OP2_05_Evaporadores Introdução (2)

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Evaporadores 
Profa. Dra. Lorena Oliveira Pires 
Engenharia Química 
Instituto de Química 
Unesp - Araraquara 
Evaporador 
• Equipamento utilizado para concentrar uma solução composta por um 
soluto não-volátil e um solvente volátil. 
• Para a maioria dos processos envolvendo evaporadores: 
• vente → água 
• Soluto → sólido com pressão de vapor muito baixa 
• Produto → solução concentrada 
 
• Tipo particular de trocador de calor 
• Fluido quente → vapor de água saturado que se condensa 
• Fluido frio → solução a ser concentrada, 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 
Fornecimento 
de calor latente
Entrada de vapor 
(Fluido quente)
Alimentação 
(Fluido frio)
Ebulição
Solução 
concentrada
Condensado
Vapor gerado
Região de 
Separação
Região de 
Aquecimento
 
• Como nos trocadores de calor, aplica-se: 
 
tAUq = ..
 
• Os evaporadores normalmente operam sob vácuo 
• Um condensador estará ligado ao evaporador para condensar o vapor 
produzido. 
• O vácuo é feito no condensador. 
 
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Aplicações 
• Vários processos químicos utilizam evaporadores: 
• Indústria alimentícia 
• Concentração de sucos 
• Concentração do caldo de cana – produção de açúcar 
• Leite condensado e em pó 
• Indústria de processos inorgânicos 
• Produção de hidróxido de sódio, nitrato de amônio, cloreto de cálcio, etc. 
• Indústria de papel e celulose 
• Concentração de resíduos 
Características das Soluções 
• Concentração da solução de alimentação 
• Aumenta a densidade, viscosidade e ponto de ebulição 
• Inicialmente 
• Solução diluída → baixa viscosidade → altos coeficientes de transferência 
• A medida que a solução se evapora 
• Solução concentrada → maior viscosidade → baixos coeficientes de 
transferência 
• Solubilidade 
• Limita a máxima concentração da solução 
• Inicialmente 
• Solução diluída → concentração do soluto aumenta com o tempo 
• À medida que a solução se evapora 
• Solubilidade limite do soluto pode ser excedida → cristais podem ser formados 
• Sensibilidade à temperatura 
• Deve-se operar sob vácuo para reduzir a temperatura de ebulição e com baixo 
tempo de residência 
• Alguns materiais podem ser sensíveis e se degradar à altas 
temperaturas ou após prolongado aquecimento 
• Incrustação 
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• prejudica a transferência de calor 
• Pressão e Temperatura 
• Elevação do ponto de ebulição (EPE) 
• O ponto de ebulição da solução está relacionado com a pressão do 
sistema 
 P →  Teb 
• Com aumento da concentração do soluto na solução a temperatura de 
ebulição pode aumentar 
 x →  Teb 
• Formação de Espuma 
• Arraste com o vapor, perda de produto e contaminação do condensado 
• Em alguns casos, as soluções podem formar espuma durante a ebulição 
• Ex.: soluções de ácidos graxos, soda cáustica, etc. 
• Usa-se dispositivos para evitar que a espuma seja arrastada juntamente 
com o vapor 
 
Tipos de Evaporadores 
Circulação natural 
Circulação forçada 
Evaporadores de Película 
 
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, Roberts ou de tubos curtos 
• Atualmente a grande utilização deste tipo é na produção de açúcar de 
cana 
 
Evaporador de tubos horizontais 
• Vapor circula no interior dos tubos; 
• Circulação natural; 
• Baixa eficiência; 
• Incrustações no exterior dos tubos. 
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• Vantagens: 
• Baixo custo; 
• Fácil instalação. 
• Indicação: 
• Líquidos pouco viscosos, sem formação de espuma nem incrustações. 
• Líquidos com altos coeficientes de troca térmica. 
 
 
Evaporador do tipo Cesta 
• Câmara de vapor → cesta suspensa 
• Vapor circula pelo exterior dos tubos; 
• Vapor produzido no interior dos tubos 
gera a circulação do líquido. 
• Vantagens: 
• Boa relação custo/eficiência. 
• Indicação: 
• Líquidos pouco viscosos. 
 
 
Evaporador de tubos verticais curtos (tipo Calandra, 
padrão ou Roberts) 
• Câmara de vapor anular; 
• Vapor circula pelo exterior dos tubos; 
• Vapor produzido no interior dos tubos 
gera a circulação do líquido; 
• Incrustações no interior dos tubos. 
• Vantagens: 
• Boa relação custo/eficiência. 
• Indicação: 
• Líquidos pouco à semi-viscosos. 
 
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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. 
 
Alimentação da solução 
a ser concentradaAlimentação do vapor 
de aquecimento 
(steam)
Saída do condensado
Saída do vapor gerado 
pela ebulição da solução 
(vapor)
Saída da solução 
concentrada (produto)
E a solução se 
movimentando, por 
circulação natural, 
dentro do 
evaporador
 
• A solução a ser concentrada ocupa o interior dos tubos e o tubo central. 
O vapor de aquecimento ocupa o lado casco 
• Existem dois ambientes distintos, com pressões diferentes 
• Vapor de aquecimento 
• Lado casco da calandra; por fora dos tubos 
• Solução e Vapor gerado 
• Parte inferior do evaporador 
• Interior dos tubos e duto central 
• Espaço vapor 
 
Espaço vapor 
• Cilindro acima da calandra 
• Mesmo diâmetro da calandra 
• Não é ocupado pela solução 
• Corresponde à maior parte do evaporador 
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• Função: evitar que gotas e caldo sejam arrastadas pelo vapor gerado 
pela ebulição. 
 
Evaporador de Circulação Forçada 
• O aumento da velocidade de escoamento da solução no interior dos 
tubos aumenta seu coeficiente de transmissão de calor por convecção; 
• A movimentação da solução é feita por algum equipamento, uma bomba, 
por exemplo, quando as soluções são muito viscosas ou apresentam 
tendência à incrustação; 
• Unidades insensíveis às vazões ou variações nas propriedades físicas; 
• Adequados às operações de cristalização ou com lamas viscosas 
• Nestes equipamentos a superfície de troca de calor pode ser interna ou 
externa, horizontal ou vertical. 
 
Evaporador de tubos verticais 
longos 
• Circulação forçada do líquido; 
• Vapor circula pelo exterior dos tubos; 
• Consumo elevado de energia. 
• Vantagens: 
• Altos coeficientes de troca térmica; 
• Indicação: 
• Líquidos viscosos. 
 
 
 
Evaporador com aquecedor externo 
• Circulação forçada do líquido; 
• Trocador de calor externo; 
• Vapor circula pelo exterior dos tubos; 
• Consumo elevado de energia. 
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• Vantagens: 
• Facilidade de limpeza e substituição dos 
tubos incrustados; 
• Altos coeficientes de troca térmica; 
• Mais compacto 
• Indicação: 
• Líquidos viscosos. 
 
 
 
Evaporadores de Película 
Película ascendente (Kestner ou de tubos longos) 
Película descendente 
Película agitada 
Película ascendente-descendente 
De Placas 
 
Película Ascendente 
• Kestner ou tubos longos 
 
• Características: 
• Pode operar com passagem única; 
• Tempo de residência baixo 
• Ideal para substâncias termo-sensíveis 
• Valores de h elevados 
 
 
 
 
Película Descendente 
• Opera com fluidos mais viscosos que o anterior 
• Empregado também na produção de açúcar de cana 
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Recebe 
calor pela 
parede e 
gera vapor
Mistura do produto 
concentrado e 
vapor
Separação 
principal
Vapor 
gerado vai 
para um 
condensado
r
 
• 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 
 
• Características: 
• Tempo de residência inferior a 1 minuto – possibilita uso de vapor a temperatura 
mais elevada; 
• Coeficiente global maior que outros tipos – possibilita uso de menores diferenças 
de temperatura; 
• Precisa de um distribuidor adequado para a alimentação. 
 
Fundamentos 
• Elevação do Ponto de Ebulição – epe 
• Balanço de Massa 
• Balanço de Energia 
• Entalpias 
• Desempenho• Capacidade 
• Economia 
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• t no Evaporador 
• Coeficiente global – U 
 
Elevação do Ponto de Ebulição (epe) 
• Quando um líquido entra em ebulição? 
• Se a um líquido puro, com temperatura de ebulição t, acrescentar-se um 
soluto, o que ocorrerá com a temperatura de ebulição? 
 
Solvente puro = Água 
Pressão = P
Temp. de ebulição = tsolv
Solução = Água + soluto não volátil
Pressão = P
Temp. de ebulição = te
solve ttepe −=
[2]
te > tsolv
 
• Qual a pressão de vapor da água a 40 ºC? 
• 55,324 mmHg = 0,0752 kgf/cm2 
• Qual a pressão de vapor da água em uma solução de NaOH com 
concentração de 30 (g NaOH/100 H20) a 40 ºC? 
• 36,6 mmHg = 0,0498 kgf/cm2 
• Temos água em ebulição. O que acontece se adicionarmos uma 
quantidade considerável de NaCl? 
• Nível do mar; P = 1 atm 
• Pvap água a 100 ºC = 760 mmHg 
• Sal →  Pvap solução = 740 mmHg 
• Não temos mais igualdade entre pressão de vapor e pressão ambiente. 
• A ebulição cessa. 
 
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VLF xVxLxF
VLF
... +=
+=
Balanços de Massa e Energia 
 
 
• F, S, V, L → vazões mássicas 
• x → fração mássica do soluto 
• H e h → entalpias específicas (por 
unidade de massa) do vapor e do 
líquido 
• t → temperatura 
 
• tL = tV; tS > tL 
• tL = t + epe 
 
Balanço de Massa 
• Operação contínua no estado 
estacionário 
• Não há acúmulo de massa 
• Volume de controle: evaporador 
• Dois componentes: o soluto e o 
solvente 
 entra = sai 
Obs.: vazão de S 
• Balanço de Massa Global 
 
 
• Balanço de Massa para o Soluto 
Solução diluída
Solução 
concentrada
Vapor de 
aquecimento
Vapor 
gerado