Evaporação: Definição e Características

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DEFINIÇÃO DE EVAPORAÇÃO
Pode-se definir evaporação como a operação de concentração de uma solução por evaporação do solvente. Trata-se de uma das mais antigas operações de separação empregadas em escala industrial.
A importância da operação de evaporação pode ser ilustrada por meio dos processos de produção de açúcar de cana. Onde, uma solução de sacarose é concentrada de maneira a permitir que a operação de cristalização, que gera os cristais de açúcar, possa ser realizada.
Características da operação de evaporação:
a) Nos casos industriais mais frequentes, a solução encontra-se em sua temperatura normal de ebulição. A evaporação de soluções salinas constitui uma importante exceção a essa regra.
b) O objetivo da evaporação é concentrar uma solução composta por um soluto não volátil e um solvente volátil. No processo, o solvente é parcialmente evaporado, restando a solução concentrada do soluto não volátil. (separa componentes de uma mistura líquida)
A evaporação é a operação de se concentrar uma solução mediante a eliminação do solvente por ebulição (mudança de fase)
Em geral o vapor não é o produto desejado. As principais exceções são a obtenção de água destilada por evaporação (usada em processos químicos ou em ciclos de potência). LEMBRANDO que há tecnologia ecologicamente limpa para obter h2o destilada por osmose reversa ao invés de evaporação. A obtenção de óleos essenciais também pode ser feita a partir de um processo que envolve a evaporação (para concentração da solução), seguida da destilação, com recuperação dos vapores das duas operações.
c) Além da evaporação, na indústria de alimentos e em outros segmentos industriais, vários são os processos de concentração de soluções e de remoção de solventes, como: concentração por congelamento, osmose reversa e secagem. A definição da operação a ser empregada é função de vários fatores, principalmente a faixa de concentração, a influência do processo nas características dos produtos e o custo da operação.
Características do líquido a ser evaporado
A solução prática de um problema de evaporação é profundamente afetada pelas características do líquido a ser concentrado. Essas características se modificam à medida que o líquido vai se concentrando. ASSIM SENDO, AS PROPRIEDADES DA SOLUÇÃO MUDAM O TEMPO TODO!! 
Mesmo que a solução alimentada seja diluída o suficiente para ter propriedades com valores próximos aos da água, à medida que a concentração aumenta essas propriedades tornam-se mais distintas, como:
· Densidade e a viscosidade AUMENTAM
SATURAÇÃO da solução: formação de cristais. a solução torna-se saturada no que diz respeito ao equilíbrio sólido-líquido dos compostos dissolvidos, provocando a formação de cristais que devem ser removidos para evitar o entupimento de tubos;
AUMENTA T ebu, diminuindo potencial térmico e carga térmica se assim o potencial térmico e consequentemente a capacidade de transferência de calor.
· Produtos termolábeis: construções especiais
Por outro lado, muitos produtos químicos, farmacêuticos e alimentícios são danificados quando aquecidos a temperaturas moderadas, mesmo por períodos relativamente pequenos. Na concentração desses materiais, técnicas específicas são necessárias para reduzir a temperatura do líquido e o tempo de aquecimento. Nessas situações, para proporcionar a ebulição, e conseguir a evaporação, a uma temperatura mais baixa, o equipamento costuma operar à pressão reduzida, quer dizer, sob vácuo. Assim, moléculas termo sensíveis são preservadas, pela temperatura mais baixa e pela redução do tempo de processo.
As exigências de qualidade do produto podem requerer pequeno tempo de residência e temperaturas baixas. Baixos tempos de residência podem excluir alguns tipos de evaporadores para o serviço proposto. Pode-se exigir um material especial de construção para garantir a qualidade do produto.
Aplicações dos evaporadores
· Concentração de produtos
· Pré- concentração para efeitos de alimentação de secadores
· Redução de volume
· Separação de água/solventes
· Pré-cristalização
Aplicações dos evaporadores na Indústria de Alimentos
· Concentração de sucos de frutas
· [ ] caldo de cana para posterior obtenção do açúcar, e na produção do álcool
· Fabricação de leite condensado
· Leite concentrado
· Sucos de frutas concentrados
· Extrato de tomate e catchup
· Doces em massa
· Obtenção de água potável a partir da água do mar.
Obs.: O Tacho encamisado que temos na agroindústria nada mais é que um evaporador de simples efeito, uma vez que é usado para a concentração de leite (doce de leite), de polpa de frutas (doce de frutas).
EVAPORAÇÃO EM SIMPLES E MÚLTIPLO EFEITO
O processo de EVAPORAÇÃO é bastante simples:
Consiste em evaporar o solvente (água) de uma solução diluída (15%) obtendo uma solução concentrada (70%), onde os sólidos da solução original são mantidos, apenas o solvente é retirado por mudança de fase – evaporação. É obtido também uma corrente do vapor que evaporou do alimento. A mudança da fase líquida para o vapor requer a adição de energia térmica ao sistema. A energia adicionada ao sistema vem do vapor de aquecimento (que vem diretamente da caldeira) – CUIDADO para não confundir os dois vapores, além de não se misturarem, eles têm propriedades diferentes.
A transferência de calor do vapor condensante para a solução é expressa por: 
Três elementos principais compõem o projeto de um evaporador: a transferência de calor, a separação líquido-vapor e o consumo eficiente de energia.
As unidades nas quais se dá a transferência de calor são denominadas unidades de aquecimento ou calandrias ou trocadores de calor. Os separadores de líquido-vapor são denominados corpos, cabeças de vapor ou câmaras flash. O termo corpo é também utilizado para designar um módulo compreendendo a unidade de aquecimento e uma câmara flash. A Figura 11.1 apresenta um esquema de um evaporador de tubo longo, no qual são ilustradas as correntes de vapor de aquecimento, condensado, solução de alimentação e concentrado.
Evaporação em simples efeito aquela que ocorre em um ou mais corpos operando à mesma pressão. Utiliza somente 1 evaporador, o vapor procedente do líquido em ebulição é condensado e descartado.
Evaporação em múltiplo efeito consiste em um sistema de evaporação constituído de múltiplos evaporadores, em que o vapor proveniente de um efeito (evaporador) é utilizado como meio de aquecimento para um efeito subsequente operando em uma pressão menor. A Figura 11.2 apresenta um esquema de um sistema com três efeitos, cujas pressões de operação decrescem do primeiro para o último efeito.
O termo evaporador pode ser utilizado para todo o conjunto de efeitos e não apenas para um corpo ou um único efeito.
PRINCIPAIS TIPOS DE EVAPORADORES (para conhecimento. Analisem em cada tipo por onde ocorre os escoamentos de cada corrente envolvida).
Os principais tipos de evaporadores são: de tubos curtos, de tubos longos com fluxo ascendente e circulação natural ou forçada, de filme descendente e do tipo placas.
•Aqueles em que o meio de aquecimento é separado da solução a ser evaporada por superfícies tubulares (tubos).
•Aqueles em que o meio de aquecimento está confinado em camisas, serpentinas e placas planas.
•Aqueles em que o meio de aquecimento entra em contato direto com a solução em evaporação.
Aqueles que utilizam aquecimento por meio de radiação solar.
A grande maioria dos evaporadores industriais emprega tubos para aquecimento da solução a ser evaporada. A circulação dessa solução pode ser induzida pela própria ebulição ou pode ser forçada por meio de bombeamento. Nesse caso a ebulição não ocorre necessariamente na superfície de aquecimento.
ELEVAÇÃO DO PONTO DE EBULIÇÃO PELO EFEITO DA CONCENTRAÇÃO
A temperatura da solução no corpo do evaporador não é necessariamente igual à temperatura de ebulição do solvente na pressão de operação. Essa diferença de temperatura pode estar associada aos efeitos da concentração. Para uma pressão fixa de operação, a temperatura de ebulição da solução é maior que a do solvente puro e tendea aumentar com a concentração.
A pressão de vapor de uma solução é menor que a do solvente puro na mesma temperatura. Portanto, para certa pressão de operação, a temperatura de ebulição da solução é maior que a do solvente puro. A esse fato denomina-se EPE: elevação do ponto de ebulição.
A EPE é função da concentração e do tipo de soluto. A EPE é baixa para soluções diluídas ou de material orgânico e é alta para soluções de compostos inorgânicos (podendo atingir valores até 80 oC).
· Soluções diluídas e colóides orgânicos: Elevação ebulioscópica pequena;
· Soluções de sais inorgânicos: Elevação ebulioscópica elevada;
Uma regra prática útil para o cálculo de evaporadores é a regra de Dühring, que estabelece que a temperatura de ebulição de uma solução a dada concentração é uma função linear da temperatura de ebulição do solvente puro na mesma pressão. Esse comportamento pode ser observado na Figura 11.4, no caso de uma solução aquosa de sacarose.
Para amplas faixas de pressão, a regra não é precisa, no entanto para faixas menores verifica-se o comportamento linear. Cada solução tem o seu próprio diagrama de Duhring, a Figura 11.4 ilustra o diagrama para a solução de sacarose.
A EPE OCORRE EM SOLUÇÕES NÃO DILUÍDAS E SOLUÇÕES DE SAIS INORGÂNICOS
Para soluções diluídas, considere-se que a slução a ser evaporada tem as msm propriedades da água
No entanto, em soluções concentradas, a presença do soluto altera essas propriedades
Regra de Duhring: empírica
Relaciona o PE água com o PE da solução concentrada na msm P e T
Além do gráfico de Duhring, é possível encontrar correlações semiempíricas que expressam a EPE e podem ser obtidas da literatura para diferentes tipos de soluções. Como essa, que informa o EPE de soluções de sacarose:
(nesse tenho que somar com a PE)
X2 é a concentração de soluto expressa em porcentagem mássica ou em graus Brix, e P é a pressão expressa em mbar.
 
Como o evaporador é um tipo específico de trocador de calor, e como todo trocador de calor, o equipamento funciona com dois fluidos:
I: fluido de alimentação (F:feed) que é aquecida se transformando em corrente de vapor (V) e corrente de concentrado (P).
II: fluido de aquecimento (H: heat) que perde calor para a alimentação, condensando-se total ou parcialmente, formando a corrente de condensado (C). Geralmente, o fluido de aquecimento é o vapor que vem direto da caldeira. Ele não se mistura com o fluido de alimentação, apenas troca calor.
BALANÇO DE MASSA
Os balanços de massa total e parcial para um evaporador de simples efeito para a condição de regime permanente são originados de cada uma das correntes, que não se misturam.
são expressos por:
 
Em que os subscritos F, P, V, H e C identificam respectivamente as correntes de alimentação, produto concentrado, vapor do solvente, vapor de aquecimento e condensado, e X2F e X2P são as frações mássicas de soluto (componente 2) nas respectivas correntes. Lembrando que na corrente de fluido de aquecimento não tem soluto (pois é vapor). Logo, o BM não se aplica.
BALANÇO DE ENERGIA
O balanço de entalpia para um evaporador de simples efeito para a condição de regime permanente é expresso por:
(11.7)
sendo HF, HP, HH, HC e HV, respectivamente, as entalpias específicas das correntes de alimentação, produto concentrado, vapor de aquecimento, condensado e vapor do solvente. O termo qP expressa as perdas térmicas do sistema, geralmente calculadas a partir da transferência de calor com o ambiente por convecção e radiação. Esse termo pode, também, ser estimado como uma fração do vapor consumido para a operação. Lebrando que no vídeo a nomenclatura de siglas usada é diferente, mas os nomes são iguais: V0=mv e lambda 0=Hv
A entalpia do vapor de aquecimento HH é função da sua pressão PH e da sua temperatura TH. O condensado não necessariamente está saturado, e a sua entalpia HC é função da sua pressão PC e da sua temperatura TC. As entalpias das correntes de alimentação e de concentrado são funções das respectivas concentrações e temperaturas.
A entalpia do vapor de solvente HV depende da EPE e pode ser expressa por:
(11.8)
sendo CPV o calor específico do vapor; CPL o calor específico da solução; TV a temperatura do vapor; Tb a temperatura de ebulição do solvente puro à pressão do evaporador PV; ΔvapH a entalpia de vaporização do solvente da solução na temperatura Tb; e Tref uma temperatura de referência.
As entalpias específicas das correntes de alimentação HF e de produto concentrado HP são expressas por:
 
Sendo ΔsolHF e ΔsolHP as entalpias de solução das correntes de alimentação e de concentrado, respectivamente, na temperatura de referência Tref.
Balanço de energia simplificado
O balanço de energia para sistemas de evaporação pode ser simplificado na maioria das aplicações quando são verificadas as seguintes hipóteses:
1)O condensado é líquido saturado, TC = TH. Pois o calor que o vapor H perde para a alimentação promove a sua mudança de fase (de vapor sat para líquido sat), mas sem resfriar.
2)As perdas térmicas do sistema são desprezíveis, qP = 0. (consideramos que o sistema é isolado)
3)As entalpias de solução são desprezíveis, ΔsolHF = ΔsolHP = 0.
4)O solvente é água.
5)A entalpia de vaporização é muito superior às demais variações de entalpia, Δvap Hv >> CPL(Tb – Tref) + CPV(TV – Tb). Considerando-se as hipóteses descritas, tem-se, para o balanço de energia simplificado:
(11.11)
COEFICIENTE GLOBAL DE TROCA TÉRMICA
Do balanço de energia simplificado, expresso pela Equação 11.11, observa-se que a energia necessária para o aquecimento da alimentação e evaporação do solvente é suprida pela condensação do vapor saturado.
Esse processo de transferência de calor pode ser expresso por:
(11.12)
sendo U o coeficiente global de transferência de calor, A a área de transferência de calor e ΔT a diferença de temperatura entre as correntes, ou seja, entre o vapor de aquecimento e a solução.
De fato, tanto o coeficiente global de transferência de calor como a diferença de temperatura são de difícil avaliação em um evaporador industrial.
A Equação 11.12 é semelhante à Equação 10.5, mas se deve considerar, nesse caso, que a diferença de temperaturas não é calculada da mesma maneira. Considerando-se a temperatura da solução como a de ebulição Tb, tem-se ΔT = Tsol – Tb e o coeficiente U é denominado aparente. De outro modo, considerando-se a temperatura da solução como sendo a temperatura de ebulição do solvente puro na pressão do espaço vapor TV, tem-se ΔT = Tsol – TV, e o U é o coeficiente corrigido para o EPE.