Evaporadores

Feito por Carla Bernardo e João Lincho no âmbito da disciplina de Integração e Intensificação de Processos, leccionada no Mestrado Integrado em Engenharia Química, Departamento de Engenharia Química da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, 2018/2019.

Evaporadores

Os evaporadores são equipamentos baseados na transferência de calor e o seu principal objetivo é a concentração de soluções. Este equipamento pode também ter como finalidade a refrigeração de correntes e a revaporização de gases.

Podem ser classificados consoante o seu método de funcionamento (contínuo ou descontínuo), a sua função (concentração, arrefecimento de correntes), tipo de construção (tubos verticais, horizontais, filme fino, etc) e configuração (circulação natural, forçada ou filme agitado).

Método de Funcionamento

A operação dos evaporadores baseia-se num caso específico da transferência de calor, a evaporação. ^[5]

Nestes equipamentos, a transferência de calor dá-se entre fluidos que estão separados por uma barreira sólida, sendo para isso também necessário, a existência de uma “driving-force” que, no caso da transferência de calor, é resultante da diferença de temperatura entre os dois fluidos. ^[10]

Um evaporador pode funcionar em contínuo ou descontínuo. A operação em contínuo é uma operação em que o evaporador é constantemente alimentado pela solução que se pretende tratar. Por outro lado, no modo descontínuo, o evaporador limita-se a trabalhar apenas em alguns intervalos de tempo.

Consoante o objetivo, as variáveis de operação e o tipo de processo, pode-se projetar o equipamento de modo a ter um evaporador simples (um efeito) ou evaporadores múltiplos (vários efeitos).

No caso de ser de um efeito, ter-se-á apenas uma unidade de operação enquanto que no de múltiplos efeitos, existirão vários evaporadores em série onde o vapor produzido num evaporador irá aquecer o evaporador seguinte.

Nos evaporadores de múltiplo efeito podemos ter algumas variações na alimentação, tais como: ^[2]

• Alimentação em co-corrente (de frente);

• Alimentação em contra-corrente (à retaguarda);

• Alimentação mista;

• Alimentação em paralelo.

As diferenças observadas estão esquematizadas nas figuras seguintes:

Evaporador de efeito simples.	Evaporador de múltiplo efeito (alimentação em co-corrente).	Evaporador de múltiplo efeito (alimentação em contra-corrente).
Evaporador de múltiplo efeito (alimentação em paralelo).	Evaporador de múltiplo efeito (alimentação mista).

Equipamento

Os tipos de equipamento usados dependem dos métodos de aquecimento da solução a evaporar, estando estes divididos em métodos diretos e métodos indiretos. ^[3]

Os métodos diretos utilizam radiação solar ou o borbulhamento de gases quentes. Nos indiretos, que são os mais usados a nível industrial, o calor transferido é resultante da condensação de vapor. Deste modo, os indiretos envolvem diferentes tipos de ebulição, tais como: ^[3]

• Ebulição submersa: o líquido ao evaporar inunda os tubos metálicos. No interior destes o vapor de aquecimento é condensado ^[3];

• Ebulição em filme: a ebulição ocorre na parte interna dos tubos que são aquecidos exteriormente ^[3];

• Ebulição súbita: a solução é sujeita a um aquecimento com pressão controlada de modo a que não entre em ebulição, sendo depois aplicado uma diminuição brusca de pressão que irá causar a sua ebulição parcial^[3].

Num evaporador, existem cerca de 3 configurações possíveis:^[1]

• Circulação Natural: causada por correntes de convecção do fluido devido ao seu aquecimento;

• Circulação Forçada: devido, geralmente, ao auxílio de uma bomba ou outro equipamento externo;

• Filme Agitado.

Em termos de construção:^[1]

Configuração	Tipos de Construção
Circulação Natural	Tubos horizontais Tubos Verticais Curtos (ou calandria) Tubos Verticais Longos (ou filme)
Circulação Forçada	Tubos Horizontais Curtos Tubos Horizontais Longos Tubos Verticais Curtos Tubos Verticais Longos
Filme Agitado	Filme Agitado

Esquemas de Evaporadores

Esquema evaporador de calandria, retirado de [3]

Esquema evaporador tubos horizontais, retirado de [3]

Esquema evaporador de filme fino, retirado de [3]

Esquema evaporador tubos verticais longos, retirado de [3]

Esquema evaporador circulação forçada, retirado de [3]

Evaporadores Aplicados na Indústria, retirada de [9]

Vantagens e Desvantagens

As vantagens e desvantagens destes equipamentos são relativas a cada tipo.

A adoção de determinados equipamentos auxiliares como os evaporadores que apresentam circulação forçada ou aquecedor externo podem trazer vantagens e desvantagens próprias ao equipamento.

Assim, apresenta-se algumas vantagens e desvantagens de determinados tipos de evaporadores menos elaborados. ^{[3] [8]}

• Evaporador de Tubos Horizontais
  • Vantagens
    • Deve utilizar-se em pequenas instalações
    • Deve-se aplicar a soluções diluídas
  • Desvantagens
    • Baixo coeficiente global de transferência de calor
    • Formação de espuma
    • Equipamento de limpeza difícil
    • Não se deve aplicar a soluções viscosas
• Evaporador de Tubos Verticais Curtos (ou Calandria)
  • Vantagens
    • Circulação interna facilitada
    • Coeficientes de transferência maiores do que nos evaporadores de tubos horizontais
    • Fácil limpeza de depósitos
    • Formação de espuma reduzida
    • É possível usar em soluções viscosas
    • O evaporador de cesto (variante do calandria) tem o processo de limpeza facilitado devido à sua desmontagem
  • Desvantagens
    • Devem ter acoplado diversos canais de retorno para grandes instalações
    • Continua a existir formação de espuma
    • Para líquidos viscosos tem-se baixos coeficientes de transferência e circulação baixa
    • Não podem ser utilizados para líquidos muito viscosos
• Evaporador de Filme Agitado
  • Vantagens
    • Útil para misturas viscosas
    • Acumulação de sólidos baixa
    • Baixos tempos de residência
  • Desvantagens
    • Equipamento de grandes dimensões
    • Custo adicional devido ao agitador auxiliar
• Evaporador de Tubos Verticais Longos
  • Vantagens
    • Não produz espuma
    • Coeficientes de transferência de calor altos
    • Elevada fração de líquido evaporado
  • Desvantagens
    • Grandes dimensões
    • Não se utiliza com misturas viscosas

Custo de Operação e de Equipamento

O custo de operação prende-se com a quantidade de calor que é necessária para a solução a tratar entrar em ebulição, por isso, é um valor variável. ^[11]

O custo para produzir o calor necessário, pode variar consoante o método de aquecimento. O ideal será aproveitar de algum ponto do processo, vapor ou outro tipo de fluido quente, de modo a que este circule numa serpentina que passa no evaporador e aqueça a mistura. Dependendo do tempo de utilização e da quantidade de calor, pode utilizar-se também uma caldeira (biomassa, gás ou combustível) que aqueça água (que circule numa serpentina interior ao evaporador), ou, em casos cuja utilização compense, uma resistência elétrica (diretamente na mistura, ou que aqueça previamente um óleo térmico).

Todas estas opções devem ser consideradas, e serão sempre dependentes do que se pretende concentrar, do tempo de utilização do evaporador e, acima de tudo, da quantidade de energia necessária.

Em relação aos custos do equipamento, os valores também serão dependentes primeiro da finalidade do evaporador e, consequentemente, da sua capacidade, tamanho, tipo de construção e materiais envolvidos, configuração, etc. ^[11] Foram encontrados preços em alguns mercados que variam entre os 90000€ e os 450000€ ^[7].

Projeto do Equipamento

Para projetar um evaporador deve-se ter em atenção alguns critérios, tais como: a quantidade de calor necessária, a solução a ser separada e a eficiência energética. ^[11]

O evaporador deve ser projetado de modo a ter o mínimo necessário de queda de pressão e de modo a a capacidade do evaporador, isto é a quantidade de calor que deve ser transferida, ou seja, a sua capacidade, não esteja sobrestimada e/ou subestimada. Estas variáveis podem trazer algumas desvantagens como insuficiência energética, perda de eficiência, gestão do espaço de fábrica deficiente e custos desnecessários de instalação e de operação do equipamento.

No projeto e seleção do equipamento é necessário ter em conta, entre outros, os seguintes aspetos: ^[1]

• Decomposição;
• Localização do evaporador;
• Variação da solubilidade do soluto com a alteração da temperatura;
• Formação de incrustações dentro dos tubos;
• Limpeza do equipamento;
• Aumento da viscosidade;
• Formação de espumas.

Aplicações

Os evaporadores são equipamentos usados em diversas indústrias, entre elas, tem-se como exemplo a celulose e papel. ^[1] A madeira que dá origem ao papel é inicialmente direcionada para um processo de cozimento, formando-se um líquido que, por razões económicas e ambientais, passa por um processo de recuperação, sendo que essa se inicia na evaporação.^[13] Estes equipamentos são também usados na dessalinização, para separação do sal e da água.

Na indústria alimentar, a evaporação refere-se à operação que consiste em remover a água existente nos alimentos. Recorrendo à transferência de calor, obtém-se um produto aquoso de concentração mais elevada. Este processo é utilizado, por exemplo, na produção de sumos de fruta concentrados ou polpas de fruta. ^{[1] [14]}

Notas

• A concentração de soluções ocorre por evaporação do solvente existindo também a remoção de vapor; ^[1]
• A operação acaba antes de ocorrer formação de precipitados (caso contrário, seria processo de cristalização); ^[1]
• Esta operação difere da destilação visto que existe apenas um componente volátil e que o vapor final é puro; ^[1]
• A circulação forçada permite obter coeficientes de transferência maiores o que leva a uma maior velocidade de transferência energética, mas por outro lado, exige um custo de energia acrescido.

Referências

[2] Carvalho, M. Graça, Slides de Fenómenos de Transferência II: Evaporadores de Múltiplo Efeito, 2016/2017

[3] E. G. Azevedo, A. M. Alves, Engenharia de Processos de Separação, 3ª Ed., Imp. IST, 2017

[5] http://www.thermopedia.com/content/744/

[7]https://wztaikang.en.made-in-china.com/product/wXPmFsvjpWVu/China-Industrial-Evaporator-for-Environmental-Engineering-Wastewater.html

[8] Alan S. Foust, Leonard A. Wenzel, Curtis W. Clump, Louis Maus, L. Bryce Andersen, Princípio das Operações Unitárias, 2ª Ed, LTC Editora, 1982

[9]https://www.gea.com/en/products/tvr-heated-evaporation-plants.jsp (

[10]https://repositorio.ipl.pt/bitstream/10400.21/3194/1/Disserta%C3%A7%C3%A3o.pdf

[11] https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/evaporator

[12] https://www.britannica.com/science/evaporator

[13]http://www.conhecer.org.br/enciclop/2013a/engenharias/aplicacoes%20industriais.pdf

[14] http://www.ebah.pt/content/ABAAAflgoAD/evaporadores-celulose?part=4