10 Evaporação jose inacio soletti 1

(1)

Evaporação

(2)

Evaporação

Processo físico que consiste em separar (evaporar) uma parte

do líquido contido em uma solução ou suspensão.

Calor adicionado a solução 

evaporação do solvente

(Condensação de vapor d’água)

Ex:

(3)

Evaporador

Trocador de calor

projetado especialmente para fornecer ao

fluido o seu calor latente de vaporização

.

Partes essenciais:

- câmara de aquecimento

- câmara de evaporação

(4)

Evaporador

Alimentação

Vapor de água saturado

Condensado

Produto concentrado

Vapor direcionado ao condensador

T₁ P₁

Água líquida Vapor d’água



(calor latente)

(5)

Alguns 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...

(6)

Alguns fatores

importantes...

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...

(7)

Alguns fatores

importantes...

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

(8)

Alguns fatores

importantes...

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  T_eb

(9)

Alguns fatores

importantes...

Formação de espuma:

Em alguns casos, materiais como por exemplo, soluções de ácidos graxos, soda cáustica, etc. podem formar espuma durante a ebulição.

Usa-se dispositivos para evitar que a espuma seja

arrastada juntamente com o vapor

(10)

Tipos de Evaporadores

Principais características que diferem os diversos tipos de

evaporadores utilizados na indústria química:

• Configuração da superfície de troca de calor

• Modos de circulação do líquido

conseguir um funcionamento eficaz e um valor máximo para o

coeficiente de transmissão do calor

(11)

Evaporador de Tubos

Horizontais

Vantagens: baixo custo; fácil instalação. Indicação:

líquidos pouco viscosos, sem formação de espuma nem incrustações.

Líquidos com altos coeficientes de troca térmica.

Vapor circula no interior dos tubos; Circulação natural;

Baixa eficiência;

(12)

Evaporador de Tubos Verticais

Circulação natural/Tubos curtos

Vantagens:

Boa relação custo/eficiência.

Indicação:

líquidos pouco à semi-viscosos.

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  Remoção mecânica

(13)

Evaporador de Tubos Verticais

Vantagens:

Altos coeficientes de troca;

Indicação:

líquidos viscosos.

Circulação forçada do líquido;

Vapor circula pelo exterior dos tubos; Consumo elevado de energia.

(14)

Evaporador Tipo Cesta

Câmara de vapor  cesta suspensa Vapor circula pelo exterior dos tubos; Vapor produzido no interior dos tubos gera a circulação do líquido;

Vantagens:

Boa relação custo/eficiência.

Indicação:

(15)

Evaporador c/ aquecedor

externo

Vantagens:

Facilidade de limpeza e substituição dos tubos incrustados;

Altos coeficientes de troca.

Indicação:

líquidos viscosos.

Circulação forçada do líquido; Trocador de calor externo;

Vapor circula pelo exterior dos tubos; Consumo elevado de energia.

(16)

Métodos de Operação: Simples

Efeito

Alimentação (T_F, h_F, x_F)

Vapor de água saturado (T_S, H_S)

Condensado: (T_S, h_s) Produto concentrado

(T₁, h_L, x_L)

Vapor direcionado ao condensador (T₁, H_V)

T₁ P₁

T do vapor = T produto concentrado = T ebulição da solução = T₁ P₁ = pressão de vapor da solução à T₁

(17)

Balanços de Massa e

Energia

F (T_F, h_F, x_F) S (T_S, H_S) S (T_S, h_s) L (T₁, h_L, x_L) V (T₁, H_V) T₁ P₁

1 etapa:

Balanço de massa

F = L + V

Global,

Soluto,

(18)

Balanços de Massa e

Energia

2 etapa:

Balanço de energia

Global,

Fh

_F

+ S



= Lh

_L

+ VH

_V

Fh

_F

+ SH

_S

= Lh

_L

+ VH

_V

+ Sh

_S

q = S(H

_S

-h

_S

) = S

Calor transferido para a solução

(19)

Balanços de Massa e

Energia

3 etapa:

Equação da taxa de

transferência de calor

Q = UAT

T = (T_S – T₁) U = coeficiente global de transferência de calor A = área de troca

(20)

Determinação da Temp. de

Ebulição no Evaporador

T

_eb

T

_eb

solução aquosa ≠ T

_eb

água

Efeito do soluto

Concentração da solução 

Temperatura de ebulição

(21)

Uso das tabelas de vapor de

água

(22)

Uso das tabelas de vapor de

água

(23)

Determinação da Temp. de

Ebulição no Evaporador

T

_eb

T

_eb

solução aquosa - T

_eb

água = EPE

(24)

Determinação da Temp. de

Ebulição no Evaporador

(25)

Determinação da Temp. de

Ebulição no Evaporador

Exemplo 1:

A pressão na câmara de evaporação de um evaporador é de 25,6 kPa

e uma solução de 30 % de NaOH está sendo evaporada. Determine a

temperatura de ebulição desta solução e a elevação do ponto de

ebulição (EPE) na pressão da câmara.

Dado:

Temperatura de ebulição da água à 25,6 kPa = 65,6 ºC

(tabelas de vapor saturado)

(26)

Determinação da Temp. de

Ebulição no Evaporador

Resolução

:

~ 79,5 ºC

(27)

Determinação da Entalpia das

soluções

(28)

Determinação da Entalpia das

soluções

Exemplo 2:

Um evaporador é utilizado para concentrar uma solução aquosa de

NaOH a 20 % e temperatura de 65,6 ºC fornecendo uma solução

contendo 50 % de NaOH a 93,3 ºC. Calcule as entalpias das soluções.

h_F = 220 kJ/kg solução Solução a 20 %: X_F = 0,2  T = 65,6 ºC Solução a 50 %: X_F = 0,5  T = 93,3 ºC h_F = 515 kJ/kg solução

(29)

Obtenção de dados para

cálculo

Temperaturas:

T_S (tabelas de vapor saturado sendo dado P_S)

T₁ (tabelas de liquido saturado sendo dado P₁ e diagrama de Dühring) T_F (geralmente fornecido)

Resumo:

Entalpias:

 = (H_S – h_S) - (tabelas de vapor/líquido saturado) H_V (tabelas de vapor superaquecido)

h_F (diagrama entalpia-concentração) h_L (diagrama entalpia-concentração)

(30)

Exemplo de cálculo

Exemplo 3:

Um evaporador é usado para concentrar 4536 kg/h de uma solução

aquosa contendo 20% de NaOH entrando a 60 ºC (140 ºF) produzindo

um produto com 50% de sólido. A pressão da corrente de vapor

usado para aquecimento é de 172.4 kPa (25 psia) e a pressão de no

interior do evaporador é 11.7 kPa (1.7 psia). O coeficiente de

transferência de calor global médio é 1560 W/m

2

_{.K. 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 m

2

(31)

Exemplo de cálculo

Um evaporador é usado para concentrar 4536 kg/h de uma solução

aquosa contendo 20% de NaOH entrando a 60 ºC (140 ºF) produzindo

um produto com 50% de sólido. A pressão da corrente de vapor

usado para aquecimento é de 172.4 kPa (25 psia) e a pressão no

interior do evaporador é 11.7 kPa (1.7 psia). O coeficiente de

transferência de calor global médio é 1560 W/m

2

_{.K. Calcule:}

Dados:

F = 4536 kg/h

x

_F

= 0,2

T

_F

= 60 ºC

h

_F

= ?

S = ?

P

_S

= 172,4 kPa

T

_S

= ?

H

_S

= ?

h

_S

= ?

L = ?

x

_L

= 0,5

T

₁

= ?

h

_L

= ?

P

₁

= 11,7 kPa

V = ?

H

_V

= ?

U = 1560 W/m

2

_.K

(32)

F = 4536 kg/h (T_F= 60 ºC, h_F = ?, x_F = 0,2) S = ? (P_S = 172,4 kPa, T_S = ?, H_S = ?) _{S = ?} (P_S = 172,4 kPa, T_S = ?, h_S = ?) L = ? (T₁ = ?, h_L = ?, x_L = 0,5) V = ? (T₁ = ?, H_V = ?) T₁

Exemplo de cálculo

P₁ = 11,7 kPa

Balanço de massa para o soluto:

Fx

_F

= Lx

_L

4536 . 0,2 = L . 0,5

_L

(33)

F = 4536 kg/h (T_F= 60 ºC, h_F = ?, x_F = 0,2) S = ? (P_S = 172,4 kPa, T_S = ?, H_S = ?) _{S = ?} (P_S = 172,4 kPa, T_S = ?, h_S = ?) L = 1814 kg/h (T₁ = ?, h_L = ?, x_L = 0,5) V = ? (T₁ = ?, H_V = ?) T₁

Exemplo de cálculo

P₁ = 11,7 kPa

Balanço de massa global:

F = L + V

4536 = 1814 + V

(34)

F = 4536 kg/h (T_F= 60 ºC, h_F = ?, x_F = 0,2) S = ? (P_S = 172,4 kPa, T_S = ?, H_S = ?) _{S = ?} (P_S = 172,4 kPa, T_S = ?, h_S = ?) L = 1814 kg/h (T₁ = ?, h_L = ?, x_L = 0,5) V = 2722 kg/h (T₁ = ?, H_V = ?) T₁

Exemplo de cálculo

P₁ = 11,7 kPa

(35)

Exemplo de cálculo

Calculo de T

₁

:

Supomos que estamos evaporando água pura

das tabelas de vapor saturado temos que a água pura a 11,7 kPa

possui uma temperatura de ebulição de 48,9 ºC

(36)

Exemplo de cálculo

Calculo de T

₁

:

Diagrama de Dühring

para uma temperatura de ebulição da água de 48,9 ºC encontramos T

₁

= 89,5 para uma solução com 50 % NaOH

(37)

F = 4536 kg/h (T_F= 60 ºC, h_F = ?, x_F = 0,2) S = ? (P_S = 172,4 kPa, T_S = ?, H_S = ?) _{S = ?} (P_S = 172,4 kPa, T_S = ?, h_S = ?) L = 1814 kg/h (T₁ = 89,5 ºC, h_L = ?, x_L = 0,5) V = 2722 kg/h (T₁ = 89,5 ºC, H_V = ?) T₁

Exemplo de cálculo

P₁ = 11,7 kPa

(38)

Exemplo de cálculo

Calculo de h

_F

e h

_L

:

diagrama entalpia x concentração

Solução a 20 %: X_F = 0,2  T = 60 ºC h_F = 214 kJ/kg solução Solução a 50 %: X_L = 0,5  T = 89,5 ºC h_L = 505 kJ/kg solução

(39)

S = ? (P_S = 172,4 kPa, T_S = ?, H_S = ?) _{S = ?} (P_S = 172,4 kPa, T_S = ?, h_S = ?) L = 1814 kg/h (T₁ = 89,5 ºC, h_L = 505 kJ/kg, x_L = 0,5) V = 2722 kg/h (T₁ = 89,5 ºC, H_V = ?) T₁

Exemplo de cálculo

P₁ = 11,7 kPa F = 4536 kg/h (T_F= 60 ºC, h_F = 214 kJ/kg, x_F = 0,2)

(40)

Exemplo de cálculo

Calculo de H

_V

:

Tabelas de vapor superaquecido

das tabelas de vapor superaquecido temos que vapor d’água a 11,7

kPa e 89,5 ºC possui uma entalpia de 2667 kJ/kg

(41)

S = ? (P_S = 172,4 kPa, T_S = ?, H_S = ?) _{S = ?} (P_S = 172,4 kPa, T_S = ?, h_S = ?) L = 1814 kg/h (T₁ = 89,5 ºC, h_L = 505 kJ/kg, x_L = 0,5) V = 2722 kg/h (T₁ = 89,5 ºC, H_V = 2667 kJ/kg) T₁

Exemplo de cálculo

P₁ = 11,7 kPa F = 4536 kg/h (T_F= 60 ºC, h_F = 214 kJ/kg, x_F = 0,2)

(42)

Exemplo de cálculo

Calculo de T

_S

:

Tabelas de vapor saturado

das tabelas de vapor saturado temos que vapor d’água a 172,4 kPa

possui uma temperatura de saturação de 115,6 ºC

(43)

S = ? (P_S = 172,4 kPa, T_S = 115,6 ºC) _{S = ?} (P_S = 172,4 kPa, T_S = 115,6 ºC) L = 1814 kg/h (T₁ = 89,5 ºC, h_L = 505 kJ/kg, x_L = 0,5) V = 2722 kg/h (T₁ = 89,5 ºC, H_V = 2667 kJ/kg) T₁

Exemplo de cálculo

P₁ = 11,7 kPa F = 4536 kg/h (T_F= 60 ºC, h_F = 214 kJ/kg, x_F = 0,2)  = 2214 kJ/kg

(44)

Exemplo de cálculo

Determinação de S:

vazão de vapor necessária para realizar a

evaporação nas condições especificadas

Balanço global de energia:

Fh

_F

+ S = Lh

_L

+ VH

_V

4535 . 214 + S . 2214 = 1814 . 505 + 2722 . 2667

S = 3255 kg/h

(45)

S = 3255 kg/h (P_S = 172,4 kPa, T_S = 115,6 ºC) _{S = 3255 kg/h} (P_S = 172,4 kPa, T_S = 115,6 ºC) L = 1814 kg/h (T₁ = 89,5 ºC, h_L = 505 kJ/kg, x_L = 0,5) V = 2722 kg/h (T₁ = 89,5 ºC, H_V = 2667 kJ/kg) T₁

Exemplo de cálculo

P₁ = 11,7 kPa F = 4536 kg/h (T_F= 60 ºC, h_F = 214 kJ/kg, x_F = 0,2)  = 2214 kJ/kg

(46)

Exemplo de cálculo

a) O calor trocado para realizar a evaporação:

b) A economia de vapor em kg de vapor produzido/ kg vapor usado:

q = S  q = 3255 . 2214

q = 3255 . 2214 = 7206570 kJ

ou

q = 2002 kW

Economia de vapor = 2722/3255

Economia de vapor = 0,836

(47)

Exemplo de cálculo

c) A área da superfície de aquecimento em m

2

:

q = UA(T

_S

– T

₁