evaporação simples efeito

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Evaporação Evaporação

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Page 1: Evaporação simples efeito

EvaporaçãoEvaporação

Page 2: Evaporação simples efeito

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:

Concentração de soluções aquosas (açúcar, leite, sucos,...)

Page 3: Evaporação simples efeito

Evaporador

Trocador de calor projetado especialmente para fornecer ao fluido o seu calor latente de vaporização.

Partes essenciais:

- câmara de aquecimento

- câmara de evaporação

Page 4: Evaporação simples efeito

Evaporador

Alimentação

Vapor de água saturado

Condensado

Produto concentrado

Vapor direcionado ao condensador

T1

P1

Água líquida Vapor d’água

(calor latente)

(calor latente)

Page 5: Evaporação simples efeito

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...

Circulação do líquido deve ser otimizada

Page 6: Evaporação simples efeito

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...

A solubilidade limita a máxima concentração da solução

Page 7: Evaporação simples efeito

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

Page 8: Evaporação simples efeito

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 Teb

x Teb

Page 9: Evaporação simples efeito

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

Page 10: Evaporação simples efeito

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

Page 11: Evaporação simples efeito

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;

Incrustações no exterior dos tubos.

Page 12: Evaporação simples efeito

Evaporador de Tubos VerticaisCirculação 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

Page 13: Evaporação simples efeito

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.

Circulação forçada/Tubos longos

Page 14: Evaporação simples efeito

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:

líquidos pouco viscosos.

Page 15: Evaporação simples efeito

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.

Circulação forçada

Page 16: Evaporação simples efeito

Métodos de Operação: Simples Efeito

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

T do vapor = T produto concentrado = T ebulição da solução = T1

P1 = pressão de vapor da solução à T1

Page 17: Evaporação simples efeito

Balanços de Massa e Energia

F (TF, hF, xF)

S (TS, HS)

S (TS, hs)

L (T1, hL, xL)

V (T1, HV)

T1

P1

1 etapa: Balanço de massa

F = L + V

Global,

Soluto,

FxF = LxL

Page 18: Evaporação simples efeito

Balanços de Massa e Energia

F (TF, hF, xF)

S (TS, HS)

S (TS, hs)

L (T1, hL, xL)

V (T1, HV)

T1

P1

2 etapa: Balanço de energia

Global,

FhF + S = LhL + VHV

FhF + SHS = LhL + VHV + ShS

q = S(HS-hS) = S

Calor transferido para a solução

= calor latente

Page 19: Evaporação simples efeito

Balanços de Massa e Energia

F (TF, hF, xF)

S (TS, HS)

S (TS, hs)

L (T1, hL, xL)

V (T1, HV)

T1

P1

3 etapa: Equação da taxa de transferência de calor

q = UAT

T = (TS – T1)

U = coeficiente global de transferência de calor

A = área de troca

Page 20: Evaporação simples efeito

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

Concentração da solução Temperatura de ebulição

Difícil predição

Page 21: Evaporação simples efeito

Uso das tabelas de vapor de águaPropriedades do vapor/líquido saturado

Page 22: Evaporação simples efeito

Uso das tabelas de vapor de águaPropriedades do vapor superaquecido

Page 23: Evaporação simples efeito

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 = EPE

EPE – elevação do ponto de ebulição

Page 24: Evaporação simples efeito

Determinação da Temp. de Ebulição no Evaporador

Diagrama de Dühring

Page 25: Evaporação simples efeito

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)

Page 26: Evaporação simples efeito

Determinação da Temp. de Ebulição no Evaporador

Resolução:

~ 79,5 ºC

EPE ~ 13,9 ºC

Page 27: Evaporação simples efeito

Determinação da Entalpia das soluções

Diagrama entalpia-concentração

Page 28: Evaporação simples efeito

Determinação da Entalpia das soluçõesExemplo 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.

hF = 220 kJ/kg solução

Solução a 20 %:

XF = 0,2 T = 65,6 ºC

Solução a 50 %:

XF = 0,5 T = 93,3 ºC

hF = 515 kJ/kg solução

Page 29: Evaporação simples efeito

Obtenção de dados para cálculo

Temperaturas:

TS (tabelas de vapor saturado sendo dado PS)

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

TF (geralmente fornecido)

Resumo:

Entalpias:

= (HS – hS) - (tabelas de vapor/líquido saturado)

HV (tabelas de vapor superaquecido)

hF (diagrama entalpia-concentração)

hL (diagrama entalpia-concentração)

Page 30: Evaporação simples efeito

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/m2.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 m2

Page 31: Evaporação simples efeito

Exemplo de cálculoUm 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/m2.K. Calcule:

Dados:

F = 4536 kg/h

xF = 0,2

TF = 60 ºC

hF = ?

S = ?

PS = 172,4 kPa

TS = ?

HS = ?

hS = ?

L = ?

xL = 0,5

T1 = ?

hL = ?

P1 = 11,7 kPa

V = ?

HV = ?

U = 1560 W/m2.K

Page 32: Evaporação simples efeito

F = 4536 kg/h(TF = 60 ºC, hF = ?, xF = 0,2)

S = ? (PS = 172,4 kPa, TS = ?, HS = ?) S = ?

(PS = 172,4 kPa, TS = ?, hS = ?)

L = ?(T1 = ?, hL = ?, xL = 0,5)

V = ?

(T1 = ?, HV = ?)

T1

Exemplo de cálculo

P1 = 11,7 kPa

Balanço de massa para o soluto:

FxF = LxL 4536 . 0,2 = L . 0,5L

L = 1814 kg/h

Page 33: Evaporação simples efeito

F = 4536 kg/h(TF = 60 ºC, hF = ?, xF = 0,2)

S = ? (PS = 172,4 kPa, TS = ?, HS = ?) S = ?

(PS = 172,4 kPa, TS = ?, hS = ?)

L = 1814 kg/h(T1 = ?, hL = ?, xL = 0,5)

V = ?

(T1 = ?, HV = ?)

T1

Exemplo de cálculo

P1 = 11,7 kPa

Balanço de massa global:

F = L + V 4536 = 1814 + V

V = 2722 kg/h

Page 34: Evaporação simples efeito

F = 4536 kg/h(TF = 60 ºC, hF = ?, xF = 0,2)

S = ? (PS = 172,4 kPa, TS = ?, HS = ?) S = ?

(PS = 172,4 kPa, TS = ?, hS = ?)

L = 1814 kg/h(T1 = ?, hL = ?, xL = 0,5)

V = 2722 kg/h

(T1 = ?, HV = ?)

T1

Exemplo de cálculo

P1 = 11,7 kPa

Page 35: Evaporação simples efeito

Exemplo de cálculo

Calculo de T1: 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

Page 36: Evaporação simples efeito

Exemplo de cálculo

Calculo de T1: Diagrama de Dühring

para uma temperatura de ebulição da água de 48,9 ºC encontramos T1 = 89,5 para uma solução com 50 % NaOH

EPE ~ 40,6 ºC

Page 37: Evaporação simples efeito

F = 4536 kg/h(TF = 60 ºC, hF = ?, xF = 0,2)

S = ? (PS = 172,4 kPa, TS = ?, HS = ?) S = ?

(PS = 172,4 kPa, TS = ?, hS = ?)

L = 1814 kg/h(T1 = 89,5 ºC, hL = ?, xL =

0,5)

V = 2722 kg/h

(T1 = 89,5 ºC, HV = ?)

T1

Exemplo de cálculo

P1 = 11,7 kPa

Page 38: Evaporação simples efeito

Exemplo de cálculo

Calculo de hF e hL: diagrama entalpia x concentração

Solução a 20 %:

XF = 0,2 T = 60 ºC

hF = 214 kJ/kg solução

Solução a 50 %:

XL = 0,5 T = 89,5 ºC

hL = 505 kJ/kg solução

Page 39: Evaporação simples efeito

S = ? (PS = 172,4 kPa, TS = ?, HS = ?) S = ?

(PS = 172,4 kPa, TS = ?, hS = ?)

L = 1814 kg/h(T1 = 89,5 ºC, hL = 505 kJ/kg, xL =

0,5)

V = 2722 kg/h

(T1 = 89,5 ºC, HV = ?)

T1

Exemplo de cálculo

P1 = 11,7 kPa

F = 4536 kg/h(TF = 60 ºC, hF = 214 kJ/kg, xF =

0,2)

Page 40: Evaporação simples efeito

Exemplo de cálculo

Calculo de HV: 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

Page 41: Evaporação simples efeito

S = ? (PS = 172,4 kPa, TS = ?, HS = ?) S = ?

(PS = 172,4 kPa, TS = ?, hS = ?)

L = 1814 kg/h(T1 = 89,5 ºC, hL = 505 kJ/kg, xL =

0,5)

V = 2722 kg/h

(T1 = 89,5 ºC, HV = 2667 kJ/kg)

T1

Exemplo de cálculo

P1 = 11,7 kPa

F = 4536 kg/h(TF = 60 ºC, hF = 214 kJ/kg, xF =

0,2)

Page 42: Evaporação simples efeito

Exemplo de cálculo

Calculo de TS: 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

= (HS – hS) = 2214 kJ/kg

Page 43: Evaporação simples efeito

S = ? (PS = 172,4 kPa, TS = 115,6 ºC) S = ?

(PS = 172,4 kPa, TS = 115,6 ºC)

L = 1814 kg/h(T1 = 89,5 ºC, hL = 505 kJ/kg, xL =

0,5)

V = 2722 kg/h

(T1 = 89,5 ºC, HV = 2667 kJ/kg)

T1

Exemplo de cálculo

P1 = 11,7 kPa

F = 4536 kg/h(TF = 60 ºC, hF = 214 kJ/kg, xF =

0,2)

= 2214 kJ/kg

Page 44: Evaporação simples efeito

Exemplo de cálculoDeterminação de S: vazão de vapor necessária para realizar a evaporação nas condições especificadas

Balanço global de energia:

FhF + S = LhL + VHV

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

S = 3255 kg/h

Page 45: Evaporação simples efeito

S = 3255 kg/h (PS = 172,4 kPa, TS = 115,6 ºC) S = 3255 kg/h

(PS = 172,4 kPa, TS = 115,6 ºC)

L = 1814 kg/h(T1 = 89,5 ºC, hL = 505 kJ/kg, xL =

0,5)

V = 2722 kg/h

(T1 = 89,5 ºC, HV = 2667 kJ/kg)

T1

Exemplo de cálculo

P1 = 11,7 kPa

F = 4536 kg/h(TF = 60 ºC, hF = 214 kJ/kg, xF =

0,2)

= 2214 kJ/kg

Page 46: Evaporação simples efeito

Exemplo de cálculoa) 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

Page 47: Evaporação simples efeito

Exemplo de cálculoc) A área da superfície de aquecimento em m2:

q = UA(TS – T1) 2002 . 1000 = 1560 . A (115,6 – 89,5)

A = 49,2 m2