Evaporação: Operação Unitária

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Prof. MSc. Rafael Simões 
Universidade Estácio de Sá 
“É a operação em que se concentra uma solução pela 
eliminação do solvente por ebulição (McCabe, 1982)”. 
SUMÁRIO 
 INTRODUÇÃO; 
 AQUECIMENTO DIRETO E INDIRETO; 
 CIRCULAÇÃO NATURAL E FORÇADA; 
 CATEGORIAS CONSTRUTIVAS GERAIS DE EVAPORADORES; 
 RECOMPRESSÃO DO VAPOR 
 EVAPORADORES: 
 SIMPLES EFEITO; 
 MÚLTIPLOS EFEITOS; 
 ASPECTOS IMPORTANTES DE PROJETO 
 EXERCÍCIO (EXEMPLO) 
INTRODUÇÃO 
 A evaporação é uma operação unitária que tem por objetivo concentrar uma 
solução constituída de soluto não- volátil e solvente volátil, através da 
eliminação parcial do solvente. 
 Como os solutos são considerados não-voláteis , no equilíbrio a FASE GASOSA 
só contem solvente, ou seja, a fração do solvente no evaporado é de 100% 
(ysolvente=1 e ysoluto=0). Já na FASE LÍQUIDA, há tanto soluto quanto solvente 
(xsolvente e xsoluto). 
 Evaporador é constituído por um trocador de calor, capaz de levar a solução à 
fervura, e de um dispositivo para separar fase vapor do líquido em ebulição. 
 A grande maioria dos processos de evaporação utilizam a água como solvente. 
 Exemplos de aplicação do processo de evaporação: concentração de sucos de 
frutas, do caldo de cana para obtenção do açúcar, obtenção de água potável a 
partir da água do mar, etc. 
 
INTRODUÇÃO 
INTRODUÇÃO 
OBS.: °Brix é uma escala numérica de 
índice de refração (o quanto a luz desvia 
em relação ao desvio provocado por água 
destilada) de uma solução, comumente 
utilizada para determinar, de forma 
indireta, a quantidade de compostos 
solúveis numa solução de sacarose, 
utilizada geralmente para suco de fruta. 
INTRODUÇÃO 
 A figura abaixo mostra um esquema simplificado de um evaporador: 
 Problemas que podem ocorrer na Evaporação: Espumas, incrustação, salinização, 
sensibilidade das substâncias ao calor, corrosão e limitações de espaço. 
AQUECIMENTO DIRETO E INDIRETO 
AQUECIMENTO DIRETO 
 Troca de calor ocorre de forma direta (contato direto) entre o meio de 
aquecimento e o produto a ser aquecido. Logo, não existe superfície de 
aquecimento ou transmissão de calor. 
 Um evaporador atmosférico de aquecimento direto usa queimador invertido, 
alimentado com gás e oxigênio sob pressão submerso no líquido a ser 
evaporado. Esse tipo de evaporador é usado para concentrar normalmente, 
produtos propenso a depositar incrustações, as quais retardam a transmissão de 
calor sobre a superfície de troca térmica. 
 Nesta linha de evaporador, existe os evaporadores chamados de “Flash”, cujo 
método de evaporação, é o produto ser pré-aquecido num trocador de calor 
convencional até cerca de 100ºC, e depois enviado através de bombeamento de 
um tubo vertical ou diagonal, onde o vapor limpo é injetado na tangente para 
super aquecer o produto à temperatura desejada (120 a 150ºC). Este tipo de 
evaporador não é recomendado para produtos sensível a aquecimentos 
elevados. 
AQUECIMENTO DIRETO E INDIRETO 
AQUECIMENTO DIRETO 
 
AQUECIMENTO DIRETO E INDIRETO 
AQUECIMENTO INDIRETO 
 Troca de calor ocorre de forma indireta, ou seja, sem contato entre o meio de 
aquecimento e o produto a ser aquecido. Logo, existe uma superfície de 
aquecimento ou transmissão de calor. 
 
CIRCULAÇÃO NATURAL E FORÇADA 
CIRCULAÇÃO NATURAL 
A construção do equipamento 
permite que a circulação ocorra 
naturalmente, resultado das 
correntes convectivas. 
 
 
CIRCULAÇÃO FORÇADA 
Utiliza uma bomba para fazer a 
circulação da solução a ser 
concentrada, é comumente usada 
para fluidos viscosos ou corrosivos. 
 
 
CATEGORIAS CONSTRUTIVAS GERAIS DE 
EVAPORADORES 
 TUBOS HORIZONTAIS 
 TUBOS VERTICAIS (TIPO CESTA E TUBOS CURTOS) 
 TUBOS VERTICAIS (CALEFATORES INTERNO E EXTERNO) – CIRCULAÇÃO FORÇADA 
 VERTICAIS DE TUBOS LONGOS – CIRCULAÇÃO NATURAL 
 FILME DESCENDENTE 
 PELÍCULA TURBULENTA 
 COMBUSTÃO SUBMERSA 
CATEGORIAS CONSTRUTIVAS GERAIS DE 
EVAPORADORES 
 EVAPORADOR DE TUBOS HORIZONTAIS 
 Construção clássica e foi utilizado durante muitos anos. 
 A solução ferve no exterior dos tubos horizontais. 
 Os tubos interferem na circulação natural do líquido 
fervente, logo agitação da solução é minimizada. 
 U <<< outras formas de evaporador, em especial quando 
as soluções são viscosas. 
 Não tem dispositivos para quebrar a espuma formada em 
virtude da ação da ebulição. 
 Incrustação no exterior dos tubos, com difícil remoção. 
Obs.: Utilizado para pequenas instalações, onde a solução é 
diluída, não espumejante e não forma depósito de sólidos 
sobre os tubos do evaporador. 
 
CATEGORIAS CONSTRUTIVAS GERAIS DE 
EVAPORADORES 
 EVAPORADOR DE TUBOS VERTICAIS CURTOS E TIPO CESTA 
 Nítido avanço sobre os evaporadores de tubos horizontais, superam 
a maior parte das desvantagens operacionais. 
 A solução ferve no interior dos tubos verticais, e o fluido 
aquecedor (em geral vapor de água), fica numa câmara de vapor 
através da qual passam os tubos. 
 No evaporador do tipo cesta, a caixa de vapor forma uma cesta 
suspensa no centro do evaporador. 
 O aquecimento do fluido no interior dos tubos, provoca um 
escoamento ascendente, e o líquido que não foi evaporado escoa 
para baixo. 
 Circulação natural é estimulada (1 a 3 ft/s nos tubos), logo 
apresenta U maior. E qualquer depósito de sólido que ocorra no 
interior dos tubos é removido por limpeza mecânica. 
Obs.: São impraticáveis nos casos em que o líquido a evaporar é muito 
viscoso, ou muito espumejante, ou só pode suportar as temperaturas 
do evaporador por tempos curtos. (destruição de espuma ineficiente) 
 
CATEGORIAS CONSTRUTIVAS GERAIS DE 
EVAPORADORES 
 EVAPORADOR VERTICAIS DE TUBOS LONGOS (CIRCULAÇÃO NATURAL) 
 Vazão razoavelmente elevada devido a convecção natural. 
 Comprimento dos tubos: 12 a 20 ft. 
 A mistura de líquido e vapor sai pelo topo dos tubos e projeta-
se contra uma chicana. 
 Velocidade do fluido evaporado é ↑, favorecendo que a 
chicana atue como eliminadora de espuma. 
 Nas industrias modernas de grande porte esse tipo de 
evaporador apresenta alta competividade, em especial quando 
comparado com evaporadores de circulação forçada. 
 UEVTLcn < < UETVcf 
 Fração de líquido evaporado por passe nos tubos, é usualmente 
maior que na operação com circulação forçada. 
. 
 
CATEGORIAS CONSTRUTIVAS GERAIS DE 
EVAPORADORES 
 EVAPORADOR COM TUBOS VERTICAIS (CIRCULAÇÃO FORÇADA) 
 O líquido é bombeado através de um TC, onde o meio 
calefator circunda os tubos contendo a solução. 
 DP e PH combinadas, são ↑ para impedir a ebulição 
da solução nos tubos trocadores, por isso o vapor 
gerado forma-se instantaneamente quando o líquido 
entra na câmara. 
 Para minimizar o arraste, uma vez que vmistura é alta (4 
ft/s), são importantes as chicanas anti-respingos, 
visando favorecer a coalescência de pequeninas 
bolhas, ser defletor da direção do escoamento e 
eliminar as espumas. 
 A mistura de líquido e vapor sai pelo topo dos tubos e 
projeta-se contra uma chicana. 
Obs.: Nas industrias modernas de grande porte, usam-se calefatores externos, em lugar de ter a 
superfície de troca térmica embutida no corpo do evaporador. Logo, facilita a limpeza e substituição 
dos tubos, além de possibilitar construção de unidades mais compactas. 
 
CATEGORIAS CONSTRUTIVAS GERAIS DE 
EVAPORADORES 
 EVAPORADOR DE FILME DESCENDENTE 
 O líquido a ser concentrado é alimentado no topo dos tubos de 
aquecimento, de tal modo que o fluxo desce nas paredes 
internas como um filme fino. O filme liquido inicia a ebulição 
devido ao aquecimento externo dos tubos e é parcialmente 
evaporado como resultado. O fluxo para baixo inicialmente pela 
ação da gravidade, é aumentado pelo fluxo paralelo de vapor 
formado. 
 Tempo de contato curto, com possibilidade de uma grande 
fração de evaporação. 
Obs.: O maior problema deste tipo de evaporador reside na 
distribuição uniforme do fluido sobre as paredes dos tubos (sugere-se que a distribuição seja feita por meio de vertedores 
cuidadosamente nivelados ou pulverização direta do líquido sobre 
as paredes dos tubos. 
CATEGORIAS CONSTRUTIVAS GERAIS DE 
EVAPORADORES 
 EVAPORADOR A PELÍCULA TURBULENTA 
 Aptos a operar com fluidos viscosos e corrosivos. 
 Trata-se de um evaporador moderno, com tresidência 
curto. 
 Consiste num tubo vertical que tem uma camisa de 
aquecimento a vapor (da base até 2/3 da altura) e é 
provido de um rotor central, dotados de lâminas que 
se estendem até quase até as paredes aquecidas. 
 1/3 superior do casco cilíndrico não é aquecido e 
tem um diâmetro maior. Nesta região, as lâminas do 
rotor tem abas horizontais que coletam as gotículas 
arrastadas e as impelem para parede do evaporador. 
 Carga é injetada no topo da seção aquecida, e vai gradualmente descendo para a base do 
evaporador, sendo continuamente lançada contra as paredes aquecidas e agitada pelo rotor. 
 A ação das lâminas girantes é projetar a carga sobre as paredes aquecidas e também manter 
a superfície de aquecimento livre de depósitos sólidos. 
 
CATEGORIAS CONSTRUTIVAS GERAIS DE 
EVAPORADORES 
 QUEIMADOR DE COMBUSTÃO SUBMERSA 
 Aptos a operar com fluidos viscosos e 
corrosivos. 
 Não existe superfície metálica para 
transferência de calor. Os produtos da 
combustão borbulham através do 
fluido de processo (transferência de 
calor dos gases de combustão para a 
solução). 
RECOMPRESSÃO DO VAPOR 
 
Método de aumentar a economia do vapor, a partir da recompressão dos vapores 
do evaporador, seguida pela sua injeção na caixa de vapor de um efeito apropriado 
do evaporador. (COMPRESSÃO MECÂNICA e COMPRESSÃO NUM INJETOR A VAPOR 
DE ÁGUA) 
 
 
 
 
 
 
EVAPORADORES DE SIMPLES EFEITO 
Este é o processo onde se utiliza somente 01 evaporador em efeito simples, onde o 
vapor procedente do líquido em ebulição é condensado e descartado ou utilizado em 
outros processos que não a evaporação. 
EVAPORADORES DE MÚLTIPLOS EFEITOS 
O vapor procedente de um dos evaporadores 
é utilizado como alimentação no elemento 
aquecedor de um segundo evaporador, com 
ebulição a uma pressão menor (MINTON, 
1986), e o vapor procedente deste é 
condensado, essa operação recebe o nome 
de duplo efeito. Ao utilizar uma série de 
evaporadores o processo recebe o nome de 
evaporação de múltiplo efeito. 
 
Obs.: Em qualquer operação evaporativa, o 
custo principal do processo é o vapor de água 
consumido. 
EVAPORADORES DE MÚLTIPLOS EFEITOS 
Exemplo: Princípio de funcionamento de evaporadores de múltiplo efeito na 
concentração de suco de laranja. 
EVAPORADORES DE MÚLTIPLOS EFEITOS 
VANTAGENS: 
 Redução dos custos de operação, em decorrência da menor quantidade de 
vapor; 
 Menor consumo de energia. 
 
DESVANTAGENS: 
 Maior custo inicial de instalação; 
 Maior volume ocupado. 
 
 
 
 
 
 
ASPECTOS IMPORTANTES DE PROJET0 
ASPECTOS IMPORTANTES DE PROJET0 
REGRA DE DUHRING 
Para uma mesma P, o ponto de ebulição 
de uma dada solução é função linear do 
ponto de ebulição da água pura. 
(MCCABE, SMITH, & HARRIOTT, 1993). 
 
ELEVAÇÃO DO PONTO DE EBULIÇÃO (EPE) 
@T: Pvsoluções aquosas < Pvágua. Logo: 
@P: PEsoluções > PEágua pura 
Portanto, a solução deve ser aquecida 
acima do PEágua para atingir o mesmo 
estado. Este aumento é denominado 
elevação do ponto de ebulição (EPE). 
 
EPE = T – TSAT 
 
T = Temperatura de ebulição da água 
TSAT = Temperatura de ebulição da solução 
ASPECTOS IMPORTANTES DE PROJET0 
Obs.: Este diagrama varia de solução para solução, e é utilizado para o cálculo dos valores 
da entalpia de alimentação e entalpia da solução concentrada. 
ASPECTOS IMPORTANTES DE PROJET0 
COEFICIENTES DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 
 
Uma das principais influências no projeto de evaporadores é a transferência de calor, esta é 
afetada pelo modelo e método de operação do mesmo. Usualmente os resultados 
experimentais são expressados em termos do coeficiente global (U), os quais são baseados 
na queda de temperatura corrigida pela elevação do ponto de ebulição (MCCABE, SMITH, 
& HARRIOTT, 1993). A Tabela abaixo apresenta os valores típicos dos U em evaporadores. 
EXERCÍCIO 01 
Determinar a área de aquecimento necessária para a produção de 10.000 lb/h de 
solução de NaOH a 50%, a partir de solução de NaOH a 10%, na temperatura inicial 
de 100°F. A evaporação será realizada num evaporador de tubos curtos, que tem um 
coeficiente global de 500 Btu/h ft² °F. O vapor de água disponível está saturado a 50 
psig, e o evaporador pode ser operado num vácuo de 10 psi em relação à pressão 
barométrica de 14,7 psia. 
 Premissas: 
 (a) A solução tem composição homogênea; 
 (b) Ponto de ebulição da solução é o da solução de NaOH a 50% (P = 4,7 psia); 
 (c) O vapor liberado é vapor de água puro @ Temperatura de ebulição e Pressão; 
 (d) O condensado é liquido saturado na Pv; 
 (e) Não há perda térmica do corpo do evaporador para as vizinhanças. 
 
 
 
 
 
 
EXERCÍCIO 01 
P = 4,7 psia (32,405 kPa)  T ebulição da água = 71,11 °C = 160 °F (interpolação) 
EXERCÍCIO 01 
T ebulição da solução = 233 °F 
EXERCÍCIO 01 
T ebulição da solução = 233 °F 
EXERCÍCIO 01 
Diagrama entalpia-concentração da solução aquosa de NaOH @ 1 atm: 
(F) 10% NaOH e T =100 °F  hF = 60 Btu/lb de solução 
(L) 50% NaOH e T = 233 °F  h1 = 245 Btu/lb de solução 
EXERCÍCIO 01 
Pressão de vapor saturado = 50 psig = 3,45 barg 
 
 
l0 =506,7 kcal/kg = 911,45 Btu/lb 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 PRINCÍPIOS DAS OPERAÇÕES UNITÁRIAS, 2ª edição – Foust, Alan S. [et al.] 
 MCCABE, W. L.; SMITH, J. C.; HARRIOTT, P. Unit Operations of Chemical Engineering. 
5th Edition. ed. Singapore: McGraw-Hill, Inc., 1993 
 KAKAÇ, S. Boilers, Evaporators and Condensers. 1st. ed. New York: Wiley, v. I, 1991.