EVAPORADORES

A evaporação é uma operação unitária muito utilizada para a separação de compostos de diferentes volatilidades, fazendo com que parte do solvente se vaporize, onde na maioria das soluções esse solvente é a água, em que o objetivo final desejado é o concentrado líquido. Essa operação está presente dentro de diversas indústrias, como na indústria de alimentos para a concentração de sucos naturais, de caldo de cana, do leite para a produção de leite condensado, na indústria de papel e celulose, para a concentração de resíduos ou também na indústria de processos inorgânicos, como na produção de hidróxido de sódio, nitrato de amônio, cloreto de cálcio etc.

Os evaporadores são constituídos de um trocador de calor que eleva a temperatura da solução até o ponto de ebulição, realizando assim a separação da fase vapor do líquido em ebulição. Eles tem uma superfície térmica, cuja a função é transferir calor para a solução e um compartimento, denominado de estação de vapor, que separa o vapor da solução alimentada e impede o arraste da solução ocasionada pela geração de vapor

Os evaporadores podem ser classificados de diversas maneiras, como de acordo com a forma de separação do vapor ou o meio de aquecedor empregado, entre outros. Nesse texto iremos utilizar a classificação pela forma de separação do vapor, que pode ser:

  • Evaporadores de circulação natural;
  • Evaporadores de circulação forçada;
  • Evaporadores de película.

Evaporadores de circulação natural

Estes evaporadores se utilizam da diferença de densidade dos compostos para causar a circulação, quando o nível de solução fica abaixo do esperado atingem-se os maiores coeficientes de troca de calor, mas se ficar muito abaixo ocasiona em um tubo não totalmente molhado, causando assim a incrustação, dependendo da viscosidade da solução e a separação da espuma esse tipo de evaporador pode não ser eficiente, e também não é adequado para operar com substâncias termossíveis, devido ao seu tempo de residência.

 Esses tipos de evaporadores possuem tubos horizontais ou tubos verticais.

Os evaporadores com tubos horizontais, são recomendados para soluções que não irão formar depósitos sólidos no tubo e não aconteça a espumação, visto que ele não tem nenhum sistema para evitar isso. Nesse tipo de evaporador o fluido de aquecimento escoa pelo interior dos tubos e a solução a ser concentrada, por fora deles. O principal problema apresentado é a incrustação da solução evaporante, que se acumula no exterior dos tubos, causando assim uma perda de eficiência do evaporador e apresentam dificuldades para serem removidas.

Uma das características desse evaporador é que os tubos horizontais atrapalham a agitação natural da substância quando ela entra em ebulição, então fazendo assim com que o coeficiente de troca de calor dele fique menor quando comparado com outros evaporadores, portanto ele não é recomendado para substâncias muito viscosas, devido a interferência dos tubos na agitação natural da substância.

Evaporador de tubos horizontais.
Fonte: Foust, 1982.

Já os evaporadores de tubos verticais, a solução a ser concentrada entra em ebulição no interior dos tubos verticais e o vapor em um câmara na qual os tubos passam, os coeficientes de transferência de calor são um pouco maiores que o de tubos horizontais e também superam a maior parte das desvantagens operacionais deles. A destruição da espuma não é eficiente, embora sua formação seja reduzida pelos separadores e pelas chicanas anti-respingos que são usualmente fornecidas com equipamentos. É possível operar com líquidos mais viscosos, mas a circulação é lenta e os coeficientes de transmissão são baixos. Assim, os evaporadores de tubos verticais são completamente satisfatórios para a maior parte das exigências de evaporação e não são recomendados em casos que o líquido é muito viscoso, muito espumejante, ou termo sensível.

Evaporador de tubo vertical.

Evaporadores de circulação forçada

Esses evaporadores se utilizam do aumento da velocidade de  escoamento da solução no interior do tubo, para aumentar assim o coeficiente global de transferência de calor, esse tipo de evaporador é bastante utilizado para soluções muito viscosas ou que tenham tendência maior a incrustação.

Nestes evaporadores a solução a ser evaporada é bombeada através de um trocador de calor, que pode ser de tubos verticais ou horizontais, interna ou externa. Onde a superfície que troca calor horizontal externa é a mais compacta e a superfície externa facilita a manutenção e limpeza.

Devido ao seu maior coeficiente global de transferência de calor pode-se reduzir o porte da unidade necessária, mas a economia feita na inversão inicial é equilibrada pelo custo de potência necessária ao bombeamento de solução no circuíto de reciclagem.

a)Evaporador de circulação forçada horizontal; b) Evaporador de circulação forçada vertical com superfície interna.
Fonte: Operações Unitárias envolvendo transmissão de calor. Disponível em: <rhttp://livresaber.sead.ufscar.br:8080/jspui/bitstream/123456789/2789/1/TS_Everaldo_TransmissaoCalor.pdf>

Evaporadores de película

Esses evaporadores são classificados de acordo com o fluxo que possuem, ascendente ou descendente.

Os evaporadores de fluxo ascendente são atualmente os mais utilizados nas indústrias, o fluxo vai da parte inferior para a parte superior do evaporador onde a mistura de líquido e vapor se encontram com uma chincana de impacto, que barra o líquido fazendo com que ele retorne para o fundo pela gravidade. Essa chincana também atua como eliminador de espuma. Uma das vantagens esse tipo de evaporador é de ser facilmente operado a forna de uma unidade de um passe só.

Evaporador de película ascendente.
Fonte: Operações Unitárias envolvendo transmissão de calor. Disponível em: <rhttp://livresaber.sead.ufscar.br:8080/jspui/bitstream/123456789/2789/1/TS_Everaldo_TransmissaoCalor.pdf>

Já os evaporadores de película com fluxo descendente a solução é alimentada no topo do evaporador em um distribuidor projetado pra que ela escorra como uma película pela parede interna dos tubos, que por sua vez estão aquecidos em paralelo com o gás de evaporação, o maior problema desse tipo de evaporador é garantir a distribuição uniforme do fluido nas paredes do tubo.   Eles são utilizados para produtos termosensíveis, devido ao seu baixo tempo de residência dentro do equipamento e também em soluções que apresentam tendência a formar incrustações pois a ebulição acontece na superfície do filme e não sobre a parede do tubo, dificultando assim a formação de incrustações.

Evaporador de película descendente.
Fonte: Operações Unitárias envolvendo transmissão de calor. Disponível em: <rhttp://livresaber.sead.ufscar.br:8080/jspui/bitstream/123456789/2789/1/TS_Everaldo_TransmissaoCalor.pdf>

Vários tipos de evaporadores foram vistos e para cada um existe uma aplicação melhor, para fazer o dimensionamento correto de um evaporador é necessário levar em conta as características que as soluções ou suspensões concentradas apresentam que afetam diretamente na operação dos evaporadores.

Um dos pontos a serem destacados é que na medida que a solução vai se tornando mais concentrada as suas propriedades se alteram, como a densidade, a viscosidade e o ponto de ebulição aumentam, e com isso o coeficiente de global de transferência de calor diminui. Com o aumento da concentração da solução ela pode se tornar saturada e se continuar ocorrendo a ebulição haverá formação de cristais, que podem formar incrustações e entupimento.

 Outro fator a ser observado quando uma solução irá ser evaporada é a sua sensibilidade a temperatura, se o produto for sensível a temperatura será necessário reduzir o tempo de exposição ao calor ou utilizar temperaturas mais baixas, pra que isso aconteça é necessário a utilização de equipamentos que reduzem o volume de produto no evaporador e o tempo de residência e que operam sob vácuo para diminuir o ponto de ebulição.

Também é necessário verificar a capacidade da solução em formar espuma durante a ebulição, e que se caso ocorra pode levar ao arraste do líquido para o vapor, para resolver esse problema é necessário a utilização de acessórios ou espaços destinados à separação, ou pela redução da intensidade da ebulição entre o líquido e vapor e pela redução do nível de líquido, e quando for possível, fazer a utilização de antiespumantes.

Um problema bastante presente na operação de evaporadores é a formação de incrustações, ela pode ser formada por material que se desenvolve na superfície do evaporador e cuja solubilidade aumenta com o aumento da temperatura; material insolúvel ou material cuja solubilidade diminui com o aumento da temperatura; material depositado devido à corrosão, matéria sólida da alimentação ou depósito formado do lado do fluido de aquecimento. No caso de ocorrência de incrustação o principal problema é a perda de eficiência do equipamento, visto que a taxa de transferência de calor irá diminuir gradativamente conforme a incrustação vai aumentando.

Referências 

Estudos de evaporadores de múltiplos efeitos. 

Simulação dinâmica de evaporadores para aplicação em biorrefinarias. 

Operações Unitárias envolvendo transmissão de calor. 

Foust, A. S. el. Al. Princípios das Operações Unitárias. Ed.: 2ª. LTC:1982.