OperaOperaçção Unitão Unitáária de ria de EvaporaEvaporaççãoão

IntroduIntroduççãoão

A evaporação é uma operação unitária que tem por objetivo a concentração de uma solução, pela retirada de solvente, fazendo a solução entrar em ebulição.

• Na indústria de alimentos e sucos, a evaporação se refere à operação que consiste em remover a água existente nos alimentos;

- Fabricação de leite condensado.- Sucos de frutas concentrado - Extrato de tomate e Catchup.- Polpas de frutas - Doces em massas- ....

• Para a evaporação, usa-se transferência de calor para ferver o alimento, e obter um produto aquoso de concentração mais elevada.

O evaporador e sua funO evaporador e sua funççãoãoO evaporador fornece calor para evaporar a água do alimento através

da ebulição. Busca-se otimizar o processo para que o alimento não perca a sua cor, aromas e ingredientes nutritivos.

Basicamente um evaporador consiste de um trocador de calor para aquecer a solução à ebulição e um separador do vapor formado pela fase líquida em ebulição. O produto de um evaporador é a solução concentrada.

Vapor de aquecimento

Alimentação ou carga

Solvente Vaporizado

Solução Concentrada

Câmara de Fervura

Vapor condensado

Esquema simplificado de um evaporador

AplicaAplicaççõesões Concentrar soluções inorgânicas Concentrar produtos alimentícios Concentrar medicamentos Tratamento de efluentes

Vantagem Vantagem Eficiência EnergEficiência Energééticatica

800.510Evaporação triplo efeito com recuperação de aroma

800.370Evaporação triplo efeito sem recuperação de aroma

400.09-0.386Concentração por Congelamento

300.028Osmose Reversa

280.001Ultrafiltração

Máxima concentração possível

Equivalência de vapor*

*razão entre os custos de água removida e equivalente vapor

Vapor d´aguaMsθs

Alimentação MfΘfXf

Vapor de ebulição Mv

Produto MpXp

ΘbTemperatura de Fervura

Mf taxa de transferência de massa de alimentaçãoΘf Temperatura de alimentaçãoXf Fração de sólidos na alimentação

Ms taxa de transferência de massa de vaporΘs Temperatura do vapor

vppff MXMXM )1()1(

ppff XMXM

Evaporador em estado estacionário

Balanço de massas:

água

solutos

vppff MXMXM )1()1( ppff XMXM

Balanço de Massa e Calor

Balanço de massas

Massa de água: Massa de solutos:

Balanço de Calor

Calor absorvido pela alimentação = Calor sensível + Calor de vaporização

vvfbff McMQ )(

cf Calor específico (alimentação)λv Calor latente de vaporização da águaλs Calor latente de condensação da água

ssMQ

Exemplo: Um evaporador é usado para concentrar um xarope de 10% de sólidos para 40% a uma taxa de 100 kg h-1. O produto entra sob 15 oC e é evaporado sob uma pressão reduzida de 47, 4kPa (a 80 oC). O vapor d´água é fornecido a 169 kPa (115 oC). Supondo que o ponto de ebulição permaneça constante e que não haja nenhuma perda de calor, calcule a quantidade de vapor usada por hora.

Dados:

Calor específico do xarope = 3,960 kJ kg-1K-1

Calor específico da água = 4,186 kJ kg-1K-1

Calor latente vaporização do xarope = 2,390 kJ kg-1K-1

Calor latente do vapor = 2,217 kJ kg-1K-1

Vapor d´aguaMs=???θs=115 oC

Alimentação Mf=100 kg h-1

Θf = 15 oCXf = 10%

Vapor de ebulição Mv= ???

Produto Mp = ???Xp = 40%

Θb=80 oC

Evaporador em estado estacionário

Cálculo da massa de produto:

ppff XMXM 4.01.0100 1

pMhkg

125 hkgM p

Cálculo da massa de vapor expulso:

vppff MXMXM )1()1(

vM )4.01(25)1.01(100

175 hkgM v

Usando o balanço de massas

Calor necessário para evaporação = Calor sensível + Calor Latente

ppfbff McMQ )(

Usando o balanço de calor

33 10309.275)1580(10960.3100 Q

Balanço de calor para o produto:

Tem

pera

tura

tempo0

15

80

Q sensível

Q latente

161091.25 JhQ

Calor cedido = Calor sensível

)( bssscMQ

Usando o balanço de calor

)80115(10186.4 3 sMQ

Balanço de calor para o vapor injetado:

Tem

pera

tura

tempo0

80

115

Q sensível

Q latente

sMQ 3108.324

A cada hora, é injetada uma massa de vapor Ms. O calor cedido por esta massa de vapor durante seu resfriamento é:

Considerando que todo o calor cedido pelo vapor seja utilizado na evaporação:

63 1091.25108.324 sM

Calor cedido pelo vapor

Calor necessário para evaporação

Então: 3

6

108.324

1091.25

sM

178.79 hkgM s

Problemas que podem ocorrer na evaporaProblemas que podem ocorrer na evaporaççãoão

Espumejamento;

formação de incrustações;

salinização;

sensibilidade das substâncias ao calor;

problemas de corrosão;

limitações de espaço.

Influenciam a taxa de transferência de Calor:

Tipos de evaporadoresTipos de evaporadores

EVAPORADORES DE SIMPLES EFEITOEVAPORADORES DE SIMPLES EFEITO

O vapor liberado da concentração não é reaproveitado para um pré

aquecimento do alimento.

É utilizado quando se deseja uma pequena capacidade, o vapor d’água é

barato, mas o meio é muito corrosivo então exige um material de

construção muito caro.

EVAPORADORES DE MEVAPORADORES DE MÚÚLTIPLO EFEITOLTIPLO EFEITO

Os evaporadores de múltiplo efeito, conjugam em série de dois ou mais evaporadores de um efeito.

A grande vantagem desta conjugação é a economia de vapor gasto por kg de água evaporada do alimento.

As ligações nos evaporadores de múltiplo efeito, são feitas de modo que o vapor produzido em um efeito do evaporador, serve como meio de aquecimento para o seguinte efeito e assim sucessivamente até o último efeito.

Cada efeito age como um simples efeito. O calor liberado pelo vapor de aquecimento usado (TP1) e a pressão (PV1), é usado para o aquecimento do alimento no segundo efeito (MV1), onde se tem uma temperatura (TP2) e pressão (PV2) e assim sucessivamente até o último efeito do sistema.

EVAPORADOR DE MEVAPORADOR DE MÚÚLTIPLO EFEITOLTIPLO EFEITO

Métodos de Evaporação mais usados na Industria Alimentícia

Evaporadores de circulação natural

Evaporadores de circulação forçada

Evaporadores de baixa temperatura, de ciclo de refrigeração ou de bomba calorífica

**

EVAPORADORES DE CIRCULAEVAPORADORES DE CIRCULAÇÇÃO NATURALÃO 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 centrífugo do

produto, ocorrendo na zona superior do evaporador.

1- Evaporadores abertos e fechados

2- Evaporadores de tubos curtos ou de tubo e carcaçaEvaporadores de tubos curtos horizontaisEvaporadores de tubos curtos verticais

3- Evaporadores de tubos longosEvaporadores de tubos longos de película ascendente (matriz baixa

viscosidade)Evaporadores de tubos longos de película descendente (matriz alta

viscosidade)

4. Evaporadores de calandra externa

EVAPORADORES DE CIRCULAÇÃO NATURAL

Evaporadores abertos e fechadosEvaporadores abertos e fechados

Recipiente de forma esférica (tachos) que se aquece com gás, resistência elétrica ou 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.

São utilizados na elaboração de sopas, concentrados de polpa de tomate, molhos variados, marmeladas e produtos de confeitaria e similares.

Evaporadores de tubos curtos ou de tubo e carcaça

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.

Evaporadores de tubos longosEvaporadores de tubos longos

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, que é determinada pela viscosidade do líquido.

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

São 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.

Evaporadores de tubos longos:

a) evaporador de tubos longos de películadescendente;

b) evaporador de tuboslongos de película ascendente-descendente.

EVAPORADORES DE CIRCULAEVAPORADORES DE CIRCULAÇÇÃO FORÃO FORÇÇADAADA

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.

Evaporadores de placas

Evaporadores de fluxo expandido

Evaporadores de película mecânica ou rotatórios

EVAPORADORES DE CIRCULAEVAPORADORES DE CIRCULAÇÇÃO FORÃO FORÇÇADAADA

Evaporadores de placasEvaporadores de placas

Utilizado para alimentos termossensíveis, como extratos de

leveduras, produtos lácteos e extratos de carne.

Evaporadores de fluxo expandidoEvaporadores de fluxo expandido

O intercâmbio calórico realiza-se sobre cones invertidos sobrepostos.

Operam a vácuo.

Evaporadores de pelEvaporadores de pelíículacula

Evaporadores de película fina mecânica:

a) evaporador de película fina;

b) evaporador de superfície varrida horizontal.

Evaporadores de baixa temperatura, de ciclo de Evaporadores de baixa temperatura, de ciclo de refrigerarefrigeraçção ou de bomba calorão ou de bomba calorííficafica

Esses equipamentos trabalham a baixa pressão, conseguido temperaturas de

ebulição muito baixas, da ordem de 20ºC, e tempos de evaporação curtos.