6-EVAPORADOR CONTNUO DE UM EFEITO DE TUBOS VERTICAIS.

6.1- INTRODUO

6.1.1- Evaporadores

Evaporadores so equipamentos empregados na concentrao de lquidos. O

principio de separao a diferena de volatilidade, presso de vapor. O agente de

separao o calor. Alguns exemplos de lquidos concentrados por evaporadores so:

soda custica, suco de laranja, cido sulfrico, licor negro de fabrica de papel,

antibiticos e caldo da cana para produo de acar e lcool.

6.1.2 -Importncia do estudo a ser realizado.

O balano de massa, o balano de energia e o coeficiente global de transferncia

de calor so fundamentais para anlise e o projeto de evaporadores industriais.

6.2- OBJETIVO

O objetivo principal do experimento a realizao dos balanos de massa,

componente e energia em um evaporador contnuo de nico efeito.

6.3- MATERIAIS E MTODOS

6.3.1-Materiais:

A Figura 6.1 apresenta o esquema da unidade de evaporao experimental. As

utilidades para a operao so energia eltrica, 2 litros de gua destilada para a caldeira

e fonte de gua para o condensador. O material de consumo para o ensaio soluo

10% em massa de acar refinado em gua. Os equipamentos auxiliares so balana e

estufa para a anlise da frao mssica da soluo concentrada, termmetros para se

determinar a temperatura da soluo a ser concentrada, paqumetro e trena para medio

de dimenso dos equipamentos.

Figura 6.1: Esquema de um evaporador de tubos verticais com circulao natural

1) Evaporador de um efeito;

2) Termopar no duto de sada da soluo concentrada;

3) Vlvula de controle da vazo de sada da soluo concentrada;

4) Termopar no duto de sada do condensado do vapor de aquecimento;

5) Vlvula de controle da vazo do condensado e do vapor de aquecimento;

6) Reservatrio com gua destilada da caldeira;

7) Caldeira eltrica;

8) Vapor de caldeira;

9) Desumidificador para retirada do condensado e controle da vazo de vapor de

aquecimento;

10) Termopar no duto de alimentao do vapor de aquecimento;

11) Termopar no duto de sada do vapor da soluo;

12) Sada da gua de resfriamento do condensador;

13) Condensador;

14) Sada do condensado da soluo;

15) Entrada da gua de resfriamento do condensador;

16) Termmetro na soluo a ser concentrada;

17) Recipiente com a soluo a ser concentrada;

18) Bomba peristltica;

19) Placa de orifcio no duto de alimentao da soluo;

20) Vlvula para retirada do ar do evaporador no incio da operao;

Figura 6.2:Evaporador de tubos verticais com circulao natural.

6.3.5-Mtodo:

Determine a vazo de alimentao de uma soluo de acar por medidor do tipo placa

de orifcio (se solicitado pelo professor) e pela soma das vazes mssicas do vapor da

soluo e do lquido concentrado.

Calcule o desvio entre os valores obtidos no item a (se solicitado pelo professor).

Estime a frao mssica da soluo concentrada pelo balano do componente (acar) e

determine esta frao mssica por secagem de uma amostra em estufa (se solicitado

pelo professor). Se no houver tempo ou estufa disponvel para a secagem do material,

os itens e e g podem ser obtidos pela frao mssica estimada pelo balano do

componente.

Calcule o desvio entre os valores obtidos no item c (se solicitado pelo professor).

Estime a vazo de vapor pelo balano global de energia e determine esta vazo pela

tcnica da massa/tempo (se solicitado pelo professor).

Calcule o desvio entre os valores obtidos no item e (se solicitado pelo professor).

Avalie o calor fornecido pelo vapor, o coeficiente global de troca de calor e a economia

de vapor.

A metodologia descrita a seguir uma sugesto e, por conseguinte pode ser

modificada. Os nmeros so referentes a Figura 6.1. Deve-se usar luvas e culos de

proteo nas operaes com vapor.

a) Verifique se o interruptor que aciona a bomba peristltica e o interruptor que fornece

energia a caldeira esto na posio desligado.

b) Coloque o plugue eltrico na tomada aps verificar a voltagem.

c) Adicione a soluo a ser concentrada (por exemplo 100g de acar refinado em 900g de

gua) no recipiente (17).

d) Abra a vlvula de regulagem da vazo de gua de resfriamento do condensador (13).

e) Feche a vlvula (3) e ligue a bomba peristltica (18). Desligue a bomba aps a soluo

atingir o nvel de aproximadamente um centmetro acima do espelho superior ( placa

horizontal que suporta o banco de tubos) do evaporador.

f) Mergulhe em uma profundidade de aproximadamente 5cm (esta profundidade est

relacionada com a presso do vapor de aquecimento) a mangueira de silicone de sada

do condensado do vapor de aquecimento em um bequer de 1000ml com gua para evitar

queimaduras com o vapor. Coloque um pano fino como tampa para reduzir a perda da

gua.

g) Coloque luvas e culos-de-proteo. Abra ligeiramente a vlvula (5) do

desumidificador, coloque gua destilada no reservatrio (6) e ligue a caldeira.

h) Controle a abertura da vlvula (5) para manter um nvel de condensado no

desumidificador de aproximadamente 1cm do fundo. Mantenha este nvel durante todo

o experimento.

i) Coloque um bquer de 300ml na sada do vapor da soluo (14) e outro na sada da

soluo concentrada abaixo na vlvula (3).

j) Quando, iniciar a produo de condensado (sada 14) ligue e regule a rotao

(inicialmente a menos possvel) da bomba peristltica e controle a abertura da vlvula

(3) do concentrado para que o nvel da soluo no evaporador se mantenha a

aproximadamente um centmetro acima do espelho superior. Mantenha este nvel

durante todo o experimento (regime permanente).

k) Abra parcialmente a vlvula (20) para retirada do ar (reduz a presso parcial do vapor).

Feche esta vlvula aps, aproximadamente, dois minutos.

l) Com a unidade experimental em regime permanente :

Anote as temperaturas da alimentao da soluo (16), do vapor da soluo (11), da

soluo concentrada (3), do vapor de aquecimento (10) e do condensado do vapor de

aquecimento (4);

Determine a vazo mssica do vapor da soluo coletando o lquido de sada (14) do

condensador (13) em um erlenmeyer previamente pesado ( massa por unidade de

tempo); a vazo mssica da soluo concentrada; a vazo mssica do condensado do

vapor de aquecimento e a vazo de alimentao pela placa de orifcio (19) calibrada; (a

critrio do professor).

Obtenha a frao mssica da soluo concentrada atravs de uma amostra coletada em

um vidro de relgio e seca em estufa at peso constante (a critrio do professor).

m) Reduza, pouco a pouco, at a parada: a vazo de vapor de aquecimento, a alimentao

da soluo e a descarga da soluo concentrada.

Observao: Se o vapor for cortado bruscamente, ocorrer a formao de vcuo na linha

de vapor e no evaporador pela reduo do volume deste fluido. Neste caso, o lquido

abaixo da vlvula (5) do desumidificador poder retornar ao desumidificador (verifique

experimentalmente). O corte brusco do vapor em unidades industriais pode acarretar na

imploso (estouro para dentro) de tubos e tanques.

n) Feche a vlvula de regulagem da vazo de gua de resfriamento do condensador (13).

o) Coloque gua destilada no tanque (17) abra a vlvula (3), esgote a soluo do

evaporador e, ligue a bomba (18) para limpar os dutos, o prprio tanque (17) e o

evaporador. A soluo de acar pode atrair insetos que, por conseguinte, podero

obstruir dutos e tanque. Feche a vlvula (3) e preecha o evaporador com gua destilada.

Abra a vlvula (3) e esgote o evaporador.

p) Retire o plugue eltrico da tomada.

6.4- FORMULRIO

a) Vazo de alimentao (F) pelo balano global de massa (Figura 6.3).

Figura 6.3 Esboo do evaporador. Balano global de massa.

Adotando a nomenclatura da Figura 6.3 pode-se escrever.

F = vazo mssica da alimentao , Kg/h;

V = vazo mssica do vapor da soluo, experimental, Kg/h;

L = vazo mssica da soluo concentrada, experimental, Kg/h;

Supondo:

=

=

Eq. 6.2

F = V+L Eq. 6.1

=

=

Eq. 6.3

b) Desvio da vazo de alimentao pela placa de orifcio em relao a vazo pelo

balano global de massa.

Supondo que a diferena de presso entre a entrada e a sada da placa de orifcio

seja indicativa de uma vazo ( previamente calibrada), o desvio da vazo pelo

balano de massa em relao a indicada pela placa ser:

=

100

Eq. 6.4

c) Frao mssica da soluo concentrada ( ) pelo balano do componente ( Figura

6.4).

Figura 6.4 Esboo do evaporador. Balano do componente.

A equao do balano do componente (acar), para a notao da Figura 6.4 tem a

forma:

= +

Eq. 6.5

= frao mssica de acar no vapor = zero

= frao mssica de acar na alimentao = 0,1 (10% de acar)

= 100

100 +900 =0,10

Eq. 6.6

=

= 0,1

Eq. 6.7

Substituindo as vazes L e F (ou ) na equao (6.7) obtm-se:

=

=

0,1

=

( balano)

Eq. 6.8

, =

=

0,1

=

(placa)

Eq. 6.9

d) Desvio da frao mssica da soluo concentrada por balano em relao a frao

por secagem.( a critrio do professor).

Supondo que a frao mssica por secagem de amostra em estufa at peso constante

seja:

, =

Eq. 6.10

= ,

, .100

Eq. 6.11

= , ,

, .100

Eq. 6.12

Os alunos devem discutir estes resultados com o docente.

e) Vazo de vapor (S) pelo balano de energia (Figura 6.5).

Figura 6.5 Esboo do evaporador. Balano global de energia.

Desprezando-se os termos de velocidade e desnvel e , sabendo-se que no h trabalho

de eixo, o balano global de energia se resume no balano de entalpia.

+ = + + [ kJ/h]

Eq. 6.13

+ = + [kJ/h]

Eq. 6.14

Isolando a vazo mssica de vapor (S) na equao (14) tem-se, finalmente:

= +

[kg/h]

Eq. 6.15

em que:

L= vazo de condensado;

= Entalpia da soluo concentrada ;

, = calor especfico a presso constante da soluo concentrada e na alimentao;

= , [kJ/kg] Eq. 6.16

, = 22 + . . [kJ/kg]

Eq. 6.17

= temperatura da soluo concentrada; []

1.: Adotar zero como temperatura de referncia da entalpia;

2.: [kJ/kg K] = [kJ/kg ] pois = , (diferena unitria);

V = vazo de vapor da soluo;

F = vazo de alimentao da soluo;

= Entalpia da alimentao

, = calor especfico a presso constante da alimentao;

= Diferena entre a entalpia do vapor de aquecimento e do vapor condensado;

= Calor latente de condensao. Obtido com a temperatura do vapor de

aquecimento em tabela de vapor saturado, acrscimo na vaporizao ( Tabela 6.1);

= Entalpia do vapor da soluo. De forma aproximada pode ser obtida com a

temperatura do vapor da soluo() em tabela de vapor saturado ( Tabela 6.1). Com a

temperatura na Tabela 6.1 determina-se por interpolao linear (vapor saturado);

Importante

A rigor, a entalpia de ser obtida em Tabela de vapor de gua superaquecido com a

presso absoluta do evaporador () e a temperatura . Pode-se empregar tambm a

equao.

= + = +

Eq. 6.20

epe = = elevao da temperatura de ebulio pela presena do acar na gua,

diferena entre a temperatura do vapor () e a temperatura de ebulio da gua pura

() na presso . No caso do experimento, devido a uma baixa concentrao de

acar na soluo tanto na entrada quanto na sa da do equipamento, a epe pode

ser negligenciada.

na tabela de vapor de gua saturado com , obtm-se a temperatura de

vaporizao da gua pura.

com e em grfico especfico da soluo em estudo.

Calor especfico, mdia entre as temperaturas e . (nomograma para vapor de

gua).

Com ou na Tabela de vapor de gua saturado determina-se a entalpia do

vapor saturado .

A vazo de vapor (S) obtida substituindo-se os valores na equao (6.15).

f) Desvio da vazo mssica do vapor de aquecimento pela tcnica da massa por

unidade de tempo em relao a vazo pelo balano de energia. Se a vazo pela

tcnica da massa por unidade de tempo for de o desvio ser:( a critrio do

professor).

=

. 100

Eq. 6.21

Os alunos devem discutir estes resultados com o docente.

g) Calor fornecido pelo vapor (q), coeficiente global de troca de calor (U) e economia

de vapor ().

= ( "S" ) Eq.6.22

= ( /)

( a critrio do professor)

Eq. 6.23

=

[ ]

2

Eq. 6.24

Ts =Temperatura do vapor de aquecimento

A = rea de troca trmica dos tubos (supondo);

N de tubos . e

N de tubos centrais . e

A = N de tubos( ) + N de tubos centrais( )

Eq. 6.25

=

Eq.6.26

( a critrio do professor).

=

Eq. 6.27

Os alunos devem discutir os resultados deste item (g) com o docente. Obs.: Se o valor

da economia do vapor de unidades industriais for menor que 0,40, deve-se verificar os

eliminadores de ar, os purgadores e a inscrustao dos tubos ( coeficiente global de

troca de calor baixo).

Tabela 6.1 Vapor de gua saturado

Presso

(absoluta)

P

(kgf/c)

Temperatura

De

Vaporizao

()

Volume

Especfico

Entalpia

Especfica

do

lquido

saturado

()

do vapor

saturado

()

do lquido

saturado

(kcal/kg)

Acrscimo

na

vaporizao

(kcal/kg)

do vapor

saturado

(kcal/kg)

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

0,95

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2,0

2,1

2,2

2,3

2,4

6,7

17,2

23,8

28,6

32,6

35,8

38,7

41,2

43,4

45,5

53,6

59,7

64,6

68,7

75,4

80,9

85,5

89,5

93,0

96,2

97,7

99,1

101,8

104,3

106,6

108,7

110,8

112,7

114,6

116,3

118,0

119,3

121,2

122,6

124,1

125,5

0,0010

0,0010

0,0010

0,0010

0,0010

0,0010

0,0010

0,0010

0,0010

0,0010

0,0010

0,0010

0,0010

0,0010

0,0010

0,0010

0,0010

0,0010

0,0010

0,0010

0,0010

0,0010

0,0010

0,0010

0,0010

0,0011

0,0011

0,0011

0,0011

0,0011

0,0011

0,0011

0,0011

0,0011

0,0011

0,0011

131,6

68,27

46,53

35,46

28,73

24,19

20,92

18,45

16,51

14,95

10,21

7,794

6,321

5,328

4,068

3,301

2,782

2,408

2,125

1,904

1,810

1,725

1,578

1,454

1,349

1,259

1,180

1,111

1,050

0,9950

0,9459

0,9015

0,8612

0,8245

0,7909

0,7600

6,7

17,2

23,8

28,7

32,5

35,8

38,6

41,1

43,4

45,4

53,5

59,6

64,5

68,6

75,4

80,8

85,4

89,4

93,0

96,2

97,7

99,1

101,8

104,3

106,7

108,9

110,9

112,9

114,8

116,6

118,3

119,9

121,4

122,9

124,4

125,8

593,3

587,6

583,9

581,1

579,0

577,1

575,5

574,1

572,7

571,6

566,9

563,4

560,5

558,0

553,9

550,7

547,9

545,4

543,2

541,2

540,2

536,3

537,6

530,0

534,5

533,0

531,8

530,5

529,2

528,0

526,9

525,9

524,9

523,9

522,9

522,0

600,2

604,8

607,7

609,8

611,5

612,9

614,1

615,2

616,1

617,0

620,4

623,0

625,0

626,6

629,3

631,5

633,3

634,8

636,2

637,4

637,9

638,4

639,4

640,3

641,2

641,9

642,7

643,4

644,0

644,6

645,2

645,8

646,3

646,8

647,3

647,8

6.5-REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

BADGER, W.L., BANCHERO, J.T. Introduction to Chemical Engineering Tokyo:

Mc Graw-Hill, 1955. 753p.

FOUST.A.S. et al. Princpios das operaes unitrias.trad. H. Macedo. 2ed. Rio de

Janeiro : Guanabara Dois, 1982. 670p.

McCABE, W.L., SMITH, J.C., HARRIOTT, P. Unit Operations of chemical

engineering.5ed. New York: McGraw-Hill, 1993, 1130p.

MEHRA,D.K. Selecting Evaporators. Chemicalengineering.Feb. 3, 1986. p. 56-72.

MORAES Jr.,D. Exerccios e projetos resolvidos de evaporadores, trocadores de calor e

isolamento trmico de tubulaes. So Carlos: UFSCar, 1995, 166p.

PERRY, R.H., GREEN, D. ed. Perrys chemical engineers handbook. 7ed. New

York: McGraw-Hill, 1997. 2603p.

6 TABELAS EVAPORADOR CONTNUO

Tabela 6.1

T1 T2 T3 T4 Tsol

alimentao

Tabela 6.2

i tubo fino e tubo fino i tubo largo e turbo largo

Tabela 6.3

Massa (V) g Massa (P) g Tempo