PRINCPIOS DA EVAPORAO, IMPORTNCIA E UTILIZAO. Evaporao A evaporao a operao unitria que tem por objetivo a concentrao de uma soluo, pela retirada de solvente, fazendo a soluo entrar em ebulio. Evaporadores Basicamente um evaporador consiste de um trocador de calor para aquecer a soluo ebulio e um separador do vapor formado pela fase lquida em ebulio. O produto de um evaporador geralmente a soluo concentrada. A figura abaixo mostra um esquema simplificado de um evaporador.Solvente Vaporizado

Alimentao ou Carga

Vapor de Aquecimento

Vapor Condensado

Soluo Concentrada Figura 1

O meio de aquecimento normalmente utilizado o vapor dgua, que, ao passar pelo trocador, passa ao estado lquido cedendo o seu calor de condensao para a soluo que ento entra em ebulio. Existe uma infinidade de tipos de evaporadores sendo que a escolha do tipo adequado para a realizao de uma determinada tarefa depende das condies e das caractersticas da soluo a concentrar como tambm das caractersticas que se deseja para o produto final. Transferncia de calor Este o fator mais importante no projeto de evaporadores, pois a superfcie de aquecimento representa a maior parte do seu custo. Igualmente, o tipo de evaporador selecionado deve ter o mais alto coeficiente de transferncia de calor sobre condies operacionais desejadas em termos de J/sK (corrente trmica britnica unidades por hora por grau Fahrenheit) por dlar de custo instalado. Quando exigido potencia para induzir uma circulao alm da superfcie de aquecimento, o coeficiente de troca trmica deve ser mais alto para compensar o custo de energia para circulao. Separao vapor-lquido Este problema de projeto pode ser importante por inmeras razes. A mais importante normalmente a preveno de arraste por causa do valor do produto perdido, poluio, contaminao do vapor condensado, ou corroso de superfcies nas quais o vapor condensado. A Separao vapor-lquido no vapor de topo tambm pode ser importante quando o pulverizador forma depsitos nas paredes, quando os vrtices aumentarem as exigncias de bombas de

circulao para o topo, e quando o circuito curto fizer com que o liquido ou vapor no flasheado seja devolvido bomba de circulao e ao elemento de aquecimento. O desempenho do evaporador avaliado com base na economia de vapor, ou seja, quilogramas de solvente evaporado por quilograma de vapor usado. Em evaporadores o calor requerido para: Aumentar a temperatura inicial do alimentado at sua temperatura de ebulio. Fornecer a energia termodinmica mnima para separar o solvente do alimentado. Vaporizar o solvente. A maior economia de vapor obtida reutilizando o solvente vaporizado. Isto conseguido em um evaporador de mltiplo efeito usando o vapor de um efeito como meio de aquecimento em um outro efeito no qual ocorra a ebulio a uma temperatura e presso mais baixa. Um outro mtodo de aumento na utilizao da energia utilizar um evaporador de termocompresso no qual o vapor comprimido de modo que se condense a uma temperatura bastante alta para permitir seu uso como meio de aquecimento no mesmo evaporador. Seleo do tipo de evaporador Com exceo da transferncia de calor, a seleo do melhor tipo de evaporador para uma situao particular governada pelas caractersticas de alimentao e do produto. Outro ponto a ser considerado a cristalizao, formao de depsitos, qualidade do produto, corroso e formao de espuma. No exemplo de um evaporador de cristalizao o desejo de produzir cristais de um tamanho uniforme limita geralmente a escolha de evaporadores que tem meios positivos de circulao. Depsito de sais, que o crescimento no corpo e na superfcie de aquecimento das paredes de um material que tem solubilidade que aumenta com o aumento da temperatura, encontrada freqentemente em evaporadores de cristalizao. Isto pode ser reduzido ou eliminado mantendo o lquido evaporando ou em freqente contato com a grande rea superficial dos slidos cristalizados. A formao de escama a deposio e crescimento nas paredes do corpo, e especialmente sobre superfcies aquecidas, de um material que submete-se a um produto de reao qumica irreversvel em um evaporador que tenha solubilidade que diminua com o aumento da temperatura. A escamao pode ser reduzida ou eliminada da mesma forma que os depsitos de sais. Lquidos que provocam problemas de depsitos de sais e escamao so melhores manuseados em evaporadores que no dependem de entrar em ebulio para induzir circulao. Fouling a formao de depsitos alm dos depsitos de sais e escamas e que pode ser devido a corroso e materiais slidos entrando com o alimentado ou ainda pela condensao do vapor. Qualidade do Produto Para obter um produto de qualidade exige-se menor tempo de operao e temperatura baixa para evitar degradao trmica. Baixos tempos de operao eliminam alguns tipos de evaporadores e alguns tipos so eliminados tambm devido a uma pobre transferncia de calor que so caractersticas de baixas temperaturas. Para qualidade do produto pode tambm ser determinante a qualidade dos materiais utilizados na construo para evitar contaminao metlica ou efeitos catalticos na decomposio do produto. Corroso Pode tambm influenciar a seleo do evaporador, pois as vantagens dos evaporadores tendo elevados coeficientes de transferncia de calor so mais aparentes quando materiais de construo mais caros so indicados. Corroso e eroso so freqentemente mais severas nos evaporadores do que em outros tipos de equipamento por causa das velocidades elevadas do lquido e do vapor usadas, presena freqente dos slidos na suspenso, e a diferena de concentrao necessria.

EXIGNCIAS DO PROCESSO DE EVAPORAO EM FBRICAS DE PAPEL E CELULOSE A primeira etapa na recuperao dos qumicos alcalinos a concentrao do licor preto por evaporao. Os objetivos bsicos do processo de evaporao de licor so os seguintes: Concentrar o licor at o nvel desejado para queima na caldeira de recuperao; Uso eficiente da energia, que normalmente representa em torno de 25% do total requerido numa indstria de celulose branqueada; Eficiente separao dos sabes, quando presentes, que alm do seu valor econmico, podero ocasionar problemas de espuma e incrustaes. O licor coletado do sistema de lavagem da polpa e extrao de digestor tem normalmente de 13 a 17% de slidos e denominado licor preto fraco. Este deve ser concentrado em torno de 65% de slidos para ser queimado na caldeira de recuperao. Nestes sistemas o licor concentrado em torno de 50% de slidos em evaporadores de mltiplo efeito e ento elevado para 65% de slidos nos evaporadores de contato direto, no caso de plantas mais antigas, ou concentradores de contato indireto. O licor com 50% de slidos normalmente chamado de licor preto forte. A temperatura do licor preto fraco fica entre 70 e 95 0C, dependendo do nmero de estgios de lavagem e da temperatura da gua quente utilizada. Para uma concentrao de slidos na sada dos evaporadores de mltiplo efeito pr-fixada, o aumento da temperatura do licor preto fraco na entrada diminui a vazo de vapor necessria para aquecer o licor no evaporador, diminuindo portanto, o consumo especfico na evaporao, desde que, para este pr-aquecimento seja utilizada alguma energia residual da fbrica. O aumento desta temperatura pode ser realizado com o isolamento de tanques e tubulaes de licor preto fraco e o seu pr-aquecimento com trocadores de calor usando como fluido o prprio condensado do evaporador. As modernas plantas de evaporao j incluem normalmente sistemas de stripping para tratamento de condensados e separao de gases. A relao entre a quantidade de gua evaporada e a mudana do contedo de slidos no licor no altamente linear como mostrado na figura 3. Muito mais gua evaporada para baixas concentraes. Por exemplo, a carga da evaporao para passar de 15 - 25% de slidos maior que a necessria para passar de 25 - 65%. A quantidade de evaporado para ir de 50 - 65% de slidos tipicamente em torno de 8% do total da carga de evaporao. A carga total de Co evaporao usualmente em torno de 2,27 kg de gua / 0,45 kg de slidos, mas isto depende nt muito da concentrao do licor fraco.e do 1.0 Iniciais Evaporadores so equipamentos de transferncia de calor. Eles requerem em torno de 252 kcal para evaporar 0,454 kg de gua, e a mesma quantidade de calor recuperada quando 0,454 kg de vapor dgua condensado. Este o calor latente de vaporizao. Desta maneira, em torno de 0.8 de 2780 kcal/kg de slidos ou 3 a 3,8 Gcal / ton de polpa devem ser transferidos para o evaporador. S 0.5 Se toda essa energia tivesse que vir de uma fonte externa, o custo para recuperao do licor preto seria proibitivo. lid 0.4 0.6 Vrias tcnicas, como evaporao de mltiplos efeitos ou termocompressores, o qual usa o calor os contido no vapor dgua para obter uma0.3 evaporao adicional, ajuda a reduzir a quantidade de energia requerida. 0.2 0.4 do A evaporao do licor preto normalmente feita em evaporadores tipo mltiplo efeito. Vapor vivo introduzido no primeiro efeito e o vapor produzido pela evaporao do licor do primeiro efeito 0.1 usado como meio de aquecimento no segundo efeito a uma presso menor, continuando Co sucessivamente at o ltimo efeito, que opera sob condies de vcuo. 0.2 nc Os vapores produzidos no ltimo efeito so condensados sendo os incondensveis extrados pelo sistema de vcuo (bombas de vcuo de anel lquido ou ejetores de vapor). en O sistema de mltiplo efeito permite o uso de reevaporao dos condensados as presses tra 0.2 0.4 0.6 1.0 subseqentes, assim como 0o calor do licor de alimentao. 0.8 d do Fraes de Licor Evaporado Figura 3 : Variaes de Slidos X Carga do Evaporador. Slidos

Como conseqncia, um sistema de seis efeitos, bem operado permite obter para cada tonelada de vapor alimentado, em torno de 5 toneladas de gua evaporada. A figura 4 mostra a relao entre a economia de vapor e o nmero de efeitos. A relao entre gua evaporada e vapor vivo (procedente de uma fonte externa) chamada de Economia de vapor.Kg de Vapor

E = t. gua evaporada. t. Vapor vivo

Mesmo que sistemas eficientes sejam usados, a concentrao do licor consome at 25% da energia total consumida numa planta de papel kraft branqueada. O vapor que se desprende quando o licor preto evaporado no vapor dgua puro. Alguns constituintes volteis no licor preto esto tambm presentes. Quando o evaporado condensado 6.0 estes volteis podero condensar e contaminar o condensado ou permanecerem como gases no condensveis. Presses ambientais normalmente exigem que os dois os condensveis e os no condensveis sejam tratados. 5.0 O sabo de Tall oil precipita do licor preto no momento em que est sendo concentrado, com a insolubilidade mxima alcanada aproximadamente em torno de 25% de slidos. Se o licor preto 4.0 contiver quantidade significativa de sabo, este licor parcialmente concentrado bombeado ao tanque de transbordo, onde o sabo removido antes do licor retornar aos evaporadores.3.0

Kg de gua Evaporada por

2.0 1.0

1

2

3

4

5

6

7

Nmero de Efeitos Figura 4 : Economia de Vapor na Evaporao em funo do nmero de efeitos.

EQUIPAMENTOS Tipos de Evaporadores Evaporador de filme descendente

Projeto Trocador de calor com shell e tubo vertical, com separador centrifugo arranjado concntrica ou lateralmente. Operao O liquido a ser concentrado alimentado no topo dos tubos de aquecimento de tal modo que o fluxo desce nas paredes internas como um filme fino. O filme liquido inicia a ebulio devido ao aquecimento externo dos tubos e parcialmente evaporado como resultado. O fluxo para baixo inicialmente pela ao da gravidade, aumentado pelo fluxo paralelo de vapor formado. O vapor e o filme liquido residual separado em baixo, parte na calandria e a jusante no separador centrifugo. essencial que a superfcie inteira de aquecimento do filme seja aquecida, especialmente a regio de baixo que deve ser suficiente e uniformemente tocada pelo liquido. Onde este no for o caso, sero formadas manchas secas que iro provocar incrustao e formao de depsitos. Para que a superfcie de aquecimento seja molhada completamente, importante que um sistema de distribuio satisfatrio seja selecionado para a cabea do evaporador. Taxas de molhadura so aumentadas quando os tubos so mantidos por mais tempo em contato com o liquido, dividindo o evaporador em diversos compartimentos ou por recirculao do produto.

Dois sistemas de distribuio satisfatrios

Caractersticas particulares melhor qualidade do produto devido a evaporao suave, principalmente sob vcuo, e tempo de residncia extremamente curto no evaporador. Alta eficincia de energia devido ao arranjo de mltiplo efeito ou por recompresso do vapor por aquecimento trmico ou mecanicamente, baseado na mais baixa diferena terica de temperatura. Processo simples de controle e automao devido ao seu contedo de liquido, o evaporador de filme descendente reage rapidamente a mudanas no fornecimento de energia, vcuo, quantidade alimentada, concentrao, etc. um importante requisito para uma concentrao final uniforme. Flexibilidade de operao partida rpida, facilidade na operao de limpeza e mudanas de produto descomplicadas. Campos de aplicao Locais onde se deseje produo de at 150 ton / h e que tenha espao disponvel reduzido. Pode ser usada com produtos sensveis a temperatura. Para lquidos que contenha baixa ou moderada tendncia formao de incrustao.

Evaporador de circulao forada

Projeto Trocador de calor com shell e tubo vertical ou horizontal ou trocador de calor de pratos como a calandria com vaso separador de flash sobre a calandria e bomba de circulao. Operao O liquido circulado atravs da calandria por meio de uma bomba de circulao, onde ele superaquecido a uma elevada presso, maior que sua presso normal de ebulio, ao entrar no separador a presso do liquido rapidamente reduzida resultando em uma quantidade de liquido flasheada ou rapidamente evaporada pra fora. Considerando que a circulao do liquido mantida, a velocidade do fluxo nos tubos e a temperatura do liquido pode ser controlada para adapt-lo as exigncias do produto independentemente a diferena de temperatura prselecionada. Caractersticas particulares Perodos longos de operao a ebulio/evaporao no pode acontecer na superfcie de aquecimento e sim no separador. Sujeiras devidas incrustao e precipitao na calandria so ento minimizadas. Superfcie dos trocadores de calor otimizados a velocidade do fluxo de liquido nos tubos determinado pela bomba de circulao. Campos de aplicao Lquidos com alta tendncia a sujeira, altamente viscosos, como os de alta concentrao depois de passarem por evaporadores de mltiplo efeito. Evaporadores de circulao forada so timos para serem usados com evaporadores de cristalizao para solues salinas.

Planta de evaporao de circulao forada com efeito de filme descendente em contracorrente, arranjado com a sistema para a purificao do vapor condensado a jusante por destilao de gua que contm sais e combinaes orgnicas evitando desperdcio. Taxa de evaporao: 9,000 kg/hr concentraram a 65% TS

Evaporadores de pratos

Projeto Trocador de calor de prato, separador. Configurao de prato-e-armao emprega pratos especiais, com produto alternado e canais de aquecimento. Os pratos so lacrados por gaxetas localizado dentro de aberturas especialmente projetadas que no fazem requerem adesivos. Estas gaxetas podem ser inseridas e removidas sem necessidade de ferramentas especiais.

Operao Produtos com mdio aquecimento so transferidos em contracorrente atravs de passagens relevantes. As distancias dos pratos so definidas em conjunto com pratos de formas especiais que geram forte turbulncia, resultando em uma tima transferncia de calor. Intensa transferncia de calor provoca ebulio do produto, causas de transferncia de calor intensivas o produto para ferver enquanto o vapor formado carrega o lquido residual, como um filme ascendente, no tubo de vapor do pacote de prato. Lquido residual e vapor so separados a jusante dentro do separador centrfugo. O grande tubo de entrada e o movimento para cima asseguram tima distribuio sobre a seo transversal total do trocador de calor.

Planta de evaporao de prato de mltiplo efeito para fructose Taxa de evaporao: 16 ton/h Caractersticas particulares Uso de diferentes mdias de aquecimento devido a geometria dos pratos, o sistema pode ser aquecido tanto com gua quente como com vapor. Alta qualidade do produto devido a operao de evaporao ser suave e uniforme durante a operao de passo nico. Pouco espao requerido devido ao projeto compacto, linhas de conexo curtas e pequena altura, cerca de 3 a 4m. Fcil instalao requerendo pouco tempo devido ao pr-ajuste e unidades de construo transportveis. Taxas de evaporao flexveis Pela adio ou remoo de pratos. Fcil manuteno e limpeza devido os pratos de recheios serem facilmente abertos.

Campos de aplicao Para baixas e mdias taxas de evaporao Para lquidos que contem pequenas quantidades de slidos no dissolvidos e com tendncia a formar sujeira. Para produtos sensveis a temperatura, produtos altamente viscosos e condies extremas de evaporao, um projeto para circulao do produto foi escolhido.

Evaporadores de circulao

Projeto Trocador de calor de shell-tubo vertical curto com separador lateral arranjado no topo. Operao O liquido a ser concentrado alimentado pelo fundo e sobe para o topo pelos tubos de aquecimento de acordo com o principio do filme ascendente. Devido ao aquecimento externo dos tubos, o filme liquido dentro das paredes do tubo inicia a ebulio liberando vapor. O liquido carregado para o topo dos tubos como resultado do movimento do vapor para cima. O liquido separado do vapor no separador a jusante e flui atravs dos tubos de circulao do licor no interior do evaporador, garantindo estabilidade e uniformidade de circulao. A maior diferena de temperatura entre a cmara de aquecimento e a cmara de ebulio, a maior intensidade de evaporao e, consequentemente, a circulao do lquido e taxas de transferncia de calor. Na cmara de ebulio do evaporador de circulao dividido em vrias cmaras separadas, cada um equipado com seu prprio sistema de circulao de lquido, a superfcie de aquecimento requerida para concentraes finais altas pode ser consideravelmente reduzida comparada a um sistema no dividido. A concentrao final s alcanada na ltima cmara. Em outras cmaras, a transferncia de calor consideravelmente mais alta devido a mais baixas viscosidades e elevaes de ponto de ebulio.

Caractersticas particulares Inicio rpido e grande capacidade especifica o contedo de liquido no evaporador baixo devido aos tubos de aquecimento serem curtos e de pequenos dimetros.

Campos de aplicao Para evaporao de produtos insensveis a altas temperaturas onde grandes taxas de evaporao so requeridas. Para produtos que tem grande tendncia de sujar e para produtos no newtonianos onde a viscosidade aparente pode ser reduzida a altas velocidades. A circulao do evaporador com cmaras de ebulio divididas e separador montado no topo.Podem ser usados como um alto concentrador.

planta de evaporao de circulao de 3 efeitos para gua de glicerina. Taxa de evaporao: 3,600 kg/hr

Evaporadores de leito fluidizado

Projeto Trocador de calor de leito fluidizado (no lado do tubo partculas slidas tais como gotas de cermica ou de vidro ou partculas de ao inoxidvel so misturadas ao liquido) vaso separador flash e bombas de circulao Operao Mesmo principio dos evaporadores de circulao forada. O movimento do liquido para cima misturado com as partculas slidas, as quais promovem uma ao de limpeza e polimento. Junto com o liquido eles so transferidos atravs dos tubos da calandria. Na cabea da calandria as partculas slidas so separadas do liquido e recicladas para a cmara de entrada da calandria. O liquido superaquecido a temperatura de ebulio flasheado no separador a jusante e parcialmente evaporado.

Caractersticas particulares Longos perodos de operao devido superfcie de aquecimento estar continuamente limpo pelas partculas do leito fluidizado e conseqente melhora na transferncia de calor. Campos de aplicao Para lquidos que tem alta tendncia de sujar, onde esta sujeira no pode ser prevenida ou retardada e nem tem um padro em evaporadores de circulao forada. Para lquidos de baixa para mdia viscosidade.

Evaporadores de filme descendente

Projeto Trocadores de calor de Shell e tubo vertical equipados com tubos condensadores arranjados concentricamente dentro dos tubos e separador integrado na parte de baixo da unidade. Operao O lquido distribudo uniformemente em cima dos tubos de aquecimento por meio de um sistema de distribuio de fluxo como um filme fino descendo pelas paredes internas. O aquecimento externo dos tubos causa a ebulio do filme lquido. O vapor formado condensado nas paredes externas dos tubos e flui para baixo. Produto de fundo e destilado mantido separado e descarregado na parte de baixo do evaporador.

Caractersticas particulares

Tratamento do produto particularmente suave devido a temperatura e presso do processo muito baixa. Tempo de residncia do produto muito curto e operao de passo nico. Possvel destilao a vcuo com presso variando de 1 mbar a 0,01 mbar. Devido a ter tubo condensador integrado no h perda de fluxo de vapor. Projeto otimizado No h problema de desgaste mecnico devido o sistema no ter partes internas giratrias. Baixo custo de investimento Adaptvel tambm a altas taxas de evaporao. Campos de aplicao Particularmente para solues no aquosas sensveis a temperatura. Evaporadores de filme ascendente

Projeto Trocador de calo com Shell e tubo vertical com separador de vapor montado no topo. Operao O liquido a ser concentrado alimentado no fundo do evaporador e sobe para o topo de acordo com o principio de filme ascendente. Devido ao aquecimento externo, o liquido inicia a ebulio nas paredes laterais dos tubos e parcialmente evaporado durante este processo. Como resultado do movimento para cima das correntes de bolhas, o liquido transferido para o topo.Durante a ascenso, mais e mais vapor formado. O liquido inicia seu movimento ao longo das paredes. O vapor e o liquido so separados no separador montado no topo. Caractersticas particulares Alta diferena de temperatura entre a cmara de aquecimento e a cmara de ebulio Para assegurar transferncia de liquido suficiente nos tubos de comprimento 5 a 7 m, e garantir a elevao do filme liquido. Alta turbulncia no liquido Devido ao movimento para cima contra a ao da gravidade. Por esta razo evaporadores de filme ascendente so tambm adaptveis a produtos de alta viscosidade e aqueles com tendncia a sujar as superfcies de aquecimento. Operao estvel e de alto desempenho baseado na recirculao do produto com uma extensa gama de condies. Campos de aplicao Para altas taxas de evaporao, para produtos de alta viscosidade e que tem a tendncia de sujar. Pode ser usado como um alto concentrador de passo nico que opera baseado em tempos de residncia extremamente curtos. Evaporadores em contra corrente

Projeto Trocadores de calor com Shell e tubo na parte de baixo da calandria, maiores que o do evaporador de filme ascendente, separador de topo equipado com sistema integrado de distribuio de liquido.

Planta de evaporao de filme descendente em contracorrente com unidade de retificao para refino de leo de azeitona

Operao Como um evaporador de filme descendente, o liquido alimentado pelo topo e distribudo nos tubos do evaporador, mas o vapor flui para o topo em contracorrente ao liquido. Caractersticas particulares Destilao parcial Os constituintes volteis do produto podem ser retirados para serem concentrados. Este processo pode ser otimizado pela entrada de vapor ou gs inerte na parte de baixo da calandria. Campos de aplicao

Este tipo de evaporador projetado para casos especiais, usado para aumentar a transferncia de massa entre liquido e vapor. Se um fluxo de gs passado em contracorrente ao liquido, reaes qumicas podem ser ativadas. Evaporadores agitadores

Projeto Vaso de aquecimento com jaqueta externa e agitador

Evaporador agitador usado como um alto concentrador de extrato de fermento Taxa de evaporao 300 kg/h

Operao O liquido alimentado no vaso em bateladas,a ebulio conseguida atravs de agitao continua at a concentrao final exigida. Se o liquido evaporado continuamente devolvido como produto fino, e se o contedo deste modo mantido constante, ento a planta pode ser operada em semi batelada. Caractersticas particulares Baixa taxa de evaporao devido a pequena superfcie de troca de calor, por esta razo, grandes diferenas de temperatura da jaqueta aquecida e a cmara de ebulio so exigidas. Desde que as propriedades do produto permitam, a superfcie de aquecimento pode ser aumentada atravs da imerso e espirais de aquecimento (serpentinas). Campos de aplicao

Para produtos, polpas e pastas altamente viscosos, quando as propriedades no so negativamente influenciadas pelo tempo de residncia de diversas horas, ou se as propriedades do produto particular exigem longos tempos de residncia. Ele tambm pode ser utilizado como um alto concentrador a jusante do pr evaporador operando continuamente. EQUIPAMENTOS AUXILIARES Os evaporadores possuem uma srie de equipamentos auxiliares para permitir o seu funcionamento contnuo e eficiente. Condensadores Destinam-se a condensar vapores que se desprendem da soluo no evaporador, para permitir o vcuo dentro do evaporador e possibilitar a recuperao do solvente. Os vapores provenientes do ltimo estgio de evaporador de mltiplo efeito e dos ejetores do sistema de vcuo quando existentes, so condensados em trocadores de calor. Vrios tipos de condensadores tm sido usados nas plantas de evaporao como mostra a figura 15.

APorta de Visita

Ejetor

B

Entrada de Vapor

Entrada de gua Entrada de gua

Entrada de Vapor

Sada de gua Sada de Vapor

CEntrada de Vapor

D

Sada de Ar

Suspiro

Entrada de Ar

Elemento de Aquecimento

Os tipos de contato direto, baromtricos ouEntrada de de gua foram muito usados, existem dois de jato Vapor inconvenientes na sua aplicao apesar do seu custo reduzido: Entrada de Ar Meio Entrada de guao grande volume de gua, que impossibilita o tratamento, o circulante ambiente: Sada de carrega consigo boa parte dos componentes malcheirosos e de alta DBO; Tanque guaResfriador de gua Figura 15 : Vrios tipos de Condensadores usados no Sistema de Evaporao. Ventarola

Energia: no permitem o aproveitamento da gua morna no processo (pelos mesmos motivos). Condensadores de superfcie, de contato indireto, so atualmente usados em praticamente todas as novas instalaes, devido as necessidades de reduo da poluio e necessidade de conservao de energia. Bombas Os evaporadores necessitam de bombas para alimentao, retirada do condensado, circulao da gua de resfriamento, etc. Geralmente, as bombas usadas em sistemas de evaporao do licor preto so do tipo centrfuga. Elas devem ser projetadas para bombeamento de lquidos com tendncia a formao de espuma e se adaptarem bem ao trabalho com suco e presso de descarga variveis (cavitao). Quando so usadas para retirar o condensado de um depsito sob vcuo, a sua construo deve ser especial para poder operar com vcuo satisfatoriamente. Todas as partes em contato com o licor e condensados secundrios so, geralmente, fabricados em ao inoxidvel ou um material no corrosvel. Especial ateno deve ser dada na hora da especificao ao NPSH, no caso de bombas que operam em efeitos sob vcuo. Para evitar entrada de ar no sistema usam-se gaxetas providas de gua de selagem. Para aplicaes onde preciso bombear licores com alto teor de slidos (70% ou mais) usam-se bombas de deslocamento positivo (parafusos). Tanque de vapor flash Tanques de expanso para aproveitamento de vapor de reevaporao so usados em sistemas mltiplo efeito para melhor aproveitamento da energia do licor de alimentao, produto, condensado primrio e secundrio. Economias de 20 a 30% no so difceis de conseguir com o aproveitamento destes recursos. O licor preto flasheado para presso ligeiramente abaixo da atmosfrica com um ganho de 1 a 2% na concentrao de slidos. O tanque flash um vaso simples provido com uma entrada e sada de licor, uma sada de vapor, e um separador interno de vapor de flash e licor. Tanques flash so normalmente utilizados para recuperar vapor dgua para reutilizao na evaporao. Tanques flash de duas ou trs sees ou aproveitamentos sucessivos em vrios efeitos so freqentes em plantas modernas. Purgadores Estes se destinam a separar o vapor condensado no trocador de calor de aquecimento da soluo, evitando o acmulo de lquido como tambm a sada de vapor do sistema. Separadores de gotas O vapor e o lquido ao sarem dos tubos do aquecedor esto animados de uma velocidade relativamente alta. Para separar as gotas do vapor que vai para o condensador, so necessrios certos dispositivos. Os tipos mais comuns so tipos, ciclones, separadores centrfugos e defletores. Todos se baseiam no mesmo princpio, provocar a coalescncia das gotas atravs do impacto contra uma superfcie, separando a corrente de vapor. Sistema de vcuo O vcuo para a remoo dos gases no condensveis, pode ser realizado por meio de bombas ou ejetores. As bombas mais usadas para este fim so as alternativas. Os ejetores so hoje os mais empregados para vcuo elevado, pois apresentam a vantagem de no ter partes mveis, sendo, portanto, de fcil manuteno. O vcuo freqentemente utilizado em instalaes de evaporadores. As razes para o seu uso so: Separar gases no condensveis;

Facilitar a evaporao do solvente diminuindo o ponto de ebulio da mistura (neste caso reduz-se a quantidade de vapor de aquecimento); E nos casos em que o soluto sofre decomposio a altas temperaturas consegue-se reduzir a temperatura de ebulio atravs do vcuo. A bomba de vcuo tem comparativamente um custo operacional inferior e maior custo de manuteno devido a corrosividade dos gases. Bombas totalmente fabricadas em ao inoxidvel reduzem ao mnimo estes custos, porm, o valor inicial da instalao elevado. Exemplo de processo que utiliza evaporadores Na indstria de alimentos e sucos, evaporao se refere operao que consiste em remover a gua existente nos alimentos in natura (todo alimento contm gua natural em sua composio). Para a evaporao, usa-se transferncia de calor para ferver o alimento, e obter um produto aquoso de concentrao mais elevada. Este processo utilizado para retirada da gua dos alimentos mais variados como: Fabricao 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 funo principal de fornecer calor para evaporar a gua do alimento (troca trmica), atravs da ebulio. Para que o alimento no perca a sua cor, aromas e ingredientes nutritivos, esta operao de fervura realizada sob vcuo no interior do evaporador isto , o alimento entra em ebulio a baixa temperatura. Alguns fatores so importantes na evaporao da gua do alimento e que, deve ser observado: Viscosidade do Produto Alimentcio Quanto mais concentrado o produto mais viscoso ele fica, at um ponto em que a troca trmica no mais possvel. Presso no Evaporador A temperatura do produto no interior do evaporador funo da presso interna ou seja, a temperatura do vapor igual a temperatura de saturao na mesma presso. Vcuo Interno Aumentando o vcuo interno no evaporador, aumenta a troca trmica no alimento e evita a degradao do mesmo como: perda de sabor, aromas, cor e nutrientes.

Evaporadores de um Efeito Neste tipo de evaporador tambm chamado de simples efeito, o vapor liberado da concentrao isto , no reaproveitado para um pr aquecimento do alimento. Veja o esquema:

f = entrada do alimento p = alimento concentrado v = gua evaporada s = vapor de aquecimento c = sada do condensado

M = quantidade de alimento T = temperatura P = presso absoluta W = concentrao final

O vapor saturado Ts entra no trocador de valor acima da entrada do alimento Tf. A troca trmica comea a ocorrer e o alimento entra em ebulio a uma temperatura Tp (temperatura de equilbrio com a temperatura do vapor), ou seja, a quantidade de calor transferida ao alimento, diretamente proporcional quantidade de vapor que condensa. Est quantidade pode ser calculada pela equao: Q = V x A (Ts - Tp ) = Ms ( Hs - Hc ) Q = quantidade total de vapor U = coeficiente global de transferncia de calor A = rea da superfcie de aquecimento Ts = temperatura do vapor Tp = temperatura do alimento Ms = quantidade de vapor Hs = entalpia do vapor de aquecimento Hc = entalpia do condensado liberado As equaes para o clculo do processo de evaporao, so as seguintes: Balano de Massa Mf + Ms = Mp + Mv + Mc (com Ms = Mc) Concentrao final do Alimento Mf x Wf = Mp x Wp Balano de Energia (Equao da Concentrao) Mf Hf + Ms Hs = Mp Hp + Mv Hv + Mc Hc Ms (Hs - Hc) = Mp Hp + Mv Hv - Mf Hf

Ms (Hs - Hc) = Mp Hp + Mv - Mf Hc = U x A (Ts - Tp) Temperatura do Vapor Tv = f x Pv A temperatura do vapor controlada pela presso mantida no evaporador. Temperatura do Produto O alimento no evaporador em ebulio, vai estar em equilbrio com a temperatura do valor de aquecimento, portanto: Tp = Tv x PE x m PE = ponto de ebulio do alimento (PE=0,51). m = 1000 x Wp / M (1 - Wp) M = peso molecular do alimento concentrado m = peso especfico do alimento O exemplo a seguir, ilustra os resultados obtidos pelas equaes Em um evaporador queremos concentrar suco de laranja, numa proporo de 10.000 kg/h (T=30C). A concentrao inicial do suco de 15% de slidos solveis e deve ser concentrado at 60% de slidos solveis. Calcular a temperatura de concentrao do produto, balano de massa, a gua evaporada no processo, balano energtico do evaporador, rea de aquecimento. So conhecidos os seguintes valores: Pv = 0,1994 bar (presso de vapor) Ts = 120C (temperatura do vapor saturado) U = 1000 W/m2 (coeficiente de transferncia de calor, fornecida pelo fabricante do equipamento) M = 342 kg (rea superfcie de troca trmica) Wp = 60% (concentrao final do suco) Ws = 15% (concentrao inicial do suco) Soluo Mf = 10.000 kg/h; Pv = 0,1994 bar; Tv = 60C (temperatura do vapor de aquecimento.

Calor especfico do produto PE = 0,71 x m = 0,51 x 4,39 = 2,24C Tp = Tv + PE = 60 + 2,24 = 62,24C (temperatura do produto). Clculo do Balano de Massa Ws x Mf = Wp x Mp 0,15 x Mf = 0,60 x Mp --> Mp = 0,15 x Mf / 0,60 Mp = 0,15 x 10.000 / 0,60 --> Mp = 2.500 kg/h, onde Mp a quantidade obtida de produto na concentrao de 60% de slidos solveis. gua Evaporada no Processo

Mf = Mp + Mv --> Mv = Mf - Mp Mv = 10.000 - 2.500 --> Mv = 7.500 kg/h Balano Energtico do Evaporador Ms (Hs - Hc) = Mp Hp + Mv Hv - Mf Hf Hv = entalpia da gua evaporada Hs = entalpia do vapor de aquecimento Hc = entalpia do condensado liberado Hp = entalpia do produto inicial Hw = entalpia do produto concentrado Hp = Hw(62,2C) (1 - 0,7 Wp) --> 260,7 (1 - 0,7 x 0,6) --> Hp = 151,2 kg/kg Hf = Hw(30C) (1 - 0,7 Wf) --> 125,76 (1 - 0,7 x 0,15) --> Hf = 112,6 kg/kg Hv = 2.609,6 kg/kg s = (Hs - Hc) = 2.202,6 kg/kg

rea de Transferncia de Aquecimento Q = V x A (Ts - Tp) --> A = Ms s / U (Ts - Tp) Ms = 8546 kg/h = (8546 / 3600) = 2,374 kg/seg s = 2.206,6 kj/h x 1000 = 2202600 j/seg

Eficincia do Processo de Evaporao A eficincia do processo calculada pela quantidade evaporada pelo consumo de vapor utilizado no processo todo, portanto: Ev = Mv / Ms = 7.500 / 8.546 = 0,877 kg gua evaporada / kg de vapor gasto. A eficincia diz que est se utilizando 1,0 kg de vapor para evaporar 0,877 kg de gua do produto. Isto significa que o processo esta antieconmico; esta havendo disperdcio de vapor que a caractersticas dos evaporadores de um nico efeito. Evaporadores de Mltiplos Efeito Os evaporadores de mltiplo efeito, conjugam em srie dois ou mais evaporadores de um efeito. A grande vantagem desta conjugao e a economia de vapor gasto por kg de gua evaporada do alimento. As ligaes nos evaporadores de mltiplo efeito, so feitas de modo que o vaor produzido em um efeito do evaporador, serve como meio de aquecimento para o seguinte efeito e assim sucessivamente at o ltimo efeito. Cada efeito age como um simples efeito. O calor liberado pelo vapor de aquecimento usado

(TP1) e a presso (PV1), usado para o aquecimento do alimento no segundo efeito (MV1), onde se tem uma temperatura (TP2) e presso (PV2) e assim sucessivamente at o ltimo efeito do sistema. O esquema a seguir, ilustra um evaporador conjugado de trs efeitos:

N a

prtica por questes comerciais e para no elevar os custos do investimento, os nmeros de efeito so todos semelhantes , e a rea de transferncia de calor so iguais. Se o coeficiente de transferncia de calor o mesmo para cada efeito, a quantidade de vapor utilizado ser sempre o mesmo, desde que a temperatura seja a mesma para cada efeito. Portanto teremos:

Exemplo de clculo de um evaporador triplo efeito. Supondo o exemplo utilizado no evaporador simples efeito,agora utilizando um evaporador com trs efeito. Deve-se concentrar um produto a 10.000 kg/h que esta com 15% de slidos solveis inicial, a uma temperatura de 30C at uma concentrao final de 60% de slidos solveis. A temperatura do vapor no primeiro efeito de 120C e, a presso do vapor no ltimo efeito PV = 0,1994 bar. O coeficiente de transferncia de calor para cada efeito U=1.000 W/m2 e, o peso especfico do produto M=342 kg/m. soluo Sendo MV1 a = mesma MV2 = quantidade MV3 de = vapor, MC1 = podemos MC2 = escrever: MV

Concentrado obtido no sistema: 0,15 Mf = 0,60 MP3 --> 0,15 x 10.000 = 0,60 MP3 --> MP3 = 2.500 kg/h Logo MV1 = MV2 = MV3 = MC1 = MC2 = 2.500 kg/h No MP1 WP1 No MP2 WP2 PV3 Peso = MP1 - MV2 = = WP1 ( MP1 / MP2 = 0,1994 Especfico 1 Efeito

= Mf - MV1 = 10.000 - 2.500 --> MP1 = 7.500 kg/h = Wf ( Mf / MP1 ) = 0,15 (10.000 / 7.500 ) --> WP1 = 0,20 2 7.500 - 2.500 --> MP2 = 5.000 ) = 0,20 (7.500 / 5.000) --> WP2 = x em TV3 cada = Efeito kg/h 0,30 60C estgio

Portanto TV1=TP1 TP3=TV3 T3=TV2 TP2=TV2 Resumindo Mf

-

TP3 +

PE1 = PE3 = --> TV2=TP3 PE2 = temos

101,1 60 + T3 81,1

0,37 + 2,24 = 62,2 + + 0,64 os

= = 18,9 = =

temos: 100,7C 62,2C 81,1C 81,7C resultados:

=

10.000

kg/h;

Tf

=

30C;

Wf

=

0,15

MP1 MP2 MP3 TV1 MV1 Balano

= = = = =

7.500 5.000 2.500 100,7C; MV2 de

kg/h; kg/h; kg/h; TV2 = MV3

TP1 TP2= TP3 = =

=

101,1C; 81,7C;

WP1 WP2 WP3 TV3 =

= = =

0,20 0,30 0,60 60,0C kg/h Efeito

=

62,24C; 81,1C;

MC1

= no

MC2

= 1

2.500

Energia

O balano de energia, deve sempre ser avaliado no efeito que recebe o vapor diretamente da caldeira. Calculando neste exemplo, temos: Mf Hf + MS HS = MP1 HP1 + MV1 HV1 + MC HC

HP1 = HWP1 (1 - 0,7 WP1 ) = 423,2 ( 1 - 0,7 x 0,2 ) = 364 Kj/kg Hf = HP2 ( 1 - 0,7 Wf ) = 125,76 ( 1 - 0,7 x 0,15 ) = 112,6 Kj/kg HV1 = 2677,5 Kj/kg --> ( HS HC ) = 2202,6 Kj/kg

Este valor da eficincia, representa para cada 1,0 kg de vapor so evaporados 1,99 kg de gua do alimento que est sendo concentrado, portanto uma boa eficincia. rea de Aquecimento Total

Portanto quando adicionamos dois ou mais efeito na evaorao, maior a economia de vapor. Deve-se fazer sempre um estudo do produto a ser processado para se determinar o total de efeitos timo para o processo pois, corre-se o risco de haver degradao do produto processado ou por elevada temperatura, ou por muita demora para a concluso de um ciclo de evaporao tornando o processo envivel e anti econmico.

Problemas Formao de espuma As perdas por espuma resultam geralmente da presena em evaporar lquido com colides ou de agentes de tenso superficial e slidos finamente divididos. Agentes antiespumantes so freqentemente eficazes. Outros meios de combater espuma inclui o uso de jatos de vapor que chocam-se com a superfcie da espuma, a remoo do produto na camada superfcial, onde a espuma parece concentrar, feita mantendo o nvel de liquido baixo de modo que as superfcies quentes possam quebrar a espuma. Choques a alta velocidade de encontro a um defletor tendem a quebrar a espuma. Operaes a baixas temperatura e altas concentraes de slidos dissolvidos podem tambm reduzir a tendncia a formao de espuma. Formao ar no condensado e no condensador Obs.: -falar sobre o que causa o problema e dar uma soluo

Separao de slidos formados Obs.: -falar sobre o que causa o problema e dar uma soluo Incrustao Obs.: -falar sobre o que causa o problema e dar uma soluo O que o diagrama de Dhring? Explique este diagrama. Qual o interesse de se fazer uma evaporao a vcuo? utilizado quando se deseja aumentar troca trmica dentro dos evaporadores e ao mesmo tempo evitar a degradao quando se esta trabalhando com alimentos evitando tambm a perda de sabor, aroma, cor e nutrientes.