Evaporação: Fundamentos e Equipamentos em Operações Unitárias

Evaporação Universidade de Passo Fundo Disciplina de Operações Unitárias APV Evaporator HandBook Geankoplis 1998 Cap 8 Perry e Green 2008 Cap 11110 McCabe 1993 Cap 16 Prof Dr Jeferson Steffanello Piccin Operações Unitárias UPF Prof Dr Jeferson Steffanello Piccin Sumário jefersonpiccinupfbr Introdução Exemplos Equipamentos Classificação dos equipamentos e outras observações Propriedades importantes do sistema Balanço de massa Balanço de energia Análise de troca térmica elevação de ponto e ebulição e coeficientes globais típicos Sistemas de evaporação de múltiplos estágios Fundamentos de sistemas de evaporação de múltiplos estágios Recompressores de vapor Sistemas de vácuo Exemplos Introdução jefersonpiccinupfbr Métodos térmicos diferença do ponto de ebulição evaporar o mais volátil Evaporação Secagem Destilação Processo Fase leve topo Fase pesada fundo Secagem Destilação Evaporação Introdução jefersonpiccinupfbr Aquecimento indireto Volatização do solvente praticamente puro Produto concentrado Solução diluída Exemplos leite em pó jefersonpiccinupfbr Link Exemplos licor Kraft jefersonpiccinupfbr Link Equipamentos jefersonpiccinupfbr Circulação forçada Fonte Perry e Green 2008 C condensate F feed G vent P product S steam V vapor ENTT separated entrainment outlet Equipamentos jefersonpiccinupfbr Circulação natural de tubos curtos verticais Fonte Perry e Green 2008 C condensate F feed G vent P product S steam V vapor ENTT separated entrainment outlet Equipamentos jefersonpiccinupfbr Circulação natural de tubos longos verticais Fonte Perry e Green 2008 C condensate F feed G vent P product S steam V vapor ENTT separated entrainment outlet Equipamentos jefersonpiccinupfbr Tubos horizontais Fonte Perry e Green 2008 C condensate F feed G vent P product S steam V vapor ENTT separated entrainment outlet Classificação dos equipamentos jefersonpiccinupfbr Outras observações Disposição dos tubos do TC Circulação Evaporadores Equipamentos Circulação forçada Circulação natural Vertical Posição do TC Interna Externo Comprimento dos tubos Tubos longos Tubos curtos Horizontal Classificação dos equipamentos jefersonpiccinupfbr APV Evaporator HandBook Observações sobre os equipamentos jefersonpiccinupfbr Separador Observações sobre os equipamentos jefersonpiccinupfbr Detalhe do sistema de distribuição do líquido Link Observações sobre os equipamentos jefersonpiccinupfbr Propriedades importantes jefersonpiccinupfbr Concentração da alimentação soluções diluídas tem viscosidade diluída e facilita a troca térmica mas requer mais energia para concentrar Solubilidade ao passo que se concentra a solução alguns sais podem cristalizar A precipitação dentro do trocado de calor do evaporador é um problema sério equipamentos específicos Sensibilidade térmica alguns produtos em especial alimentos são termolábeis A operação com vácuo pode minimizar esse efeito Formação de espumas soluções cáusticas ou proteicas tendem a formar espumas que podem arrastar líquido junto com o vapor problema Propriedades importantes jefersonpiccinupfbr Formação de incrustações e materiais de construção alguns produtos depositam materiais sólidos sobre os trocadores de calor reduzindo a eficiência e levando a problemas sanitários Além disso na seleção de materiais para a construção devese considerar problemas com corrosão Ex NaOH Pressão e temperatura de ebulição soluções concentradas podem levar ao aumento da temperatura de ebulição de uma solução a determinada temperatura Elevação de EPE Fundamento balanço de massa jefersonpiccinupfbr F xF L xL V xV 𝐹 𝑉 𝐿 Balanço global 1 𝐹 𝑥𝐹 𝑉 𝑥𝑉 𝐿 𝑥𝐿 Balanço parcial ou componente 2 ausência de sólidos 𝐹 𝑥𝐹 𝐿 𝑥𝐿 3 F alimentação V evaporado L concentrado x fração mássica ou molar Fundamento balanço de energia jefersonpiccinupfbr F hF L hL V hV 𝐹 ℎ𝐹 𝑆 ℎ𝑆𝑖 𝑉 ℎ𝑉 𝐿 ℎ𝐿 𝑆 ℎ𝑆𝑜 Balanço de entalpias 4 h entalpia específica λ calor latente de evaporação S hSi S hSo 𝐹 ℎ𝐹 𝑆 𝜆 𝑉 ℎ𝑉 𝐿 ℎ𝐿 Reagrupando 5 Fundamento balanço de energia jefersonpiccinupfbr Fonte McCabe Smith Harinton 1993 λ calor latente de evaporação h entalpia específica Fundamento Análise de troca térmica jefersonpiccinupfbr F hF L hL V hV 𝑞 𝑆 𝜆 Do balanço de energia no vapor de aquecimento temos que o fluxo de calor q 6 h entalpia específica λ calor latente de evaporação S hSi S hSo 𝑞 𝑈 𝐴 𝑇𝑠 𝑇𝑒 Da análise de troca térmica 7 Observações sobre os equipamentos jefersonpiccinupfbr Fonte Geankoplis 1998 Elevação do ponto de ebulição EPE ou em inglês BPR jefersonpiccinupfbr 1 Carta de Dühring 2 Equações polinomiais y Temperatura de ebulição x fração mássica de sólidos a b c d coeficientes d cx bx ax y 2 3 Fonte McCabe Smith Harinton 1993 Elevação do ponto de ebulição EPE ou em inglês BPR jefersonpiccinupfbr Fonte Perry Green 1999 Sais orgânicos Eq Empírica EPE 1049x114 x fração molar do sal Fonte Perry Green 1999 Fundamento Exemplo jefersonpiccinupfbr Área do trocador de calor Uma solução de açúcar com 10 de sólidos solúveis deve ser concentrada até 30 de sólidos usando um evaporador a Se 250 kgh da solução diluída é alimentada no evaporador determine a quantidade de produto e de evaporado produzido b Supondo que a alimentação seja realizada a 25C e o evaporador opera a 386 kPa utilizando vapor de aquecimento a 120C realize o balanço de energia c Determine a temperatura de ebulição da solução e E se essa solução fosse de NaCl f Que seja usado um evaporador com coeficiente global de troca térmica de 25 kWm2C determine a área de troca térmica Sistemas de evaporação de múltiplos efeitos jefersonpiccinupfbr Link Sistemas de evaporação de múltiplos efeitos jefersonpiccinupfbr Multipleeffect evaporation is the principal means in use for economizing on energy consumption Most such evaporators operate on a continuous basis although for a few difficult materials a continuousbatch cycle may be employed In a multipleeffect evaporator steam from an outside source is condensed in the heating element of the first effect If the feed to the effect is at a temperature near the boiling point in the first effect 1 kg of steam will evaporate almost 1 kg of water The first effect operates at but is not controlled at a boiling temperature high enough so that the evaporated water can serve as the heating medium of the second effect Here almost another kilogram of water is evaporated and this may go to a condenser if the evaporator is a doubleeffect or may be used as the heating medium of the third effect This method may be repeated for any number of effects Large evaporators having six and seven effects are common in the pulp and paper industry and evaporators having as many as 17 effects have been built As a first approximation the steam economy of a multipleeffect evaporator will increase in proportion to the number of effects and usually will be somewhat less numerically than the number of effects Leitura complementar Perry e Green 2008 Sistemas de evaporação de múltiplos efeitos jefersonpiccinupfbr Perry e Green 2008 1 efeito economia 1 2 efeitos economia 2 3 efeitos economia 3 𝐸 σ 𝑉 𝑆 6 O primeiro efeito é aquecido com vapor de caldeira O segundo efeito é aquecido pelo evaporado do primeiro efeito e assim suscetivelmente Desta forma apenas o primeiro efeito consome vapor gerando economias Economia de vapor E relação entre a quantidade de evaporado produzido em uma planta pela quantidade de vapor consumido Sistemas de evaporação de múltiplos efeitos jefersonpiccinupfbr Configurações Alimentação para frenteadiante Alimentação Contráriainversa McCabe Smith Harinton 1993 Sistemas de evaporação de múltiplos efeitos jefersonpiccinupfbr Configurações Alimentação mista Alimentação paralela McCabe Smith Harinton 1993 Efeito de sistemas de múltiplos estágios sobre a EPEBPR jefersonpiccinupfbr McCabe Smith Harinton 1993 Conclusão N de efeito dif de temperatura Área de troca térmica 1 efeito 105C 2 efeitos 85C 3 efeitos 79C Efeito de sistemas de múltiplos estágios sobre a EPEBPR jefersonpiccinupfbr McCabe Smith Harinton 1993 Leitura complementar The influence of these losses in temperature drop on the capacity of a multipleeffect evaporator is shown in Fig 1611 The three diagrams in this figure represent the temperature drops in a singleeffect doubleeffect and tripleeffect evaporator The terminal conditions are the same in all three ie the steam pressure in the first effect and the saturation temperature of the vapor evolved from the last effect are identical in all three evaporators Each effect contains a liquid with a boilingpoint elevation The total height of each column represents the total temperature spread from the steam temperature to the saturation temperature of the vapor from the last effect Consider the singleeffect evaporator Of the total temperature drop of 181 degrees the shaded part represents the loss in temperature drop due to boiling point elevation The remaining temperature drop 105 degrees the actual driving force for heat transfer is represented by the unshaded part The diagram for the doubleeffect evaporator shows two shaded portions because there is a boiling point elevation in each of the two effects and the residual unshaded part totaling 85 degrees is smaller than in the diagram for the single effect In the tripleeffect evaporator there are three shaded portions since there is a loss of temperature drop in each of three effects and the total net available temperature drop 79 degrees is correspondingly smaller In extreme cases of a large number of effects or very high boilingpoint elevations the sum of the boilingpoint elevations in a proposed evaporator could be greater than the total temperature drop available Operation under such conditions is impossible The design or the operating conditions of the evaporator would have to be revised to reduce the number of effects or increase the total temperature drop The economy of a multipleeffect evaporator is not influenced by boiling point elevations if minor factors such as the temperature of the feed and changes in the heats of vaporization are neglected A kilogram of steam condensing in the first effect generates about a kilogram of vapor which condenses in the second effect generating another kilogram there and so on The economy of a multiple effect evaporator depends on heatbalance considerations and not on the rate of heat transfer The capacity on the other hand is reduced by the boilingpoint elevation The capacity of a doubleeffect evaporator concentrating a solution with a boilingpoint elevation is generally less than half the capacity of two single effects each operating with the same overall temperature drop The capacity of a triple effect is generally less than onethird that of three single effects with the same terminal temperatures Fundamentos dos sistemas de evaporação de múltiplos estágios jefersonpiccinupfbr Predição de gradientes de temperaturas Dimensionamento de sistemas de evaporação método Geankoplis Método simplificado método Toledo et al 2018 Acessórios de evaporadores jefersonpiccinupfbr Sistemas de recompressão de vapor Objetivo melhorar a qualidade do evaporado temperatura para uso como vapor de aquecimento no próprio evaporador parte ou em um evaporador seguintes Reduz área de troca térmica aumenta T Reduz efluentes gerados no processo Link Toledo Singh and Kong 2018 Acessórios de evaporadores jefersonpiccinupfbr Perry e Green 2008 Sistemas de vácuo Tubos de Venturi ejetores de vapor Link Acessórios de evaporadores jefersonpiccinupfbr Perry e Green 2008 Sistemas de vácuo Bombas rotativas Link Evaporação Universidade de Passo Fundo Disciplina de Operações Unitárias APV Evaporator HandBook Geankoplis 1998 Cap 8 Perry e Green 2008 Cap 11110 McCabe 1993 Cap 16 Prof Dr Jeferson Steffanello Piccin