Evaporadores: Definições e Parâmetros de Desempenho

ICT527 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II Profa Jaqueline Costa jaquelinemartinsunifalmgedubr 1 Definições Tipos de evaporadores Circulação natural Circulação forçada Modos de operação Simples efeito Múltiplos efeitos Parâmetros de desempenho Balanço de massa e energia 2 Tópicos INTRODUÇÃO Evaporadores Equipamentos utilizados para concentrar uma solução composta por um soluto não volátil e um solvente volátil Para a maioria dos processos envolvendo evaporadores Solvente água Soluto sólido com pressão de vapor muito baixa Produto solução concentrada As soluções podem ser compostas por dois líquidos apresentando um deles pressão de vapor muito baixa INTRODUÇÃO Fornecimento de calor latente Entrada de vapor Fluido quente Alimentação Fluido frio Ebulição Solução concentrada Condensado Vapor gerado Região de Separação Região de Aquecimento Evaporador INTRODUÇÃO FATORES IMPORTANTES Concentração da solução de alimentação Solução diluída baixa viscosidade altos coef de transferência Solução concentrada maior viscosidade baixos coef de transferência Inicialmente A medida em que a solução se evapora Circulação do líquido deve ser otimizada INTRODUÇÃO Solubilidade A solução é aquecida e a concentração do soluto aumenta com o tempo A solubilidade limite do soluto na solução pode ser excedida e cristais podem ser formados Inicialmente A medida em que a solução se evapora A solubilidade limita a máxima concentração da solução Fatores importantes INTRODUÇÃO Materiais sensíveis à temperatura Alguns materiais podem ser sensíveis e se degradar à altas temperaturas ou após prolongado aquecimento Uso de vácuo para reduzir a temperatura de ebulição Baixo tempo de residência no evaporador Fatores importantes INTRODUÇÃO Pressão e temperatura O ponto de ebulição da solução esta relacionado com a pressão do sistema Com aumento da concentração do soluto na solução a temperatura de ebulição pode aumentar Este fenômeno é chamado elevação do ponto de ebulição EPE P Teb x Teb Fatores importantes INTRODUÇÃO Formação de espuma Em alguns casos materiais como por exemplo soluções de ácidos graxos soda cáustica etc podem formar espuma durante a ebulição Usase dispositivos para evitar que a espuma seja arrastada juntamente com o vapor Fatores importantes INTRODUÇÃO Aplicações Indústria alimentícia concentração de sucos caldo de cana produção de açúcar leite produção de leite condensado e em pó etc Indústria de papel e celulose concentração de resíduos etc Indústria de processos inorgânicos produção de hidróxido de sódio nitrato de amônio cloreto de cálcio etc EVAPORADORES INDUSTRIAIS regime contínuo grande área de troca térmica ebulição violenta rápida saída de vapor formação de espuma incrustação e corrosão limitação de espaço físico baixa temperatura e baixo tempo de residência operação é possivel TIPOS DE EVAPORADORES Todos os evaporadores possuem superfície de aquecimento troca de calor espaço de separação em que o vapor gerado é separado da solução em ebulição Como o movimento do líquido sobre a superfície aquecedora tem grande influência sobre a velocidade de transferência de calor os evaporadores são classificados em três categorias COULSON RICHARDSON 1981 Evaporadores de circulação natural Evaporadores de circulação forçada Evaporadores de película EVAPORADORES DE CIRCULAÇÃO NATURAL Vantagens o Baixo custo o Fácil instalação Indicação o Líquidos pouco viscosos sem formação de espuma nem incrustações o Líquidos com altos coeficientes de troca térmica Vapor circula no interior dos tubos Circulação natural Baixa eficiência Incrustações no exterior dos tubos Evaporador de tubos horizontais EVAPORADORES DE CIRCULAÇÃO NATURAL Evaporador de tubos verticais curtos tipo Calandra Câmara de vapor anular Vapor circula pelo exterior dos tubos Vapor produzido no interior dos tubos gera a circulação do líquido Incrustações no interior dos tubos Vantagens o Boa relação custoeficiência Indicação o Líquidos pouco à semiviscosos Câmara de vapor cesta suspensa Vapor circula pelo exterior dos tubos Vapor produzido no interior dos tubos gera a circulação do líquido Vantagens o Boa relação custoeficiência Indicação o Líquidos pouco viscosos Evaporador do tipo Cesta EVAPORADORES DE CIRCULAÇÃO NATURAL EVAPORADORES DE CIRCULAÇÃO FORÇADA Evaporador de tubos verticais longos Circulação forçada do líquido Vapor circula pelo exterior dos tubos Consumo elevado de energia Vantagens o Altos coeficientes de troca térmica Indicação o Líquidos viscosos Evaporador com aquecedor externo EVAPORADORES DE CIRCULAÇÃO FORÇADA Circulação forçada do líquido Trocador de calor externo Vapor circula pelo exterior dos tubos Consumo elevado de energia Vantagens o Facilidade de limpeza e substituição dos tubos incrustados o Altos coeficientes de troca térmica Indicação o Líquidos viscosos Alimentação TF hF xF Vapor de água saturado TS HS Condensado TS hs Produto concentrado T1 hL xL Vapor direcionado ao condensador T1 HV T1 P1 MÉTODOS DE OPERAÇÃO T do vapor T produto concentrado T ebulição da solução T1 P1 pressão de vapor da solução à T1 Operação Simples Efeito OPERAÇÃO SIMPLES EFEITO F TF hF xF S TS HS S TS hs L T1 hL xL V T1 HV T1 P1 F L V Global Soluto F xF L xL Balanço de Massa e Energia 1ª Etapa Balanço de Massa OPERAÇÃO SIMPLES EFEITO F TF hF xF S TS HS S TS hs L T1 hL xL V T1 HV T1 P1 Balanço de Massa e Energia 2ª Etapa Balanço de Energia Global F hF S L hL V HV F hF S HS L hL V HV S hS q SHShS S Calor transferido para a solução calor latente OPERAÇÃO SIMPLES EFEITO F TF hF xF S TS HS S TS hs L T1 hL xL V T1 HV T1 P1 q U A T T TS T1 U coeficiente global de transferência de calor A área de troca 3ª Etapa Equação da taxa de transferência de calor Balanço de Massa e Energia OPERAÇÃO SIMPLES EFEITO Solução ideal Calor de solução desprezível F p referência F P F c T T T c h F F 1 L p referência L P L T c T T c h L L Calor específico da corrente de alimentação Calor específico da corrente de solução concentrada PL c PF c Solução diluída Solução concentrada Cálculo das entalpias nas correntes de alimentação e produto Solução nãoideal Calor de solução considerado hF hL Diagramas Entalpia Concentração OPERAÇÃO SIMPLES EFEITO Diagrama entalpiaconcentração OPERAÇÃO SIMPLES EFEITO Exemplo Determinação da entalpia de solução Um evaporador é utilizado para concentrar uma solução aquosa de NaOH a 20 e temperatura de 656 ºC fornecendo uma solução contendo 50 de NaOH a 933 ºC Calcule as entalpias das soluções hF 220 kJkg solução Solução a 20 XF 02 T 656 ºC Solução a 50 XF 05 T 933 ºC hF 515 kJkg solução Cálculo das entalpias nas correntes de vapor de aquecimento e do condensado OPERAÇÃO SIMPLES EFEITO O vapor de aquecimento utilizado nos evaporadores normalmente é vapor de água saturado As entalpias podem ser obtidas por meio de tabelas de vapor de água saturado Vapor dágua saturado Consulta Tabelas termodinâmicas Entalpia líquido saturado sh Calor latente Condensação S s s S h H Se o condensado sai como líquido resfriado condensado p s c T h Cp 10 kcal kg ºC água líquida Propriedades do vaporlíquido saturado Uso das Tabelas de Vapor de Água Uso das Tabelas de Vapor de Água Propriedades do vapor superaquecido DETERMINAÇÃO DA TEMP DE EBULIÇÃO NO EVAPORADOR F TF hF xF S TS HS S TS hs L T1 hL xL V T1 HV T1 P1 Teb Teb solução aquosa Teb água Efeito do soluto Maior concentração da solução Maior Temperatura de ebulição Difícil predição Ebulição Solvente Ebulição Solução T T EPE EPE elevação do ponto de ebulição Cálculo da entalpia na corrente de vapor produzido OPERAÇÃO SIMPLES EFEITO EPE 0 vapor produzido é saturado Para soluções aquosas conhecendo a pressão ou a temperatura do espaçovapor podese obter as entalpias por meio das tabelas de propriedades de vapor de água saturado EPE 0 vapor produzido é superaquecido Conhecendose a pressão ou a temperatura do espaçovapor podese obter as entalpias por meio das tabelas de vapor de água superaquecido Imprecisão Grandes intervalos de T P EPE c H T T c H H p V V sat sat L p V V sat V Como alternativa CpV 046 kcal kg ºC Temp ebulição da solução concentrada na pressão do evaporador OPERAÇÃO SIMPLES EFEITO Determinar a temperatura de ebulição da solução Diagrama de Dühring DESEMPENHO DE EVAPORADORES CAPACIDADE É definida como a quantidade de vapor produzida por hora no evaporador expressa normalmente em kgh Referese ao termo V do balanço de massa do evaporador L F L F x x F x F x F L F V 1 ECONOMIA E É definida como a quantidade de vapor produzida no evaporador e a quantidade de vapor de aquecimento alimentada ao evaporador S E V Temperaturas TS tabelas de vapor saturado sendo dado PS T1 tabelas de líquido saturado sendo dado P1 e diagrama de Dühring TF geralmente fornecido Resumo Entalpias HS hS tabelas de vaporlíquido saturado HV tabelas de vapor superaquecido hF diagrama entalpiaconcentração hL diagrama entalpiaconcentração Obtenção de dados para cálculo EVAPORADORES DE DUPLO EFEITO Um evaporador de duplo efeito consiste em dois evaporadores conectados em série em que o vapor produzido no primeiro efeito é utilizado como vapor de aquecimento no segundo efeito Alimentação Solução diluída Vapor de aquecimento Efeito I Efeito II Condensado Condensado Vapor produzido Vapor produzido Solução concentrada Solução concentrada Condensador ALIMENTAÇÃO FRONTAL MÉTODOS DE ALIMENTAÇÃO ALIMENTAÇÃO DE RETORNO Alimentação Solução diluída Vapor de aquecimento Vapor produzido Vapor produzido Efeito I Efeito II Condensador Solução concentrada Solução concentrada Condensado Condensado MÉTODOS DE ALIMENTAÇÃO Cont ALIMENTAÇÃO EM PARALELO Alimentação Solução diluída Vapor de aquecimento Efeito I Efeito II Condensado Condensado Vapor produzido Vapor produzido Condensador Alimentação Solução diluída Solução concentrada MÉTODOS DE ALIMENTAÇÃO Cont BALANÇO DE MASSA E ENERGIA Efeito I Efeito II F xF hF TF S HS TS S hS1 TC1 V1 HV1 TV1 L1 xL1 hL1 TL1 V2 HV2 TV2 V1 hV1 TC2 L2 xL2 hL2 TL2 Variáveis a serem determinadas Vazões mássicas S V1 V2 L1 L2 Corrente de vapor de aquecimento Corrente de vapor produzido 1º Efeito Corrente de vapor produzido 2º Efeito Corrente de solução menos concentrada 1º Efeito Corrente de solução mais concentrada 2º Efeito 5 variáveis S V1 V2 L1 L2 5 equações Solução única 1ª Equação Balanço de massa para o soluto no processo Efeito I Efeito II 2ª Equação Balanço de massa global para Efeito I 3ª Equação Balanço de massa global para Efeito II 4ª Equação Balanço de energia para Efeito I 5ª Equação Balanço de energia para Efeito II BALANÇO DE MASSA E ENERGIA Efeito I Efeito II F xF V1 L1 xL1 V2 L2 xL2 Balanço de Massa Estado Estacionário BM parcial soluto x 2 L2 Fx L F BM global Efeito I 1 1 L V F BM global Efeito II 2 2 1 L V L BALANÇO DE MASSA E ENERGIA Balanço de Energia Estado Estacionário Efeito I Efeito II F hF V1 HV1 L1 hL1 L2 hL2 V2 HV2 S HS S hS1 V1 hV1 BE global Efeito I perdas L S V S F Q L h Sh V H SH Fh 1 1 1 1 1 perdas L V V V L Q L h V H V h V H L h 2 2 1 1 1 2 2 1 1 1 BE global Efeito II BALANÇO DE MASSA E ENERGIA Portanto temse o seguinte sistema de equações x 2L2 Fx L F 1 1 L V F 2 2 1 L V L perdas L S V S F Q L h Sh V H SH Fh 1 1 1 1 1 perdas L V V V L Q L h V H V h V H L h 2 2 1 1 1 2 2 1 1 1 Variáveis conhecidas condições de entrada F xF condições de saída xL2 Entalpias Podem ser conhecidas ou calculadas BALANÇO DE MASSA E ENERGIA EXEMPLO Um evaporador é usado para concentrar 4536 kgh de uma solução aquosa contendo 20 de NaOH entrando a 378 ºC produzindo um produto com 50 de sólido A pressão da corrente de vapor usado para aquecimento é de 1724 kPa 25 psia e a pressão no interior do evaporador é 117 kPa 17 psia O coeficiente de transferência de calor global médio é 1560 Wm2K Calcule a O calor trocado para realizar a evaporação b A economia de vapor em kg de vapor produzido kg vapor usado c A área da superfície de aquecimento em m2 F 4536 kgh TF 378 ºC hF xF 02 S PS 1724 kPa TS HS S PS 1724 kPa TS hS L T1 hL xL 05 V T1 HV T1 P1 117 kPa Balanço de massa para o soluto FxF LxL 4536 02 L 05L L 1814 kgh Solução F 4536 kgh TF 378 ºC hF xF 02 S PS 1724 kPa TS HS S PS 1724 kPa TS hS L 1814 kgh T1 hL xL 05 V T1 HV T1 P1 117 kPa Balanço de massa global F L V 4536 1814 V V 2722 kgh Solução F 4536 kgh TF 378 ºC hF xF 02 S PS 1724 kPa TS HS S PS 1724 kPa TS hS L 1814 kgh T1 hL xL 05 V 2722 kgh T1 HV T1 P1 117 kPa Solução Calculo de T1 Supomos que estamos evaporando água pura das tabelas de vapor saturado temos que a água pura a 117 kPa possui uma temperatura de ebulição de 489 ºC Solução Calculo de T1 Diagrama de Dühring para uma temperatura de ebulição da água de 489 ºC encontramos T1 55 ºC para uma solução com 20 NaOH EPE 61 ºC Solução para uma temperatura de ebulição da água de 489 ºC encontramos T1 90 ºC para uma solução com 50 NaOH EPE 411 ºC F 4536 kgh TF 378 ºC hF xF 02 S PS 1724 kPa TS HS S PS 1724 kPa TS hS L 1814 kgh T1 55 ºC hL xL 05 V 2722 kgh T1 55 ºC HV T1 P1 117 kPa Solução Calculo de hF e hL diagrama entalpia x concentração Solução a 20 XF 02 T 378 ºC hF 130 kJkg solução Solução a 50 XL 05 T 55 ºC hL 41187 kJkg solução Solução S PS 1724 kPa TS HS S PS 1724 kPa TS hS L 1814 kgh T1 55 ºC hL 41187 kJkg xL 05 V 2722 kgh T1 55 ºC HV T1 P1 117 kPa F 4536 kgh TF 378 ºC hF 130 kJkg xF 02 Solução Calculo de HV Tabelas de vapor superaquecido das tabelas de vapor superaquecido temos que vapor dágua a 117 kPa e 55ºC possui uma entalpia de 260209 kJkg o Aproximase a pressão para 10 kPa o Interpola os valor da entalpia entre 50 ºC e 100 ºC Solução S PS 1724 kPa TS HS S PS 1724 kPa TS hS L 1814 kgh T1 55 ºC hL 41187 kJkg xL 05 V 2722 kgh T1 55 ºC HV 260209 kJkg T1 P1 117 kPa F 4536 kgh TF 378 ºC hF 130 kJkg xF 02 Solução Calculo de TS Tabelas de vapor saturado das tabelas de vapor saturado temos que vapor dágua a 1724 kPa possui uma temperatura de saturação de 1156 ºC HS hS 2214 kJkg Solução S PS 1724 kPa TS 1156 ºC S PS 1724 kPa TS 1156 ºC L 1814 kgh T1 55 ºC hL 41187 kJkg xL 05 V 2722 kgh T1 55 ºC HV 260209 kJkg T1 P1 117 kPa F 4536 kgh TF 378 ºC hF 130 kJkg xF 02 2214 kJkg Solução Determinação de S vazão de vapor necessária para realizar a evaporação nas condições especificadas Balanço global de energia FhF S LhL VHV 4535 130 S 2214 1814 41187 2722 260209 S 327125 kgh Solução S 343238 kgh PS 1724 kPa TS 1156 ºC S 343238 kgh PS 1724 kPa TS 1156 ºC L 1814 kgh T1 55ºC hL 41187 kJkg xL 05 V 2722 kgh T1 55 ºC HV 260209 kJkg T1 P1 117 kPa F 4536 kgh TF 378 ºC hF 130 kJkg xF 02 2214 kJkg Solução a O calor trocado para realizar a evaporação b A economia de vapor em kg de vapor produzido kg vapor usado q S q 327125 2214 q 72425475 kJh ou q 201181 kW Economia de vapor 2722327125 Economia de vapor 083 Solução c A área da superfície de aquecimento em m2 q UATS T1 201181 1000 1560 A 1156 55 A 2128 m2 Solução Calculo de T1 Diagrama de Dühring para uma temperatura de ebulição da água de 489 ºC encontramos T1 55 ºC para uma solução com 20 NaOH EPE 61 ºC Solução para uma temperatura de ebulição da água de 489 ºC encontramos T1 90 ºC para uma solução com 50 NaOH EPE 411 ºC Utilizando solução mais concentrada F 4536 kgh TF 378 ºC hF xF 02 S PS 1724 kPa TS HS S PS 1724 kPa TS hS L 1814 kgh T1 90 ºC hL xL 05 V 2722 kgh T1 90 ºC HV T1 P1 117 kPa Solução Utilizando solução mais concentrada S PS 1724 kPa TS HS S PS 1724 kPa TS hS L 1814 kgh T1 90 ºC hL 510 kJkg xL 05 V 2722 kgh T1 90 ºC HV T1 P1 117 kPa F 4536 kgh TF 378 ºC hF 130 kJkg xF 02 Solução Calculo de HV Tabelas de vapor superaquecido das tabelas de vapor superaquecido temos que vapor dágua a 117 kPa e 90ºC possui uma entalpia de 266852 kJkg o Aproximase a pressão para 10 kPa o Interpola os valor da entalpia entre 50 ºC e 100 ºC Solução Determinação de S vazão de vapor necessária para realizar a evaporação nas condições especificadas Balanço global de energia FhF S LhL VHV 4535 130 S 2214 1814 510 2722 266852 S 343238 kgh Solução S 343238 kgh PS 1724 kPa TS 1156 ºC S 343238 kgh PS 1724 kPa TS 1156 ºC L 1814 kgh T1 90ºC hL 510 kJkg xL 05 V 2722 kgh T1 90 ºC HV 266852 kJkg T1 P1 117 kPa F 4536 kgh TF 378 ºC hF 130 kJkg xF 02 2214 kJkg Solução a O calor trocado para realizar a evaporação b A economia de vapor em kg de vapor produzido kg vapor usado q S q 343238 2214 q 759928932 kJh ou q 211091 kW Economia de vapor 2722343238 Economia de vapor 079 Solução c A área da superfície de aquecimento em m2 q UATS T1 211091 1000 1560 A 1156 90 A 5286 m2 Solução q 211091 kW Resultados utilizando diferentes condições Concentração da alimentação solução diluída Concentração da saída solução concentrada T1 90oC S 343238 kgh E 079 A 5286 m2 q 201181 kW T1 55oC S 327125 kgh E 083 A 2128 m2 Condição padrão para cálculos EVAPORADORES DE MÚLTIPLOS EFEITOS Em um evaporador de três efeitos é possível escrever sete equações entre balanços de massa energia e equação de troca de calor para cada efeito Se as áreas de troca de calor forem iguais sete incógnitas Solução Processo iterativo Solução direta com equações que relacionem entalpia e temperatura EXERCÍCIO 1 01 Considerar o evaporador esquematizado na figura a seguir A pressão absoluta no interior do evaporador é mantida a 13104 Pa pressão de operação Pop correspondendo à temperatura de saturação de água de 51oC Utilizando os dados correntes apresentados na tabela que se segue determinar a vazão e a temperatura do evaporado e do concentrado desprezando a elevação do ponto de ebulição da solução EXERCÍCIO 2 Um evaporador é alimentado com uma solução aquosa contendo 5 em massa de sólidos A vazão de alimentação da solução é de 20000 kgh e sua temperatura é de 40ºC O produto concentrado deixa o evaporador com concentração de 45 em massa e temperatura de 65oC A temperatura de saturação do vapor produzido no evaporador é de 50oC O vapor saturado a 120oC condensa e sai do evaporador nesta mesma temperatura Assumindo os calores específicos de todas as soluções iguais a 1kcalkgoC e U3100 kcalhm2oC calcular a área de troca térmica e a economia do evaporador