ALUNAS: Magna Guerra

Sandra Pinheiro Janilce Quaresma Soraia Cristina

Barcarena 2010

1. Introdução

A evaporação é a operação unitária que tem por objetivo a concentração de uma solução, pela retirada de solvente, fazendo a solução entrar em ebulição. 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. Esta operação 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. Evaporadores são equipamentos de ampla utilização nas indústrias química e de alimentos. A principal vantagem do emprego de evaporadores nessas industriais está na redução do consumo de vapor, sendo o número ótimo de efeitos aquele que permita realizar a evaporação proposta, com um custo total mínimo.

2. Princípios da evaporação

• Evaporação

A evaporação é a operação unitária que tem por objetivo a concentração de uma solução, pela retirada de solvente, fazendo a solução entrar em ebulição.

• Evaporadores

Basicamente um evaporador consiste de um trocador de calor para aquecer a solução à ebulição e um separador do vapor formado pela fase líquida em ebulição. O produto de um evaporador é geralmente a solução concentrada.

A figura abaixo mostra um esquema simplificado de um evaporador.

O meio de aquecimento normalmente utilizado é o vapor d’água, que, ao passar pelo trocador, passa ao estado líquido cedendo o seu calor de condensação para a solução que então entra em ebulição.

Existe uma infinidade de tipos de evaporadores sendo que a escolha do tipo adequado para a realização de uma determinada tarefa depende das condições e das características da solução a concentrar como também das características que se deseja para o produto final.

Figura 1

Solvente Vaporizado

Vapor de Aquecimento

Vapor Condensado Solução Concentrada

Alimentação ou Carga

• Transferência de calor

Este é o fator mais importante no projeto de evaporadores, pois a superfície de aquecimento representa a maior parte do seu custo. Igualmente, o tipo de evaporador selecionado deve ter o mais alto coeficiente de transferência de calor sobre condições operacionais desejadas em termos de J/s×K (corrente térmica britânica unidades por hora por grau Fahrenheit) por dólar de custo instalado. Quando é exigido potencia para induzir uma circulação além da superfície de aquecimento, o coeficiente de troca térmica deve ser mais alto para compensar o custo de energia para circulação.

A transferência de calor do vapor condensante para solução é expressa por: q = U A DT

• Separação vapor-líquido

superfícies nas quais o vapor é condensadoA Separação vapor-

Este problema de projeto pode ser importante por inúmeras razões. A mais importante normalmente é a prevenção de arraste por causa do valor do produto perdido, poluição, contaminação do vapor condensado, ou corrosão de líquido no vapor de topo também pode ser importante quando o pulverizador forma depósitos nas paredes, quando os vórtices aumentarem as exigências de bombas de circulação para o topo, e quando o circuito curto fizer com que o liquido ou vapor não flasheado seja devolvido à bomba de circulação e ao elemento de aquecimento. O desempenho do evaporador é avaliado com base na economia de vapor, ou seja, quilogramas de solvente evaporado por quilograma de vapor usado.

Em evaporadores o calor é requerido para:

alimentado

Aumentar a temperatura inicial do alimentado até sua temperatura de ebulição. Fornecer a energia termodinâmica mínima para separar o solvente do Vaporizar o solvente.

A maior economia de vapor é obtida reutilizando o solvente vaporizado. Isto é conseguido em um evaporador de múltiplo efeito usando o vapor de um efeito como meio de aquecimento em outro efeito no qual ocorra a ebulição a uma temperatura e pressão mais baixa. Um outro método de aumento na utilização da energia é utilizar um evaporador de termo compressão no qual o vapor é comprimido de modo que se condense a uma temperatura bastante alta para permitir seu uso como meio de aquecimento no mesmo evaporador.

3. Tipos de evaporadores na indústria química

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.

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, podendo se 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.

Evaporadores a vácuo - São usados para concentrar soluções por evaporação, como na reciclagem da solução usada na lixiviação da bauxita.

4. Utilização da evaporação na indústria de alimento

A evaporação consiste em concentrar os alimentos líquidos por ebulição, aumentando a concentração dos sólidos totais para reduzir a aw, contribuindo para a conservação.

Na indústria de alimentos e sucos, evaporação se refere à operação que consiste em remover a água existente nos alimentos in natura (todo alimento contém água natural em sua composição).

Para a evaporação, usa-se transferência de calor para ferver o alimento, e obter um produto aquoso de concentração mais elevada. Este processo é utilizado para retirada da água dos alimentos mais variados como:

Fabricação de leite condensado. Sucos de frutas concentrados (laranja, abacaxi, uva, etc.). Extrato e Catchup de tomate. Polpas de frutas (banana, morango, manga, etc.). Doces em massas (goiabada, marmelada, batata doce, etc.).

O evaporador tem a função principal de fornecer calor para evaporar a água do alimento (troca térmica), através da ebulição. Para que o alimento não perca a sua cor, aromas e ingredientes nutritivos, esta operação de fervura é realizada sob vácuo no interior do evaporador isto é, o alimento entra em ebulição a baixa temperatura. Alguns fatores são importantes na evaporação da água do alimento e que, deve ser observado:

Viscosidade do Produto Alimentício Quanto mais concentrado o produto mais viscoso ele fica, até um ponto em que a troca térmica não é mais possível.

5. Efeitos nas propriedades dos alimentos

de aquecimento sejam curtas

• Ajustar os equipamentos de modo que as temperaturas de ebulição se mantenham baixas e os tempos de permanência do produto nas zonas

• Emprego de evaporadores que operam a pressões reduzidas e permitem grande desenvolvimento superficial.

• Perda de aroma: a maioria dos compostos responsáveis pelo aroma e, em alguns casos, pelo sabor dos alimentos é mais volátil do que a água. Em alguns casos, essa perda pode ser benéfica, ao se eliminarem voláteis desagradáveis (cacau, leite).

• Mudanças de cor: os alimentos evaporados geralmente apresentam cor mais intensa: aumento da concentração dos sólidos e a diminuição da aw favorecem algumas reações químicas (escurecimento nãoenzimático).

6. Evaporadores utilizados na indústria de alimento

Evaporadores de tubo longo - São formados por uma câmera vertical provida de trocadores de calor de tubos verticais com 2,5 a 5,0 cm de diâmetro e 3 a 15 m de altura. Esse tipo de evaporador pode ser de película ascendente ou descendente, dependendo da disposição da entrada de líquido no trocador de calor.

Evaporadores de circulação forçada - Possuem bombas centrífugas (para líquidos menos viscosos), bombas de deslocamento positivo (para líquidos de maior viscosidade) ou diversos dispositivos (como uma hélice impulsora nos evaporadores de cristalização) que distribuem o líquido no interior do trocador de calor e aumentam a velocidade de fluxo ao longo das superfícies de aquecimento.

7. Conclusão

A evaporação é uma das operações unitárias mais utilizada na indústria química e de alimentos. O meio de aquecimento normalmente utilizado é o vapor d’água, que, ao passar pelo trocador, passa ao estado líquido cedendo o seu calor de condensação para a solução que então entra em ebulição.

Existem infinidades de tipos de evaporadores sendo que a escolha do tipo adequado para a realização de uma determinada tarefa depende das condições e das características da solução a concentrar como também das características que se deseja para o produto final.

Portanto, são de fundamental importância para essas indústrias, pois contribuem no processo de maneira eficaz.

8. 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.

Comentários