Evaporadores_e_Condensadores_fernanda_182

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Evaporadores 
Profa. FERNANDA FERREIRA FREITAS 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS: 
EVAPORAÇÃO 
• Em inúmeros processos químicos- necessidade de concentrar 
Soluções – EVAPORADORES – uma solução diluída recebe energia 
se aquece e entra em ebulição, gerando vapor que é retirado do 
sistema produzindo uma solução mais concentrada. 
 
• produção de açúcar – caldo de cana entra com 15% em 
massa e deverá ser concentrado até o teor de 65%. 
 
• Pode em princípio requerer muita energia pois envolve 
mudança de fase do solvente; 
 
• Utilizada quando: solução composta por solvente volátil 
 e soluto não volátil (pressão de vapor muito baixa) 
É remoção do solvente de uma solução, o solvente é removido na forma de 
vapor. A solução entra em ebulição, apenas o solvente evapora, restando 
uma solução mais concentrada. 
• É um tipo particular de trocador de calor; 
 
• Há um fluido quente e um fluido frio; 
 
•Normalmente o fluido quente é vapor de água saturado 
que se condensa; 
 
 Fluido frio é a solução a ser concentrada, e entrará em 
ebulição; 
 
Todo evaporador é composto por uma área de troca de 
calor e um espaço e/ou acessório para separar o líquido 
do vapor; 
 
• Os evaporadores normalmente operam sob vácuo, e 
haverá ligado ao evaporador sob vácuo, um condensador 
que condensará o vapor produzido. O vácuo é feito no 
condensador. 
Evaporadores 
1. Objetivo: 
 A evaporação é uma operação unitária que visa 
concentrar uma solução composta de um soluto 
não-volátil e de um solvente volátil. 
SOLVENTE 
SOLUTO 
SOLVENTESOLUTOSOLUÇÃO
SOLUÇÃO
SOLUTO
VVV
V
m
C


EQUIPAMENTOS 


SOLUÇÃO
SOLUTO
V
m
C
É possível diminuir o volume da solução através 
da evaporação do solvente. 
 Na maioria das aplicações o solvente é a água. 
 Normalmente o líquido concentrado é o produto 
valioso (de interesse) e o vapor eliminado da 
solução é condensado e descartado. 
EVAPORAÇÃO 
• Operação Unitária que envolve transferência de calor e massa; 
• Uma solução líquida é concentrada pela vaporização de uma 
parte do solvente; 
• Altas exigências térmicas devido ao fornecimento pelo sistema 
de calor latente de vaporização do solvente 
 
EVAPORADORES 
• Trocador de calor projetado para fornecer a um fluido seu 
calor latente de vaporização; 
• Qdo o vapor formado é o vapor de água, o evaporador é tb 
chamado de vaporizador; 
• Qdo o trocador de calor é usado para fornecer a carga 
térmica na base de uma coluna de destilação, é chamado de 
 refervedor; 
• Os coeficientes de transmissão de calor nos evaporadores 
são uma função de diversas variáveis: vazões, fração do 
 líquido evaporado, área de transferência, projeto físico. 
Utilizado na produção de: 
• Suco de laranja concentrado; 
• H2SO4 concentrado; 
• Água destilada; 
• Indústria de papel e celulose – concentração de resíduos; 
• Indústria de processos inorgânicos – hidróxido de sódio, 
nitrato de amônio e cloreto de cálcio; 
• Produção de água potável a partir da água do mar (nesse 
caso o principal produto é o vapor gerado e não a solução 
concentrada. 
• DIFERENÇAS ENTRE EVAPORAÇÃO 
 
 x 
 
 
• OUTRAS OPERAÇÕES UNITÁRIAS 
• Evaporação não é a única operação 
unitária que envolve ebulição; geralmente 
na evaporação,o produto mais valioso é o 
concentrado, também denominado de licor 
grosso. 
• Secagem: produto é um sólido (na 
evaporação o produto usualmente é uma 
solução líquida concentrada) 
• Destilação: envolve dois ou mais 
componentes voláteis; (evaporação tem 
somente um) 
• Cristalização: produto é uma solução com 
cristais precipitados; 
• Usualmente o produto desejado é a 
solução concentrada; 
• Ex. em que o solvente evaporado é o 
produto primário: dessalinização da água 
do mar. 
• Processos envolvidos: 
Transferência de calor do meio calefator 
para a solução; 
Transferência simultânea de calor e de 
massa do líquido para a fase vapor. 
 
• Na forma básica um evaporador é constituído 
de um trocador de calor; área do trocador de 
calor – e um espaço ou um acessório para que 
ocorra a separação entre o líquido em ebulição 
e o vapor gerado. 
• O equipamento é construído para operar 
continuamente, a superfície de troca térmica é 
muito aumentada, a ebulição é muito mais 
violenta e a evolução do vapor é rápida. 
 
• Problemas: Formação de incrustações; Sensibilidade ao 
calor; Corrosão; Limitação de espaço. 
 
A seguir, são apresentados alguns importantes fatores que influenciam a resolução e 
problemas envolvendo evaporadores: 
I – Concentração: O aumento na concentração, inerente ao fenômeno de 
evaporação da solução conduz a um aumento do ponto de ebulição, da 
viscosidade e da densidade. Esse aumento nessas propriedades tendem a 
reduzir U, havendo maior tendência para formação de incrustações. A 
evaporação deverá ser interrompida quando a solução se saturar, exatamente 
para evitar a formação de cristais. 
 
II – Formação de Espumas: Alguns materiais, especialmente substâncias 
orgânicas, formam espuma durante a vaporização. O arraste desta espuma 
pelo vapor é indesejado, porque ela é capaz de arrastar parte da solução, o 
que produz um vapor contaminado e possibilita a perda de soluto. 
III – Sensibilidade Térmica: Muitos produtos químicos como medicamentos e 
alimentos degradam-se quando expostos a temperaturas mais elevadas. Para isso é 
necessário utilizar baixas T e reduzir o tempo de exposição ao calor. 
 
 
IV – Formação de Crostas: Algumas soluções depositam crostas sobre a superfície 
de troca térmica. Logo, o coeficiente global de troca térmica (UD) diminui com o 
equipamento em operação, exigindo, portanto, manutenção e limpeza, 
periodicamente. 
V – Material de Construção: Sempre que possível os evaporadores devem ser 
construídos em aço. Entretanto, muitas soluções atacam materiais ferrosos ou são 
contaminados por ele. Nestes casos, recomendam-se materiais especiais não 
ferrosos (Cu, Ni, Al) ou aço inox. Em tais hipóteses, deve-se obter elevadas taxas 
de transferência de calor para compensar o alto custo inicial. 
 
VI – Incrustações 
Materiais que se desenvolvem na superfície do evaporador; material depositado 
devido a corrosão diminuição da taxa de transferência de calor e parada 
para limpeza. 
Tipos de evaporadores 
• Os evaporadores normalmente operam 
continuamente e devem ser capazes de concentrar 
soluções com diferentes características. 
• Todos os evaporadores possuem uma superfície 
de aquecimento para a troca de calor e um espaço 
e/ou acessório para que o vapor gerado seja 
separado da solução em ebulição, evitando que o 
vapor arraste a solução; 
• A maneira como essa troca e separação são 
realizadas permite a classificação dos 
evaporadores. 
Tipos de evaporadores 
• Os evaporadores normalmente operam 
continuamente e devem ser capazes de 
concentrar soluções com diferentes 
características. Há diferentes tipos de 
evaporadores: 
• Evaporadores de circulação natural (tipo 
Calandra); 
• Evaporadores de circulação forçada; 
• Evaporadores de película. 
Evaporador de Simples Efeito 
VAPOR GERADO 
ALIMENTAÇÃO VAPOR ALIMENTADO 
SOLUÇÃO 
CONCENTRADA 
VAPOR CONDENSADO 
VAPOR ALIMENTADO 
SOLUÇÃO 
CONCENTRADA 
VAPOR GERADO 
ALIMENTAÇÃO 
SENTIDO DE 
CIRCULAÇÃO DO 
LÍQUIDO 
VAPOR CONDENSADO 
Tipos de Evaporadores 
Evaporadores de circulação natural 
• A movimentação da solução é realizada por variação 
da densidade, ocasionada pelo aquecimento e 
ebulição; 
• O principal tipo é o Calandra e/ou Roberts ou de 
tubos curtos; 
• Atualmente a grande utilização deste tipo é na 
produção de açúcar de cana; 
• Sua superfície de aquecimento é chamada de 
calandra; 
• O vapor de aquecimento escoa por fora dos tubos e 
a solução a ser concentrada, geralmente incrustante, 
escoa por dentrodos tubos. 
Evaporador tipo Calandra 
Evaporador Calandra 
Genérico. 
Antes de ver como 
opera vamos entender 
sua geometria 
A movimentação da solução é feita por circulação natural, que 
é eficiente com líquidos poucos viscosos. Nos casos de 
suspensão viscosas, pode haver um rotor para que ocorra a 
circulação forçada. 
Evaporador tipo Calandra 
• A área de troca de calor é semelhante ao 
feixe de um trocador de calor casco e 
tubo, mas no centro do feixe é como se 
alguns tubos fossem substituídos por um 
tubo com diâmetro bem maior. 
Evaporador tipo Calandra 
 
 
 
 
 
• A solução a ser concentrada ocupa o 
interior dos tubos e o tubo central. O vapor 
de aquecimento ocupa o lado casco 
 
Feixe de tubos Retire vários tubos do centro e coloque um tubo 
com diâmetro bem maior 
Foto de um espelho superior da calandra do 
Evaporador do laboratório do DEQ-UFSCar 
Espelho 
Alguns dos 
tubos por 
onde sobe 
a solução 
Duto central 
por onde desce 
a solução 
Flange com junta 
de vedação 
Evaporador tipo Calandra 
Há 2 ambientes distintos, com 
pressões diferentes (onde 
ficam os fluidos quente e frio) 
Em um fica o vapor 
de aquecimento. Ocupa 
o lado casco da calandra, 
por fora dos tubos; 
No outro fica a solução e o vapor 
gerado, ocupando várias regiões: 
2- interior dos tubos e duto central 
3- o espaço vapor 
1- parte inferior do evaporador 
Evaporador tipo Calandra 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Alimentação do 
Vapor de 
Aquecimento 
(steam) Saída do Condensado 
Alimentação da Solução a 
ser concentrada 
http://www.swensontechnology.com/calandria.html 
Saída da solução 
 concentrada (produto) 
Saída do vapor gerado 
pela ebulição da solução 
(vapor) 
Portanto durante operação 
contínua, teremos: 
E a solução se movimentando, 
por circulação natural, dentro 
do evaporador 
Evaporador tipo Calandra 
A solução que está no 
interior dos tubos tenderá 
 a subir devido ao 
aquecimento e ebulição 
O vapor fornece energia 
através da parede dos 
tubos 
Se uma parte sobe, outra 
parte desce. Descerá 
pelo duto central 
A circulação natural 
ocorre com a solução 
 subindo pelos tubos e 
 descendo pelo duto central 
Duto central 
Tubos 
Espelho superior da calandra – Evaporador de uma usina 
Evaporador tipo Calandra 
 
 
 
 
 
 
 
 
O calandra utilizado na 
produção de açúcar difere um 
pouco na entrada e saída 
das correntes. 
Todo evaporador é 
composto por uma região 
 de troca de calor 
E um espaço e/ou 
acessório para que 
ocorra a separação 
entre a solução e o 
vapor (não haja arraste 
da solução com o vapor) 
Evaporador tipo Calandra 
• Tubos: dimensões utilizadas na produção 
de açúcar 
Diâmetro externo de 32 a 50 mm 
(espessura 1,5 a 2,5 mm) 
Comprimento de 2,25 a 4 m 
• Altura do espaço vapor cerca 2,5 vezes a 
da calandra 
O nível do caldo dentro do 
evaporador 
• Textos gerais de Operações Unitárias citam 
que o nível da solução dentro do 
evaporador deve ser no espelho superior. 
• Há trabalhos que mostram que operando 
com níveis mais baixos (metade ou menos) 
há um aumento significativo no h. 
• Não há consenso, algumas usinas operam 
com calandra cheia, pois com nível baixo 
dizem que aumenta a incrustação. 
• O coeficiente global U pode variar de 1100 a 
2800 W/(m2K); 
 
• devido aos altos tempos de residência, não é 
adequado operar com substâncias 
termossensíveis 
Evaporador de Circulação Forçada 
• O aumento da velocidade de escoamento da 
solução no interior dos tubos aumenta o h, por 
isso quando as soluções são viscosas ou 
quando apresenta tendências a incrustações, 
instala-se uma bomba para que ocorra a 
movimentação da solução por circulação 
forçada; 
 
• Com altas viscosidades a circulação natural 
não é capaz de fornecer elevados coeficientes 
de troca de calor. 
 
Evaporador de Circulação Forçada 
 • Nestes equipamentos a superfície de 
troca de calor pode ser interna ou externa, 
horizontal ou vertical; 
 
•Pela ação da bomba a solução passará por 
dentro dos tubos, receberá calor e será 
expandida no espaço vapor. 
 
 
 
Evaporador de circulação forçada 
Superfície de aquecimento externa. 
Pela ação da bomba a solução passará por dentro dos tubos, 
receberá calor e será expandida no espaço vapor. 
 vertical 
Horizontal 
Evaporador de circulação forçada 
É chamado também de tubos submersos, 
pois a superfície de aquecimento fica 
abaixo do nível do líquido. 
Mesmo com líquidos viscosos consegue elevados coeficientes de troca de 
 calor. Com a superfície externa, a manutenção e a limpeza são mais fáceis. 
 Os U podem variar de 1100 a 6800 W/m2K mesmo com soluções viscosas, 
sendo assim um evaporador mais versátil. 
Evaporador de Circulação Forçada 
Superfície externa horizontal Superfície interna vertical 
Evaporador de película 
 Uso tem crescido nos últimos anos. Os 
principais tipos são: Película ascendente 
(ou de tubos longos) e os de Película 
descendente. Há outras configurações 
como película agitada e película 
ascendente-descendente. 
 
• Pode operar com líquidos viscosos e ser 
adaptado á evaporação de uma solução 
ou de uma lama até a secura. 
Evaporador de película 
• Nos outros tipos de evaporadores, a 
solução permanece um tempo 
considerável dentro do evaporador, o que 
pode causar modificações térmicas em 
algumas substâncias, como por exemplo o 
suco de laranja. 
• Uma alternativa é a utilização de 
trocadores de calor com tempo de 
residência reduzido, que o a utilização 
destes tipos de evaporadores. 
 
Película Ascendente ou Kestner ou de tubos 
longos 
•Características: 
- Alguns autores o classificam de circulação natural; 
-pode operar com passagem única; 
 --valores de h elevados e os tubos mais finos que os 
outros evaporadores; 
- Operam como um filme delgado de solução, 
permitindo um rápida evaporação com pequeno 
tempo de residência e baixo superaquecimento da 
solução, sendo sua principal aplicação substâncias 
termosensíveis. 
- Não é adequado para líquidos viscosos. 
 
Película Ascendente ou Kestner ou 
de tubos longos 
A solução é alimentada por baixo, entra em ebulição dentro dos tubos formando 
uma mistura líquido vapor, com o líquido formando uma película próxima à parede 
dos tubos. Uma mistura líquido-vapor vai subindo com alta velocidade. 
Película Ascendente ou Kestner ou 
de tubos longos 
A superfície de aquecimento pode ser interna ou externa. Como a ebulição é 
violenta há placa de impacto para fazer a separação líquido vapor, além da 
 câmara de separação. 
• A solução entra pelo fundo, saindo por cima uma 
mistura de vapor e líquido que penetra em uma 
câmara de separação de vapor. Antes desse 
separador, pode ter uma chicana ou uma placa de 
impacto que, com o choque separa o líquido e o 
vapor. 
 
• Pode ser utilizado em soluções que forma 
espumas. 
Película Ascendente ou Kestner ou 
de tubos longos 
 Película Descendente 
 
•A solução é alimentada no topo e deverá 
escoar como uma película (o tubo não fica 
cheio). 
•Precisa de um distribuidor para a alimentação, 
para garantir que todos os tubos recebam a 
alimentação homogeneamente. 
•Consegue operar com fluidos mais viscosos 
do que o de película ascendente. 
•Nos últimos anos vem sendo muito 
empregado, também na produção de açúcar 
de cana. 
Película Descendente 
• O principal problema é a distribuição da 
alimentação. 
• Os tubos não podem secar, pois 
causariam incrustação, nem ficar cheios 
pois reduziriam o h. 
• Há vários tipos de distribuidores para a 
alimentação 
Película descendente 
Alimentação entra 
por cima em um 
distribuidor. 
Escoa como uma película, por 
dentro dos tubos, recebendo 
calor pela parede e gerando vapor. 
Embaixo sairá uma 
mistura do produtoconcentrado e vapor. 
A separação principal ocorre em 
uma câmara que pode ter algum 
acessório para melhorar a separação 
Como em todos os evaporadores 
o vapor gerado vai para um 
condensador. O vácuo é feito no 
condensador. 
Nesta figura há um condensador de 
contato (mistura a água e o vapor) 
Veremos posteriormente. 
http://www.spray.com.br/ 
Alguns tipos de distribuidores 
Tipo spray 
GEA Evaporation Technology 
Montz Falling film evaportaion 
Elevação do ponto de ebulição 
(epe) 
• Considere um solvente puro (água) à 
pressão p com ponto de ebulição tsolv. 
• Adicionar um soluto a este solvente. Na 
mesma pressão p o ponto de ebulição da 
solução será te. 
• Elevação do ponto de ebulição da solução 
é a diferença entre os pontos de ebulição 
da solução e do solvente puro na mesma 
pressão. epe = te – tsolv 
 
epe 
• Quando um líquido entra em ebulição? 
Pressão de vapor do líquido = pressão do 
ambiente 
• Se a um líquido puro, com temperatura de 
ebulição t, acrescentar-se um soluto, o 
que ocorrerá com a temperatura de 
ebulição? 
• A temperatura de ebulição aumentará. 
 
epe 
Temos água em ebulição, o que acontece 
se adicionarmos uma quantidade 
considerável de sal (NaCl)? 
A ebulição cessa. 
 
• Por quê? 
Vejamos o seguinte: 
epe 
• Qual a pressão de vapor da água a 40°C? 
• Vejam as tabelas de pressão de vapor de 
água (ou tabelas de prop. de vapor). 
 
55,324 mm Hg= 0,0752 kgf/cm2 
 
epe 
• Qual a pressão de vapor da água em uma 
solução de NaOH com concentração de 
30 (g NaOH/100 g água) a 40°C? 
 
epe 
• Qual a pressão de vapor da água em uma 
solução de NaOH com concentração de 
30 (g NaOH/100 g água) a 40°C? 
 
 36,6 mm Hg 
 
epe 
• Água pura a 40°C: pv = 55,324 mm Hg 
• Água em solução de NaOH (30g/100g 
H2O) também a 40°C: 
pv = 36,6 mm Hg 
 
• Quando se adiciona um soluto a um 
solvente a pressão de vapor do solvente 
(na solução) diminui, por isso o ponto de 
ebulição da solução aumenta. 
epe 
• Considerem que água esteja fervendo em uma 
panela, ao nível do mar (P = 1atm). A pressão 
de vapor da água a 100°C é 760 mm Hg. 
• Quando se adiciona uma quantidade de sal a 
pressão de vapor da água se reduz, por 
exemplo, para 740 mm Hg. Nesta nova 
condição já não se tem a igualdade entre 
pressão de vapor e pressão do ambiente, 
portanto a ebulição cessa. 
epe 
• Qual a epe de uma solução de NaOH com 50% 
em massa de soluto em um ambiente a 100 
mm de Hg? 
• Precisamos do ponto de ebulição do solvente 
puro e da solução. 
• Começando pelo solvente puro: qual o ponto de 
ebulição da água em um ambiente a 100 mmHg 
(0,136 kgf/cm2)? 
Ver tabela de pressão de vapor da H2O ou 
propriedades de vapor saturado - 
 
 
t está entre 51 e 52°C, t ≈ 51,6°C 
Qual a temperatura na qual a pressão de vapor é 100 mm Hg? 
epe 
• Tabela pressão de vapor de H2O em 
solução de NaOH 
• Qual a temperatura que uma solução com 
50% em massa de NaOH deve estar para 
que a pressão de vapor da água seja 100 
mmHg? 
epe 
• Precisa interpolar: a 80°C pv= 38,5 mm Hg 
 a 100°C pv= 105 mm Hg 
Dará aproximadamente 98°C 
 
epe 
• Respondendo à questão: 
A epe será 98 – 51,6 = 46,4°C 
 
• Continuemos com esta solução de NaOH 
com a mesma concentração e no mesmo 
ambiente a 100 mm Hg. 
• Respondam às questões: 
 
epe 
• O vapor gerado pela ebulição da solução 
de NaOH 50% está saturado ou 
superaquecido? 
• E qual a temperatura de condensação 
desse vapor? 
 
• Vejam a figura a seguir. 
 
epe 
Qual a temperatura de 
condensação do vapor? 
O vapor gerado pela ebulição da 
solução está a que temperatura? 
100 mm Hg 
NaOH 50% 
ebulição 
Vapor água 
Condensado 
(líquido saturado) 
Condensador 
Ambiente a 100 mm Hg com a solução em ebulição 
Suponha que a 
concentração não se 
altere 
Ele está saturado ou superaquecido? 
Este vapor deverá ser condensado 
epe 
• O Vapor gerado está a 98°C. 
• A 100 mm Hg vapor de água saturado 
estaria a 51,6°C. 
• Portanto o vapor está superaquecido. 
• O vapor superaquecido se condensará na 
sua temperatura de saturação a 100 mm 
Hg que é 51,6°C. 
epe 
• Este vapor está superaquecido quantos 
°C? 
 98 - 51,6 = 46,4 ° C 
Que é a epe 
Elevação do Ponto de Ebulição (BPR – Boiling Point Raise) 
A pressão de vapor da solução aquosa é menor que da água 
na mesma T. Consequentemente, para uma dada pressão o 
ponto de ebulição da solução é mais alto que da água pura. 
água da solução da VAPORVAPOR pp 
 Para soluções concentradas BPR é melhor estimado por 
uma regra empírica chamada Regra de Duhring, a qual 
afirma que o ponto de ebulição de uma dada solução é 
uma função linear do ponto de ebulição da água pura na 
mesma pressão. 
A pressão de vapor para a maioria das soluções aquosas é menor que à da 
água pura à mesma temperatura. Isso implica que à mesma pressão, a 
temperatura de ebulição das soluções é maior do que aquela verificada para 
a água pura. O aumento no ponto de ebulição, em relação ao da água pura, é 
chamado de elevação do ponto de ebulição (E.P.E.). O E.P.E para soluções 
diluídas ou soluções orgânicas é pequeno, porém para soluções 
concentradas de compostos inorgânicos ele passa a ser significativo. A 
diferença entre o ponto de ebulição da solução e água pura, numa mesma 
pressão de operação, vem representada por regras empíricas, conhecidas 
como Linhas Duhring. 
Diagrama de Dühring 
• As e.p.e. podem ser encontradas a partir 
de uma lei empírica, conhecida como 
regra de Dühring: o ponto de ebulição de 
determinada solução é uma função linear 
do ponto de ebulição do solvente puro. 
• Encontram-se na literatura para algumas 
soluções o Diagrama de Dühring. Veja a 
seguir estes diagramas para soluções de 
NaOH e NaCl. 
74 
Figura 13 – Linhas de Duhring para o sistema H2O-NaOH 
Diagrama de Dühring 
 
 
NaOH 
NaCl 
Diagrama de Dühring 
• Utilize o Diagrama de Dühring do NaOH para 
determinar o ponto de ebulição de uma solução 
de NaOH com 50% de sólidos num ambiente a 
100 mm Hg. 
• Entre na abscissa com o valor do ponto de 
ebulição do solvente puro = 51,6° C (escala 
superior é °C). 
• Siga na vertical até cruzar a reta 
correspondente a 50% de NaOH. 
• Leia na ordenada o valor do ponto de ebulição 
da solução (à esquerda é °F à direita °C) 
Diagrama de Dühring 
• Este valor já foi obtido através das tabelas 
de pressão de vapor. 
• Com este Diagrama a obtenção é mais 
direta. 
 
 FUNCIONAMENTO DE EVAPORADORES 
Neste aspecto dois parâmetros são importantes: 
I - Capacidade do evaporador: definida como a taxa mássica de 
líquido evaporada; 
 
II – Economia: definida como a razão entre a massa de líquido 
evaporado pela massa de vapor vivo utilizado. 
 
Fenomenologicamente, o calor envolvido na evaporação 
obedece a Lei de Resfriamento de Newton: Q = UD A ( TS -T) 
 
Em que: 
Q é o calor fornecido do vapor de aquecimento à solução a ser 
evaporada; 
UD é o coeficiente global de troca térmica; 
A é a área disponível de troca térmica; 
TS - é a temperatura do vapor saturado; 
T é a temperatura de ebulição da solução; 
A temperatura de alimentação da solução em cada estágio é importante. 
Alimentação fria requer calor para aquecê-la até o ponto de ebulição; 
 
Se a alimentação estiver à temperatura de ebulição todo o calor transmitido através 
da superfície é utilizado para a vaporização; 
 
 Se a temperatura da corrente de alimentação estiver acima da temperatura de 
 ebulição da suspensão, ocorre a evaporação do tipo flash (elevada capacidade) 
 
Vapor Alimentado 
Vapor 
Gerado 
Evaporador de 
Simples Efeito 
ALIMENTAÇÃO 
CONCENTRADO 
VAPOR 
VAPOR (STEAM) 
Evaporador de Simples Efeito 
CONDENSADO 
1 2 
ALIMENTAÇÃO 1 
CONCENTRADO 1 
CONCENTRADO 2 
VAPOR 
STEAM 
VAPOR 
VAPOR 
CONDENSADO 
CONDENSADO 
Evaporador de Duplo Efeito 
Equaçõespara Evaporadores de Simples Efeito 
 É realizado um balanço de massa e de energia em um 
volume de controle que envolve o Evaporador. 
VAPOR 
VAPOR 
F 
L 
V 
Sm
ALIMENTAÇÃO 
CONCENTRADO 
STEAM 
condensado do entalpia
 vapordo entalpia
ocondensaçã de latentecalor 




C
S
CV
H
H
HH


kJ/kg : vapordo entalpiaH
kJ/kg :oconcentrad do entalpia
kJ/kg:oalimentaçã da entalpia
% :oconcentrad no soluto do mássica fração
%:oalimentaçã na soluto do mássica fração
kg/s :oconcentrad de vazão
kg/s :gerado vapor do vazão)(
kg/s :oalimentaçã da vazão
kg/s :(steam) vapor de vazão
V









H
H
x
x
m
mmf
m
m
f
m
f
f
S

86 
5- BALANÇO ENTÁLPICO PARA UM EVAPORADOR DE SIMPLES EFEITO 
Hipótese- A perda de calor no evaporador é desprezível!!! 
 
 S S C S S S
S
Balanço de Entalpia para o lado do vapor condensante:
Q m H H m o negativo indica calor 
perdido é o calor latente de condensação de vapor d'água.
Observe que neste caso a entalpia que aparec
     

   
 
f V f f entradasaída
f V f f
e na 
equção é a entalpia específica(kcal/kg).
Balanço de Entalpia para a solução que se concentra:
Q H H m m H mH m H
Q m m H mH m H
Considerando que não existe perda de calo
         
   
   
 
S S S f V f f
S S f V f f
r, o calor perdido
pelo vapor é recebido pelo líquido:
Q Q m m m H mH m H
m m m H mH m H ***
         
    
87 
5- BALANÇO ENTÁLPICO PARA UM EVAPORADOR DE SIMPLES EFEITO 
 
   
   
f V f f entradasaída
S S S f V
Q H H m m H mH m H
Tinhamos que :
Q Q m m m H mH
         
        
 
 
0
f f
S S f V f f
S S f f f V
m H
m m m H m H
Considere =Calor latente da água na pressão do espaço 
do vapor, teremos:
m m m m H H

   

        
CASO 1 – DESPREZANDO A EPE 
89 
Diagrama Entalpia-Concentração para o sistema H2O-NaOH 
Além das linhas de Duhring para 
projeto, operação e otimização de 
evaporadores é necessário ter à 
disposição diagramas de entalpia 
e concentração a fim de auxiliar 
nos cálculos energéticos. Na 
Figura em anexo é apresentado 
um diagrama entálpico para o 
sistema H2O-NaOH 
SEGUNDO CASO: CONSIDERANDO EPE 
Exemplo 1: 
 
Uma solução de colóides orgânicos em água deve ser 
concentrada de 10 a 50% de sólidos em um evaporador de 
simples efeito. Para esta operação se dispõe de vapor de 
água saturado a 120°C. A pressão absoluta no evaporador 
e de 100 mmHg que corresponde a uma temperatura de 
ebulição de 51,6°C. A taxa de alimentação e 25.000 kg/h. O 
coeficiente global de transmissão de calor e igual a 2.400 
kcal/(m2.h.°C) e a E.P.E pode ser considerada desprezível. 
Calcule o consumo e a economia de vapor e a superfície de 
troca térmica necessária se a temperatura de alimentação 
for: a) 51,6°C b) 21°C c) 93°C 
 
Exemplo 2: 
 
Um evaporador de simples efeito será utilizado para concentrar 
10.000 kg/h de uma solução de NaOH de 20% a 50% em 
 peso de sólidos. A pressão de vapor de água da alimentação é 
2,44kgf/(cm2) (absoluta) e a temperatura é de 126°C e a pressão 
absoluta no espaço do vapor é 100mmHg. O valor estimado do 
 coeficiente global é de 1.250 kcal/(h.m2°C). A temperatura de 
alimentação é 40°C. Calcular o consumo de vapor, a economia 
de vapor e a superfície de troca térmica necessária. 
92 
Figura 13 – Linhas de Duhring para o sistema H2O-NaOH 
96 
Note que na leitura adotou-se 
a concentração de saída do 
concentrado. 
93 
Figura 14 – Diagrama Entalpia-Concentração para o sistema H2O-NaOH 
34 
127 
 
Exemplo 3 
 
• Uma solução de colóides orgânicos deve ser concentrada de 
15 a 50% em um evaporador de simples efeito. O calor 
específico da solução de alimentação é de 3894J/Kg°C. Vapor 
saturado a 0,8atm (93,7°C) é utilizado para concentrar a 
solução. A pressão no espaço do vapor (vazio do evaporador) 
é de 100mmHg (51,1°C). A alimentação entra a 15°C e U = 
1700W/m2°C). A vazão de água evaporada deve ser de 
25000Kg/h. Desprezando a elevação do ponto de ebulição, 
calcule a área e o consumo de vapor. 
• Dados: Hv = 2379,5KJ/Kg 
• Hs = (93,7°C) = 2273,9Kj/Kg 
 EFEITOS 
 
Os evaporadores podem ser de simples ou múltiplo efeito. 
 
1. Na modalidade de simples efeito há apenas um evaporador. Alimenta-
se vapor vivo para prover o aquecimento, enquanto que o vapor gerado 
pela evaporação é retirado pelo topo e a solução concentrada pelo fundo 
do equipamento. São exemplos, quaisquer das configurações anteriores 
 2. Na modalidade de múltiplo efeito há mais de um evaporador, 
postos em série. O vapor vivo é alimentado num estágio. O vapor 
gerado em um evaporador é aproveitado como fluido de 
aquecimento para o próximo evaporador e assim, sucessivamente. 
No múltiplo efeito há um aumento da evaporação por unidade de 
massa de vapor vivo utilizado. Vale ressaltar que à medida que se 
caminha pelos efeitos, o vapor então gerado, sob o ponto de vista 
entálpico, é mais pobre do que o efeito anterior. 
• Evaporação em múltiplos efeitos é 
considerada uma das grandes invenções 
referente à recuperação e economia de 
energia. A invenção é atribuída a Norbert 
Rillieux na indústria açucareira da Louisiania, 
nos Estados Unidos e a patente é de 1846. 
 
• A idéia: utilizar o vapor gerado na evaporação 
como fonte de energia para novas 
evaporações 
100 
Figura– Múltiplo efeito em correntes paralelas 
 
 
101 
Figura– Múltiplos Efeitos contracorrente 
102 
Múltiplos Efeitos 
BALANCO ENTALPICO PARA EVAPORADORES DE MÚLTIPLOS EFEITOS 
 
 
 Hipótese- A perda de calor no evaporador e desprezível!!! 
Calor Transmitido no Primeiro Efeito: 
 
Q1 =A1 U1T1 
 
 
Negligenciando, no momento, o calor necessário para 
aquecer a alimentação até a temperatura de ebulição. 
No estado estacionário: 
 
"Praticamente todo o calor consumido na geração do 
vapor no primeiro efeito é cedido no segundo efeito 
durante a condensação do mesmo vapor". 
Calor transmitido no segundo efeito: 
 
 
Q2 =A2 U2T2 
Q2 Q1 então A1 U1T1 = A2 U2T2 
 
Da mesma forma tem-se: A1U1T1 = A2U2T2= A3 U3T3 
 
 
 
Na prática as áreas de troca térmica dos evaporadores 
são iguais (Redução dos Custos de Fabricação) 
 
 
 
 
 
 
Capacidade: a capacidade total é proporcional a 
velocidade total de transferência de calor q, que se 
obtém somando estas 3 equações. 
 
Diferença de temperatura em um 
evaporador a três efeitos 
A quantidade de calor transferido por hora no primeiro efeito pode ser dada 
pela seguinte expressão: 
q1 = U1A1T1 q1 = U1A1(TS – T1) ou 
T1 - diferença entre a temperatura do vapor de 
aquecimento e a temperatura de ebulição do 
líquido na câmara de evaporação no 1º efeito. 
o vapor que condensa no segundo efeito fornece 
aproximadamente a mesma quantidade de calor q1. 
Diferença de temperatura em um 
evaporador a três efeitos 
A quantidade de calor transferido por hora no segundo efeito pode ser dada 
pela seguinte expressão: 
q2 = U2A2T2 q2 = U2A2(T1 – T2) ou 
T2 - diferença entre a temperatura do vapor de 
produzido no 1º efeito e a temperatura de 
ebulição do líquido na câmara de evaporação no 
2º efeito. 
Do mesmo modo... 
q3 = U3A3T3 q3 = U3A3(T2 – T3) ou 
T3 - diferença entre a temperatura do vapor de 
produzido no 2º efeito e a temperatura de 
ebulição do líquido na câmara de evaporação no 
3º efeito. 
Diferença de temperatura em um 
evaporador a três efeitos 
332211 TUTUTU
A
q

q
A
T
U
3
3
1

q
A
T
U
1
1
1

Visto que q1 ~ q2 ~ q3: 
U1A1T1 = U2A2T2 = U3A3T3 
Geralmente, na prática as áreas em cada efeito são iguais: 
q
A
T
U
2
2
1

T é inversamente proporcional aos valores de U 
Admitindo que os evaporadores são iguais A(m2 ), e que o coeficiente global para 
cada efeitoseja o mesmo teremos: 
Q=UA (T1+T2+T3) 
 
Logo, T representa a diferença entre a temperatura do vapor "vivo" do Primeiro 
Efeito e a Temperatura do vapor que sai no último efeito. 
 
Obs: A capacidade de um evaporador do múltiplo efeito é quase sempre menor 
que a correspondente a um simples efeito 
Consideremos, por exemplo, um evaporador de triplo efeito: 
Equações que descrevem o processo: 
 
•Balanço de entalpia para cada efeito (3 Equações) 
•Equações da capacidade para cada efeito (3 Equações) 
•Conhecimento da evaporação total (Economia 1 Equação) 
 
•Admitindo que todos os efeitos tem a mesma área de troca térmica as 
equações ficam com 7 incognitas. 
 
Podemos seguir as seguintes etapas na solução do problema. 
 
Etapa 1: Admitem-se valores para a temperatura de ebulição no Primeiro e 
Segundo efeito. 
Etapa 2: Mediante o balanço entálpico obtém-se as taxas mássicas de vapor 
e solução em cada efeito. 
Etapa 3: Calcular a área de troca térmica para cada efeito, a partir das 
equações de capacidade. 
Etapa 4: Se as áreas de troca térmicas encontradas não forem 
aproximadamente iguais, estimar novas temperaturas de ebulição nos 
efeitos 1 e 2 e repetir as etapas 2 e 3, ate que as áreas sejam iguais. 
Exercicio 4: Deseja-se concentrar num evaporador de triplo efeito uma 
solução de 10 ate 50% de sólidos. Dispõe-se para esta operação vapor de 
agua saturado a pressão absoluta de 2kgf/cm2 (119,6°C). A pressão no 
terceiro efeito e de 100mmHg que corresponde a uma temperatura de 
ebulição de 51,6°C. A alimentação é de 25.000 kg/h a temperatura de 21°C. A 
área de T.C. e a mesma para todas os efeitos. Desprezar efeitos da E.P.E e do 
calor de diluição. Calcular: A)A área de troca térmica de cada evaporador. B) 
O consumo de vapor. C) A distribuição de temperatura D) A economia de 
vapor em cada efeito. E) Economia Global 
LOGO: T/3=68/3=22,7 
Primeiramente iremos fazer um balanço de massa: 
Para o sólido temos: 
CHUTE 1 
568 
568 
T3 
T é inversamente proporcional aos valores de U 
Métodos de Operação: Múltiplo 
Efeito 
1º efeito 
Alimentação direta (fluxo dos fluidos em paralelo) 
2º efeito 3º efeito 
Para o 
condensador 
e sistema de 
vácuo Alimentação (TF, hF, xF) 
Vapor de água sat. 
(TS, HS) 
Concentrado 1º efeito 
(T1, hL, xL) 
Vapor (T1, HV1) 
Concentrado 2º efeito 
(T2, hL2, xL2) 
Produto concentrado 
(T3, hL3, xL3) 
Vapor (T2, HV2) Vapor (T3, HV3) 
T1 
P1 
T2 
P2 
T3 
P3 
Métodos de Operação: Múltiplo 
Efeito 
Alimentação direta Vantagens: 
Não necessita de bombas para deslocar 
a solução de um estágio para outro. 
Desvantagens: 
Efetua todo aquecimento de carga no 
primeiro efeito. 
A solução mais concentrada esta 
sujeita à temperatura mais baixa. 
Recomendado: Alimentação quente e solutos termosensíveis 
Métodos de Operação: Múltiplo 
Efeito 
1º efeito 
Alimentação inversa (fluxo dos fluidos contra corrente) 
2º efeito 3º efeito 
Para o 
condensador 
e sistema de 
vácuo 
Alimentação 
(TF, hF, xF) 
Vapor de água sat. 
(TS, HS) 
Produto concentrado 
(T1, hL, xL) 
Vapor (T1, HV1) 
Concentrado 2º efeito 
(T2, hL2, xL2) 
Concentrado 3º efeito 
(T3, hL3, xL3) 
Vapor (T2, HV2) Vapor (T3, HV3) 
T1 
P1 
T2 
P2 
T3 
P3 
Métodos de Operação: Múltiplo 
Efeito 
Alimentação inversa Vantagens: 
A solução mais concentrada esta 
sujeita à temperatura mais elevada. 
Desvantagens: 
É necessário o uso de bombas para 
transportar a solução entre os efeitos. 
Menor quantidade de vapor é utilizada 
para aquecer a alimentação. 
Recomendado: alimentação fria e produtos viscosos 
CONDENSADORES 
CONDENSADORES 
• Sempre acoplado ao evaporador haverá um 
condensador. O vácuo é feito no condensador 
que é ligado ao espaço vapor do evaporador. 
 
• A pressão no condensador é menor que a 
pressão atmosférica. O condensado deverá ser 
retirado de um ambiente que está a uma 
pressão menor que a atmosfera. 
 
• Pretende-se estimar a vazão de água 
necessária no condensador. 
• Para condensar um vapor puro ???? 
 REMOVER SEU CALOR LATENTE 
DE VAPORIZAÇÃO 
 
NORMALMENTE ESTA REMOÇÃO 
EFETUA-SE SOBRE UMA SUPERFÍCIE 
SÓLIDA RESFRIADA 
CONDENSAÇÃO 
CONDENSAÇÃO 
• Ocorre quando a temperatura de um vapor é reduzida 
a valores inferiores ao de sua temperatura de saturação 
(temperatura na qual se dá a vaporização de uma 
substância pura a uma dada pressão); 
 
Tsuperficie <Tsat 
•Em equipamentos industriais, o processo resulta do contato entre o 
vapor e uma superfície fria; 
 
• A energia latente do vapor é liberada, calor é transferido para a 
superfície e o condensado é formado; 
CONDENSAÇÃO 
•A condensação pode ocorrer de duas formas dependendo da 
condição da superfície: 
 
 # A forma dominante é a condensação em filme, onde uma 
película de líquido cobre toda a superfície de condensação e, sob a 
ação da gravidade, escoa continuamente deixando a superfície. 
Geralmente se apresenta em superfícies limpas e isentas de 
contaminação. 
 
 #Se a superfície for revestida com uma substância que 
induza a uma baixa molhabilidade, é possível ocorrer a 
condensação em gotas. 
As gotas se formam em irregularidades na superfície e podem crescer e coalescer 
através da condensação continuada; 
 
Normalmente,mais de 90% da superfície é coberta pelas gotas que variam de 
poucos micrômetros até gotas visíveis a olho nu. 
 
As gotas deixam a superfície devido à ação da gravidade. 
Na figura ao lado,uma fina camada de oleato cúprico foi aplicada no lado esquerdo 
da superfície para promover a condensação em gotas.Vê-se uma sonda de 
termopar com 1mm de diâmetro para dar idéia das dimensões apresentadas 
• Trocador de calor- objetivo: provocar mudança 
de fase de um vapor para um líquido mediante um fluido 
resfriador ; 
• Os condensadores são usados para liquefazer 
vapores por meio da retirada de calor latente. Esse 
calor é removido pela absorção do mesmo por um 
líquido mais frio chamado refrigerante; 
• Esta remoção de calor efetua-se sobre uma superfície 
sólida resfriada na qual o vapor se condensa; 
• Mecanismo: pelicular ou goticular; 
• Pelicular – mais comum; 
 
 
Condensadores 
• Qdo o líquido condensado “molha” a superfície 
forma-se uma película líquida contínua através 
da qual há transferência de calor; 
• Qdo o líquido condensado “NÃO molha” a 
superfície forma-se GOTÍCULAS em lugar da 
película, a superfície não fica toda recoberta 
pelo fluido; 
• Em qq caso, o condensado escorre pela 
superfície sob ação da gravidade; 
• Projeto usual – emprega tubos - condensado 
é formado no interior ou no exterior dos tubos; 
• Para remover o calor latente, opera um fluido 
frio na parede oposta do tubo. 
Condensadores 
• Processo a pressão constante; 
• Processo é isotérmico; 
• Recuperação de um solvente saindo de 
um processo de extração ou secagem; 
• Destilação 
• Saída de evaporadores (vapor gerado) 
Condensadores possuem basicamente duas 
classes. 
 
A primeira, condensadores de tubo e carcaça, o 
vapor e o refrigerante são separados por uma 
superfície tubular de transferência de calor. 
 
 
Condensadores de contato 
Mais baratos que os de 
superfície. Parte da água 
refrigerante é pulverizada na 
corrente de vapor próxima à 
entrada de vapor e o 
restante é direcionado para 
a garganta de descarga para 
completar a condensação . 
 
Na segunda, chamados 
condensadores de contato, o 
vapor e o refrigerante 
(normalmente sendo os dois, 
água) são misturados 
fisicamente e saem do 
condensador com uma única 
corrente. 
• Sempre acoplado ao evaporador haverá um 
condensador. 
 
 
 OBJETIVO 
• Pretende-se estimar a vazão de água 
necessária no condensador. 
Condensadores 
 
a) de superfície b) de contato 
Cálculo da vazão de água (M): 
Balanço de Energia 
•Parao condensador de superfície 
 VHv+ Mh1= Vhv + Mh2 
 
Pode ser utilizada diretamente ou: 
V(HV-hV) = M(h2-h1)→ Vamos analisar estes termos 
 
•HV –hV 
 
•Se o vapor gerado no evaporador for saturado e o 
condensado líquido saturado: HV -hV= λ(calor latente de 
condensação do vapor produzido no evaporador); 
 
•Se o vapor gerado for superaquecido e o condensado 
líquido saturado: HV -hV = λ+ cpv.epe 
Para o condensador de contato 
 
VHv+ Mh1= (V+ M)hv 
Agora o termo h2 -h1 
 
h2 - h1 = cp(t2 - 0) – cp(t1 - 0) = cp(t2 - t1) 
 
h2 -h1= cp(t2 -t1) 
• EXERCÍCIO DE APLICAÇÃO 
 
Um evaporador de efeito simples deve concentrar 11 t/h de 
uma solução de NaOH de 20% a 50% de sólidos 
(massa), a alimentação está a 38°C. A pressão do vapor 
de aquecimento é de 2,35 atm (abs), e, no espaço 
vapor, deve ser mantido uma temperatura de 51,1°C. O 
coeficiente global de transmissão de calor, U, é 1250 
kcal/(h m2 °C). Calcular o consumo de vapor, a 
economia e a área da superfície de aquecimento. 
Calcular o consumo de água no condensador de 
superfície se a temperatura de entrada da água de 
resfriamento for de 20°C e o ∆t na saída do 
condensador for 10°C (diferença entre a temperatura 
de condensação do vapor e temperatura de saída da 
água). 
Balanço de massa 
• mf xF = m xL; 11000x0,2 = mx0,5; 
 m = 4400 kg/h 
 
• mf = m + (mf-m); 
(mf-m) = 11000 – 4400 = 6600 kg/h 
 
• Para o cálculo de S necessita-se do 
B.E. 
Balanço de energia 
• mf hF + ms S = (mf-m) HV + m hL 
 
• Vapor de aquecimento 
• S – tabela de vapor saturado, p= 2,35 atm = 2,43 
kgf/cm2; 
• tS  126ºC e S = 523,6 kcal/kg 
• Entalpia do vapor gerado: Hv=640,3 kcal/kg 
B.E. - entalpias 
• Espaço vapor 
• Tabela de vapor saturado ou tabela de pressão de vapor 
de água, obtém-se tsat = 51,5ºC 
 
• Com o Diagrama de Dühring obtém-se o ponto de 
ebulição da solução de NaOH. 
 
• Com xL = 0,5 e t = 51,5ºC (temperatura de ebulição do 
solvente) determinamos pelo diagrama tL = 97ºC 
 
• Portanto o vapor gerado está superaquecido e a epe 
será: 
 epe = 97 – 51,5 = 45,5ºC 
B.E. - entalpias 
• Entalpia da solução diluída 
• É NaOH, utilizar diagrama entalpia x concentração para 
NaOH 
• Com tF = 38°C e xF = 0,20; obtém-se hF = 33 kcal/kg 
• Entalpia da solução concentrada 
• Podemos agora obter hL pois temos a concentração e 
temperatura. Utilizar o mesmo procedimento feito para 
hF (Diagrama entalpia x concentração para o NaOH), 
com xL = 0,5 e tL = 97°C 
 hL = 127 kcal/kg 
 
B.E. 
• Podemos agora calcular S pelo B.E. 
 11000x33 + msx523,6 = 6600x640,3 + 
4400x127 
 ms = 8477 kg/h 
• Economia 
 E = (mf-m)/ms = 6600/8477 = 0,78 
Área de troca de calor 
• q = UAΔt 
 q = SλS = 8477x523,6 = 4578358 kcal/h 
 Δt = tS – tL = 126 – 97 =29ºC 
• A = 4578358 /(1250x29) = 122 m2 
Condensador de superfície 
Vazão de água no condensador de superfície 
Água entra a 20°C e sai a t2. 
t na saída do condensador = 10°C = tsat – t2 
tsat = 51,5ºC; t2 = 41,5°C 
h1 = 1x(20-0) = 20 kcal/kg 
h2 = 1x(41,5-0) = 41,5 kcal/kg 
 
Vapor 
Considere que o condensado saia como líquido saturado. 
HV = 640,3 kcal/kg e V = 6600 kg/h 
hV = 1x(51,5-0) = 51,5 kcal/kg ou direto da tabela de vapor saturado, 
entalpia do líquido saturado na pressão do espaço vapor. 
B.E. no condensador 
• VHv + Mh1 = Vhv + Mh2 
• 6600x640,3 + Mx20 = 6600x51,5 + 
Mx41,5 
• M = 180748 kg/h