UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA- UDESC

CENTRO DE EDUCAÇÃO SUPERIOR DO OESTE

ENGENHARIA DE ALIMENTOS

OPERAÇÕES UNITÁRIAS B

TERCEIRA AVALIAÇÃO (VALOR 40%)

PROFESSOR: JAIME H. PALACIO REVELLO

ACADÊMICA: GABRIELI NICOLETTI

1. 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. 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.

(a) Apresentar os diversos tipos de evaporadores usados na indústria de

suco.

Na indústria de alimentos e sucos, evaporação se refere à operação que consiste

em remover a água existente nos alimentos in natura. Esta operação atua em concentrar

os alimentos líquidos por ebulição, aumentando a concentração dos sólidos totais para

reduzir a Aw, contribuindo para a conservação.

Na 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 em diversos alimentos, como por exemplo, sucos de frutas concentrados (laranja,

abacaxi, uva, etc.).

Segue abaixo alguns tipos de evaporadores utilizados na indústria de suco:

- Evaporadores de um Efeito

Neste tipo de evaporador também chamado de simples efeito, o vapor liberado

da concentração isto é, não é reaproveitado para um pré-aquecimento do alimento. Veja

o esquema:

O vapor saturado Ts entra no trocador de valor acima da entrada do alimento

Tf. A troca térmica começa a ocorrer e o alimento entra em ebulição a uma temperatura

Tp (temperatura de equilíbrio com a temperatura do vapor), ou seja, a quantidade de

calor transferida ao alimento é diretamente proporcional à quantidade de vapor que

condensa.

- Evaporadores de Múltiplos Efeitos

Na indústria de suco, estes evaporadores são os mais utilizados. Os

evaporadores de múltiplo efeito conjugam em série dois ou mais evaporadores de um

efeito. A grande vantagem desta conjugação e a economia de vapor gasto por kg de

água evaporada do alimento. As ligações nos evaporadores de múltiplo efeito são feitas

de modo que o vapor produzido em um efeito do evaporador serve como meio de

aquecimento para o seguinte efeito e assim sucessivamente até o último efeito.

Cada efeito age como um simples efeito. O calor liberado pelo vapor de

aquecimento usado (TP1) e a pressão (PV1), é usado para o aquecimento do alimento

no segundo efeito (MV1), onde se tem uma temperatura (TP2) e pressão (PV2) e assim

sucessivamente até o último efeito do sistema. O esquema a seguir, ilustra um

evaporador conjugado de três efeitos:

(b) Analisar um exemplo prático.

O exemplo a seguir, ilustra os resultados para o evaporador de um efeito.

Em um evaporador queremos concentrar suco de laranja, numa proporção de

10.000 kg/h (T=30ºC). A concentração inicial do suco é de 15% de sólidos solúveis e

deve ser concentrado até 60% de sólidos solúveis. Calcular a temperatura de

concentração do produto, balanço de massa, a água evaporada no processo, balanço

energético do evaporador, área de aquecimento. São conhecidos os seguintes valores:

Pv = 0,1994 bar (pressão de vapor)

Ts = 120ºC (temperatura do vapor saturado)

U = 1000 W/m2 (coeficiente de transferência de calor, fornecida pelo fabricante do

equipamento)

M = 342 kg (área superfície de troca térmica)

Wp = 60% (concentração final do suco)

Ws = 15% (concentração inicial do suco)

Solução:

Mf = 10.000 kg/h; Pv = 0,1994 bar; Tv = 60ºC (temperatura do vapor de

aquecimento).

Calor específico do produto

PE = 0,71 x m = 0,51 x 4,39 = 2,24ºC

Tp = Tv + PE = 60 + 2,24 = 62,24ºC (temperatura do produto).

Cálculo do Balanço 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 é a quantidade obtida de

produto na concentração de 60% de sólidos solúveis.

Água Evaporada no Processo

Mf = Mp + Mv --> Mv = Mf - Mp

Mv = 10.000 - 2.500 --> Mv = 7.500 kg/h

Balanço Energético do Evaporador

Ms (Hs - Hc) = Mp Hp + Mv Hv - Mf Hf

Hv = entalpia da água evaporada

Hs = entalpia do vapor de aquecimento

Hc = entalpia do condensado liberado

Hp = entalpia do produto inicial

Hw = entalpia do produto concentrado

Hp = Hw(62,2ºC) (1 - 0,7 Wp) --> 260,7 (1 - 0,7 x 0,6) --> Hp = 151,2 kg/kg

Hf = Hw(30ºC) (1 - 0,7 Wf) --> 125,76 (1 - 0,7 x 0,15) --> Hf = 112,6 kg/kg

Hv = 2.609,6 kg/kg

ßs = (Hs - Hc) = 2.202,6 kg/kg

Área de Transferência de Aquecimento

Q = V x A (Ts - Tp) --> A = Ms ßs / U (Ts - Tp)

Ms = 8546 kg/h = (8546 / 3600) = 2,374 kg/seg

ßs = 2.206,6 kj/h x 1000 = 2202600 j/seg

Eficiência do Processo de Evaporação

A eficiência do processo é calculada pela quantidade evaporada pelo consumo

de vapor utilizado no processo todo, portanto:

Ev = Mv / Ms = 7.500 / 8.546 = 0,877 kg água evaporada / kg de vapor gasto.

A eficiência diz que está se utilizando 1,0 kg de vapor para evaporar 0,877 kg

de água do produto. Isto significa que o processo não esta econômico; esta havendo

desperdício de vapor que é uma das características dos evaporadores de um único efeito.

Segue abaixo um exemplo da produção de suco concentrado de laranja, onde

emprega a utilização de um evaporador de Múltiplos Efeitos.

O processo de obtenção do suco de laranja concentrado e congelado (SLCC),

mais conhecido pela sua sigla em inglês (FCOJ-frozen concentrated orange juice)

consiste de uma série de operações industriais de grande escala. Além do suco de

laranja, há vários subprodutos obtidos da laranja. As etapas de produção do suco de

laranja podem ser divididas em:

· recebimento e pré-seleção de frutos;

· armazenamento nos bins;

· lavagem de frutos;

· classificação de frutos;

· extração de suco;

· ajuste do teor de polpa ;

· pasteurização e concentração de suco;

· blendagem;

· resfriamento e armazenamento.

Pasteurização e Concentração do Suco de Laranja: O suco já ajustado no

teor de polpa, vai por tubulações para os evaporadores à vácuo de múltiplo efeito. O

vácuo é gerado por colunas barométricas com ciclo fechado de circulação da água

empregada. Antes do primeiro estágio dos evaporadores, há a pasteurização do suco

(inativação de microrganismos e da enzima pectinesterase) e começo do processo de

concentração. Os evaporadores de múltiplo efeito para concentração de suco são

chamados de TASTE (Thermally Accelerated Short Time Evaporator). Este é um

evaporador à vácuo de efeitos múltiplos de filme descendente usado nas indústrias

cítricas para concentrar o suco de laranja. O vácuo é gerado por colunas barométricas.

O suco com sólidos solúveis totais de 10 a 11 °Brix iniciais sai ao final com

teor de 65°Brix. No processo de evaporação, o suco perde sua fração volátil em que

estão as essências, porém há sistemas recuperadores de essências (alto valor).

Conforme JBT FoodTech, o evaporador TASTE, mod. Flórida, possui várias

vantagens, como: melhor qualidade do produto; baixíssimo custo de operação;

recuperador de aroma fixado no equipamento; equipamento livre de problemas

mecânicos; mínimo espaço de piso é necessário; operação e controle completamente

automáticos.

2. REFRIGERAÇÃO

A refrigeração é bem conhecida em função de sua utilização no

acondicionamento do ar em habitações e grandes edificações e no tratamento, transporte

e preservação de alimentos e bebidas, como por exemplo, em indústrias de fabricação

de gelo, frigoríficos (carnes, peixes, aves), cervejarias, laticínios e etc.

O ciclo de refrigeração visa transferir continuamente a energia térmica de uma

região de baixa temperatura para uma de maior temperatura, à custa de fornecimento de

trabalho.

(a) Analisar um fluxograma de uma empresa alimentícia que faça uso de

sistemas de refrigeração.

As figuras abaixo mostram um esquema básico de um sistema de refrigeração

por compressão de vapor com seus principais componentes, e o seu respectivo ciclo

teórico construído sobre um diagrama de Mollier, no plano P-h. Os equipamentos

esquematizados nas figuras representam, genericamente, qualquer dispositivo capaz de

realizar os respectivos processos específicos indicados.

Figura - Ciclo teórico de refrigeração por compressão de vapor.

Os processos termodinâmicos que constituem o ciclo teórico nos respectivos

equipamentos são:

• Processo 1--2. Ocorre no compressor, sendo um processo adiabático reversível. O

refrigerante entra no compressor à pressão do evaporador (Po). O refrigerante é então

comprimido até atingir a pressão de condensação (Pc). Ao sair do compressor, está

superaquecido à temperatura T2, que é maior que a temperatura de condensação TC.

• Processo 2--3. Ocorre no condensador, sendo um processo de rejeição de calor, do

refrigerante para o meio de resfriamento, à pressão constante. Neste processo o fluido

frigorífico é resfriado da temperatura T2 até a temperatura de condensação, TC. A

seguir, é condensado até se tornar líquido saturado na temperatura T3, que é igual à

temperatura TC.

• Processo 3--4. Ocorre no dispositivo de expansão, sendo uma expansão

irreversível à entalpia constante (processo isentálpico), desde a pressão de condensação

PC, e o líquido saturado até a pressão de vaporização (Po). O fluido é ‘’estrangulado’’.

• Processo 4--1. Ocorre no evaporador, sendo um processo de transferência de

calor à pressão constante (Po) e, conseqüentemente, à temperatura constante (To), desde

vapor úmido (estado 4) até atingir o estado de vapor saturado seco. Observa-se que o

calor transferido ao refrigerante no evaporador não modifica a temperatura do

refrigerante, mas somente muda sua qualidade (título).

O ciclo de compressão de vapor é o mais utilizado em equipamentos frigoríficos

para produção de frio: para conforto térmico ambiente e para resfriamento e

congelamento de produtos.

FRIGORÍFICO DE PRODUTOS POR COMPRESSÃO DE VAPOR POR EXPANSÃO DIRETA

O esquema acima representar um sistema frigorífico para produtos: os ovos

estão na câmara frigorífica, que é mantida à temperatura baixa pela troca de calor que

ocorre no evaporador. O evaporador é um trocador de calor (no caso, de tubos aletados)

que resfria o ar que circula na câmara, movimentado pela ação do ventilador. No

evaporador ocorre a evaporação do fluido refrigerante, idealmente um processo

isobárico (na realidade, com pequena variação de pressão). Ainda no interior da câmara,

próximo do evaporador, está o dispositivo de expansão (a válvula termostática). Este

então é um dispositivo frigorífico de expansão direta: a expansão ocorre no ambiente a

ser resfriado. No exterior da câmara estão o compressor e o condensador (e outros

dispositivos auxiliares, como o vaso acumulador e o filtro). Esse é exatamente o

esquema de uma geladeira comum, por compressão de vapor.

(b) Mostrar o cálculo do coeficiente de desempenho nesse processo.

Em um ciclo de refrigeração, o objetivo é a remoção de calor do ambiente a ser

refrigerado. Assim, seu COP – Coeficiente de Performance, isto é, Coeficiente de

desempenho, é definido como sendo a razão entre o calor retirado do ambiente a baixa

temperatura e o trabalho realizado:

Então, WCOP

QL

Idealmente, hhhhCOP

12

41

O Coeficiente de desempenho depende da temperatura de evaporação

(vaporização), da temperatura de condensação; propriedades (funções de estado) do

refrigerante na sucção do compressor e de todos os componentes do sistema:

compressor, condensador e etc.

Abaixo segue um exemplo de cálculo do coeficiente de desempenho de um ciclo

de refrigeração:

Um sistema de refrigeração por compressão de vapor opera com Freon-12. A vazão

mássica do sistema operando em condição de regime permanente é de 6 kg/min. O

Freon entra no compressor como vapor saturado a 1,5 bar, e sai a 7 bar. Assuma que o

compressor tem rendimento isoentrópico de 70%. O condensador é do tipo tubo aletado,

resfriado com o ar ambiente. Na saída do condensador o Freon está como líquido

saturado. A temperatura da câmara frigorífica é –10 0C e a temperatura ambiente é 22

0C. Considere que as trocas de calor no sistema ocorram somente no evaporador e no

condensador, e que evaporação e condensação ocorram sob pressão constante. Pede-se:

a) a representação dos processos termodinâmicos do ciclo nos diagramas P

x h e T x s;

b) O COP – Coeficiente de desempenho do ciclo.

Notar que h2s é facilmente obtido se a compressão é isoentrópica. E que h2 é calculado

sabendo-se a eficiência do processo de compressão. Assim,

h2 = h1 + (h2s – h1)/0,7 = 217,88 [kJ/kg]

a) a representação dos processos termodinâmicos:

b) o coeficiente de desempenho do ciclo, COP:

01,381,38

83,116

07,17988,217

24,6207,179

12

41

hhhhQ

COPm

m

W

f

C

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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

Hemus Editora Ltda, São Paulo, 1982.

CETESB. Citricos. Disponível em

<http://www.cetesb.sp.gov.br/tecnologia/producao_limpa/documentos/sucos_citricos.pd

f>. Acesso em 25 nov. 2010.

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

JBT FoodTech. Evaporador TASTE, Mod. Flórida. Disponível em <

http://www.jbtfoodtech.com/Solutions/Equipment/~/media/JBT%20FoodTech/Images/

Modules/TASTE%20Evaporator/PDF/408%20PO_LRRGB.ashx>. Acesso em 25 nov.

2010.

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

de Janeiro,1987.

O Ciclo de Refrigeração. Disponível em

<www.fem.unicamp.br/.../Ciclo_Refrigeracao_Refrigerantes.doc>. Acesso em 26 nov.

2010.

O que é Refrigeração. Disponível em <http://www.carel.com.br/refrigeracao_1.html>.

Acesso em 26 nov. 2010.

Refrigeração Industrial. Disponível em <

http://www.eletrodomesticosforum.com/cursos/refrigeracao_ar/Refrigeracao_industrial.

pdf>. Acesso em 26 nov. 2010.