AposEvaporacao Op. Unit

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ 
Operações Unitárias II 
Evaporação 
 
Professor Paul Fernand Milcent 
Monitora Patrícia Carrano Moreira Pereira 
 
 
 
2013 
1 
 
 
Sumário 
1. Introdução ...........................................................................................................................2 
1.1. Fontes de energia ......................................................................................................2 
1.2. Evaporação ≠ Secagem............................................................................................2 
1.3. Evaporação ≠ Destilação ..........................................................................................2 
1.4. Evaporação ≠ Cristalização ......................................................................................3 
2. Evaporadores .....................................................................................................................3 
2.1. Simples Efeito ............................................................................................................4 
2.2. Múltiplo efeito .............................................................................................................4 
2.3. Compressão mecânica .............................................................................................8 
2.4. Compressão térmica .................................................................................................9 
2.5. Múltiplos efeitos de expansão ................................................................................11 
2.6. Bomba de calor ........................................................................................................12 
3. Evaporação ......................................................................................................................13 
3.1. Pressão na câmara de evaporação ......................................................................14 
3.2. Pressão na câmara de condensação ...................................................................14 
3.3. Projeto do Equipamento .........................................................................................15 
3.4. Perfil da temperatura ...............................................................................................16 
3.5. Influência da perda de carga no projeto ...............................................................17 
3.6. Tipo de Solução .......................................................................................................18 
3.6.1. Regra de Duhring .............................................................................................19 
3.6.2. Ábaco do Perry.................................................................................................20 
3.7. Calor de dissolução .................................................................................................21 
4. Cálculo do evaporador ....................................................................................................21 
3.7. Equipamentos ..........................................................................................................34 
3.7.1. Evaporador de uma passagem ......................................................................34 
3.7.2. Recirculação .....................................................................................................35 
3.7.3. Evaporação solar .............................................................................................35 
3.7.4. Combustão Submersa.....................................................................................35 
3.7.5. Circulação natural ............................................................................................35 
3.7.6. Circulação Forçada..........................................................................................36 
3.7.7. Evaporador de Filme Ascendente .................................................................37 
2 
 
3.7.8. Evaporador de Filme Descendente ...............................................................38 
3.7.9. Filme Agitado ....................................................................................................39 
4. Exercícios propostos .......................................................................................................41 
 
1. Introdução 
A evaporação é uma operação unitária que tem por finalidade concentrar 
soluções constituídas de solventes voláteis e solutos considerados não-voláteis 
através da evaporação parcial do solvente. 
Como os solutos são considerados não voláteis, no equilíbrio a fase 
gasosa ou o evaporado só contém solvente, ou seja, a fração de solvente no 
evaporado é de 100% ( ysolvente=1; ysoluto=0). Porém, na fase líquida, que é a 
solução a ser concentrada, há frações tanto de soluto quanto de solvente 
(xsolvente e xsoluto). 
 
1.1. Fontes de energia 
Vapor d’agua Combustão 
 -Eólica 
Energia elétrica (resistências) -Hidroelétrica 
 -Solar 
 -Nuclear 
 
1.2. Evaporação ≠ Secagem 
Na evaporação, ao término da operação, é obtido um produto líquido 
concentrado, já na secagem tem-se um produto sólido. 
3 
 
1.3. Evaporação ≠ Destilação 
Diferente da evaporação, na destilação o soluto pode ser volátil, assim a 
fração de solvente na corrente gasosa não é de 100%. 
1.4. Evaporação ≠ Cristalização 
A cristalização pode ser feita de duas maneiras, uma delas é alterando a 
temperatura da solução para diminuir a solubilidade do sólido dissolvido, a 
outra é evaporando o solvente até que a solução chegue ao ponto de 
saturação e os cristais comecem a se formar. 
Quando se utiliza o segundo método, a evaporação e a cristalização são 
basicamente o mesmo processo, mas diferem na finalidade da operação. Na 
cristalização, evapora-se o solvente até que a solução fique saturada e, 
consequentemente, o soluto cristalize, enquanto na evaporação ocorre apenas 
a concentração da solução sem que se atinja o ponto de saturação. 
2. Evaporadores 
 
Os evaporadores podem operar de várias maneiras, são elas: 
 
 -Simples Efeito 
 -Múltiplo Efeito 
Operação -Por Compressão - Mecânica 
 - Térmica 
 -Múltiplos Efeitos de Expansão 
 -Bomba de Calor 
 
4 
 
2.1. Simples Efeito 
 
Figura 1 - Esquema de evaporador de simples efeito 
A evaporação por simples efeito é um processo em que se utiliza apenas 
um evaporador. É importante no entendimento dos equipamentos de 
evaporação, mas na prática não é muito usado por gastar muita energia. 
 
2.2. Múltiplo efeito 
 
A evaporação por múltiplos efeitos é um processo em que há a 
associação de vários evaporadores, neste sistema o evaporado de um efeito é 
utilizado como fluido de aquecimento no próximo efeito, como mostrado na 
Figura 2. Esta configuração não resulta em uma produção maior que o simples 
efeito, sua vantagem é a economia de energia. 
 
Figura 2 - Esquema de evaporador de múltiplo efeito 
5 
 
As pressões são diferentes em cada efeito (P1>P2>PN), pois é 
necessário que a solução entre em ebulição a temperaturas cada vez menores, 
já que o fluido de aquecimento será o evaporado proveniente do efeito anterior, 
ou seja, se a pressão for a mesma, o vapor estará a mesma temperatura de 
ebulição da solução e não haverá troca de calor. Com essa diferença de 
pressão T1>T2>TN. 
O sistema de alimentação dos efeitos poder ter quatro configurações 
diferentes: 
 CocorrenteFigura 3 - Esquema de evaporador de múltiplo efeito em cocorrente 
 Dessa maneira, o evaporado e a solução concentrada seguem no 
mesmo sentido (Figura 3). Assim, no efeito em que a temperatura é maior, a 
concentração da solução será a menor, sendo uma boa forma de alimentar 
soluções termosensíveis. Da mesma forma, no efeito em que a temperatura é a 
menor, a concentração é a maior, sendo uma forma ruim de alimentar soluções 
viscosas. 
 
 
 
6 
 
 Contracorrente 
 
Figura 4 - Esquema de evaporador de múltiplo efeito em contracorrente 
 
 Ao contrário da alimentação em cocorrente, a alimentação em 
contracorrente é feita de forma que o evaporado segue em um sentido e a 
solução segue no sentido contrário (Figura 4). Assim, essa forma de 
alimentação é ruim para soluções termosensíveis e boa para soluções 
viscosas. 
 Porém, esse arranjo traz outro problema, a solução segue no sentido da 
menor para a maior pressão, ou seja, o escoamento não ocorrerá 
naturalmente, sendo necessário utilizar muitas bombas para que ele aconteça. 
 Misto 
 
Figura 5 - Esquema de evaporador de múltiplo efeito misto 
7 
 
Essa configuração corrige o problema da alimentação em contracorrente. 
Nela a alimentação da solução diluída é feita em um estágio do meio da linha e 
a solução segue para os efeitos posteriores e depois volta para os iniciais. 
Dessa forma é necessário um menor numero de bombas, mas o arranjo 
continua atendendo bem a soluções de alta viscosidade. 
 Cruzado 
 
Na alimentação cruzada, a solução diluída é alimentada em todos os 
estágios e a solução concentrada também é retirada de todos eles, já o 
evaporado segue para os estágios sequenciais. 
As grandes vantagens dessa configuração são: é possível concentrar 
varias soluções diferentes ao mesmo tempo ou, se utilizada para a 
cristalização, evita a quebra dos cristais que ocorreria caso a solução ficasse 
passando de um estagio para outro. 
Figura 6 - Esquema de evaporador de múltiplo efeito cruzado 
8 
 
2.3. Compressão mecânica 
 
Figura 7 - Esquema de evaporador por compressão mecânica 
 Nesse tipo de evaporador, o evaporado é aproveitado no trocador de 
calor, mas como a entalpia do evaporado é um pouco menor que a do vapor 
vivo, é utilizado um compressor. Esse compressor fornece a energia 
necessária para ajustar a entalpia do evaporado. 
Por exemplo, se o evaporado sai do evaporador a uma pressão de 
P=2,4atm, temperatura T=125°C e entalpia de hg=648kcal/kg, mas o vapor que 
deve ser alimentado para que o equipamento atenda às especificações de 
projeto e apresente diferença de temperatura suficiente para a troca térmica 
com a solução é um vapor de P=4atm, T=145°C e hg=654kcal/kg, como 
ilustrado na Figura 8. Nesse caso, pode-se usar um compressor para adequar 
o evaporado à essas condições. Lembrando que a energia elétrica consumida 
pelo compressor usualmente é mais cara que energia térmica, portanto este 
tipo de operação deve ser escolhido com cautela. 
S
E P=2,4atm
 T=125°C
 Hg=648kcal/kg
F
ΔT=20°C
W
W’
P=4atm
T=145°C
 Hg=654kcal/kg
 
Figura 8 - Exemplo de evaporador por compressão mecânica 
9 
 
2.4. Compressão térmica 
 
Figura 9 - Esquema de evaporador por compressão térmica 
 
Segue o mesmo princípio do evaporador por compressão mecânica, 
mas ao invés de um compressor, utiliza-se um ejetor a jato de vapor d’água. O 
ejetor funciona como uma válvula redutora de pressão e é aplicável quando há 
grande disponibilidade de vapor a alta pressão e escassez de vapor de baixa 
pressão. 
Um ejetor a jato de vapor d’água funciona da seguinte maneira: 
 
Figura 10 - Esquema de ejetor a jato de vapor d'água 
 No bocal do fluido motriz: como há estrangulamento do fluido motriz 
(vapor de alta pressão), a velocidade aumenta e, pela equação de Bernoulli, a 
pressão vai diminuir. 
 Na caixa de mistura: o evaporado com baixa pressão é aspirado pelo 
vácuo formado e é misturado com o vapor. 
10 
 
 No difusor: há uma abertura e então a velocidade diminui e a pressão 
aumenta, fornecendo então ao evaporado a energia necessária. Sai então o 
vapor a média pressão nos padrões desejados. 
É possível calcular a pressão do vapor vivo de alta pressão que deve ser 
alimentado no ejetor através da seguinte equação: 
 
Onde: 
m é a razão entre a massa de vapor do evaporado e a massa de vapor vivo 
de alta pressão. 
PA é a pressão do vapor vivo de alta pressão. 
PB é a pressão baixa do evaporado. 
PM é a pressão média do vapor necessário para alimentar a câmara de 
condensação. 
 
 
11 
 
2.5. Múltiplos efeitos de expansão 
F
Sn
1 2 N
W
 
 
 
Figura 11 - Esquema de evaporador de múltiplos efeitos de expansão 
 Nesse tipo de evaporador, a alimentação é pré aquecida em trocadores 
de calor em que o fluido de aquecimento é o evaporado de cada estágio, 
depois ela passa por outro trocador de calor onde é aquecida por vapor vivo. 
Após aquecida, a alimentação passa antes de cada efeito por uma válvula de 
expansão que causa o flasheamento da solução, cada efeito então separa um 
pouco de evaporado. 
 
12 
 
 
2.6. Bomba de calor 
 
 
 
 
 
 
Figura 12 - Esquema de bomba de calor 
Em uma bomba de calor existem basicamente quatro componentes: 
Compressor, condensador, dispositivo de expansão e evaporador. 
O fluido refrigerante na forma de líquido saturado passa pela válvula de 
expansão, onde é submetido a uma queda de pressão brusca e passa a ter 
SISTEMA 
ENERGIA 
ADICIONAL 
T MENOR T MAIOR 
Q1 Q2 
W Q1 + W = Q2 + perdas 
13 
 
dois estados, o líquido e o gasoso. O fluido refrigerante, nesse ponto, é 
denominado de flash gás. Então o fluido é conduzido pelo evaporador, onde 
absorverá calor do ar do evaporador, vaporizando-se. 
Na saída do evaporador, na forma de gás ele é succionado pelo 
compressor, que eleva sua pressão e sua temperatura para que possa ser 
conduzido através do condensador, que cederá calor ao ambiente externo, 
condensando o fluido e completando o ciclo. 
 
 
3. Evaporação 
Pode-se representar um equipamento de evaporação, de maneira 
simplificada, como uma câmara de condensação e uma câmara de 
evaporação. Assim, como há duas câmaras separadas, a pressão em cada 
uma das câmaras pode ser diferente (Figura 13). 
 
Figura 13- Representação simplificada de um evaporador 
A Equação 1 é a equação que relaciona a área de troca do evaporador 
com o coeficiente global de troca térmica e a diferença de temperatura. 
 (1) 
Em que ΔT é a diferença entre a temperatura de condensação e a 
temperatura de evaporação e é função de 
14 
 
 Pressão na câmara de evaporação 
 Pressão na câmara de condensação 
 Tipo de solução 
 Projeto do equipamento 
 
3.1. Pressão na câmara de evaporação 
Em geral, é comum que a pressão na câmara de evaporação seja menor 
que a pressão atmosférica (vácuo), pois quanto maior a pressão, menor a 
temperatura de evaporação e, consequentemente, maior a diferença de 
temperatura ΔT. 
Então, analisando a Equação 1, temos que 
 
Ou 
 
Se a área diminui, o custo com o equipamento também diminui e se a 
taxa de transferência de calor aumenta, a capacidade (vazão de evaporado) 
também aumenta. (Lembre no entanto, que baixas pressões também 
representam custos.) 
 
3.2. Pressão na câmara de condensação 
Da mesma forma, a fim de se ter um ΔT maior, geralmente a pressão na 
câmara de condensação é mais elevada. Porém, a medidaque essa pressão 
aumenta, a entalpia do vapor saturado diminui e é necessário mais vapor para 
o aquecimento, além disso as paredes do equipamento precisam ter uma 
espessura maior, aumentando os custos. Dessa forma não é viável operar com 
uma pressão muito elevada, deve-se encontrar um ponto de equilíbrio 
(digamos, vapor saturado a 4 ata). 
15 
 
3.3. Projeto do Equipamento 
 Ex: Evaporador padrão de tubos verticais 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A parte do trocador de calor funciona como um trocador de calor de 
casco e tubos em que o vapor vivo passa pelo casco e a solução passa pelos 
tubos. 
É considerado de circulação natural, pois a circulação da solução 
acontece exclusivamente devido à convecção natural. 
Figura 14 - Esquema de evaporador padrão de tubos verticais 
Figura 15 - Esquema de trocador de calor do evaporador 
16 
 
A solução que vai sendo aquecida, sobe pelos tubos de menor 
diâmetro, enquanto no tubo central de maior diâmetro (50-100% maior que os 
outros), como o fluido está mais distante da parede e portanto com temperatura 
menor, a solução desce. 
3.4. Perfil da temperatura 
 
Figura 16 - Representação da variação da temperatura com a 
profundidade no trocador de calor do evaporador 
 
Pode-se dizer que enquanto a solução está descendo a temperatura não 
muda, mas a pressão vai aumentando e a ebulição não vai mais ocorrendo. A 
solução sobe pelos tubos de menor diâmetro e vai se aquecendo e enquanto 
ela sobe a pressão vai diminuindo e começa a ebulição. 
Para cálculos de transferência a temperatura do topo não é utilizada, 
mas sim a do sistema, que é uma temperatura média ( ). 
 (2) 
Então, na prática, o ΔT é menor que o teórico, pois o Tevap ( ) é menor 
que o esperado Ttopo. 
 
17 
 
 
3.5. Influência da perda de carga no projeto 
 
Ex: Múltiplo efeito 
 
Figura 17 - Representação simplificada de evaporador de múltiplo efeito 
 
P1 é a pressão na câmara do efeito anterior 
P2 é a pressão no condensador do efeito posterior 
 
Se não houver perda de carga P1 é igual a P2, mas se houver P2 é 
maior que P1. Se P2 for menor, a temperatura de saturação também será e, 
consequentemente, o vapor usado no efeito posterior estará a uma 
temperatura menor, diminuindo o ΔT do sistema. Por isso, são usados tubos de 
maior diâmetro para conduzir o evaporado a fim de evitar ao máximo a perda 
de carga. 
18 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.6. Tipo de Solução 
A mudança da fase líquida para a fase vapor ocorre na pressão de vapor 
(Pv). A água pura na temperatura de 100°C apresenta Pv=760mmHg, já uma 
solução aquosa de NaOH 60% na temperatura de 100°C apresenta 
Pv=30,1mmHg. Então, é possível perceber que a água, em presença de um 
soluto, apresenta um abaixamento da pressão de vapor. 
Para que a solução aquosa de NaOH tenha a mesma pressão de vapor 
da agua pura (Pv= 760mmHg), esta deve estar a uma temperatura de 167°C. A 
esse aumento na temperatura, dá-se o nome de elevação do ponto de ebulição 
(e.p.e.) e ele pode ser determinado pela regra de Duhring. 
Os maiores e.p.e. são observados quando o soluto é composto de 
moléculas pequenas e iônicas, podendo chegar a 80°C, quando a molécula é 
muito grande e/ou orgânica o e.p.e. é muito baixo chegando a ser desprezível. 
Quando a solução apresenta e.p.e., o evaporado retirado do equipamento é um 
vapor superaquecido. 
 
 
Figura 18 - Diagrama de Pressão versus Temperatura do vapor 
19 
 
3.6.1. Regra de Duhring 
 Consiste em traçar um gráfico representando a variação da temperatura 
de ebulição do solvente puro com a temperatura de ebulição da solução, 
obtendo retas com dois pontos experimentais para cada concentração da 
solução. 
 
Figura 19 - Diagrama de Duhring 
 Exemplo: Qual o e.p.e. de uma solução de NaOH 60% quando a 
temperatura de ebulição do solvente puro é de 95°C? Utilizar o Diagrama de 
Duhring da Figura 19. (Resposta: TEsolução=160°C; e.p.e.=65°C) 
20 
 
3.6.2. Ábaco do Perry 
Além desse diagrama, o PERRY também traz um ábaco no qual é 
possível encontrar o e.p.e. para diversas substâncias. 
O ábaco da Figura 20 é lido da seguinte forma: 
 Encontrar na escala à direita a temperatura da solução em °F 
 Traçar uma reta deste ponto até o ponto correspondente à 
substância 
 Prolongar esta reta até o anteparo no lado esquerdo do ábaco 
 A partir do ponto marcado no anteparo, traçar uma reta até a 
porcentagem correspondente 
 Prolongar esta reta até a escala à direita, a reta tocará no ponto 
correspondente ao ponto de ebulição da solução. 
 
Figura 20 - Ábaco do Perry para determinação do e.p.e de soluções 
21 
 
3.7. Calor de dissolução 
Se o calor de dissolução for apreciável, é necessário considerá-lo no 
balanço de energia. Estes valores de entalpia podem ser encontrados em 
diagramas de Entalpia x Concentração, em que cada curva representa uma 
temperatura diferente, e eles são específicos para cada solução. 
A Figura 21 apresenta um diagrama Entalpia x Concentração para 
soluções aquosas de NaOH. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4. Cálculo do evaporador 
Tópicos gerais para cálculo de um equipamento 
 Balanço material 
 Balanço energético (Entálpico) 
 Condições de equilíbrio 
 Propriedades termodinâmicas 
 Velocidades de transferência 
 Dimensionamento 
Figura 21 - Diagrama de entalpia versus concentração 
22 
 
 
- Trocador de calor Para qualquer x, y é sempre igual a 1 
- Câmara de separação P = Psat = f (T, x) 
S, hs, xs
E, he
W
hg
F, hF, xf
hf
 
Figura 22 - Esquema de evaporador de simples efeito 
F, E, W, S Vazões mássicas [kg/h] 
hF, he, hs Entalpias [kcal/kg] 
hg Entalpia do vapor saturado [kcal/kg] 
hf Entalpia do liquido saturado [kcal/kg] 
q Fluxo de calor [kcal/h] 
A Área de troca térmica [m²] 
U Coeficiente global de troca térmica [kcal/h.m².°C] 
x Concentração de sólidos (base úmida) [kgsoluto/kgsolução] 
 Balanço material 
Global: 
 (3) 
Soluto: 
 (4) 
 Balanço Entálpico 
 (5) 
23 
 
 (6) 
 (7) 
 
 
OU 
 (8) 
 (9) 
 
 U Pode ser fornecido ou estimado 
 (10) 
 Considerações termodinâmicas 
Sem mudança de fase: 
 (11) 
A pressão constante: 
 (12) 
 
 
Na referência : 
 
 
 
 
24 
 
 (13) 
 
 Para misturas 
o Pode-se desprezar o calor de mistura quando há pouca interação 
entre as moléculas 
 Moléculas grandes (orgânicas) interagem pouco 
 Moléculas pequenas (inorgânicas e iônicas) interagem 
muito 
 
 função linear por não ter efeito 
de mistura 
 
 
 
 
 
Conhecendo-se Cp para uma concentração, interpola-se para encontrar 
Cp em outras concentrações. 
Interpolando: 
 
 (14) 
 Atenção! Se houver elevação 
do ponto de ebulição, o vapor de água que sai na corrente de evaporado 
sairá superaquecido,então haverá um incremento na entalpia da 
25 
 
corrente E que antes era considerada como a entalpia do vapor saturado 
retirada da tabela de vapor. Essa diferença na entalpia pode ser 
observada no gráfico da Figura 23. 
 
Figura 23 - Diagrama de Temperatura versus entalpia da água 
 
Na Figura 23, observa-se os pontos B, C e D marcados sobre a curva 
que representa uma pressão constante e igual para todos, em que B 
representa a entalpia do líquido saturado (hf), C representa a entalpia do vapor 
saturado (hg) e D representa a entalpia do vapor superaquecido que, para os 
casos em que há elevação do ponto de ebulição, é a entalpia da corrente E 
(hE). 
 
Assim, para calcular o valor de hE utiliza-se: 
 
Ou 
 (15) 
Uma boa simplificação, que traz bons resultados, é considerar: 
26 
 
 
 Economia 
o Economia do simples efeito 
 (16) 
 
o Economia do múltiplo efeito 
 
1ª Hipótese 
 (17) 
 (18) 
 (19) 
 
2ª Hipótese 
 (20) 
 (21) 
 (22) 
Então, 
 
Como 
 
 (23) 
À medida que o número de estágios aumenta a economia também 
aumenta o que justifica a associação de evaporadores. 
27 
 
 Capacidade 
 
o Capacidade do simples efeito 
 
 
o Capacidade do múltiplo efeito 
 
Considerando constante 
 
Como e considerando que a área de troca e o coeficiente 
global de troca térmica em cada efeito sejam os mesmos que os do simples 
efeito. 
 
Considerando ainda que a diferença de temperatura global do múltiplo 
efeito seja a mesma diferença de temperatura do simples efeito, então: 
 
Assim, pode-se perceber que a operação em múltiplos efeitos não 
aumenta a capacidade de produção, apenas economiza energia. 
28 
 
Tabela de vapor 
Tabela de vapor 
 
Exemplo Resolvido 1 
Uma solução aquosa de um colóide orgânico deve ser concentrada de 
10% até 40% em um evaporador simples na vazão de 15000kg/h. O vapor de 
aquecimento é vapor de água saturado a 2ata e abandona a câmara de 
condensação na temperatura de condensação. Na câmara de evaporação 
mantém-se uma pressão absoluta de 150mmHg. O calor de dissolução, de 
diluição e as perdas de calor ao exterior são desprezadas. O coeficiente 
integral de transmissão de calor vale 2000kcal/h.m².°C e a capacidade 
calorífica a pressão constante da alimentação é 0,9kcal/kg.°C. A solução pode 
entrar no evaporador a 20°C, 50°C ou 80°C. Determine para cada uma das 
condições de entrada o consumo de vapor vivo, a superfície necessária de 
troca térmica e a economia do processo. 
F=15000kg/h; xF=0,10; xS=0,40 
 
Vapor saturado P= 2ata 
 
 
Pcâmara= 150mmHg = 0,197ata 
Balanço material: 
 
 
 
 
 
 
 
T = 119,6°C 
hf = 120,3kcal/kg 
hg = 645,9kcal/kg 
TE = 60°C 
hE = 623,2kcal/kg 
 
29 
 
 
Balanço entálpico: 
 
 
Para alimentação a 20°C 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Para alimentação a 50°C 
 
 
 
 
 
 
30 
 
 
 
 
 
 
 
Para alimentação a 80°C 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Economia do processo: 
 
 
 
 
 
 
 
31 
 
Exemplo Resolvido 2 
Em um evaporador simples processamos 15000kg/h de uma solução de 
NaOH de 10% a 50% em peso. O vapor empregado é vapor saturado a 3,5ata 
e uma vez condensado sai na temperatura de condensação. O vácuo mantido 
na câmara de evaporação é de 620mmHg referido a pressão atmosférica 
normal. O coeficiente integral de transmissão de calor vale 1600kcal/h.m²°C. 
Se a alimentação entra a 40°C e não se perde calor ao sistema, determinar o 
consumo horário de vapor de aquecimento, a superfície de aquecimento e a 
economia. 
 
 
 
 
 
 
 
Balanço Soluto 
 
 
 
Balanço Global 
 
 
 
 
Balanço Entálpico 
 
32 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Como a entalpia de dissolução é apreciável 
 
 
 
 
 
 
 
Como há epe, E é superaquecido 
 
 
 
Substituindo os valores no balanço de energia 
Tabela de 
 Vapor 
 
TW=138°C 
hf =139 kcal/kg 
hg =652 kcal/kg 
Tabela de 
 Vapor 
Tsat=59°C 
hg =623 kcal/kg 
Para o solvente puro! 
 
Tsat=59°C 
hg =623 kcal/kg 
Diagrama de 
 Duhring 
TS=103°C 
40°C 
Xf = 0,1 
 Diagrama 
 h x X 
hF=35 kcal/kg hf 
103°C 
Xf = 0,5 
 Diagrama 
 h x X 
hS=134 kcal/kg hf 
33 
 
 
Assim 
 
 
 
 
Economia 
 
34 
 
 
3.7. Equipamentos 
 
 Podem ser classificados de acordo com o tipo de aquecimento ou de 
operação. 
 
Operação 
 
 
 
 Direto 
 
 
Aquecimento 
 
 
 Indireto 
 
 
 
3.7.1. Evaporador de uma passagem 
 
F S
E
 
Figura 24 - Esquema de evaporador de uma passagem 
O tempo de permanência é muito pequeno, resultando em um 
rendimento baixo. 
Comumente usado quando se tem um material orgânico que pode sofrer 
degradação se exposto a altas temperaturas por muito tempo. 
Evaporação Solar 
Combustão Submersa 
Circulação Natural 
Circulação Forçada 
 
Tipo Filme 
 
Filme agitado 
Ascendente 
Descendente 
Uma passagem 
Recirculação 
35 
 
3.7.2. Recirculação 
F S
E
 
Figura 25 - Esquema de evaporador de recirculação 
O tempo de permanência da solução no evaporador é alto, não podendo 
ser usado para materiais que sofram degradação a altas temperaturas. 
3.7.3. Evaporação solar 
Como o próprio nome sugere, a solução é exposta ao sol para que haja 
a evaporação do solvente. 
3.7.4. Combustão Submersa 
Faz uso de gases de combustão borbulhando através do líquido como 
meio de transferência de calor. Consiste simplesmente num tanque para 
armazenar o líquido, um queimador, um distribuidor de gás que pode ser 
inserido no líquido e um sistema de controle de combustão. Uma vez que não 
existe nenhuma superfície de aquecimento, este evaporador é adequado para 
uso com líquidos em grande escala. A facilidade de construção do tanque com 
um queimador de ligas especiais ou materiais não metálicos torna prático o 
manuseio de soluções altamente corrosivas. No entanto, como o vapor é 
misturado com uma grande quantidade de gases não condensáveis, é 
impossível reutilizar o calor deste vapor. 
Uma das dificuldades frequentemente encontradas na utilização de 
evaporadores de combustão submersa é uma elevada perda por arraste. Além 
disso, estes evaporadores não podem ser usados quando, no caso da 
cristalização, o controle de tamanho dos cristais é muito importante. 
3.7.5. Circulação natural 
A construção do equipamento permite que a circulação ocorra 
naturalmente, resultado das correntes convectivas. 
36 
 
O trocador de calor se localiza no interior do separador de fases, entãoa 
solução alimentada entra em contato com a superfície de aquecimento e, 
devido ao modo como este trocador de calor é construído, como já foi visto em 
seções anteriores na Figura 15 e na Figura 16, a solução sofre efeito das 
correntes convectivas tornando o aquecimento homogêneo e a troca de calor 
eficiente. 
Assim, este tipo de evaporador dispensa o uso de bombas, o que o torna 
uma opção de baixo custo energético. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.7.6. Circulação Forçada 
 Utiliza uma bomba para fazer a circulação da solução a ser concentrada, 
é comumente usada para fluidos viscosos ou corrosivos. 
 Embora ele não seja o mais econômico para muitas utilizações, o 
evaporador de circulação forçada é adequado para uma ampla variedade de 
aplicações. A utilização de uma bomba para assegurar a circulação pela 
superfície de aquecimento torna possível a separação das funções de 
transferência de calor, separação vapor-líquido, e cristalização. A bomba retira 
a solução da câmara flash e força sua passagem através do elemento de 
aquecimento de volta para a câmara flash. A circulação é mantida 
Figura 26 - Esquema de evaporador de circulação natural 
37 
 
independentemente da taxa de evaporação, de modo que este tipo de 
evaporador é bem adequado para a operação de cristalização, em que os 
sólidos devem ser mantidos em suspensão. A velocidade do líquido após a 
superfície de aquecimento é limitada apenas pelo bombeamento e por corrosão 
acelerada e erosão em velocidades mais elevadas. 
 
 
Figura 27 - Esquema de evaporador de circulação forçada 
 
3.7.7. Evaporador de Filme Ascendente 
Os evaporadores de filme ascendente são do tipo casco e tubos, nos 
quais o produto circula pelos tubos e o vapor pelo casco, aquecendo as 
paredes externas dos mesmos. A alimentação entra na parte inferior do tubo e 
começa a evaporar parcialmente no seu interior, esse vapor arrasta a solução 
que, desse modo, ascende. A mistura de líquido e vapor que sai na parte 
superior colide a alta velocidade contra um deflector colocado sobre a folha de 
tubos. Esse defletor é eficaz tanto como um separador primário e como um 
disjuntor de espuma. 
38 
 
Normalmente o tempo de permanência da solução é de apenas alguns 
segundos. Devido aos tubos longos e aos relativamente altos coeficientes de 
transferência de calor, é possível atingir as capacidades-unitárias mais 
elevadas neste tipo de evaporador do que em qualquer outro. 
Em muitos casos, tal como quando a proporção de alimentação para a 
evaporação ou a taxa de alimentação para a superfície de aquecimento é 
baixa, é desejável prever recirculação do produto através do evaporador. Isto 
pode ser feito adicionando uma conexão de tubo entre a linha de produtos e a 
linha de alimentação. 
 
Figura 28 - Esquema de evaporador de filme ascendente 
 
3.7.8. Evaporador de Filme Descendente 
É semelhante ao evaporador de filme ascendente, mas nesse caso a 
alimentação é feita no topo e a solução desce por efeito da gravidade. 
O líquido é alimentado pelo topo dos tubos e flui para baixo pelas 
paredes, como um filme. A separação das fases normalmente ocorre na parte 
inferior, embora alguns evaporadores deste tipo sejam dispostos de modo que 
o vapor suba através do tubo em contracorrente com o líquido. A queda de 
pressão através dos tubos é geralmente muito pequena e a temperatura de 
39 
 
ebulição do líquido é substancialmente a mesma que a temperatura do vapor 
da cabeça. 
O evaporador de filme descendente é amplamente utilizado para a 
concentração de materiais sensíveis ao calor, como sumos de frutas, porque o 
tempo de residência é muito pequeno, o líquido não é superaquecido durante a 
passagem através do evaporador e os coeficientes de transferência de calor 
são elevados, mesmo a baixas temperaturas de ebulição. 
O principal problema com esse tipo de evaporador é que a distribuição 
de alimentação pelos tubos. É essencial que todas as superfícies do tubo 
sejam humedecidas continuamente. Isto requer geralmente a recirculação do 
líquido, a menos que a proporção de alimentação para a evaporação seja 
bastante elevada. Uma alternativa para o sistema de recirculação simples é por 
vezes usado quando a alimentação é submetida a uma variação de 
concentração apreciável e o produto é viscoso e / ou tem um elevado aumento 
do ponto de ebulição. A câmara de e o vapor são divididos em uma série de 
compartimentos de solução e bombas separadas são usadas para passar a 
solução através de vários bancos de tubos em série, todos em paralelo. A 
distribuição efetiva da alimentação para os tubos individuais do equipamento 
pode ser conseguida pelo emprego de orifícios na entrada de cada tubo, por 
uma placa perfurada sobre os tubos ou por um ou mais bicos de pulverização. 
 
3.7.9. Filme Agitado 
Utilizam uma superfície de aquecimento que consiste de um tubo de 
grande diâmetro que pode ser reto ou cônico, horizontal ou vertical. O líquido é 
espalhado sobre a parede do tubo por um conjunto de lâminas rotativas que 
mantém uma folga estreita a partir da parede ou realmente formam uma 
película de líquido na parede. A construção dispendiosa limita a aplicação para 
a maioria dos materiais. Alta agitação e poder permitem o manuseio de 
materiais extremamente viscosos. Tempos de residência de apenas alguns 
segundos permitem a concentração de materiais sensíveis ao calor. Altas 
vazões de alimentação podem ser manuseadas sem recirculação. 
40 
 
Considerações econômicas e de processo geralmente ditam que 
evaporadores de filme agitado sejam operados em simples efeito. Diferenças 
de temperatura muito altas podem então ser utilizadas: muitos são aquecidos 
com fluidos térmicos. Isto permite atingir capacidades razoáveis, apesar de os 
coeficientes de transferência de calor relativamente baixos e a superfície 
pequena, que pode ser fornecida num único tubo. 
 
Figura 29 - Esquema de evaporador de filme agitado 
41 
 
 
4. Exercícios propostos 
1. Em um evaporador simples se concentram 20000kg/h de uma solução 
de 10% a 50% em peso. O vapor de aquecimento é vapor saturado a 
1,6ata e na câmara de evaporação se mantém uma pressão absoluta de 
450mmHg. Para a solução de 50% o e.p.e é de 10°C e a capacidade 
calorifica a pressão constante da solução diluída é 0,85kcal/kg°C. 
Considerando desprezíveis os efeitos térmicos de diluição e dissolução, 
determine o consumo horário de vapor e a superfície de aquecimento 
necessária. A solução entra no evaporador a 25°C e U=1800kcal/m²h°C. 
(Resposta: W=18620kg/h; A=326m²) 
 
2. Uma solução de NaOH é concentrada de 8% a 25% em peso em um 
evaporador simples. A alimentação é de 3000kg/h. Antes da solução 
entrar no evaporador, ela é aquecida em um trocador de calor até 70°C 
empregando como meio de aquecimento o condensado que sai da 
câmara de condensação. Para o aquecimento do evaporador é 
empregado vapor saturado a 108°C, mantendo-se a câmara de 
evaporação na pressão absoluta de 90mmHg. Determine o coeficiente 
integral de transmissão de calor sabendo que a superfície de 
aquecimento é de 20m². (Resposta: W=2120kg/h; U=1180kcal/hm²°C)