Apostila De Evaporação.docx

EVAPORADORES DE CALDO Para conhecer melhor o funcionamento dos evaporadores é necessário entender alguns conceitos básicos sobre o Vapor e suas características fundamentais. 1. Vapor O “Vapor de Água“ é largamente utilizado em praticamente todos os segmentos industriais por ser uma forma conveniente e econômica de se transportar grandes quantidades de calor e energia. 1.1 Vapor Saturado Existe uma relação absoluta entre pressão e a temperatura do vapor de água saturado seco. O conhecimento de um destes dois elementos determina imediatamente o outro. Obs. As tabelas de vapor saturado nos dão as características do vapor a partir da temperatura ou da pressão. 1.2 Título do Vapor Úmido É a porcentagem de vapor seco contido em 100% do vapor úmido. Exemplo: Um vapor com título x = 0,95 contém 95% de vapor e 5% de água arrastada. 1.3 Calor Sensível É o calor que produz um aumento na temperatura de uma substância até o seu ponto de ebulição, mais o calor que esta substância continha antes de se iniciar o aquecimento. 1 kcal = quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de 1 kg de água em 1ºC. Exemplo: Ao aquecermos 1 Kg de água de 30ºC para 100ºC, teremos: Calor sensível Inicial Calor sensível acrescentado Calor sensível total

= 30 kcal = 70 kcal = 100 kcal

1.4 Calor Latente de Vaporização É o calor fornecido a uma substância que se encontra no ponto de ebulição, fazendo-a mudar para o estado gasoso (vapor), sem alterar a sua temperatura. Exemplo: 1 Kg de Água, à pressão atmosférica e 100ºC de temperatura necessita de 537 kcal para se transformar em vapor. Essa quantidade de energia é a que vai ser transferida para o caldo na calandra do evaporador.

1.5 Calor Total do Vapor É a quantidade total de calor existente no vapor, ou seja, a soma do calor sensível e do calor latente. Exemplo: 1 kg de vapor saturado seco à pressão atmosférica contém: Página 1 de 9

Calor sensível Calor latente Calor total

= 100 kcal = 537 kcal = 637 kcal

1.6 Pressão do Vapor O aumento da pressão provoca uma elevação no ponto de ebulição da água, por exemplo. Deste modo, torna-se necessário acrescentar mais calor para que esta água possa ferver (aumenta o calor sensível). Por outro lado, será necessário menos calor latente para transformar a água fervendo em vapor. Com a diminuição da pressão (vácuo), ocorre o inverso. Diminui o ponto de ebulição da água, necessitando de menos calor sensível para levá-la à ebulição e aumentando a necessidade de calor latente para transformá-la em vapor Com o aumento da pressão ocorre um pequeno aumento do calor total, mas um aumento grande no calor sensível e diminuição no calor latente. Com isso notamos que, quanto mais baixa for a pressão do vapor, maior será o calor latente. Exemplo: Vapor de água sob as seguintes pressões relativas: Pressão Manométrica Pressão Absoluta - kgf/cm² Ponto Ebulição (ºC) Calor Sensível - kcal/kg Calor Latente - kcal/kg Calor Total - kcal/kg

25” Hg 0,17 56,2 56,2 565,4 621,6

O kgf/cm² 21 kgf/cm² 1 22 99,09 216,23 99,19 221,2 539,6 447,7 638,8 668,9

Observação: Resultados expressos em kcal/kg 1.7 Condensação do Vapor Quando o vapor entra em contato com uma superfície fria, ele se condensa ao transferir calor e se transforma novamente em água. Esta água se encontra na mesma pressão e temperatura do vapor, ou seja, no seu ponto de ebulição, não havendo alteração no calor sensível. Portanto concluímos que o calor transferido foi o calor latente. Obs.: No caso dos evaporadores, aquecedores, cozedores a vácuo, etc., o calor transferido pelo vapor é o calor latente. A água condensada continua com todo o seu calor sensível, exceto perdas de temperatura com a tubulação de drenagem. Isso quer dizer que, quanto menor for a pressão do vapor, melhor será o aproveitamento térmico, pois mais baixa será a temperatura da água condensada. Só que a superfície de troca térmica necessária será maior quanto menor for a temperatura do vapor. 1.8 Vapor de Flash O vapor de flash é formado pelo flasheamento ou ebulição espontânea. A ebulição espontânea ocorre quando um líquido a uma determinada pressão e temperatura passa para outro local cuja pressão tem como ponto de ebulição uma temperatura inferior à que o liquido se encontra. Nesse caso, essa diferença de temperatura entre o líquido e o ponto de ebulição na pressão final é cedida ao ambiente na forma de vapor de flash. 2. Evaporação Página 2 de 9

2.1 Transmissão de Calor Um evaporador é constituído basicamente de uma calandra tubular, sendo que o vapor de aquecimento envolve os tubos externamente e o caldo a ser evaporado está no interior dos tubos. Quando dois fluidos com temperatura t e t´ estão de cada lado da parede de um tubo, a quantidade de calor transmitido de um fluido para o outro pode ser obtida pela seguinte expressão: M = K . S . ( t - t´) Onde: M = quantidade de calor transmitido ( em kcal / h ) K = coeficiente de transmissão de calor ( kcal / m².h.°C ) S = superfície de troca térmica ( m² ) t = temperatura do fluido quente ( °C ) t’ = temperatura do fluido frio ( °C ) O coeficiente “K” é dado por: 1 1 e 1 ----- = ---- + ---- + ----K a b c Onde: K = coeficiente de transmissão de calor ( kcal / m².h.°C ) a = coeficiente de transmissão de calor do fluido quente a partir da parede do tubo b = coeficiente de transmissão de calor através da parede do tubo c = coeficiente de transmissão de calor da parede ao fluido frio e = espessura da parede ao tubo. Como o coeficiente de transmissão de calor do tubo para o caldo ( c ) é muito menor que “a” e “b”, é possível não considerar os dois últimos e tomar k~c. Os depósitos e as incrustações formam uma camada sobre a parede dos tubos, cuja resistência à transmissão do calor se acrescenta às precedentes. Neste caso, o coeficiente de transmissão correspondente é muito menos satisfatório que qualquer um dos três precedentes. Portanto, o funcionamento de um evaporador com tubos incrustados é muito pior que um limpo, tornando-se assim indispensável os cuidados com a limpeza dos tubos. Outro fato que merece atenção e que também é responsável pela redução do coeficiente de troca térmica é a “película de água” formada na parede dos tubos com a condensação do vapor. Esta película tende a se engrossar e escorre pelos tubos até atingir a parte inferior da calandra, ou seja, ponto em que alcança sua espessura máxima. Como sabemos, a água é má condutora térmica. E, apesar da película de água, na maioria, não ser mais grossa que um fio de cabelo, ela é uma terrível obstrução à transferência de calor. Para se fixar bem esse conceito, basta saber que uma película de água com um centésimo de polegada de espessura oferece a mesma resistência ao fluxo de calor que uma parede maciça de ferro de 1” de espessura ou uma sólida parede de cobre de 5” de espessura. 2.2 Elevação do Ponto de Ebulição 2.2.1 Pressão Conforme vimos anteriormente, a temperatura de ebulição depende da pressão. Na tabela “Propriedades Termodinâmicas de Água e Vapor”, podemos encontrar o ponto de ebulição da água nas pressões desejadas.

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2.2.2 Brix Entretanto, como é caldo que ferve em um múltiplo efeito e não água, a temperatura de ebulição deste caldo a uma dada pressão aumenta com o Brix. Essa elevação do ponto de ebulição varia também com a pureza do caldo. À medida que se diminui a pureza, aumenta-se o ponto de ebulição. 2.2.3 Pressão Hidrostática Quando se exerce uma pressão “P” sobre a superfície de um líquido, a pressão a qual são submetidas as moléculas do líquido que se encontram a uma certa profundidade na massa é igual a “P” acrescentada do peso do líquido correspondente à profundidade. Sabendo que a temperatura de ebulição aumenta com a pressão e supondo que a temperatura do líquido correspondesse à necessária para produzir a ebulição em toda superfície, esta ebulição seria interrompida assim que atingisse as camadas a uma certa profundidade. Entretanto, num corpo de evaporação supõe-se que a transmissão de calor seja suficientemente rápida para que o caldo ferva em todo o comprimento dos tubos. Do contrário, o caldo não subiria nos tubos. Aliás, o caldo geralmente chega ao corpo com uma temperatura superior à existente neste corpo (porque vem do precedente) e não há necessidade de superfície de aquecimento para levá-lo à ebulição. Ferve, mesmo antes do primeiro contato, por auto evaporação ( Flash ). Nestas condições é possível supor que a camada de caldo existente no nível do espelho inferior esteja submetida a uma pressão hidrostática igual ao peso do caldo das camadas superiores. O caldo, em contato com a calandra, ferve a temperaturas diferentes que se escalam de acordo com a altura, a partir da superfície até a que corresponde ao nível do espelho inferior. Se, por exemplo, o nível hidrostático do caldo se encontra a 1/3 da altura dos tubos, é possível supor que a pressão hidrostática média corresponda 1/6 do comprimento dos tubos. 2.3 Objetivo da Evaporação O tratamento do caldo (clarificação) nos fornece o caldo clarificado, já isento da maior parte das impurezas contidas no caldo misto. A finalidade da evaporação é eliminar a maior parte da água existente no caldo, fornecendo para o cozimento o xarope (caldo concentrado). 2.4 Quantidade de água a ser evaporada A quantidade de água a ser evaporada pode ser obtida pela seguinte expressão: E = J x ( 1 - Bc / Bx ) Onde: E = Peso de Água a ser evaporada/ TC ( kg/TC ) J = Peso de caldo clarificado obtido / TC Bc = Brix do caldo clarificado Bx = Brix do xarope Essa fórmula demonstra a grande importância dos evaporadores em uma Usina de açúcar. É a operação que elimina até 80% do peso da cana. Também é a operação que utiliza o maior número de calorias no processo. Página 4 de 9

2.5 O Múltiplo Efeito O progresso mais importante e marcante na história da fabricação do açúcar é sem dúvida, o invento do múltiplo efeito por volta de 1.830, na Luisiânia por Norbert Rillieux, americano de descendência francesa. O tacho em fogo direto já tinha sido abandonado e começava-se a evaporar o caldo, aquecendo-o com vapor. A idéia de Rillieux foi a seguinte: já que se aquece com vapor o caldo para evaporar a água contida nele, por que, então, não utilizar, da mesma maneira, o vapor assim fornecido pelo próprio caldo para aquecer uma outra parte do caldo, ou para terminar a evaporação iniciada com o vapor de escape? Porém, logo surgiu um obstáculo: Com vapor de 110 ºC (pressão = 430 g/cm2) é possível aquecer e evaporar o caldo à pressão atmosférica. O vapor do caldo em ebulição à pressão atmosférica está a 100 ºC : é preciso uma diferença de temperatura entre o fluido aquecedor e o fluido aquecido. Rillieux resolveu a dificuldade colocando sob vácuo os corpos que vem depois do primeiro. Como a água ou o caldo fervem a 90 ºC com um vácuo de 23 cm de Hg, a 88 ºC com 40 cm de Hg, e assim por diante, estava criada a diferença de temperatura necessária à troca de calor e assim era possível utilizar o vapor ( vegetal ) fornecido pelo primeiro corpo para aquecer o caldo do segundo, o vapor produzido pelo segundo para aquecer o terceiro e assim por diante. Esta solução apresenta o inconveniente de exigir uma instalação para criar o vácuo necessário. Porém a ebulição à vácuo possui duas grandes vantagens.: 1ª - Aumenta a diferença total de temperatura entre vapor e caldo numa medida igual à queda do ponto de ebulição do caldo entre a pressão do primeiro e do último corpos. 2ª - Permite continuar a evaporação com temperaturas menos prejudiciais, sob o ponto de vista da inversão e da coloração do caldo, à medida que o caldo se torna mais concentrado e mais viscoso. A evaporação por aquecimento com o vapor em um único corpo chama-se evaporação em simples efeito. Tomando-se o vapor vegetal deste efeito para aquecer um segundo, chama-se duplo efeito. E assim por diante: Triplo, Quádruplo, Quíntuplo ou Sêxtuplo efeito. Portanto, o número de corpos é igual ao número de efeitos. 2.6Coeficiente Transmissão de Calor Ou Taxa de Evaporação Específica Real ( T.E.E.R. ) é a quantidade de vapor fornecido pelo corpo por hora, por m2 de superfície de aquecimento, e por grau de queda de temperatura entre o vapor e caldo. A fórmula de Dessin permite calcular a evaporação de um corpo qualquer de um múltiplo efeito qualquer: C = 0,007 x ( 100 - B ) * ( T - 54 ) Onde: C = T.E.E.R. do corpo ( kg vapor / h.m2.°C ) B = Brix médio do caldo do corpo ( ° Bx. ) T = Temperatura de vapor aquecedor na calandra ( °C ) ** ** É considerada a temperatura de saturação do vapor à pressão correspondente, encontrada na tabela Pressão x Temperatura do vapor de água saturado seco.

2.7 Taxa de Evaporação e Número de Efeitos Página 5 de 9

Suponhamos o triplo de efeito com 3 corpos iguais que será transformado em quádruplo acrescentando-lhe um 4o corpo. Como a queda de temperatura To - t entre o vapor de escape e o condensador continua a mesma, esta deve ser distribuída em 4 corpos, em vez de 3. Como o coeficiente médio de transmissão de calor continua o mesmo, cada corpo fornece agro apenas ¾ da evaporação que fornecia quando funcionava em triplo, porque a queda de temperatura com a qual agora trabalha foi reduzida numa proporção de 4 para 3. Se cada corpo em triplo fornecia 4.000 Kg/h de vapor, em quádruplo fornecerá apenas 3.000 kg/h, mas a evaporação total continua a mesma, porque é: Em triplo : 3 x 4.000 = 12.000 kg/h Em Quádruplo: 4 x 3.000 = 12.000 kg/h Com outras palavras, a taxa de evaporação dum múltiplo efeito é inversamente proporcional ao numero de efeitos: a taxa de evaporação de um quádruplo com 4 corpos de 800 m2 será ¾ da taxa de evaporação de um triplo com 3 corpos de 800 m². Consequentemente, a evaporação total de um múltiplo efeito não depende da superfície total, mas da superfície individual de cada corpo. Em média e para incrustações normais, pode-se calcular que a quantidade total de água evaporada por um múltiplo efeito com corpos iguais é igual ao produto da superfície individual dos corpos por 100 kg / m².h de Taxa de Evaporação. Pergunta? Por que se utiliza 4, 5 ou 6 efeitos se é possível obter o mesmo resultado com 2 ou 3 efeitos? Como a taxa de evaporação total de um múltiplo efeito é dividida pelo numero de efeitos, e a taxa de evaporação de cada efeito é inversamente proporcional ao numero de efeitos, isso indica que tanto o consumo de vapor no 1º efeito ( que é o consumo total do conjunto ), como o consumo de água para condensar o vapor produzido no último efeito são igualmente divididos pelo numero de efeitos. Sendo assim, quanto maior o numero de efeitos, mas econômico o equipamento se torna.

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2.8 Fatores que Influenciam no Funcionamento de um Múltiplo Efeito                     Página 

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2.8.1 Pressão do Vapor de Escape Como a temperatura de saturação do vapor está diretamente ligada à pressão, então, quanto maior for a pressão, maior será a temperatura e consequentemente a diferença de temperatura. Portanto, maior taxa de evaporação. É importante lembrar também que a pressão do vapor vegetal deve ser o mais estável possível para que o evaporador tenha um bom desempenho. O Sistema de Controle mostrado abaixo proporciona grande estabilidade ao processo, dando ganho de capacidade ao evaporador. 2.8.2 Temperatura do vapor produzido no último efeito Quanto menor for a temperatura do vapor no último efeito, maior será a diferença de temperatura com o vapor de escape e maior a taxa de evaporação. 2.8.3 Temperatura do caldo na entrada do 1º efeito Para o pré-evaporador começar a evaporar, o caldo tem que ser aquecido até a temperatura de ebulição correspondente à pressão de trabalho. Caso o caldo não seja aquecido num aquecedor externo, parte da superfície do pré será utilizada para fazer o aquecimento, sobrando uma área menor para evaporação. Portanto, a taxa de evaporação será menor. Obs.: É viável a instalação do aquecedor para aquecer o caldo clarificado, pois no interior do pré será utilizado o dobro da superfície de aquecimento que seria necessária no aquecedor. 2.8.4 Nível de caldo no corpo O nível ideal de trabalho no interior do evaporador é de 1/3 da altura dos tubos. Com a elevação do nível, há um aumento na pressão hidrostática nas camadas inferiores de caldo, com conseqüente elevação do ponto de ebulição e redução do Delta T. Com a redução do nível, falta caldo para manter toda a superfície de aquecimento coberta, com redução na taxa de evaporação. O controle de nível do caldo na condição ideal de trabalho faz com que se obtenha o máximo da capacidade de evaporação, evitando a perda da taxa de evaporação tanto por nível elevado como baixo. 2.8.5 Extração de águas condensadas O vapor condensado na calandra se transforma novamente em água. Essa água deve ser drenada por meio de purgadores, sifão ou balão com controle de nível. O objetivo desses três sistemas de drenagem é, além de drenar toda a água para evitar o alagamento da calandra, não deixar passar vapor. Com o alagamento da calandra, parte da superfície de evaporação ficaria inutilizada porque a água tem um baixo coeficiente de transmissão de calor, reduzindo assim a capacidade de evaporação do equipamento.

2.8.6 Extração de gases incondensáveis O vapor de escape tem uma pequena porcentagem de ar que se acumula na calandra formando uma bolsa que impede o acesso do vapor nesse local. Já o vapor vegetal, além do ar que pode conter, Página 7 de 9

também há gases desprendidos do caldo que também são incondensáveis e precisam ser retirados. Mas o mais grave é a entrada de ar falso nas partes sob vácuo, principalmente nas duas últimas caixas, ou seja, vazamentos. Os gases são retirados do interior da calandra por meio de tubulações apropriadas sendo que, do pré e da 1ª caixa de um quíntuplo efeito são descarregados para a atmosfera porque o vapor tem a pressão maior que a pressão atmosférica. As demais caixas têm a tubulação ligada ao multi-jato porque a pressão do vapor na calandra é menor que a pressão atmosférica ( vácuo ). Nesse caso, ao invés dos gases saírem pela tubulação de ar, haveria a entrada de ar. A maneira mais simples de se regular a abertura da válvula para a retirada de gases é medindo a temperatura do vapor na calandra ou no corpo do efeito anterior e na tubulação de saída de gases, de forma que a segunda seja de 2 °C menor que a primeira. 2.8.7 Vazamentos As caixas que trabalham sob vácuo precisam ser testadas todo vez que pararem para limpeza, pois pode haver algum local para a entrada de ar falso. Caso essa entrada de ar seja pequena, o sistema de drenagem de gases incondensáveis é suficiente para drenar. Mas, normalmente a entrada de ar é grande porque o mesmo se expande ao entrar no equipamento devido a pressão negativa e a temperatura alta, reduzindo muito a capacidade do evaporador. O teste das calandras também é importante para verificar possíveis vazamentos no feixe tubular, que também podem causar perdas na taxa de evaporação, além de outros inconvenientes como contaminação da água condensada, desgaste prematuro da tubulação, etc. 2.8.8 Incrustações

O fator que normalmente mais atrapalha o funcionamento dos evaporadores é a incrustação formada devido a saturação e deposição dos sais na parede dos tubos. Essa camada formada funciona como um isolamento térmico, dificultando a passagem do calor da parede dos tubos para o caldo. Obs.: Conforme mostrado no desenho acima. A utilização de anti-incrustantes ou a limpeza freqüente são os meios mais eficazes de se conseguir manter a capacidade de evaporação em níveis aceitáveis.

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2.8.9 Perdas de calor Outro motivo que também reduz a capacidade de evaporação é a perda de calor por falta de isolamento térmico. Parte do vapor produzido é condensado com a troca de calor com a atmosfera, voltando à forma líquida e necessitando de mais energia para ser reevaporado. Na calandra, parte do vapor é condensado sem trocar calor com o caldo, necessitando de mais vapor para aquecer o caldo, com conseqüente aumento no consumo de vapor. 2.8.10 Sangrias A sangria é útil para reduzir o consumo específico de vapor na fábrica por aumentar o número de vezes que esse vapor foi evaporado para aquecimento, por exemplo. O único inconveniente é que precisa de mais área de aquecimento e evaporação. Segue abaixo o Fluxograma de funcionamento do Evaporador:

Elaboração: Paulo Roberto Stefani Maio de 2.000

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