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Para a evaporação, usa-se transferência de calor para ferver o alimento, e obter um produto aquoso de concentração mais elevada. Este processo é utilizado para retirada da água dos alimentos mais variados como: 

  • Fabricação de leite condensado.

  • Sucos de frutas concentrados (laranja, abacaxi, uva, etc.).

  • Extrato e Catchup de tomate.

  • Polpas de frutas (banana, morango, manga, etc.).

  • Doces em massas (goiabada, marmelada, batata doce, etc.).

O evaporador tem a função principal de fornecer calor para evaporar a água do alimento (troca térmica), através da ebulição. Para que o alimento não perca a sua cor, aromas e ingredientes nutritivos, esta operação de fervura é realizada sob vácuo no interior do evaporador isto é, o alimento entra em ebulição a baixa temperatura. Alguns fatores são importantes na evaporação da água do alimento e que, deve ser observado:

  • Viscosidade do Produto Alimentício

  • Quanto mais concentrado o produto mais viscoso ele fica, até um ponto em que a troca térmica não é mais possível. 

Pressão no Evaporador 

A temperatura do produto no interior do evaporador é função da pressão interna ou seja, a temperatura do vapor é igual a temperatura de saturação na mesma pressão.

Vácuo Interno

Aumentando o vácuo interno no evaporador, aumenta a troca térmica no alimento e evita a degradação do mesmo como: perda de sabor, aromas, cor e nutrientes.

Evaporadores de um EfeitoNeste tipo de evaporador também chamado de simples efeito, o vapor liberado da concentração isto é, não é reaproveitado para um pré aquecimento do alimento. Veja o esquema:

 f = entrada do alimento p = alimento concentrado v = água evaporada s = vapor de aquecimento c = saída do condensado

 M = quantidade de alimento T = temperatura P = pressão absoluta W = concentração final

O vapor saturado Ts entra no trocador de valor acima da entrada do alimento Tf. A troca térmica começa a ocorrer e o alimento entra em ebulição a uma temperatura Tp (temperatura de equilíbrio com a temperatura do vapor), ou seja, a quantidade de calor transferida ao alimento, é diretamente proporcional à quantidade de vapor que condensa. Está quantidade pode ser calculada pela equação:

 Q = V x A (Ts - Tp ) = Ms ( Hs - Hc ) 

Q = quantidade total de vaporU = coeficiente global de transferência de calorA = área da superfície de aquecimentoTs = temperatura do vaporTp = temperatura do alimentoMs = quantidade de vaporHs = entalpia do vapor de aquecimentoHc = entalpia do condensado liberadoAs equações para o cálculo do processo de evaporação, são as seguintes:Balanço de MassaMf + Ms = Mp + Mv + Mc (com Ms = Mc)

Concentração final do AlimentoMf x Wf = Mp x WpBalanço de Energia (Equação da Concentração)Mf Hf + Ms Hs = Mp Hp + Mv Hv + Mc HcMs (Hs - Hc) = Mp Hp + Mv Hv - Mf Hf

Ms (Hs - Hc) = Mp Hp + Mv - Mf Hc = U x A (Ts - Tp)Temperatura do Vapor   Tv = f x PvA temperatura do vapor é controlada pela pressão mantida no evaporador.Temperatura do ProdutoO alimento no evaporador em ebulição, vai estar em equilíbrio com a temperatura do valor de aquecimento, portanto:Tp = Tv x PE x mPE = ponto de ebulição do alimento (PE=0,51).m = 1000 x Wp / M (1 - Wp)

M = peso molecular do alimento concentradom = peso específico do alimento

O exemplo a seguir, ilustra os resultados obtidos pelas equaçõesEm um evaporador queremos concentrar suco de laranja, numa proporção de 10.000 kg/h (T=30ºC). A concentração inicial do suco é de 15% de sólidos solúveis e deve ser concentrado até 60% de sólidos solúveis. Calcular a temperatura de concentração do produto, balanço de massa, a água evaporada no processo, balanço energético do evaporador, área de aquecimento. São conhecidos os seguintes valores: Pv = 0,1994 bar (pressão de vapor)Ts = 120ºC (temperatura do vapor saturado)U = 1000 W/m2 (coeficiente de transferência de calor, fornecida pelo fabricante do equipamento)M = 342 kg (área superfície de troca térmica)Wp = 60% (concentração final do suco)Ws = 15% (concentração inicial do suco)SoluçãoMf = 10.000 kg/h;  Pv = 0,1994 bar;  Tv = 60ºC (temperatura do vapor de aquecimento.

Calor específico do produto

PE = 0,71 x m = 0,51 x 4,39 = 2,24ºCTp = Tv + PE = 60 + 2,24 = 62,24ºC (temperatura do produto).Cálculo do Balanço de MassaWs x Mf = Wp x Mp0,15 x Mf = 0,60 x Mp --> Mp = 0,15 x Mf / 0,60Mp = 0,15 x 10.000 / 0,60 --> Mp = 2.500 kg/h, ondeMp é a quantidade obtida de produto na concentração de 60% de sólidos solúveis.Água Evaporada no ProcessoMf = Mp + Mv --> Mv = Mf - MpMv = 10.000 - 2.500 --> Mv = 7.500 kg/hBalanço Energético do EvaporadorMs (Hs - Hc) = Mp Hp + Mv Hv - Mf Hf

Hv = entalpia da água evaporadaHs = entalpia do vapor de aquecimentoHc = entalpia do condensado liberadoHp = entalpia do produto inicialHw = entalpia do produto concentradoHp = Hw(62,2ºC) (1 - 0,7 Wp) --> 260,7 (1 - 0,7 x 0,6) --> Hp = 151,2 kg/kgHf = Hw(30ºC) (1 - 0,7 Wf) --> 125,76 (1 - 0,7 x 0,15) --> Hf = 112,6 kg/kgHv = 2.609,6 kg/kg

ßs = (Hs - Hc) = 2.202,6 kg/kgÁrea de Transferência de AquecimentoQ = V x A (Ts - Tp) --> A = Ms ßs / U (Ts - Tp)Ms = 8546 kg/h = (8546 / 3600) = 2,374 kg/segßs = 2.206,6 kj/h x 1000 = 2202600 j/seg

Eficiência do Processo de Evaporação

A eficiência do processo é calculada pela quantidade evaporada pelo consumo de vapor utilizado no processo todo, portanto: Ev = Mv / Ms = 7.500 / 8.546 = 0,877 kg água evaporada / kg de vapor gasto.

A eficiência diz que está se utilizando 1,0 kg de vapor para evaporar 0,877 kg de água do produto. Isto significa que o processo esta antieconômico; esta havendo disperdício de vapor que é a características dos evaporadores de um único efeito.Evaporadores de Múltiplos Efeito

Os evaporadores de múltiplo efeito, conjugam em série dois ou mais evaporadores de um efeito. A grande vantagem desta conjugação e a economia de vapor gasto por kg de água evaporada do alimento. As ligações nos evaporadores de múltiplo efeito, são feitas de modo que o vaor produzido em um efeito do evaporador, serve como meio de aquecimento para o seguinte efeito e assim sucessivamente até o último efeito.  Cada efeito age como um simples efeito. O calor liberado pelo vapor de aquecimento usado (TP1) e a pressão (PV1), é usado para o aquecimento do alimento no segundo efeito (MV1), onde se tem uma temperatura (TP2) e pressão (PV2) e assim sucessivamente até o último efeito do sistema. O esquema a seguir, ilustra um evaporador conjugado de três efeitos:

  Na prática por questões comerciais e para não elevar os custos do investimento, os números de efeito são todos semelhantes , e a área de transferência de calor são iguais. Se o coeficiente de transferência de calor é o mesmo para cada efeito, a quantidade de vapor utilizado será sempre o mesmo, desde que a temperatura seja a mesma para cada efeito. Portanto teremos:     Exemplo de cálculo de um evaporador triplo efeito.

Supondo o exemplo utilizado no evaporador simples efeito,agora utilizando um evaporador com três efeito. Deve-se concentrar um produto a 10.000 kg/h que esta com 15% de sólidos solúveis inicial, a uma temperatura de 30ºC até uma concentração final de 60% de sólidos solúveis. A temperatura do vapor no primeiro efeito é de 120ºC e, a pressão do vapor no último efeito é PV = 0,1994 bar. O coeficiente de transferência de calor para cada efeito é U=1.000 W/m2 e, o peso específico do produto é M=342 kg/m.soluçãoSendo a mesma quantidade de vapor, podemos escrever:MV1 = MV2 = MV3 = MC1 = MC2 = MVConcentrado obtido no sistema:0,15 Mf = 0,60 MP3 --> 0,15 x 10.000 = 0,60 MP3 --> MP3 = 2.500 kg/hLogoMV1 = MV2 = MV3 = MC1 = MC2 = 2.500 kg/hNo 1º EfeitoMP1 = Mf - MV1 = 10.000 - 2.500 --> MP1 = 7.500 kg/hWP1 = Wf ( Mf / MP1 ) = 0,15 (10.000 / 7.500 ) --> WP1 = 0,20No 2º EfeitoMP2 = MP1 - MV2 = 7.500 - 2.500 --> MP2 = 5.000 kg/hWP2 = WP1 ( MP1 / MP2 ) = 0,20 (7.500 / 5.000) --> WP2 = 0,30PV3 = 0,1994 x TV3 = 60ºCPeso Específico em cada estágio          Portanto temos:TV1=TP1 - PE1 = 101,1 - 0,37 = 100,7ºCTP3=TV3 - PE3 = 60 + 2,24 = 62,2ºCT3=TV2 - TP3 --> TV2=TP3 + T3 = 62,2 + 18,9 = 81,1ºCTP2=TV2 + PE2 = 81,1 + 0,64 = 81,7ºCResumindo temos os resultados:     Mf = 10.000 kg/h;    Tf = 30ºC;    Wf = 0,15     MP1 = 7.500 kg/h;    TP1 = 101,1ºC;    WP1 = 0,20     MP2 = 5.000 kg/h;    TP2= 81,7ºC;    WP2 = 0,30     MP3 = 2.500 kg/h;    TP3 = 62,24ºC;    WP3 = 0,60     TV1 = 100,7ºC;    TV2 = 81,1ºC;    TV3 = 60,0ºC     MV1 = MV2 = MV3 = MC1 = MC2 = 2.500 kg/h     Balanço de Energia no 1º EfeitoO balanço de energia, deve sempre ser avaliado no efeito que recebe o vapor diretamente da caldeira. Calculando neste exemplo, temos:     Mf Hf + MS HS = MP1 HP1 + MV1 HV1 + MC HC     HP1 = HWP1 (1 - 0,7 WP1 ) = 423,2 ( 1 - 0,7 x 0,2 ) = 364 Kj/kg     Hf = HP2 ( 1 - 0,7 Wf ) = 125,76 ( 1 - 0,7 x 0,15 ) = 112,6 Kj/kg     HV1 = 2677,5 Kj/kg   --> ( HS - HC ) = 2202,6 Kj/kg     Este valor da eficiência, representa para cada 1,0 kg de vapor são evaporados 1,99 kg de água do alimento que está sendo concentrado, portanto uma boa eficiência.     Área de Aquecimento Total       Portanto quando adicionamos dois ou mais efeito na evaoração, maior é a economia de vapor. Deve-se fazer sempre um estudo do produto a ser processado para se determinar o total de efeitos ótimo para o processo pois, corre-se o risco de haver degradação do produto processado ou por elevada temperatura, ou por muita demora para a conclusão de um ciclo de evaporação tornando o processo enviável e anti econômico.

Problemas

Formação de espuma

As perdas por espuma resultam geralmente da presença em evaporar líquido com colóides ou de agentes de tensão superficial e sólidos finamente divididos. Agentes antiespumantes são freqüentemente eficazes. Outros meios de combater espuma inclui o uso de jatos de vapor que chocam-se com a superfície da espuma, a remoção do produto na camada superfícial, onde a espuma parece concentrar, é feita mantendo o nível de liquido baixo de modo que as superfícies quentes possam quebrar a espuma. Choques a alta velocidade de encontro a um defletor tendem a quebrar a espuma. Operações a baixas temperatura e altas concentrações de sólidos dissolvidos podem também reduzir a tendência a formação de espuma.

Formação ar no condensado e no condensador

Obs.: -falar sobre o que causa o problema e dar uma solução

Separação de sólidos formados

Obs.: -falar sobre o que causa o problema e dar uma solução

Incrustação

Obs.: -falar sobre o que causa o problema e dar uma solução

O que é o diagrama de Dühring? Explique este diagrama.

Qual é o interesse de se fazer uma evaporação a vácuo?

É utilizado quando se deseja aumentar troca térmica dentro dos evaporadores e ao mesmo tempo evitar a degradação quando se esta trabalhando com alimentos evitando também a perda de sabor, aroma, cor e nutrientes.

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