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OPERAÇÕES UNITÁRIAS I – EVAPORAÇÃO – 2008/4 Profª Drª Lisete C. Scienza

Definição: São classificados como sistemas evaporativos abertos, aqueles que realizam a liberação de calor de um processo, por meio de transferência simultânea de calor e massa, ou seja, utilizando vaporização da água que ocorre no equipamento de utilidades, seja ele torre de resfriamento ou condensador evaporativo.

A vaporização da água no equipamento se dá pelo contato entre ar e água, sendo o ar mais frio do que a água que é admitida, havendo assim a transferência de água da fase líquida para a fase gás, ocorrendo, portanto a umidificação do ar. A vaporização da água necessita, obviamente, de uma certa quantidade de energia para ocorrer. Essa energia é oriunda da massa líquida que, ao ceder calor sensível ao ar, resfria-se. A força motriz desse processo é a diferença entre a temperatura da água quente que entra no equipamento e a

temperatura de bulbo úmido do ar circundante.

A Evaporação consiste, então, na remoção de um solvente, usualmente água, de uma solução contendo um soluto não volátil. O aquecimento é efetuado por um vapor condensante. A transferência de calor do vapor condensante para a solução é expressa por:

onde U é o coef. global de transferência de calor, o qual é influenciado pelas características de construção e pelo método de operação. Constituem resistências térmicas: películas do vapor e do líquido em ebulição, incrustação interna e externa e a parede do tubo.

Objetivo: concentrar uma solução pela evaporação do solvente. Exemplos de aplicação: concentração de sucos de frutas, do caldo de cana para posterior obtenção do açúcar, obtenção de água potável a partir da água do mar.

Equipamentos: Os evaporadores são basicamente constituídos por um trocador de calor, capaz de levar a solução à fervura, e de um dispositivo para separar a fase vapor do líquido 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 por meio de vapor à baixa pressão.

A figura ao lado mostra o esquema simplificado de um evaporador de tubos verticais, onde:

F = carga (alimentação) V = vapor produzido L = solução concentrada Vs = vapor de aquecimento Lc = líquido condensado

Vapor de aquecimento

Condensado (Lc)

Alimentação (F)

Solução concentrada (L)

Vapor (V)

Descontínuos- O produto se aquece em um recipiente esférico envolto por uma camisa de vapor. Este recipiente é aberto ou conectado à um condensador ou à um sistema A vácuo. A área de transferência de calor neste tipo de evaporador é muito baixa e a residência do produto pode chegar à várias horas. O aquecimento do produto é feito por convecção natural.

De Convecção Natural- São dotados de tubos curtos verticais dentro de um corpo de vapor, este dispositivo é chamado de Calandra. O produto é aquecido e sobe através dos tubos por convecção natural e o vapor condensa pelo exterior dos tubos. O líquido concentrado retorna à base do recipiente através de uma seção anular central.

De Película Ascendente- Podem evaporar líquidos de baixa viscosidade, os quais fervem no interior de tubos verticais. Estes tubos se aquecem devido ao vapor existente no exterior, de tal maneira que o líquido ascende pelo interior dos tubos arrastado por vapores formados na parte inferior. O movimento ascendente dos vapores produz uma película que se move rapidamente para cima. Este tipo de evaporador alcança elevados coeficientes de transferência de calor, podendose recircular o líquido até que se alcance a concentração desejada. O tempo de residência é de 3-4 segundos.

De Película Descendente- Estes evaporadores desenvolvem uma fina película de líquido dentro dos tubos verticais que desce por gravidade. Também permitem instalar um maior número de efeitos do que o evaporador de película ascendente e podem processar líquidos mais viscosos e mais sensíveis ao calor. O tempo de residência é de 20-30 segundos.

De Circulação Forçada- Consta de um trocador de calor com aquecimento indireto, onde o líquido circula em elevadas velocidades, devido à presença de bombas de fluxo axial. Devido à elevada carga hidrostática da parte superior dos tubos, qualquer possibilidade de ebulição do líquido é desprezada. O líquido que entra no evaporador se evapora instantâneamente, devido à diferença de pressão entre a parte interior e exterior do tubo. Possui os menores custos de fabricação e operação.

De Película Agitada- A configuração cilíndrica do sistema produz menores áreas de transmissão de calor por unidade de volume de produto, sendo necessária a utilização de vapor à alta pressão, como meio de aquecimento com o objetivo de conseguir elevadas temperaturas na parede e velocidades de evaporação razoáveis. A grande desvantagem deste sistema são os custos de fabricação e manutenção, assim como a baixa capacidade de processamento.

De Serpentina Rotativa- É constituído de uma ou mais serpentinas de vapor que giram abaixo da superfície do líquido em ebulição. A serpentina, ao girar, proporciona turbulência ao líquido, o que melhora a transferência de calor e, ao mesmo tempo, diminui a taxa de queima. O evaporador com serpentina rotativa a vácuo é particularmente indicado para elaboração de produtos de tomate de elevada concentração, além de poder funcionar de forma contínua.

De Múltiplos Efeitos- Os evaporadores de múltiplos efeitos ( dois ou mais ) conjugam, em série, dois ou mais evaporadores simples, numa mesma estrutura ou em estruturas separadas. Os sistemas utilizados são os mais diversos, podendo haver associação de descontínuo + convecção natural, convecção natural + serpentina rotativa, tubos longos + tubos longos (geralmente com película descendente de circulação forçada ) e assim por diante. A grande vantagem desta conjugação é a economia de vapor gasta por quilo de água evaporada.

Comente as principais características dos seguintes tipos de evaporadores: - Evaporadores de tubos horizontais

- Evaporadores de tubos verticais de tubos curto e de tubos longos

- Evaporadores de película turbulenta

- Evaporadores com combustão interna

Referências:

• FOUST, A. S. et al. Princípios das Operações Unitárias. Ed. Guanabara, 1982.

• KERN, D. Q. Processos de Transmissão de Calor. Ed. Guanabara Koogan S.A., Rio de Janeiro, 1987.

• PERRY, R.H. & CHILTON, C.H. Manual de Engenharia Química, 5ª edição. Ed. Guanabara Dois S.A., Rio de Janeiro, 1980

• BLACKADDER, D.A. & NEDDERMAN, R. M. Manual de Operações Unitárias. Hemus Editora

Problemas que podem ocorrer na evaporação: Espumejamento, formação de incrustações, salinização, sensibilidade das substâncias ao calor, problemas de corrosão, limitações de espaço.

Conceitos termodinâmicos importantes:

• Evaporação: mudança de estado físico L → V, que ocorre abaixo da temperatura de ebulição para a pressão considerada.

• Vaporização: mudança de fase a uma temperatura maior que a temperatura de ebulição na pressão considerada.

• Temperatura de vaporização ou de saturação: é aquela na qual ocorre a mudança de estado físico. Será a temperatura de ebulição quando a pressão for igual à pressão atmosférica.

• Líquido saturado: é o líquido na temperatura e pressão de saturação.

• Líquido subresfriado: quando o líquido se encontra a uma temperatura menor que a temperatura de saturação na pressão existente.

• Título: relação entre a massa do vapor e a massa do líquido para um sistema na temperatura de saturação.

• Vapor superaquecido: quando o vapor se encontra a uma temperatura maior que a de saturação na pressão existente.

• Vapor saturado seco: vapor com título de 100%.

Considerações básicas na evaporação:

• Diferença de temperaturas: a diferença de temperatura entre o vapor condensante e o líquido em ebulição é uma função dos seguintes fatores:

♣ as condições do vapor de aquecimento,

♣ a pressão da câmara de evaporação,

♣ a concentração da solução.

A temperatura da câmara de condensação depende da pressão do vapor condensante e do seu grau de reaquecimento.

• Temperatura de ebulição da solução: quando se trata de um solvente puro, sua temperatura de ebulição seria a correspondente à pressão que se mantém na câmara de evaporação, mas ao se tratar de soluções deve-se levar em consideração o fato de que a pressão do vapor da solução é menor que a do solvente puro. Desta forma a temperatura de ebulição da solução será maior que a do solvente puro, denominando-se esta diferença de Elevação do Ponto de Ebulição.

• Temperatura do líquido = f (pressão hidrostática + pressão cinética).

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