EVAPORAÇÃO. Prof. Msc. Fernanda Palladino

Transcrição

1 OPERAÇÕES UNITÁRIAS EVAPORAÇÃO

2 EVAPORAÇÃO INTRODUÇÃO E OBJETIVO A Evaporação é um processo que consiste na concentração de uma solução pela vaporização do solvente na ebulição; Na maioria das vezes o produto evaporado é um produto sem valor comercial, enquanto que o líquido concentrado é o que tem importância econômica. Exemplos: Produto desejado normalmente: solução concentrada (exemplo: na evaporação da água do mar com o objetivo de obter o sal); Produto desejado ocasionalmente: solvente evaporado (exemplo: na evaporação da água do mar com o objetivo de obter água potável);

3 EVAPORAÇÃO FINALIDADE O evaporador tem a função principal de fornecer calor para evaporar a água do produto (troca térmica), através da ebulição. Esta operação de fervura pode ser realizada sob vácuo no interior do evaporador para que o produto não perca a sua cor, odor, sabor e demais ingredientes ativos, sendo assim, o produto entra em ebulição a baixa temperatura

4 FINALIDADE EVAPORAÇÃO Alguns fatores são importantes na evaporação da água dos produtos e devem ser observados: Viscosidade do Produto: Quanto mais concentrado mais viscoso ele se torna, até o ponto em que a troca térmica não é mais possível. Pressão no Evaporador: A temperatura do produto no interior do evaporador é função da pressão interna ou seja, a temperatura do vapor é igual a temperatura de saturação na mesma pressão. Vácuo Interno: Aumentando o vácuo interno no evaporador, aumenta a troca térmica no produto e evita a degradação do mesmo.

5 EVAPORAÇÃO EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS Operação contínua; Grande superfície de troca térmica; Ebulição violenta; Evaporação mais rápida; Problemas: Espumejamento; Formação de incrustrações; Corrosão; Limitações de espaço; Sensibilidade do produto ao calor;

6 EVAPORADOR DE TUBOS HORIZONTAIS A solução a ser evaporada ferve no exterior dos tubos horizontais, dentro dos quais o vapor de água condensa; Desvantagens: EVAPORAÇÃO Os tubos horizontais interferem na circulação natural do líquido fervente e, por conseqüência, a agitação do líquido é minimizada; O coeficiente global de transmissão de calor é mais baixo que nas outras formas de evaporadores, principalmente para soluções viscosas; Não há qualquer dispositivo para quebrar a espuma formada em virtude da ação da ebulição; acúmulo de incrustação provocada pela solução evaporante no exterior dos tubos, de onde não pode ser removida com tanta facilidade como do interior dos tubos;

7 EVAPORAÇÃO EVAPORADOR DE TUBOS HORIZONTAIS Corte esquemático de um evaporador de tubos horizontais.

8 EVAPORAÇÃO EVAPORADOR DE TUBOS VERTICAISS A solução ferve no interior dos tubos verticais e o fluido aquecedor fica numa câmara de vapor através da qual passam os tubos; Superam a maior parte das desvantagens operacionais dos evaporadores de tubos horizontais; A circulação natural é estimulada e os coeficientes de transmissão de calor são maiores que nos evaporadores de tubos horizontais; As incrustações são removíveis por limpeza mecânica e a destruição da espuma é reduzida, mas não eliminada; Para líquidos viscosos a circulação lenta e coeficientes de transmissão de calor baixos; São impraticáveis quando a solução a evaporar é muito viscosa ou muito espumejante e só suporta as temperaturas do evaporador durante intervalos de tempo muito curtos;

9 EVAPORAÇÃO EVAPORADOR DE TUBOS VERTICAIS Existem variações dos tipos de evaporador; 1. Evaporador do tipo cesta Corte esquemático de um evaporador tipo cesta

10 EVAPORAÇÃO EVAPORADOR DE TUBOS VERTICAIS Nos dois tipos a solução ferve no interior dos tubos verticais e o fluido aquecedor, em geral o vapor de água condensante fica numa câmara de vapor através da qual passam os tubos. No evaporador tipo cesta a caixa de vapor forma uma cesta suspensa no centro do evaporador. A fervura ou o aquecimento no interior dos tubos provoca um escoamento ascendente dentro dos tubos, e o líquido que não foi evaporado escoa para baixo, através de um anel que circunda a cesta

11 2. Evaporador de tubos curtos e circulação natural. EVAPORAÇÃO EVAPORADOR DE TUBOS VERTICAIS Corte esquemático de um evaporador de tubos verticais curtos e circulação natural. Carga

12 Corte esquemático de um evaporador de tubos longos e circulação forçada. EVAPORAÇÃO EVAPORADOR DE TUBOS VERTICAIS 3.Evaporador de tubos longos e circulação forçada:

13 EVAPORAÇÃO QUEIMADOR A COMBUSTÃO SUBMERSA Materiais viscosos e corrosivos; Não há superfície metálica para transferência de calor, pois os produtos da combustão borbulham através do fluido de processo; Transferência de calor realizada pelos gases de combustão; Grandes economias redução de custos;

14 EVAPORAÇÃO EVAPORADOR EM UM ESTÁGIO SIMPLES EFEITO Neste tipo de evaporador, o vapor liberado da concentração não é reaproveitado para um pré-aquecimento do alimento e possui um projeto muito simples.

15 EVAPORAÇÃO EVAPORADOR EM UM ESTÁGIO SIMPLES EFEITO O vapor saturado Ts entra no trocador de valor acima da entrada do alimento Tf. A troca térmica começa a ocorrer e o alimento entra em ebulição a uma temperatura Tp (temperatura de equilíbrio com a temperatura do vapor), ou seja, a quantidade de calor transferida ao alimento, é diretamente proporcional à quantidade de vapor que condensa. A temperatura do vapor é controlada pela pressão mantida no evaporador. O alimento no evaporador em ebulição vai estar em equilíbrio com a temperatura do vapor de aquecimento. A eficiência do processo é calculada pela quantidade evaporada contra o consumo de vapor utilizado. O desperdiço de vapor é a características dos evaporadores de um único efeito.

16 EVAPORAÇÃO EVAPORADOR DE MULTIPLOS ESTÁGIOS Os evaporadores de múltiplo efeito conjugam em série dois ou mais evaporadores de um efeito. A grande vantagem desta conjugação e 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.

17 EVAPORAÇÃO EVAPORADOR DE SIMPLES E DE MULTIPLOS ESTÁGIOS No evaporador simples o vapor liberado da concentração não é reaproveitado para um pré-aquecimento do alimento e possui um projeto muito simples e os evaporadores de múltiplos estágios conjugam em série dois ou mais evaporadores de um efeito. A grande vantagem desta conjugação e 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.

18 OPERAÇÕES UNITÁRIAS CRISTALIZAÇÃO

19 CRISTALIZAÇÃO INTRODUÇÃO E OBJETIVO Obtenção do sólido pela concentração da solução até a saturação e pela formação de cristais na solução A condição primordial que deve ser cumprida em um cristalizador é criar uma solução supersaturada, uma vez que, a cristalização não ocorre sem que haja supersaturação. A forma empregada para propiciar a sobresaturação depende essencialmente da cura de solubilidade do soluto

20 CRISTALIZAÇÃO INTRODUÇÃO E OBJETIVO Processos industriais preferencialmente contínuos; Devem gerar partículas com características uniformes em: Dimensões; Formas; Teor de umidade; Pureza; Coloração; Aroma; Características de torteamento;

21 CRISTALIZAÇÃO EQUIPAMENTOS DE CRISTALIZAÇÃO 1.Cristalizadores que conseguem a precipitação mediante o resfriamento de uma solução concentrada e quente; Resfriadores de tabuleiro; Cristalizadores descontínuos; Cristalizador contínuo (Swenson-Walker); 2.Cristalizadores que conseguem a precipitação mediante a evaporação de uma solução; Evaporadores-cristalizadores; Cristalizadores com tubo de tiragem; Cristalizadores Oslo; 3.Cristalizadores que conseguem a precipitação pela evaporação adiabática e pelo resfriamento; Cristalizadores a vácuo

22 CRISTALIZAÇÃO MECANISMO DE CRISTALIZAÇÃO O mecanismo de cristalização consiste na concentração da fase fluida deve ser maior que a da saturação. A cristalização principia com um mecanismo de nucleação pelo qual se forma um pequeno cristal; Juntam-se ao aglomerado moléculas adicionais e ele principia a assumir o espaçamento regular das moléculas e a formar uma nova fase; Neste ponto o aglomerado é chamado de embrião; a adição de maior nº de moléculas ao embrião faz ele crescer e forma-se o núcleo do cristal; Sua tendência é crescer e formar cristais maiores

23 CRISTALIZAÇÃO EQUIPAMENTOS DE CRISTALIZAÇÃO Cristalizador Swenson-Walker - RESFRIAMENTO Destinado a operar continuamente Consiste numa grande calha semicilindrica com camisa de calha de resfriamento e um misturador de fitas quee gira cerca de 7 rpm. A solução quente concentrada é introduzida continuamente numas da extremidades e flui lentamente para a outra extremidade enquanto vai sendo resfriada. A função do agitador é a de raspar os cristais da paredes frias da unidade e agitar os cristais na solução de modo que a precipitação ocorre principalmente pelo acumulo de material sobre os cristais fomados anteriormente, em lugar de ser fruto da formação de novos cristais.

24 CRISTALIZAÇÃO EQUIPAMENTOS DE CRISTALIZAÇÃO Cristalizador Swenson- Walker - RESFRIAMENTO

25 CRISTALIZAÇÃO EQUIPAMENTOS DE CRISTALIZAÇÃO Tipos de cristalizadores Cristalizador Oslo EVAPORAÇÃO

26 CRISTALIZAÇÃO EQUIPAMENTOS DE CRISTALIZAÇÃO Tipos de cristalizadores

27 CRISTALIZAÇÃO EQUIPAMENTOS DE CRISTALIZAÇÃO Tipos de cristalizadores Cristalizador a vácuo EVAPORAÇÃO BAIXA PRESSÃO Cristalizadores que conseguem a precipitação pela evaporação adiabática e pelo resfriamento.

28 CRISTALIZAÇÃO EQUIPAMENTOS DE CRISTALIZAÇÃO Cristalizador a vácuo EVAPORAÇÃO BAIXA PRESSÃO A evaporação é obtida pelo flash da solução quente num vaso a pressão baixa. Estas unidades podem ser operadas continuamente em um ou mais estágios ou então operada decontinuamente, onde a carga quente é bombeada para o vaso principal e principia-se a agitação da solução. Dá-se a partida dos ejetores, e a pressão e a temperatura do sistema são gradualmente diminuidas. O resultado global é que os vapores são removidos com muito maior economia que a possível na operação continua da unidade de pressão mais baixa.

29 CRISTALIZAÇÃO EQUIPAMENTOS DE CRISTALIZAÇÃO Sistema de cristalização de cloreto de potássio (Jordânia)

30 CRISTALIZAÇÃO EQUIPAMENTOS DE CRISTALIZAÇÃO Cristalizador para KNO 3 e NaNO 3 (Chile)

31 CRISTALIZAÇÃO Mecanismos de Cristalização O mecanismo de cristalização influencia as condições dentro do cristalizador e as propriedades do produto que se obtêm; A deposição de um cristal sólido só pode ocorrer como resultado de uma força motriz de concentração dirigida do seio da solução para a interface do sólido; A concentração da fase fluida deve ser maior que a da saturação; O grau de supersaturação depende: Do nº e da forma dos cristais sobre os quais ocorre a precipitação; Do nível de temperatura; Da concentração da solução; Da violência da agitação atuante; A cristalização principia com um mecanismo de nucleação pelo qual se forma um pequeno cristal;

32 CRISTALIZAÇÃO Mecanismos de Cristalização Juntam-se ao aglomerado moléculas adicionais e ele principia a assumir o espaçamento regular das moléculas e a formar uma nova fase; Neste ponto o aglomerado é chamado de embrião; a adição de maior nº de moléculas ao embrião faz ele crescer e forma-se o núcleo do cristal;sua tendência é crescer e formar cristais maiores; A nucleação primária (nucleação homogênea, descrita anteriormente e a nucleação sobre partículas insolúveis muito pequenas) ocorre apenas em pequeno grau no magma de um cristalizador; A nucleação secundária (precipitação sobre a superfície de um cristal) corresponde a maior parte da cristalização;

33 CRISTALIZAÇÃO OBTENÇÃO DE SAL : Pureza desde o bombeamento da água do mar A pureza começa na captação, que é feita diretamente de águas virgens do Oceano Atlântico para a área de evaporação. É o inicio de uma viagem de cerca de 60 dias pelos tanques das salinas.

34 CRISTALIZAÇÃO obtenção do sal EVAPORAÇÃO 1ª ETAPA Um ecossistema semelhante ao do mar A água do mar é exposta ao sol para evaporar e aumentar a concentração de sal. A evaporação média é de 8 milímetros por dia. Nesta fase, a fauna e a flora ainda são semelhantes às do mar.

35 CRISTALIZAÇÃO obtenção do sal EVAPORAÇÃO-2ª ETAPA Fauna e flora de ambientes salinos Aumenta a concentração de sal, produzindo uma salmoura de maior densidade. As espécies de plantas e de animais começam a se mostrar diferentes das do mar e aparecem os primeiros exemplares de fauna e flora típicos de ambientes salinos.

36 CRISTALIZAÇÃO obtenção do sal EVAPORAÇÃO-3ª ETAPA A artêmia entra em ação Nesse ponto introduz-se na salmoura a artêmia salina, um micro-crustáceo que age como filtro biológico, absorvendo todos os microorganismos e purificando a salmoura. A salmoura continua a se concentrar até atingir o limite de saturação e ficar pronta para ser transferida para os cristalizadores.

37 CRISTALIZAÇÃO obtenção do sal CRISTALIZADORES Cristais acumulados: hora da colheita Nos cristalizadores, a evaporação da salmoura saturada precipita os cristais de sal. Cada cristalizador mantém uma lâmina de 30 a 40 centímetros de salmoura, que é trocada a cada trinta ou quarenta dias. Precipita-se por mês uma camada de 2,5 a 3 centímetros de sal. Quando a camada chega a uma altura de 15 a 18 centímetros, retira-se a salmoura e inicia-se a colheita.

38 OPERAÇÕES UNITÁRIAS UMIDIFICAÇÃO

39 INTRODUÇÃO UMIDIFICAÇÃO É uma operação Unitária na qual ocorre uma transferência simultânea de calor e massa, sem que haja a presença de uma fonte de calor externa. A Transferência simultânea de calor e massa na operação de umidificação ocorre quando um gás entra em contato com um líquido puro, no qual é praticamente insolúvel, este fenômeno nos conduz a diferentes aplicações além da umidificação de um gás, como sua desumidificação, o resfriamento do gás ( condicionamento de ar), resfriamento de líquidos, além de permitir a medição do conteúdo de vapor no gás.

40 INTRODUÇÃO UMIDIFICAÇÃO Geralmente a fase líquida é a água e a fase gasosa é um gás. Sua principal aplicação industrial é o resfriamento de água ( torres de resfriamento)

41 INTRODUÇÃO UMIDIFICAÇÃO Aplicações industriais e equipamentos Umidificação: Controlar a umidade do ambiente; Resfriar e recuperar água mediante o contato com o ar de baixa umidade; Água perde calor para atmosfera pode ser reutilizada em trocadores de calor na planta; Poderia ser resfriada Trocadores de calor superficiais; Escolha de outro método decide-se pela ECONOMIA, comparando: Perda de água de refrigeração; O custo de fornecimento e da operação da fonte de arrefecimento do resfriador de superfície; Maior custo das unidades de resfriamento superficial;

42 INTRODUÇÃO UMIDIFICAÇÃO Aplicações industriais e equipamentos Desumidificação: É efetuda como uma etapa nos sistemas de condicionamento de ar; Sistemas de recuperação de solvente (tricloroetileno, benzeno, metanol); Qualquer destas aplicações podem ser efetuadas em equipamento semelhantes;

43 INTRODUÇÃO UMIDIFICAÇÃO Aplicações industriais e equipamentos Câmara de nebulização: Chaminé Entrada de água Entrada de gás Solução Bocal aspersor Bocal estrangulado efluente Figura 01: Depurador de fumos com câmaras de nebulização.

44 INTRODUÇÃO UMIDIFICAÇÃO Nesta camara, o líquido é dispersado na forma de uma névoa grossa de corrente de gás. A velocidade do gás mantém-se baixa, de modo a ser dilatado o tempo de contato e a ser pequena a quantidade do líquido arrastado fisicamente pelo gás da corrente. São usadas em operações de pequena escala e no controle da umidade de salas ou de oficinas onde se deseja ter a umidificação ou a desumidificação do ar efluente. Depurador de fumos: Remover poeiras de uma corrente de gás; Reação de um líquido com componente da corrente gasosa; Remoção de um componente condensável na fase gasosa

45 INTRODUÇÃO UMIDIFICAÇÃO Torres de Arrefecimento: Água de arrefecimento de processos ser a mais preciosa o resfriamento e reutilização mais comuns; Tiragem mecânica ou natural; Aplicações de maior porte: torres de resfriamento com tiragem natural;

46 Torres de resfriamento: UMIDIFICAÇÃO

47 Fluxo do ar: UMIDIFICAÇÃO Entrada do ar na torre pela base [anel aberto em torno da base (7,5m de altura)]; Flui para cima (através do material de recheio - madeira ou plástico) Passa pela chaminé Sai quente e úmido Penacho de vapor

48 UMIDIFICAÇÃO Fluxo da água para resfriamento: Entrada da água pelo topo Distribuída sobre o recheio Escorre sobre o material (madeira ou plástico) Cai no tanque sob a torre

49 UMIDIFICAÇÃO Torre de resfriamento com tiragem natural O projeto é complicado pelo fato de a velocidade do gás não ser diretamente controlada; O ar úmido e quente que sai do enchimento da torre é menos denso que o ar frio e mais seco que entra no enchimento; Então o ar é deslocado para cima pela força da gravidade; A velocidade de escoamento do ar vai depender da diminuição de densidade provocada pelo processo de transferência que ocorre na torre e pela altura da torre. Por sua vez, a intensidade do processo de transferência depende da velocidade de escoamento; Os dados sobre desempenho de recheios de torres de resfriamento de porte industrial são poucos; Os que existem estão pantenteados e guardados em segredo pelos fabricantes;

50 Torres de resfriamento: UMIDIFICAÇÃO Temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido do ar. A temperatura de bulbo seco do ar é a própria temperatura do gás (o bulbo do termômetro usado na medição está "seco"). A temperatura de bulbo úmido é medida com o bulbo do termômetro envolto com uma gaze umidificada com água A temperatura de bulbo úmido é menor ou no máximo igual em relação à temperatura de bulbo seco. Isso ocorre porque, exposta a uma corrente de ar não saturado (umidade relativa menor do que 100 %), parte da água presente na gaze evapora e com isso, a temperatura abaixa.

51 Torres de resfriamento: UMIDIFICAÇÃO Temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido do ar. Para entender esse fenômeno de resfriamento devido à evaporação, pode-se mencionar dois exemplos quotidianos: Quando você sai da piscina, tem uma sensação Quando você sai da piscina, tem uma sensação repentina de frio, pois vaporiza parte da água impregnada na sua pele. Quando você toma água guardada numa moringa de barro, ela é mais fresca, pois como o barro é poroso, parte da água armazenada transpira pelas paredes (a superfície externa da moringa parece "suada"), evapora no ar e com isso, resfria a água da moringa.

52 UMIDIFICAÇÃO Figura: Esquema para determinação da temperatura de bulbo úmido.

53 Torres de resfriamento: UMIDIFICAÇÃO Numa torre de resfriamento, a principal contribuição para o resfriamento da água é dada pela evaporação de parte dessa água que recircula na torre. A evaporação da água causa o abaixamento da temperatura da água que escoa ao longo da torre de resfriamento. A evaporação de parte da água é responsável por aproximadamente 80% do resfriamento da água. A diferença de temperatura entre o ar e a água é responsável pelos outros 20 % do resfriamento.

54 Torres de resfriamento: UMIDIFICAÇÃO As torres de resfriamento são equipamentos utilizados para o resfriamento de água industrial, como aquela proveniente de condensadores de usinas de geração de potência, ou de instalações de refrigeração, trocadores de calor, etc. A água aquecida é gotejada na parte superior da torre e desce lentamente através de enchimentos de diferentes tipos, em contracorrente com uma corrente de ar frio (normalmente à temperatura ambiente). No contato direto das correntes de água e ar ocorre a evaporação da água, principal fenômeno que produz seu resfriamento. Uma torre de refrigeração é essencialmente uma coluna de transferência de massa e calor, projetada de forma a permitir uma grande área de contato entre as duas correntes. Isto é obtido mediante a aspersão da água líquida na parte superior e do enchimento da torre, isto é, bandejas perfuradas, colmeias de materiais plástico ou metálico, etc, que aumenta o tempo de permanência da água no seu interior e a superfície de contato água - ar.

55 UMIDIFICAÇÃO Torres de resfriamento: O uso principal das grandes torres de refrigeração industrial é remover o calor absorvido na água, sistemas de refrigeração circulante utilizado em usinas, refinarias de petróleo, petroquímicas, plantas de processamento, fábricas de processamento de alimentos, fábricas de semi-condutores, e para outra unidade industrial equipamentos, tais como em condensadores de colunas de destilação, para refrigeração líquida na cristalização, etc

56 UMIDIFICAÇÃO Torres de resfriamento:

57 UMIDIFICAÇÃO Torres de resfriamento: Crossflow Tangencial é um projeto em que o fluxo de ar é direcionado perpendicularmente ao fluxo da água (veja a figura abaixo). O fluxo de ar entra em um ou mais faces vertical da torre de resfriamento para atender o material de preenchimento. O fluxos de água (perpendicular ao ar), através do preenchimento por gravidade. O ar continua através do preenchimento e, portanto, passado o fluxo de água em uma área de admissão aberta. A distribuição ou bacia de água quente consistindo de um tacho com furos ou orifícios na parte inferior é utilizada em uma torre de fluxo cruzado.. Gravidade distribui a água pelos orifícios uniformemente por todo o material de preenchimento

58 UMIDIFICAÇÃO