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Princípios da evaporação, importância e UTILIZAÇÃO.

Evaporação

A evaporação é a operação unitária que tem por objetivo a concentração de uma solução, pela retirada de solvente, fazendo a solução entrar em ebulição.

Evaporadores

Basicamente um evaporador consiste de um trocador de calor para aquecer a solução à ebulição e um separador do vapor formado pela fase líquida em ebulição. O produto de um evaporador é geralmente a solução concentrada.

A figura abaixo mostra um esquema simplificado de um evaporador.

O meio de aquecimento normalmente utilizado é o vapor d’água, que, ao passar pelo trocador, passa ao estado líquido cedendo o seu calor de condensação para a solução que então entra em ebulição.

Existe uma infinidade de tipos de evaporadores sendo que a escolha do tipo adequado para a realização de uma determinada tarefa depende das condições e das características da solução a concentrar como também das características que se deseja para o produto final.

Transferência de calor

Este é o fator mais importante no projeto de evaporadores, pois a superfície de aquecimento representa a maior parte do seu custo. Igualmente, o tipo de evaporador selecionado deve ter o mais alto coeficiente de transferência de calor sobre condições operacionais desejadas em termos de J/s×K (corrente térmica britânica unidades por hora por grau Fahrenheit) por dólar de custo instalado. Quando é exigido potencia para induzir uma circulação além da superfície de aquecimento, o coeficiente de troca térmica deve ser mais alto para compensar o custo de energia para circulação.

Separação vapor-líquido

Este problema de projeto pode ser importante por inúmeras razões. A mais importante normalmente é a prevenção de arraste por causa do valor do produto perdido, poluição, contaminação do vapor condensado, ou corrosão de superfícies nas quais o vapor é condensado. A Separação vapor-líquido no vapor de topo também pode ser importante quando o pulverizador forma depósitos nas paredes, quando os vórtices aumentarem as exigências de bombas de circulação para o topo, e quando o circuito curto fizer com que o liquido ou vapor não flasheado seja devolvido à bomba de circulação e ao elemento de aquecimento.

O desempenho do evaporador é avaliado com base na economia de vapor, ou seja, quilogramas de solvente evaporado por quilograma de vapor usado.

Em evaporadores o calor é requerido para:

  • Aumentar a temperatura inicial do alimentado até sua temperatura de ebulição.

  • Fornecer a energia termodinâmica mínima para separar o solvente do alimentado.

  • Vaporizar o solvente.

A maior economia de vapor é obtida reutilizando o solvente vaporizado. Isto é conseguido em um evaporador de múltiplo efeito usando o vapor de um efeito como meio de aquecimento em um outro efeito no qual ocorra a ebulição a uma temperatura e pressão mais baixa. Um outro método de aumento na utilização da energia é utilizar um evaporador de termocompressão no qual o vapor é comprimido de modo que se condense a uma temperatura bastante alta para permitir seu uso como meio de aquecimento no mesmo evaporador.

Seleção do tipo de evaporador

Com exceção da transferência de calor, a seleção do melhor tipo de evaporador para uma situação particular é governada pelas características de alimentação e do produto. Outro ponto a ser considerado é a cristalização, formação de depósitos, qualidade do produto, corrosão e formação de espuma. No exemplo de um evaporador de cristalização o desejo de produzir cristais de um tamanho uniforme limita geralmente a escolha de evaporadores que tem meios positivos de circulação.

Depósito de sais, que é o crescimento no corpo e na superfície de aquecimento das paredes de um material que tem solubilidade que aumenta com o aumento da temperatura, é encontrada freqüentemente em evaporadores de cristalização. Isto pode ser reduzido ou eliminado mantendo o líquido evaporando ou em freqüente contato com a grande área superficial dos sólidos cristalizados. A formação de escama é a deposição e crescimento nas paredes do corpo, e especialmente sobre superfícies aquecidas, de um material que submete-se a um produto de reação química irreversível em um evaporador que tenha solubilidade que diminua com o aumento da temperatura. A escamação pode ser reduzida ou eliminada da mesma forma que os depósitos de sais. Líquidos que provocam problemas de depósitos de sais e escamação são melhores manuseados em evaporadores que não dependem de entrar em ebulição para induzir circulação. Fouling é a formação de depósitos além dos depósitos de sais e escamas e que pode ser devido a corrosão e materiais sólidos entrando com o alimentado ou ainda pela condensação do vapor.

Qualidade do Produto

Para obter um produto de qualidade exige-se menor tempo de operação e temperatura baixa para evitar degradação térmica. Baixos tempos de operação eliminam alguns tipos de evaporadores e alguns tipos são eliminados também devido a uma pobre transferência de calor que são características de baixas temperaturas. Para qualidade do produto pode também ser determinante a qualidade dos materiais utilizados na construção para evitar contaminação metálica ou efeitos catalíticos na decomposição do produto.

Corrosão

Pode também influenciar a seleção do evaporador, pois as vantagens dos evaporadores tendo elevados coeficientes de transferência de calor são mais aparentes quando materiais de construção mais caros são indicados. Corrosão e erosão são freqüentemente mais severas nos evaporadores do que em outros tipos de equipamento por causa das velocidades elevadas do líquido e do vapor usadas, presença freqüente dos sólidos na suspensão, e a diferença de concentração necessária.

Exigências do processo de Evaporação em fábricas de papel e celulose

A primeira etapa na recuperação dos químicos alcalinos é a concentração do licor preto por evaporação.

Os objetivos básicos do processo de evaporação de licor são os seguintes:

  • Concentrar o licor até o nível desejado para queima na caldeira de recuperação;

  • Uso eficiente da energia, que normalmente representa em torno de 25% do total requerido numa indústria de celulose branqueada;

  • Eficiente separação dos sabões, quando presentes, que além do seu valor econômico, poderão ocasionar problemas de espuma e incrustações.

O licor coletado do sistema de lavagem da polpa e extração de digestor tem normalmente de 13 a 17% de sólidos e é denominado licor preto fraco. Este deve ser concentrado em torno de 65% de sólidos para ser queimado na caldeira de recuperação. Nestes sistemas o licor é concentrado em torno de 50% de sólidos em evaporadores de múltiplo efeito e então elevado para 65% de sólidos nos evaporadores de contato direto, no caso de plantas mais antigas, ou concentradores de contato indireto. O licor com 50% de sólidos é normalmente chamado de licor preto forte.

A temperatura do licor preto fraco fica entre 70 e 95 0C, dependendo do número de estágios de lavagem e da temperatura da água quente utilizada.

Para uma concentração de sólidos na saída dos evaporadores de múltiplo efeito pré-fixada, o aumento da temperatura do licor preto fraco na entrada diminui a vazão de vapor necessária para aquecer o licor no evaporador, diminuindo portanto, o consumo específico na evaporação, desde que, para este pré-aquecimento seja utilizada alguma energia residual da fábrica.

O aumento desta temperatura pode ser realizado com o isolamento de tanques e tubulações de licor preto fraco e o seu pré-aquecimento com trocadores de calor usando como fluido o próprio condensado do evaporador.

As modernas plantas de evaporação já incluem normalmente sistemas de “stripping” para tratamento de condensados e separação de gases.

A relação entre a quantidade de água evaporada e a mudança do conteúdo de sólidos no licor não é altamente linear como mostrado na figura 3. Muito mais água é evaporada para baixas concentrações. Por exemplo, a carga da evaporação para passar de 15 - 25% de sólidos é maior que a necessária para passar de 25 - 65%. A quantidade de evaporado para ir de 50 - 65% de sólidos é tipicamente em torno de 8% do total da carga de evaporação. A carga total de evaporação é usualmente em torno de 2,27 kg de água / 0,45 kg de sólidos, mas isto depende muito da concentração do licor fraco.

Evaporadores são equipamentos de transferência de calor. Eles requerem em torno de 252 kcal para evaporar 0,454 kg de água, e a mesma quantidade de calor é recuperada quando 0,454 kg de vapor d’água é condensado. Este é o calor latente de vaporização. Desta maneira, em torno de 2780 kcal/kg de sólidos ou 3 a 3,8 Gcal / ton de polpa devem ser transferidos para o evaporador. Se toda essa energia tivesse que vir de uma fonte externa, o custo para recuperação do licor preto seria proibitivo.

Várias técnicas, como evaporação de múltiplos efeitos ou termocompressores, o qual usa o calor contido no vapor d’água para obter uma evaporação adicional, ajuda a reduzir a quantidade de energia requerida.

A evaporação do licor preto normalmente é feita em evaporadores tipo múltiplo efeito. Vapor vivo é introduzido no primeiro efeito e o vapor produzido pela evaporação do licor do primeiro efeito é usado como meio de aquecimento no segundo efeito a uma pressão menor, continuando sucessivamente até o último efeito, que opera sob condições de vácuo.

Os vapores produzidos no último efeito são condensados sendo os incondensáveis extraídos pelo sistema de vácuo (bombas de vácuo de anel líquido ou ejetores de vapor).

O sistema de múltiplo efeito permite o uso de reevaporação dos condensados as pressões subseqüentes, assim como o calor do licor de alimentação.

Como conseqüência, um sistema de seis efeitos, bem operado permite obter para cada tonelada de vapor alimentado, em torno de 5 toneladas de água evaporada. A figura 4 mostra a relação entre a economia de vapor e o número de efeitos.

A relação entre água evaporada e vapor vivo (procedente de uma fonte externa) é chamada de Economia de vapor.

E = t. Água evaporada.

t. Vapor vivo

Mesmo que sistemas eficientes sejam usados, a concentração do licor consome até 25% da energia total consumida numa planta de papel kraft branqueada.

O vapor que se desprende quando o licor preto é evaporado não é vapor d’água puro. Alguns constituintes voláteis no licor preto estão também presentes. Quando o evaporado é condensado estes voláteis poderão condensar e contaminar o condensado ou permanecerem como gases não condensáveis. Pressões ambientais normalmente exigem que os dois os condensáveis e os não condensáveis sejam tratados.

O sabão de Tall oil precipita do licor preto no momento em que está sendo concentrado, com a insolubilidade máxima alcançada aproximadamente em torno de 25% de sólidos. Se o licor preto contiver quantidade significativa de sabão, este licor parcialmente concentrado é bombeado ao tanque de transbordo, onde o sabão é removido antes do licor retornar aos evaporadores.

Equipamentos

Tipos de Evaporadores

  • Evaporador de filme descendente

Projeto

Trocador de calor com shell e tubo vertical, com separador centrifugo arranjado concêntrica ou lateralmente.

Operação

O liquido 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.

O vapor e o filme liquido residual é separado em baixo, parte na calandria e a jusante no separador centrifugo. É essencial que a superfície inteira de aquecimento do filme seja aquecida, especialmente a região de baixo que deve ser suficiente e uniformemente tocada pelo liquido.

Onde este não for o caso, serão formadas manchas secas que irão provocar incrustação e formação de depósitos. Para que a superfície de aquecimento seja molhada completamente, é importante que um sistema de distribuição satisfatório seja selecionado para a cabeça do evaporador.

Taxas de molhadura são aumentadas quando os tubos são mantidos por mais tempo em contato com o liquido, dividindo o evaporador em diversos compartimentos ou por recirculação do produto.

Dois sistemas de distribuição satisfatórios

Características particulares

  • melhor qualidade do produto – devido a evaporação suave, principalmente sob vácuo, e tempo de residência extremamente curto no evaporador.

  • Alta eficiência de energia – devido ao arranjo de múltiplo efeito ou por recompressão do vapor por aquecimento térmico ou mecanicamente, baseado na mais baixa diferença teórica de temperatura.

  • Processo simples de controle e automação – devido ao seu conteúdo de liquido, o evaporador de filme descendente reage rapidamente a mudanças no fornecimento de energia, vácuo, quantidade alimentada, concentração, etc. É um importante requisito para uma concentração final uniforme.

  • Flexibilidade de operação – partida rápida, facilidade na operação de limpeza e mudanças de produto descomplicadas.

Campos de aplicação

  • Locais onde se deseje produção de até 150 ton / h e que tenha espaço disponível reduzido.

  • Pode ser usada com produtos sensíveis a temperatura.

  • Para líquidos que contenha baixa ou moderada tendência à formação de incrustação.

Evaporador de circulação forçada

Projeto

Trocador de calor com shell e tubo vertical ou horizontal ou trocador de calor de pratos como a calandria com vaso separador de flash sobre a calandria e bomba de circulação.

Operação

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