UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALFENAS ENGENHARIA QUMICA

ANDR VIEIRA LOURENO DOS SANTOS

TRABALHO DE CONCLUSO DE CURSO PROJETO E OTIMIZAO DE UM EVAPORADOR

Poos de Caldas/MG 2015

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALFENAS ENGENHARIA QUMICA

ANDR VIEIRA LOURENO DOS SANTOS

PROJETO E OTIMIZAO DE UM EVAPORADOR Trabalho de Concluso de Curso, apresentado Banca Examinadora da Universidade Federal de Alfenas para obteno do grau de Bacharel em Engenharia Qumica sob orientao do Prof. Dr. Ira Santos Jnior.

Poos de Caldas/MG 2015

S237p Santos, Andr Vieira Loureno dos .

Projeto e otimizao de um evaporador. /Andr Vieira Loureno dos Santos.

Orientao de Ira Santos Jnior.. Poos de Caldas: 2015. 53 fls.: il.; 30 cm. Inclui bibliografias: fl. 39 Trabalho de Concluso de Curso (Graduao em Engenharia Qumica)

Universidade Federal de Alfenas Campus de Poos de Caldas, MG.

1. Evaporador . 2. Evaporao,. 3. Operao unitria. I . Santos Jnior, Ira.(orient.).II. Universidade Federal de Alfenas Unifal III. Ttulo.

CDD 660.2

RESUMO

A Engenharia Qumica em sua essncia visa o desenvolvimento de processos para o aproveitamento e transformao dos recursos naturais em favor da humanidade. Processos otimizados aumentam a produtividade e permitem a melhor utilizao destes recursos. Para que a produo se torne cada vez mais vivel, papel do engenheiro qumico estudar os fluxos de massa e energia bem como a variao das caractersticas fsico-qumicas de cada produto. Em geral, os processos so separados em etapas com o objetivo de estudar cada operao unitria que influencia no processo como um todo. A evaporao um processo que permite a concentrao de misturas para diversos fins, por exemplo, agregar valor ao produto final e diminuir custos de transporte. Esta operao unitria tem sido utilizada em muitos processos e sua aplicao tem comprovado benefcios para os mais variados ramos de produo ao longo dos tempos. O presente trabalho visou estudar um processo de evaporao para a concentrao de soluo de hidrxido de sdio de 10% para 40% em massa. Entre os principais aspectos do projeto esto transferncia de calor, separao lquido vapor e consumo eficiente de energia. Para a definio do melhor modelo, foram estudados sistemas de evaporao de efeito simples e mltiplos efeitos com configuraes de alimentao direta e contracorrente. Modelos matemticos foram criados para cada um dos sistemas resultando na configurao de efeito duplo em contracorrente como mais vantajosa. Deste modo, o desenvolvimento deste trabalho possibilitou o esclarecimento do processo de evaporao bem como a tomada de deciso na escolha do sistema mais vivel.

Palavras-chave: operao unitria, evaporao, hidrxido de sdio, contracorrente.

ABSTRACT The Chemical Engineering in its essence aims at developing processes for the exploitation and processing of natural resources in favor of humanity. Optimized processes increase productivity and enable better use of these resources. To increase the production feasibility, the role of the chemical engineer is to study the mass and energy flows as well as the variation of physical and chemical characteristics of each product. In general, the processes are separated in steps with the aim to study each unit operation in the whole process. Evaporation is a process that allows the concentration of mixtures for many purposes, for example, to add value to the end product and reduce transportation costs. This unit operation has been used in many processes and its application has proven benefits for various branches of production over time. The present work aimed to study a process in which, by evaporation, a sodium hydroxide solution is to be concentrated from 10%wt to 40%wt. Amongst the main aspects of the project are the heat transfer, the vapor liquid separation and the efficient power consumption. To define the best model, evaporation systems were studied for single and multiple effects in forward feed and backward feed configurations. Mathematical models were created for each one of the systems proposed resulting in a double effect backward feed flow configuration as the most advantageous. Thus, the development of this work made it possible to clarify the evaporation process and the decision making in choosing the most viable system. Keywords: unit operation, evaporation, sodium hydroxide, backward feed flow.

LISTA DE SMBOLOS

! - Temperatura de ebulio da soluo nas linhas de Dhring !#$! - Temperatura de ebulio da gua nas linhas de Dhring !# - Temperatura do vapor de aquecimento

!% - Temperatura do produto

!& - Temperatura do vapor

!&,#$!(,) - Temperatura do vapor saturado nos efeitos 1 ou 2

!&,#*+,-./*,0123 - Temperatura do vapor em equilbrio com o produto

4%4 - Elevao do ponto de ebulio

56 - Vazo mssica de alimentao

5% - Vazo mssica de produto 5& - Vazo mssica de vapor

5# - Vazo mssica de vapor de aquecimento

76 - Frao molar de soluto na alimentao 7% - Frao molar de soluto no produto

86 - Entalpia da alimentao 8% - Entalpia do produto

8& - Entalpia do vapor

8&,#$!(,) - Entalpia do vapor saturado nos efeitos 1 ou 2

9:4 - Fluxo de calor do balano de energia 9!; - Fluxo de calor do trocador de calor

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SUMRIO

1 INTRODUO .......................................................................................................... 71.1 JUSTIFICATIVA ..................................................................................................... 71.2 OBJETIVO .............................................................................................................. 81.2.1 Objetivo geral ...................................................................................................... 81.2.2 Objetivos especficos .......................................................................................... 82 DESENVOLVIMENTO ............................................................................................ 102.1 REVISO BIBLIOGRFICA ................................................................................. 102.1.1 Introduo ao projeto de evaporadores ............................................................ 102.1.2 Influncia das propriedades da soluo na evaporao ................................... 112.1.3 Os sistemas de evaporao e tipos de evaporadores ...................................... 142.1.4 Aspectos importantes do projeto ....................................................................... 182.2 SISTEMAS DE EVAPORAO DO PROJETO ................................................... 222.3 METODOLOGIA ................................................................................................... 242.3.1 Escopo do projeto ............................................................................................. 242.4 PARMETROS DE COMPARAO DO PROJETO ........................................... 252.5 LEVANTAMENTO DE EQUAES E HIPTESES ............................................ 252.5.1 Clculo da Elevao do ponto de ebulio ....................................................... 262.5.2 Balano de massa ............................................................................................. 262.5.3 Balano de energia ........................................................................................... 272.5.4 Transferncia de calor ....................................................................................... 272.5.5 Capacidade do evaporador ............................................................................... 282.5.6 Economia do evaporador .................................................................................. 282.5.7 Calor latente de vaporizao ............................................................................. 282.5.8 Entalpia de vapor saturado ............................................................................... 283 RESULTADOS E DISCUSSO .............................................................................. 303.1 RESULTADOS DO PROJETO DE EVAPORADOR DE EFEITO SIMPLES ...... 303.2 RESULTADOS DO PROJETO DE EVAPORADOR DE EFEITO DUPLO COM

ALIMENTAO DIRETA ............................................................................................ 323.2.1 Elevao do ponto de ebulio no evaporador de efeito duplo em fluxo direto 333.3 RESULTADOS DO PROJETO DE EVAPORADOR DE EFEITO DUPLO COM

ALIMENTAO CONTRACORRENTE ..................................................................... 343.3.1 Elevao do ponto de ebulio no evaporador de efeito duplo em fluxo

contracorrente ............................................................................................................ 354 CONCLUSO ......................................................................................................... 375 SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS ..................................................... 38REFERNCIAS .......................................................................................................... 39APNDICE 1: MEMRIA DE CLCULO .................................................................. 40

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1 INTRODUO

O estudo da engenharia qumica busca encontrar alternativas e solues para

a concepo de projetos otimizados, os quais podem ser aplicados em diversos

processos industriais. Deste modo, Engenheiros Qumicos devem ser capazes de

integrar operaes unitrias para o desenvolvimento e construo de plantas

industriais (RICHARDSON & HAR