da solução. Neste ponto, ressalta-se a importância da utilização de evaporadores de múltiplos efeitos, pois a medida que o número de estágios aumenta, a economia também aumenta.(UFParana)

Para o cálculo do coeficiente térmico, a área total onde ocorre a troca térmica foi mensurada. Os valores medidos estão dispostos na tabela 3.

Tabela 3. Dimensões dos tubos do evaporador.

Tubo Diâmetro interno (cm)

Diâmetro externo (cm)

Altura (m)

Quantidade de Tubos

Área Total(m2)

Periféricos 0,460 0,615 0,17 33 5,37 e-3

Central 1,80 1,90 0,17 1 0,105

Como a área de troca térmica também é conhecida, pode-se calcular o coeficiente global de troca térmica. O valor encontrado para U foi de 201,97 W/m2K.

Segundo Foust, os valores usuais para os coeficientes de transferência de calor ficam entre 1100 a 2800 W/m2K. O valor consideravelmente abaixo do esperado, pode ser explicado pela diferença considerável encontrada entre as temperaturas de entrada e saída do vapor, visto que era esperado que tais temperaturas fossem aproximadamente idênticas. Este fato indica que houveram perdas de calor apreciáveis no sistema.

Para o cálculo da economia de vapor, a vazão mássica do vapor da solução é dividida pela vazão mássica do vapor de aquecimento, encontrando-se o resultado de 0.64. Este resultado foi considerado satisfatório, visto que num processo industrial, se a economia do vapor for menor que 0,40, deve-se verificar a ocorrência de falhas no

4

processo, principalmente nos eliminadores de ar, purgadores e incrustação nos tubos, pois estes geram um baixo coeficiente global de troca térmica.(FOUST)

2. Conclusão

Operação a vácuo –  Quando a corrente de entrada do líquido é operada à vácuo, diminui-se a temperatura de ebulição e aumenta-se a diferença entre as temperaturas do vapor e do liquido em ebulição, o que aumenta a taxa de transferência de calor. Esta medida contribui para a eficiência energética da operação. (Perry)

Reutilização do vapor de solução – A fim de utilizar melhor o calor, o solvente da solução, que sai a uma alta temperatura, poderia ser reutilizado na caldeira, visto que a energia necessária para evaporar o condensado da solução seria menor, do que a energia gasta para evaporar água a temperatura ambiente. Esta medida é uma solução que melhoraria a eficiência e o custo energético de operação.(Perry)

3. Bibliografia

1. 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.

2. GEANKOPLIS, C. J.; Transport Process and Unit Operations. 3 ed. Prentice-Hall International, INC, Minnesota, 1993.

3. MILCENT, P. F.; PEREIRA, P. C .M., (2013). Evaporação. Disponível em: <http://www.paulfmilcent.net/evapapospat290613.pdf>. Acesso em: 01 de abril de 2015.

4. PERRY, R. H.; Perry’s Chemical Engineers’ Handbook. 7 ed. McGraw-Hill Handbooks, Estados Unidos, 1997.

5. UFParaná

5

Anexo A – Formulário e memória de cálculo

a) Vazão de alimentação (F) pelo balanço total de massa: Vazão mássica do vapor da solução:

Vazão mássica da solução concentrada:

Vazão mássica de alimentação:

b) Fração mássica da solução concentrada ( xL) a partir do °Brix

Cálculo da concentração final considerando solução inicial a 10°Brix (10g de açúcar para cada 100g de solução)

As concentrações da alimentação e solução concentrada medidas com o refratômetro são, respectivamente, 9 e 10 .

Para = 0,09, = 10,14 .

O desvio entre o valor teórico e o valor obtido através da leitura do refratômetro pode ser calculado por:

c) Estimativa da vazão de vapor pelo balanço de energia:

6

Cálculo de e , baseado nas equações e tabelas no Perry:

Cálculo de

Para T=311K

Cálculo de

Para T = 347,1K, = 1,003

Pelas tabelas de vapor saturado, por interpolação, temos que:

(89 ) = 634,61 Kcal/Kg

(99,8 ) = 638,66 Kcal/Kg

(86,5 ) = 86,4 Kcal/Kg

7

d) Cálculo do calor fornecido pelo vapor (q)

e) Cálculo do coeficiente global de troca de calor (U)

A área de troca térmica é dada por:

f) Cálculo da economia de vapor (EV).

8

Anexo B – Lista de símbolos

V = Vazão mássica de vapor da soluçãoTempo = tP = Vazão mássica de solução concentradaF = Vazão mássica de alimentaçãoTodos esses simbolos em vermelho nao apareceram pra mmim, eh erro do meu pc?

��௩ = Vazão mássica do fluido refrigerante��௦ óௗ� = Massa de sólido��á௨ = Massas de água�௦_ௗ� = Fração mássica para solução diluída�௦_ = Fração mássica para solução concentrada 23ℎ = Entalpia de alimentaçãoℎ௩_௦௧ = Entalpia de vapor saturadoℎ௩_ௗ� = Entalpia de vapor concentradoℎ௩_௦ = Entalpia de vapor de solução,௦_ = Calor específico para a solução concentradaܥℎ ௦_ = Entalpia da solução concentrada, = Calor específico para a alimentaçãoܥ௦ = Cálculo do calor latente de condensaçãoߣ

Calor fornecido pelo vapor = ݍÁrea de troca térmica = ܣDiâmetro = ܦ Comprimento =ܮ

� = Coeficiente global de troca de calor_ ௗ� = Temperatura de condensado�௩= Temperatura de vaporEV = Economia de vaporQ = quantidade total de vaporTs = temperatura do vapor saturadoTp = temperatura do alimentoMs = quantidade de vaporHs = entalpia do vapor de aquecimentoHc = entalpia do condensado liberadoMf = quantidade de alimento na entradaMp = quantidade de alimento concentrado

9

Mv = quantidade de água evaporda24Mc = quantidade do concentrado na saídaWp = concentração final do sucoWs = concentração inicial do sucoWf = concentração do alimento na entradaHf = entalpia de entrada do alimentoHp = entalpia do alimento concentradoHv = entalpia da água evaporadaTv = temperatura da água evaporadaTp = temperatura do alimento concentrado (produto)Pv = pressão de vaporPE = ponto de ebulição do alimentom = peso específico do alimentof= entrada do alimentoM = peso molecular do alimento concentrado∆T1 = Variação de temperatura 1∆T2 = Variação de temperatura 2∆T3 = Variação de temperatura 3

10