Evaporação

Extraído da 5ª edição do The Alcohol Textbook de 2009, com permissão da Lallemand Ethanol Tecnology e da Nottingham University Press

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A tecnologia de evaporação usa transferência de calor convectiva para concentrar substâncias não voláteis em solução ou suspensão, produzindo produtos de maior concentração de sólidos. O processo de evaporação movido a energia utiliza vapor ou outros fluxos de processos. Na evaporação, a energia é aplicada a um líquido a uma pressão constante, elevando a temperatura até o ponto de saturação - ponto em que ele detém o máximo de energia possível sem entrar em ebulição. À medida que energia adicional é aplicada, a pressão de vapor do líquido atinge a pressão de vapor do ambiente adjacente e o líquido começa a vaporizar. O calor de vaporização é a quantidade de energia necessária para o líquido se transformar para vapor, sem mudança de temperatura. O vapor resultante se separa do líquido residual, aumentando a concentração da fração não volátil.

O processo de transferência de calor é definido pela lei de Fourier (Figura 9), onde

Figure 9. Fourier's law equation defining the heat-transfer process.

A vinhaça fina é predominantemente uma suspensão aquosa de sólidos solúveis e insolúveis de grãos e produtos finais da fermentação não destiláveis. Durante a evaporação da vinhaça, a vinhaça fina, que contém 5% a 10% de sólidos totais, está concentrada para produzir um valor nominal de 30 a 50% de sólidos totais. A figura 10 ilustra a temperatura, a entalpia e a relação de estado da água, mostrando a quantidade de energia necessária e disponível quando a água passa do estado líquido para o gasoso durante o processo de evaporação.

Figura 10. Relação de temperatura, entalpia e estado da água..

Sistemas de evaporador

Um sistema de evaporador industrial simples (Figura 11) contém o seguinte:

• Calandria ou trocador de calor, que transfere energia de fluxo-fonte para líquidos com conteúdo de sólidos, elevando a temperatura do fluido para o ponto de ebulição.
• Circulação, ou alimentação, bomba, que alimenta o trocador de calor do evaporador
• Distribuidor, que distribui alimentação ou líquido circulante uniformemente entre as faces das folhas de tubo dos trocadores de calor do evaporador tubular, garantindo que as superfícies dos tubos alimentados por gravidade fiquem completamente molhadas.
• Bomba de transferência, que movimenta o líquido contendo sólidos enriquecidos do trocador de calor do evaporador
• Separador de vapor, que separa o vapor da água do líquido com sólidos enriquecidos
• Condensador, que remove energia do evaporador por meio da transferência de calor com outro líquido
• Fonte de vácuo, que remove componentes não condensáveis do vapor

O projeto de um evaporador simples é mostrado na Figura 11, onde cerca de uma unidade de vapor é condensada na concha do trocador de calor, transferindo o calor de condensação para o alimentador localizado nos tubos, evaporando uma unidade de água. Quando a temperatura do alimentador fica abaixo do ponto de saturação, é preciso energia adicional para levar o líquido ao ponto de ebulição à pressão do sistema. O vapor produzido no evaporador flui através do separador, removendo líquido arrastado antes de condensar e transferir a energia para refrigerar a água, com o produto concentrado bombeado para armazenamento. A condensação de vapor não contaminada é devolvida à caldeira para reutilização. Juntos, os componentes são tratados como um "efeito" evaporador.

Para que ocorra a transferência de energia, deve existir um diferencial de temperatura em toda a área da superfície de transferência de calor. Como o vapor e a vinhaça são predominantemente água, um diferencial de temperatura deve ser acompanhado por um diferencial de pressão correspondente, conforme ilustrado na Figura 8.

Figura 11. Componentes de um evaporador simples.

Figura 12. Evaporador de efeito único.

A eficiência do sistema de evaporador simples na Figura 12 resulta em cerca de uma unidade de vapor removendo uma unidade de vapor de água com uma quantidade praticamente igual de energia transferida para a água de resfriamento. As Figuras 13 a 15 ilustram as opções de melhoria na eficiência do sistema. Nesses projetos, o vapor direcionado para o condensador (mostrado no evaporador simples ilustrado na figura 11) é encaminhado para as fases, ou efeitos, seguintes da evaporação. Assim, o primeiro efeito do evaporador condensa o vapor de entrada, produzindo uma quantidade praticamente igual de vapor que se condensa no segundo efeito.

Figura 13. Evaporador de dois efeitos

Figura 14. Evaporador de três efeitos

Figura 15. Evaporador de quatro efeitos

Conforme se vê nessas figuras, os efeitos adicionais do evaporador removem mais água por unidade de vapor fornecida e melhoram a eficiência do sistema. A partir disso, parece que os sistemas de evaporação podem ser infinitamente eficientes por meio da adição de efeitos, mas os parâmetros de concepção e operação estabelecem o contrário. Os problemas críticos incluem

• a temperatura mínima de condensação do vapor final na prática, que é uma função da temperatura de resfriamento da água,
• a temperatura máxima lateral prática do produto no primeiro efeito, que é uma função da estabilidade térmica e o potencial de contaminação do alimento,
• o diferencial de temperatura na prática em efeitos individuais, considerando os parâmetros operacionais, como contaminação da área de superfície da transferência de calor e elevação do ponto de ebulição do produto e frequência de limpeza.

Um sistema de evaporação de vinhaça com múltiplos efeitos, com uma temperatura secundária do produto do primeiro efeito de 210 ° F e uma temperatura final de condensação de 130 ° F, que opera com um diferencial de temperatura de 15 ° F entre cada efeito, pode ser projetado com cerca de cinco efeitos.

Evaporadores de termocompressão

Existem alternativas para melhorar a eficiência do evaporador sem o contínuo acréscimo de efeitos de custos elevados. Esses sistemas de evaporador vêm sendo usados em projetos de unidades de secagem há mais de 25 anos. Esses sistemas aumentam a eficiência reciclando o vapor dos últimos aos primeiros efeitos no evaporador. Para isso, a pressão do vapor deve ser aumentada por termocompressão (Figura 16), a fim de compensar a queda de pressão causada pelo design do sistema.

Figura 16 Evaporador por termocompressão

Figura 17. Ejetor de vapor (Croll Reynolds Company, Inc.)

Geralmente, o vapor do evaporador é impulsionado tomando-se uma parte do vapor de um dos efeitos e direcionando-a para um ejetor de vapor (figura 17). Este dispositivo produz um efeito Venturi, onde o fluido do ejetor sob alta pressão é convertido em um jato de alta velocidade na garganta do bocal, o que cria uma baixa pressão nesse ponto. A baixa pressão conduz o fluido de sucção para o bocal, onde ele se mistura com o fluido motriz, resultando em uma mistura de vapor de pressão intermediária. A quantidade de vapor reciclado é uma função do projeto do ejetor, da pressão do vapor do motor e da pressão do vapor do evaporador. Uma desvantagem dos sistemas ejetores de vapor é que o vapor do motor é, muitas vezes, contaminado por impurezas presentes no vapor do evaporador. Em evaporadores de vinhaça, o condensado contém concentrações mensuráveis de ácidos orgânicos e etanol e não pode ser reutilizado como água de composição da caldeira de alimentação.

Evaporadores de compressão mecânica

Figura 18. Evaporador de compressão mecânica de vapor (ECM)

Outra variante da tecnologia de compressão de vapor utiliza dispositivos de turbina a vapor, como ventiladores, sopradores e compressores para aumentar a pressão e reciclar o vapor do evaporador. Na evaporação mecânica por recompressão de vapor (MVR) (Figura 18), o vapor do separador, livre de líquido aprisionado, é comprimido, elevando a temperatura de condensação. O vapor direcionado para a concha do corpo do evaporador se condensa, transferindo a energia de volta para o fluido circulante. Uma pequena quantidade de energia adicional é necessária para equilibrar a entalpia do sistema, "substituindo" a energia necessária para elevar a temperatura da alimentação de entrada para as condições de operação do evaporador.

Considerações sobre o design dos sistemas de MVR são um meio-termo entre

• a potência do compressor (o aumento do diferencial de pressão aumenta a demanda de potência, resultando em menor confiabilidade do sistema) e
• a área de superfície do trocador (pressões mais elevadas aumentam as temperaturas do vapor, aumentando os diferenciais de temperatura nos corpos do evaporador, o que reduz as superfícies de transferência de calor).

Na evaporação da vinhaça, a compressão de grandes fluxos de vapor se traduz em elevada demanda de energia. Os sistemas MVR se adaptam melhor a aplicações em que

• o vapor de alta pressão esteja disponível para um escape,
• uma turbina de extração seja aplicada e
• energia de baixo custo permita um acionamento elétrico.

Propriedades dos fluidos e design do sistema de evaporador

As propriedades físicas dos fluidos devem ser levadas em consideração durante a concepção dos sistemas de evaporador. A vinhaça é uma mistura complexa de sais inorgânicos, ácidos orgânicos, proteínas solúveis e insolúveis, peptídeos e aminoácidos, carboidratos, alcoóis de açúcar, como glicerol, lipídios e fibras finas.

Uma propriedade fundamental é a elevação do ponto de ebulição do fluido. Quando um soluto é adicionado a um solvente, a pressão de vapor do solvente (acima da solução resultante) é inferior à pressão de vapor acima do solvente puro. O resultado é que o ponto de ebulição da solução será maior do que o ponto de ebulição do solvente puro. Isso ocorre porque a solução (que tem uma menor pressão de vapor) deve ser aquecida a uma temperatura mais elevada para que a pressão de vapor se torne igual à pressão externa. Durante a evaporação, à medida que a concentração dos sólidos da vinhaça aumenta, a elevação do ponto de ebulição reduz a temperatura diferencial efetiva e aumenta a área de superfície da transferência de calor necessária.

Outra propriedade física com impacto significativo sobre o design e o desempenho de evaporador é a viscosidade do fluido. À medida que os fluxos de alimentação se concentram, as viscosidades de fluido aumentam, mostrando propriedade tanto newtonianas quanto não newtonianas:

• Um fluido newtoniano é aquele cuja viscosidade não muda com a taxa de escoamento ou a tensão de cisalhamento.
• Um fluido não newtoniano é aquele cuja viscosidade muda com a taxa de escoamento ou tensão de cisalhamento.

A figura 19 ilustra a relação da temperatura de cisalhamento em fluxos densos de vinhaça que contêm altas concentrações de sólidos suspensos.

Figura 19. Perfil de viscosidade de vinhaça concentrada em um intervalo de temperatura e rotações por minuto durante o teste

Viscosidades de fluidos elevadas interferem com a formação da película em sistemas de evaporação de película em queda, resultando em banho desigual de superfícies de transferência de calor. Em alta velocidade, sistemas de evaporação de circulação forçada, como evaporadores de acabamento, aumento das viscosidades gera um fluxo laminar, número reduzido de Reynolds e coeficientes menores de transferência de calor correspondentes. Aumentar a velocidade do fluido em um esforço para melhorar a transferência de calor tem o efeito adverso de aumentar a queda da pressão do sistema e a demanda de potência. Em todos os casos, o aumento das viscosidades de fluido acelera resíduos das superfícies de transferência de calor; tais resíduos são mais graves nos efeitos de alta pecentagem de sólidos.

Sistemas de procedimento de limpeza (CIP) do evaporador

Os critérios para projeto de um sistema de evaporação de vinhaça devem considerar a taxa de resíduos e o processo de limpeza associado. A maioria dos sistemas de evaporação está equipada com sistemas CIP que limpam quimicamente os trocadores de calor, separadores e tubulação de produto associada abrir o equipamento. A taxa de resíduos na superfície da transferência de calor a frequência de CIP associada e o ciclo de CIP reduzem o tempo em operação do sistema evaporador. Em evaporadores com excesso de resíduos de vinhaça, é possível encontrar depósitos complexos, orgânicos e inorgânicos na superfície de transferência de calor. A limpeza dos evaporadores de vinhaça exige os seguintes passos, que podem levar até vinte horas:

• Lavagem inicial. Água quente limpa a vinhaça do sistema e lava facilmente resíduos removíveis, reduzindo o consumo de produtos químicos durante os passos subsequentes de CIP.
• Lavagem cáustica. Solução cáustica diluída ataca e solubiliza parcialmente a matriz orgânica.
• Lavagem intermediária. Água quente lava a solução cáustica do sistema antes da lavagem ácida subsequente.
• Lavagem ácida. Uma solução ácida diluída, como ácido sulfâmico, ataca e solubiliza parcialmente o oxalato de cálcio e a matriz de depósitos inorgânicos rica em sulfato de cálcio.
• Lavagem final. A água quente lava o ácido residual e solta os depósitos do sistema.

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