EVAPORADORES

EVAPORAÇÃO – concentração de uma solução pela vaporização de um solvente na ebulição.

Solução concentrada Solvente

CRISTALIZAÇÃO – evaporação de uma solução até sua super saturação ou resfriamento – obtenção de cristais.

VAPORIZAÇÃO – solvente a ser evaporado água.

Essa operação é muito utilizada na indústria para concentração de soluções inorgânicas, de alimentos, de medicamentos.

Fundamentos: • A evaporação necessita de um meio de aquecimento que

transmita o calor requerido para a mudança de estado.

• Nesse processo existe transferência de calor e massa.

• O aumento da concentração do soluto, durante a evaporação, modifica as propriedades da solução (densidade, viscosidade e temperatura de ebulição), consequentemente a taxa de transferência de calor é afetada.

• Na indústria, normalmente utiliza-se como fluido calefator vapor d’água saturado (vapor primário), que condensa cedendo ser calor latente ao produto que se evapora.

Fatores que influenciam a evaporação (ponto de ebulição e a transferência de energia): • Depósito de resíduos nas superfícies do trocador de calor e

formação de crostas: favorecido por elevadas temperaturas e baixa velocidade de fluxo do líquido.

• Película superficial: cria-se em torno da superfície de aquecimento do evaporador, constituindo a maior resistência à transmissão de calor.

• Viscosidade do soluto: os coeficientes de transferência de calor e a velocidade de circulação dos líquidos no evaporador diminuem com o aumento da viscosidade. À medida que avança a evaporação, diminui a velocidade de transferência de calor.

Fatores que influenciam a evaporação (ponto de ebulição e a transferência de energia): • Formação de espuma estável: A espuma, além de diminuir a

transferência de calor, dificulta a separação de vapor e favorece que o arraste de parte do concentrado em forma de gotículas.

• Pressão externa: um líquido ferve quando a pressão de vapor que exerce é igual a pressão externa a que está submetido.

• Concentração de solutos dissolvidos: no evaporador, o ponto de ebulição do líquido tratado (solução) aumenta à medida que cresce a concentração.

Fatores que influenciam a evaporação (ponto de ebulição e a transferência de energia): Pressão hidrostática: a temperatura de ebulição do líquido tratado em um evaporador varia conforme a profundidade. Em qualquer nível abaixo da superfície livre, é necessário, para iniciar a ebulição, que se ultrapasse a pressão do meio e a correspondente à que é exercida pela coluna do líquido situada acima do nível considerado (pressão ou cabeça hidrostática).

EVAPORADORES

Elementos básicos:

TROCADOR DE CALOR - permite a transmissão de calor entre o fluido calefator (ou de aquecimento) e a solução a ser evaporada. Podem ser tubulares, de placas, cônico. SEPARADOR – local onde o vapor é separado da fase líquida concentrada. Podem ser simplesmente espaços que possibilitem ao vapor secundário se separar do líquido concentrado. Algumas instalações apresentam os chamados separadores de arraste (chicanas). CONDENSADOR - permite eliminar o vapor em forma de condensado. Nos sistemas que operam com pressão atmosférica, esse elemento pode ser omitido.

Elementos básicos:

Bomba de vácuo ou ejetores de vapor: para sistemas que operam com pressão reduzida. Esse equipamento é responsável pela eliminação de gases não-condensáveis do sistema. Coletores de condensado e purgadores: são essenciais para que a transferência de energia seja adequada nos trocadores de calor. São dispositivos que permitem controlar a saída dos condensados do vapor primário e dos gases inertes.

EVAPORADORES

Elementos auxiliares:

Elementos auxiliares:

• A eliminação da água por evaporação requer aporte considerável de energia (2,257 kJ por kg de água evaporada a 100 oC), que geralmente é proporcionado com vapor d’água.

• Os métodos para a conservação da energia nos sistemas de evaporação baseiam-se justamente no aproveitamento de calor contido no vapor extraído do alimento.

EVAPORADORES

Sistemas de economia de energia:

Sistemas de economia de energia:

EFEITOS (EVAPORADORES) MÚLTIPLOS: consiste em conectar diversos evaporadores (efeitos) entre si, de forma que o vapor secundário produzido em um deles seja utilizado como vapor primário (ou fluido calefator) em outro, e assim sucessivamente.

Métodos de alimentação: a) Concorrente

b) Contracorrente c) Paralelo d) Mista

a) Alimentação para frente ou concorrente: é o procedimento mais simples, barato e fácil de manejar, já que não necessita de bombas de alimentação entre os diferente efeitos. O avanço do líquido e o aproveitamento do vapor produzido realizam-se no mesmo sentido. O vapor secundário tem energia apenas para permitir que o líquido ferva a uma temperatura inferior à do efeito do qual procede, e a concentração do líquido aumenta ao avançar pelos efeitos, é necessário que o sistema funcione a pressões progressivamente mais baixas.

b) Alimentação para trás ou contracorrente: o avanço do líquido tratado e o aproveitamento do vapor liberado realizam-se em sentido contrário. Aquece-se o alimento mais diluído com vapor procedente de um efeito no qual se tratou produto mais concentrado, e assim sucessivamente.

Sistemas de economia de energia: EFEITOS MÚLTIPLOS

Sistemas de economia de energia: EFEITOS MÚLTIPLOS

c) Alimentação em paralelo: é indicado para a cristalização de alguns produtos, pois dispensa o uso de bombas para ser transversado. O produto é levado a termo em cada efeito, embora o vapor liberado passe de um efeito a outro. d) Alimentação mista: é utilizado nas instalações com grande número de efeitos. Trata-se de uma combinação da alimentação para frente (nas primeiras etapas da evaporação) e de contracorrente (nas últimas fases da concentração).

Sistemas de economia de energia:

RECOMPRESSÃO MECÂNICA DO VAPOR: é outra forma de aproveitamento do vapor secundário. Trata-se de aumentar a pressão e, conseqüentemente, a temperatura de condensação do vapor secundário procedente de um evaporador para prosseguir a evaporação do produto. A recompressão pode ser feita utilizando bomba mecânica ou recorrendo ao compressor de jato de vapor. PREAQUECIMENTO: uma forma simples de conservação energética na evaporação consiste em utilizar o vapor secundário do evaporador para pré-aquecer o alimento antes de iniciar seu processamento. Esse procedimento permite incrementar entre 5 e 10% a capacidade do evaporador seguinte.

TIPOS DE EVAPORADORES

CIRCULAÇÃO NATURAL CIRCULAÇÃO FORÇADA BOMBA CALORÍFICA

1. Evaporadores abertos e fechados. 2. Evaporadores de tubos curtos ou de tubo e carcaça: de tubos curtos horizontais e de tubos curtos verticais. 3. Evaporadores de tubos longos: de película ascendente, de película descendente e de película ascendente/descendente. 4. Evaporadores de calandra externa

1. Evaporadores de placas. 2. Evaporadores de fluxo expandido. 3. Evaporadores de película mecânica ou rotatórios

Evaporadores de Circulação Natural - O movimento do líquido tratado deve-se às correntes de convecção e à força de ascensão das borbulhas de vapor, que o arrastam ao longo do trocador de calor. A separação do vapor do líquido é favorecida pelo movimento do produto, ocorrendo na zona superior do evaporador.

TIPOS DE EVAPORADORES

• Recipiente de forma esférica que se aquece com gás, com resistência elétrica ou com vapor d’água que circula por uma serpentina ou por uma camisa externa.

• Em alguns casos (evaporadores fechados), possuem uma tampa que lhes permite funcionar a vácuo.

1. Evaporadores abertos e fechados

• Constam de recipiente ou carcaça com trocador de tubos em sua parte inferior.

• Os evaporadores de tubos curtos verticais costumam ser utilizados para a concentração de xaropes (solução de açúcar de cana, de beterraba, glicose), extrato de malte, sal e suco de frutas.

2. Evaporadores de tubos curtos ou de tubo e carcaça

• São formados por uma câmera vertical provida de trocadores de calor de tubos verticais com 2,5 a 5,0 cm de diâmetro e 3 a 15 m de altura. Esse tipo de evaporador pode ser de película ascendente ou descendente, dependendo da disposição da entrada de líquido no trocador de calor.

• Caracterizam-se geralmente por tempo curto de permanência na zona de aquecimento, por altos coeficientes de transferência de calor e por grande eficácia energética.

• Indicados para o tratamento de produtos sensíveis ao calor, como na elaboração de sucos cítricos, de produtos lácteos, de extratos de leveduras e na fabricação do amido.

3. Evaporadores de tubos longos

Evaporadores de Circulação Forçada - Possuem bombas centrífugas (para líquidos menos viscosos), bombas de deslocamento positivo (para líquidos de maior viscosidade) ou diversos dispositivos (como uma hélice impulsora nos evaporadores de cristalização) que distribuem o líquido no interior do trocador de calor e aumentam a velocidade de fluxo ao longo das superfícies de aquecimento.