PROCESSO

DE

EVAPORADORES

EM

ALIMENTOS

A evaporao uma operao atravs da qual a gua removida em parte ou quase totalmente do alimento. A fonte de aquecimento dos alimentos utilizada o vapor de gua e sendo efetuada em equipamentos chamados de Evaporadores que concentra o alimento at o total de slidos desejados.

CONCENTRAO / EVAPORAOPor concentrao ou evaporao, entende-se um processo que proporciona a evaporao ou retirada de uma soluo diluda (no caso a gua contida nos alimento in natura), aumentando a sua concentrao sob forma de vapor obtido atravs da transferncia de calor ao produto alimentcio. Em qualquer dos casos ocorrem diversos processos cinticos, com transferncia de calor para os alimentos, os quais se utilizam mtodos matemticos de clculos para determinar as velocidades do processo; balano de massa; consumo de vapor; rea de transferncia trmica, etc. O equipamento utilizado o evaporador que consiste em uma cmara, dentro da qual existe um trocador de calor com aquecimento indireto que proporciona o meio de transmisso de calor ao produto por meio de vapor baixa presso. A figura-1 mostra alguns modelos de evaporadores.

Figura-1: Modelos de Evaporadores

TIPOS DE EVAPORADORESDESCONTNUOS- O produto se aquece em um recipiente esfrico , envolto por uma camisa de vapor. Este recipiente aberto ou conectado um condensador ou um sistema vcuo (figura-2). A rea de transferncia de calor neste tipo de evaporador muito baixa e a residncia do produto pode chegar vrias horas. O aquecimento do produto feito por conveco natural.

Figura-2: Evaporador Descontnuo

CONVEO OU CIRCULAO NATURALSo dotados de tubos curtos verticais, dentro de um corpo de vapor, este dispositivo chamado de calandra. O produto aquecido e sobe atravs dos tubos por conveco natural e o vapor condensado pelo exterior dos tubos. O lquido concentrado retorna base do recipiente atravs de uma seo anular central (figura-3).

Figura-3: Evaporador Circulao Natural

PELCULA ASCENDENTE- Podem evaporar alimentos lquidos de baixa viscosidade, os quais fervem no interior de tubos verticais. Estes tubos se aquecem devido ao vapor existente no exterior, de tal maneira que o lquido ascende pelo interior dos tubos

arrastado por vapores formados na parte inferior. O movimento ascendente dos vapores produz uma pelcula que se move rapidamente para cima (figura-4). Este tipo de evaporador alcana elevados coeficientes de transferncia de calor, podendo-se recircular o alimento lquido at que se alcance a concentrao desejada. O tempo de residncia de 3-4 segundos.

Figura-4: Evaporador de Pelcula Ascendente

PELCULA DESCENDENTE- Estes evaporadores desenvolvem uma fina pelcula de lquido dentro dos tubos verticais que desce por gravidade (figura-5). Tambm permitem instalar um maior nmero de efeitos do que o evaporador de pelcula ascendente e podem processar lquidos mais viscosos e mais sensveis ao calor. O tempo de residncia de 20-30 segundos.

Figura-5: Evaporador de Pelcula Descendente

Figura-6: Evaporador de Circulao Forada

CIRCULAO FORADA- Consta de um trocador de calor com aquecimento indireto , onde o lquido circula em elevadas velocidades, devido presena de bombas de fluxo axial. Devido elevada carga hidrosttica da parte superior dos tubos , qualquer possibilidade de ebulio do lquido desprezada. O lquido que entra no evaporador se evapora instantneamente, devido diferena de presso entre a parte interior e exterior do tubo. Possui os menores custos de fabricao e operao (figura-6).

PELCULA AGITADA- A configurao cilndrica do sistema produz menores reas de transmisso de calor por unidade de volume de produto, sendo necessria a utilizao de vapor alta presso, como meio de aquecimento com o objetivo de conseguir elevadas temperaturas na parede e velocidades de evaporao razoveis. A grande desvantagem deste sistema so os custos de fabricao e mantimento, assim como a baixa capacidade de processamento. SERPENTINA ROTATIVA- constituda de uma ou mais serpentinas de vapor que giram abaixo da superfcie do lquido em ebulio. As de serpentinas rotativas ao girar proporcionam turbulncia ao lquido, o que melhora a transferncia de calor e, ao mesmo tempo, diminui a taxa de queima (figura-7). O evaporador com serpentina rotativa a vcuo particularmente indicado para elaborao de produtos de tomate de elevada concentrao, alm de poder funcionar de forma contnua.

SERPENTINA VERTICAL SERPENTINA HORIZONTAL

Figura-7: Evaporadores de Serpentina

MLTIPLOS EFEITOS- Os evaporadores de mltiplos efeitos ( dois ou mais ) conjugam, em srie, dois ou mais evaporadores simples, numa mesma estrutura ou em estruturas separadas. Os sistemas utilizados so os mais diversos, podendo haver associao de descontnuo + conveco natural, conveco natural + serpentina rotativa, tubos longos + tubos longos (geralmente com pelcula descendente de circulao forada ) e assim por diante. A grande vantagem desta conjugao a economia de vapor gasta por quilo de gua evaporada. A figura-8 mostra o princpio de funcionamento de evaporadores de mltiplo efeito na concentrao de suco de laranja.

Figura-8: Evaporadores de mltiplo estgio. Neste esquema o projeto de cinco estgios

AQUECIMENTO DIRETO - Evaporadores de aquecimento direto significa troca de calor com o meio de aquecimento em contato direto com o produto a ser aquecido. Um evaporador atmosfrico de aquecimento direto usa queimador invertido, alimentado com gs e oxignio sob presso submerso no lquido a ser evaporado. Nesse tipo de evaporador, no existe superfcie de aquecimento de calor ou transmisso de calor, j que o contato direto entre o meio de aquecimento e o produto. Esse evaporador usado para concentrar normalmente, produtos propenso a depositar incrustaes, as quais retardam a transmisso de calor sobre a superfcie do trocador de calor. Nesta linha de evaporador, existe os evaporadores chamados de Flash, cujo mtodo de evaporao, o produto ser pr-aquecido num trocador de calor convencional at cerca de 100C, e depois enviado atravs de bombeamento de um tubo vertical ou diagonal, onde o vapor limpo injetado na tangente para super aquecer o produto temperatura desejada (120 a 150C) figura-9. Este tipo de evaporador no recomendado para produtos sensvel a aquecimentos elevados.

Figura-9: Evaporador de aquecimento direto (Flash)

MECANISMO DE OPERAO DOS EVAPORADORESEstes procedimentos na evaporao, referem-se ao acompanhamento dos rendimentos do evaporador no processo de evaporao e concentrao de um determinado produto. Quantidade de Transferncia de Calor O lquido de aquecimento na evaporao frequentemente o vapor de gua condensante. A quantidade de calor transferida para o produto alimentcio, diretamente proporcional a quantidade de vapor de gua que condensa e pode ser determinada pela equao 1.

dQ = U A dQ = U A dT dT

dQ = T

TV

(U A) dT

Q = U A ( TV T )

(1)

Q = quantidade de calor transferido ao produto (kcal) A = rea de superfcie de aquecimento (m2) U = coeficiente global de transmisso de calor (kcal/m2 C) T = temperatura do produto (C)

Entalpia de Aquecimento A entalpia (H) definida para qualquer sistema pela expresso termodinmica:

dH = dE + d(p x V)

dH

=

dE + d(p V)

H = E + (p V)

(2)

onde: H = entalpia de aquecimento E = energia interna do sistema p = presso de vapor absoluta do sistema V = volume do sistema

Toda substncia apresentam certas condies entalpicas que variam em funo de sua massa, temperatura e presso. A entalpia expressa em calorias por unidade de massa do alimento (kcal/kg). Quando se aquece ou se resfria uma quantidade de um alimento em processo, a variao entalpica diretamente proporcional massa do mesmo, ao calor especfico, e ao gradiente de temperatura empregado. H = f ( M, cp, T ) H = entalpia de aquecimento M = massa do alimento (kg, g, l) cp = calor especfico do alimento (cal) T = variao de temperatura (C) Quando se atinge as condies entalpicas de uma quantidade determinada do produto alimentcio, no ponto de saturao prossegue o aquecimento do alimento e o sistema no altera a sua temperatura, mas se observa uma mudana de fase que a vaporizao. No caso dos alimentos, a evaporao a da gua contida na composio do mesmo, neste ponto tem-se a entalpia de vaporizao. Clculos no Processo de Evaporao Para que ocorra a evaporao da gua dos alimentos, preciso que no equipamento (Evaporadores) a presso de vapor de gua interna, se iguale presso do ambiente, quando a massa de alimento entre em ebulio. A velocidade de evaporao est diretamente relacionada com a transmisso de calor do meio de aquecimento e as suas entalpias. Desta forma temos: Q = U x A (TV TS) = M (HV HC) (4) H = M.cp.T (3)

Q = quantidade total de vapor (kcal) U = coeficiente global de transferncia de calor (kcal/m2 C) A = rea de troca trmica (m2) M = quantidade de produto (kg) HV = entalpia de vapor

HC = entalpia do condensado de vapor

EVAPORADOR DE NICO EFEITOQuando um evaporador de um nico efeito usado, o vapor liberado do produto que est sendo concentrado condensado e eliminado para a atmosfera. Com evaporadores de um nico efeito no h reaproveitamento do vapor liberado do produto em ebulio, isto , normalmente ser necessrio mais de 1 a 1,3 kg de vapor para evaporar 1 kg de gua do produto. A figura-10 mostra o esquema de funcionamento de um evaporador de um nico efeito.

Figura-10: Esquema Evaporador nico Efeito

MF = quantidade de produto TF = temperatura do produto WF = % slidos solveis do produto MS = quantidade de vapor TS = temperatura do vapor MC = quantidade de condensado TC = temperatura do condensado

MP = quantidade produto final TP = temperatura do produto WP = % slidos solveis do produto MV = quantidade gua evaporada TV = temperatura gua evaporada P = presso absoluta

O vapor saturado Ts entra no trocador de calor de vapor acima da entrada do produto TF . A troca trmica comea a ocorrer e o produto entra em ebulio a uma temperatura Tp (temperatura de equilbrio com a temperatura do vapor), ou seja, a quantidade de calor transferido ao produto diretamente proporcional quantidade de vapor que condensa. Esta quantidade calculada pela equao de transmisso de calor.CH C C C SH SM S S S S S S PT P P P ST S S S

Q = quantidade total de vapor U = coeficiente global de transferncia de calor

A U

=

[

]=

[

]

Q

A = rea da superfcie de aquecimento Ts = temperatura do vapor Tp = temperatura do produto Ms = quantidade de vapor Hs = entalpia do vapor de aquecimento (tabela de vapor saturado) Hc = entalpia do condensado liberado (tabela de vapor saturado)

Para o clculo energtico do processo de evaporao, estabelecer as equaes dos balanos energticos do evaporador. Equao do Balano de MassaMF + MS = MP + MV + MC (com MS = MC )

Quantidade de Produto Concentrado FinalMF + WF = MP WP

Balano de Energia no Processo de EvaporaoMFHF + MSHS = MPHP + MVHV + MCHC MS [HS HC ] = MPHP + MVHV MFHF MS [HS HC ] = MPHP + MFHC = U x A (TS TP )

Temperatura do Vapor de Aquecimento TV = f x PV A temperatura do vapor controlada pela presso no evaporador. O produto dentro do evaporador em ebulio vai estar em equilbrio com a temperatura do vapor de aquecimento, portanto:

PE = Elevao do ponto de ebulio do produto (PE = 0,51)

m =

1000 WP M 1 WP

m = peso especfico do produto M = peso molecular do produto

M EP VT M EP VT M EP VT M EP VT

=

PT PT PT PT

[

]

EXEMPLO-1

Em um evaporador de um nico efeito, deve-se concentrar suco de laranja numa proporo de 10000 kg/h (T=30C). A concentrao inicial do suco de 15% de slidos solveis e, deve ser concentrado at 60% de slidos solveis. Calcular portanto, a temperatura de concentrao do produto; o balano de massa; a gua evaporada no processo; o balano energtico do evaporador e a rea da superfcie de aquecimento. So conhecidos os seguintes valores: Pv = 0,1994 bar (presso de vapor) Ts = 120C (temperatura do vapor de aquecimento) U = 1000 w/m (coeficiente de transferncia de calor) M = 342 kg (peso molecular do suco de laranja) Wp = 60% (concentrao final do suco de laranja) Ws = 15% (concentrao inicial do suco de laranja)SOLUO

MF = 10000 kg/h PV = 0,1994 bar TV = 60C (temperatura do vapor saturado)

m=

M Wp 1000 Wp 1000 0,6 f = = = 4,39 M ( 1-W ) 342 ( 1-W ) [ 342 ( 1-0,6 ) ] p p

Elevao do ponto de ebulio: PE a temperatura do suco (Tp) ser:

PE = 0,71 x m = 0,71 x 4,39 = 2,24C

Tp = Tv + PE 60 + 2,24 Tp = 62,24 C

Clculo do Balano de MassaWs Mf = Wp Mp 0,15 Mf = 0,60 Mp Mp = 0,15 10000 0,60 0,15 Mf 0,60

Mp =

Mp = 2500 kg/h

Mp = quantidade obtida de suco na concentrao de 60% de slidos.

gua Evaporada no ProcessoMf = Mp + Mv Mv = Mf Mp Mv = 10000 2500 Mv = 7500 kg/h de gua evaporada

Balano Energtico do EvaporadorMs ( Hs Hc ) = MpHp + MvHV Mf Hf

Hv = entalpia da gua evaporada Hs = entalpia do vapor de aquecimento Hc = entalpia do condensado liberado Hp = entalpia do suco de laranja inicial Hw = entalpia do suco de laranja concentrado

Hp = Hw(62,2C) ( 1 - 0,7 Wp ) = 260,7 ( 1 - 07 0,6 ) Hp = 151,2 kg/kJ H f = Hw(30C) (1 - 0,7 Wp ) = 125,76 (1 - 0,7 0,15 ) H f = 112,6 kg/kJ H v = 2606,6 kg/kJ s = ( Hs Hc ) = 2202,6 kg/kJ Ms = ( MpHp + MvHv Mf Hf ) ( H s Hc ) H w (2500 151,2 + 7500 2609,6 10000 112,6) 2206,6 Ms = 8546 kg/h

Ms = M

s

= consumo de vapor

rea da Superfcie de Transferncia Trmica

Q = U A ( Ts Tp ) A = Ms valor em kg/segundo Ms = 8546 kg/h 3600

Ms s U ( Ts Tp )

= Ms = 2,374 kg/seg.

s valor em j/segundo s = (2206,6 kJ/h 1000) s = 2202600 j/seg A = Ms s U ( Ts Tp ) = 2,374 2202600 1000 (120 - 62,24 ) A = 90,5 m 2 de rea

Eficincia do Processo de Evaporao A eficincia do processo de evaporao, calculada pela quantidade evaporada pelo consumo de vapor utilizado.Ev = Mv Ms=

7500 8546

= 0,877 kg de gua evaporada / kg de vapor consumido

Isto significa que est havendo uma grande quantidade de vapor utilizado no processo ou seja, para cada 1 kg de vapor utilizado, esta se evaporando somente 0,877 kg de gua do suco de laranja. Isto ocorre normalmente em evaporadores de um nico efeito.

EVAPORADOR COM VRIOS EFEITOSOs evaporadores de mltiplo efeito conjugam em srie dois ou mais evaporadores de um efeito. A grande vantagem desta conjugao a economia de vapor gasto por kg de gua evaporada no processo. As ligaes nos evaporadores de mltiplo efeito so feitas de modo que o vapor produzido em um efeito do evaporador serve como meio de aquecimento para o seguinte efeito e, assim sucessivamente at o ltimo efeito (figura-11). Cada efeito do evaporador age como um evaporador de um nico efeito. O calor liberado pelo vapor de aquecimento usado (TP1) e a presso (PV1), usado para o aquecimento do produto no segundo efeito (MV1), onde se tem uma temperatura (TP2) e presso (PV2), e uma quantidade de produto (MV2) e assim sucessivamente at o ltimo efeito do sistema.

Figura-11: Evaporador de Triplo Efeito

Na prtica por questes comerciais e para no elevar muito os custos do investimento, os nmeros de efeitos so todos semelhantes e, a rea de transferncia de calor igual. Se o coeficiente de transferncia de calor o mesmo para cada efeito, a quantidade de vapor utilizado ser sempre a mesma, desde que a temperatura seja a mesma para cada efeito tambm. Portanto teremos:

MV1 = MV2 = MV3 = ...MVn T1 = T2 = T3 = ...Tn como : T1 = ( Ts TP ) 1 T2 = ( TV1 TP2 ) T3 = ( TV3 TP3 ) Tn = ( TVn -1 TPn ) N Ts Tw PEi n i =1 N

T1 = T2 = ... Tn =

EXEMPLO-2

Supondo o exemplo-1 agora, utilizando um evaporador com trs efeito. Deve-se concentrar um produto a 10.000 kg/h que esta com15% de concentrao inicial, a uma temperatura de 30C, at uma concentrao final de 60% de slidos solveis. A temperatura do vapor no primeiro efeito de 120C e, a presso do vapor no ltimo

efeito PV=0,1993 bar. O coeficiente de transferncia de calor para cada efeito U=1000 W/m. O peso especfico do produto igual a M=342 kg/m.SOLUO

Sendo a mesma quantidade de vapor, podemos escrever ento:MV1 = MV2 = MV3 = MC1 = MC2 = MV

o concentrado obtido por hora ser:0,15Mf = 0,60MP3 0,15 10000 = 0,60MP3 MP3 = 2500 kg/h Logo MV1 = MV2 = MV3 = MC1 = MC2 = 2500 kg/h

No 1 Efeito

MP1 = Mf MV1 = 10000 2500 MP = 7500 kg/h 1 WP1 = Wf

Mf MP1

= 0,15

10000 7500

WP = 0,20 1

No 2 Efeito

MP2 = MP MV2 = 7500 2500 MP2 = 5000 kg/h 1

MP1 7500 WP2 = WP = 0,20 WP2 = 0,30 1 MP 2500 3PV = 0,1994 TV PV = 60 C 3 3 3

A elevao do PE em cada estgio do evaporador ser:Para o 1 Efeito ( PE1 )

M1 =

U WP 1 [ M (1 - WP1 ) ]

=

1000 0,20 [ 342 (1 - 0,20 ) ]

MP = 0,73 1

PE1 = 0,51 M1 = 0,51 0,73 PE1 = 0,37 C

Para o 2 Efeito ( PE2 )

M2 =

U WP2 [ M (1 - WP2 ) ]

=

1000 0,30 [ 342 (1 - 0,30 ) ]

M2 = 1,25

PE2 = 0,51 M2 = 0,51 1,25 PE2 = 0,64 C

Para o 3 Efeito ( PE3)

M3 =

U WP3 [ M (1 - WP3 ) ]

=

1000 0,60 [ 342 (1 - 1,40 ) ]

M3 = 4,39

PE3 = 0,51 M3 = 0,51 4,39 PE3 = 2,24 C

Portanto:s Ts Tv PEi s i=1 3 120 60 (2,24 + 0,64 + 0,37) 3

T1 = T2 = T3 =

=

= 18,9 C

T1 = Ts TP1 TP = Ts T1 = 120 18,9 = 101,1 C 1

Desta forma teremos:TV1 = TP PE1 = 101,1 0,37 = 100,7 C 1 TP3 = TV3 PE3 = 60 + 2,24 = 62,2 C T3 = TV2 + TP3 TV2 = TP3 + T3 = 62,2 + 18,9 = 81,1 C TP2 = TV2 + PE2 = 81,1 + 0,64 = 81,7 C

Resumindo os resultados obtidos at aqui:

Mf = 10000 kg/h MP1 = 7500 kg/h MP2 = 5000 kg/h MP3 = 2500 kg/h TV1 =100,7C

Tf = 30C TP1 = 101,1C TP2 = 81,7C TP3 = 62,24C TV2 = 81,1C

Wf = 0,15 WP1 = 0,20 WP2 = 0,30 WP3 = 0,60 TV3 = 60,0C

CLCULO DO BALANCO ENERGTICO DO EVAPORADOR

O balano energtico do evaporador deve sempre ser avaliado no efeito que est recebendo o vapor vivo diretamente da caldeira. Portanto temos:Mf Hf + MsHs = MP1HP1 + MV1HV1 + McHc HP1 = HWP (1 0,7WP1 ) = 423,1(1 0,7 0,2) = 364 kJ/kg 1 H f = HP2 (1 0,7Wf ) = 125,56(1 0,7 0,15) = 112,6 kJ/kg HV1 = 2677,5 kJ/kg (Hs Hc ) = 2202,6 kJ/kg Ms = MP + MV1HV1 = Mf Hf 1 Hs Hc = 7500 364 + 2500 2677,5 10000 112,6 2202,6

Ms = 3767 kg/h ( consumo de vapor )

EFICINCIA DO PROCESSO

Representa quantos kg de gua est sendo evaporado no processo para cada kg de vapor consumido. Temos portanto:Ev = (MV1 + MV2 + MV3 ) Ms = 7500 3767 E v = 1,99 kg/gua

o resultado mostra que para cada kg de vapor, est sendo evaporado 1,99 kg de gua do produto.

REA DA SUPERFCIE DE TROCA TRMICA

Para o 1 Efeito

Ms (Hs Hc )s = U A1 ( Ts TP ) 1 A1 = Ms (Hs Hc )s [ U(Ts TP ) ] 1 = (3767 3600) (2202,2 1000) [1000 18,9] A1 = 122,0 m 2

Para o 2 Efeito

MV1 (Hs Hc )v = U A 2 ( TV1 TP2 ) 1 A2 = MV1 (Hs Hc )v 1 [ U(TV1 TP2 ) ] = (2500 3600) (2255 1000) [1000 18,9] A 2 = 82,9 m 2

Para o 3 Efeito

MV2 (Hs Hc )v = U A 3 ( TV1 TP2 ) 2 A3 = MV2 (Hs Hc )v 2 [ U(TV1 TP3 ) ] = (2500 3600) (2306 1000) [1000 18,9] A 3 = 84,7 m 2

rea Total ser : A T = (112,0 + 82,9 + 64,7) = 290 m 2

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

MCCABE, W.L, SMITH, J.C., HARRIOTT, P., Operaciones Unitrias em Ingenieria Qumica, McGrawHill, New York, 1991. FOUST, A.S.; WENZE L.A.; CLUMP, C.W.; MAUS, L.; BRYCE ANDERSEN, L. Princpios de Operaes Unitrias, 2a Ed.. Rio de Janeiro: LTC Editora, 1982. EARLE,R.L.,EARLE,M, D., Unit Operations in Food Processing, Publis.,NZIFST, New Zealand, 1983. MAFART, P. , Gnie Industriel Alimentaire, Les procds physiques de conservation, vol-1, Lavoisier, Paris, 1996. BILLET, R., Evaporation Techology, VCH Verlagsgesells Chaft, Weinhaeim, Germany, 1989. SIOZAWA, Y.Y., & QUAST, D.G., Processo de Evaporao na Concentrao de Alimentos, ITAL, Campinas, SP, 1975. COULSON & RICHARDSONS, Chemical Enginnering, Chemical Engineering Design, ButterworthHeinemann. Oxford, 2003. PERRY,R.H., GREEN, D.W., Perrys Chemical Engineer Handbook, McGraw-Hill, R.J., 1997.

http://tecalim.vilabol.uol.com.br2009