Op. Unit. II
EvaporadoresCaldeiras e evaporador de duplo efeito concorrente
Ateno: Estas notas de aula destinam-se exclusivamente a servir como roteiro de estudo. Figuras e tabelas de outras fontes foram reproduzidas estritamente com fins didticos.
Prof. Lucrcio Fbio
Operaes Unitrias - II
Op. Unit. II
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Introduo
Muitas indstrias usam vapor em seus processos de produo. E a principalparcela do custo operacional envolvido em um sistema de evaporao justamente o do vapor.
A gerao de vapor pode ser realizada em:
Caldeiras;
Equipamentos geradores de vapor, ou
Aproveitamento do calor residual proveniente de alguns tipos de processos
industriais (Ex.: siderurgia: gases de alto-forno.
Op. Unit. II
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Com base na presso, as caldeiras foram classificadas segundo a NR-13 em:
Classificao
As caldeiras podem ser classificadas de acordo com:
classe de presso; grau de automao; tipo de energia empregada; tipo de troca trmica.
Categoria A: caldeira cuja presso de operao superior a 1960 kPa(19, 98kgf/cm2);
Categoria C: caldeiras com presso de operao igual ou inferior a 588 kPa (5,99kgf/cm2) e volume interno igual ou inferior a 100 litros;
Categoria B: caldeiras que no se enquadram nas categorias anteriores.
Noes sobre caldeira
Op. Unit. II
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Existem outras maneiras particulares de classificao, a saber: quanto aotipo de montagem, circulao de gua, sistema de tiragem e tipo desustentao.
De acordo com o grau de automao, as caldeiras podem se classificar em:
Manuais; Semi-automticas; e Automticas.
De acordo com o tipo de energia empregada, elas podem ser do tipo
Combustvel slido; Lquido; Gasoso; Caldeiras eltricas; e Caldeiras de recuperao.
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A classificao mais usual de caldeiras de combusto refere-se localizaode gua/gases e divide-as em: flamotubulares, aquatubulares e mistas.
As caldeiras flamotubulares ou fogotubulares so aquelas em que os gasesprovenientes da combusto (gases quentes) circulam no interior dos tubos,ficando por fora a gua a ser aquecida ou vaporizada, conforme ilustraoabaixo.
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Caldeiras flamotubulares
Este tipo de caldeira de construo mais simples, e pode ser classificadoquanto distribuio dos tubos, que podem ser tubos verticais ouhorizontais.
Nestas, os tubos so colocados verticalmente num corpo cilndrico fechadonas extremidades por placas, chamadas espelhos. A fornalha interna fica nocorpo cilndrico logo abaixo do espelho inferior. Os gases de combustosobem atravs dos tubos, aquecendo e vaporizando a gua que est emvolta deles.
Caldeiras de tubos verticais
As fornalhas externas so utilizadas principalmente no aproveitamento daqueima de combustveis de baixo poder calorfico, tais como: serragem,palha, casca de caf e de amendoim.
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Op. Unit. II
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As caldeiras de tubos horizontais abrangem vrios modelos, desde as
caldeiras Cornulia e Lancaster, de grande volume de gua, at as modernas
unidades compactas.
Caldeiras de tubos horizontais
As principais caldeiras
horizontais apresentam
tubules internos nos quais
ocorre a combusto e atravs
destes passam os gases
quentes. Podem ter de 1 a 4
tubules por fornalha.
Flamotubular tpica
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Op. Unit. II
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As caldeiras flamotubulares primitivas possuam superfcie de aquecimentomuito pequena, tendo como consequncia uma baixa vaporizaoespecfica (12 a 14kg de vapor gerado/m).
Com o passar do tempo e com a necessidade do aumento da produo devapor e com maiores nveis de presso, trocaram os tubos de fogo por tubosde gua, o que aumentou muito a superfcie de aquecimento, surgindo acaldeira aquatubular, conforme ilustrao abaixo.
Caldeiras aquatubulares
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Nesse tipo de caldeira os tubos conduzem a gua, o que aumenta muito asuperfcie de aquecimento e consequentemente aumenta a capacidade deproduo de vapor.
Op. Unit. II
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Op. Unit. II
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Principais energticos no Brasil
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Poder calorfico do leo: Cp (9.000 a 10.000 cal/g)
Calor liberado pela queima de 1 g de leo combustvel:
]cal[.Cx]g
cal[Cx]g[1Q pp
cal)hH.(m]g
cal)[hH(x]g[mQ o1vo1vapor
(1)
(2)
Caldeira ()
leo
gua
To, ho
Vapor
)H,T,P,m( 111
)C( p
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o1
p
vo1vphH
.Cm )hH.(m.C
Igualando as equaes (1) e (2):
.C
)hH(mm
p
o1vleo
Op. Unit. IIOp. Unit. II
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Exerccios
1. Tendo-se um leo combustvel de Cp = 9.400 cal/g queimando em uma
caldeira, com rendimento de 88%, calcular a quantidade de vapor gerado
por kg de leo, sabendo que a gua entra na caldeira a 25oC e o vapor
sai a 5 kgf/cm2 (manomtrico).
Caldeira ( = 88%)
leo
(Cp = 9400 cal/g)
gua
To = 25oC
Vapor
)man(cm/kg5P
?m
2
1
v
Soluo:
Resposta : mv = 13,06 kg
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2. Um evaporador deve ser projetado para concentrar 4.000 kg de uma
soluo de um sal inorgnico, de 8% (em peso) at 40% (em peso). A
soluo dever ser alimentada a 32oC na cmara de evaporao, que
ser operada a 0,25 kg/cm2. O coeficiente global de troca de calor (U)
1.400 kcal/h.m2.oC. O vapor, a 158,1oC, fornecido por uma caldeira. A
caldeira tem eficincia de 85%, alimentada com gua a 18oC e consome
combustvel com poder calorfico de 9300 kcal/kg.
Calcule:
a) o consumo de vapor;
b) a rea que dever ter o evaporador; e
c) o consumo de combustvel (leo BPF).
Dados:
ETE = 35,1x
Cp = (1 0,8x)soluo
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hFFxFTF
VoVo
HVo
L1xL1
hL1
T1
TVo D1
HD1
P1
Q
V1H*V1
Caldeira
( = 85%)
leo
(Cp = 9300 cal/g)
gua
To = 18oC
Vapor
TVo
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1. Proposto: Projeta-se um evaporador para concentrar 5.000kg/h de uma
soluo desde 8% at 50% de soluto (em peso). A alimentao do
evaporador entra a 25oC e este funciona a uma presso absoluta de 100
mmHg. Para aquecimento usa-se vapor dgua a 1,4 kgf/cm2. determinar:a) a rea de troca de calor;
b) consumo horrio de vapor;
c) consumo horrio de leo combustvel ( Cp = 9.350 cal/g)
Dados:
Cpf = 0,95 cal/goC
CpL1 = 0,85 cal/goC
U = 1.150 kcal/h.m2.oC
ETE = 12oCCaldeira: = 88% e To = 25
oC
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Evaporador de duplo efeito concorrente
, hFF, xF , TF
VopVo
HVo
L1 , xL1, hL1
T1
U1 D1
hD1
P1
Q1
V1H*V1
HV1
L2 , xL2 , hL2
T2
U2 D2
hD2
P2
Q2
V2 H*V2
A1 A2
= HS hE
Evaporado (1)
soluo conc. (1)
soluo diluda
vapor
soluo conc. (2)
Evaporado (2)
T1
INCIO (1)
FIM (2)
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Balano de massa
1) Cmara de evaporao
L V F 11
x.L F.x 1L1F
221 V L L
x.L .xL 2L2L11
2) Cmara de condensao1o D V
21 D V
(1)
(2)
(3)
(4)
(7)
(8)
V L V F 221 (5) [(1) e (3)]
x.L F.x 2L2F (6) [(2) e (4)]
Op. Unit. IIOp. Unit. II
Balano de energia
F1L11V*
11DVoo
1F1L11V*
11D1Voo
1L11D11V*
1VooF
FhhLHV)hH(V
QFhhLHVhDHV
hLhDHVHVFh
(9)F1L11V*
11o FhhLHVV
1L12L22V*
221 h.Lh.LH.V.V (10)
2D22V*
22L21V11L1 h.DH.Vh.LH.Vh.L
entrada sada
1L12V*
22L22D1V1 h.LH.Vh.L)hH.(V
vapor soluo
21L12V*
22L22D21V1 Qh.LH.Vh.Lh.DH.V 21 D V
1o D V
Evap
ora
do
r 1
Evap
ora
do
r 2
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Nas equaes (9) e (10)
F1L11V*
11o FhhLHVV
1L12L22V*
221 h.Lh.LH.V.V
Duas equaes e quatro incgnitas (L1, V1, V2, Vo)
Dados: F, L2
Eq. (1):11 V F L
212 L V F V Eq. (5):
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1L2V*
2
1L2V*
2V*
2L21
hH
)hH.(F)Hh.(LV
F1V*
11L11o h.FH.Vh).VF(.V
Na equao (10) 1L12L22V*
221 h.Lh.LH.V.V
)hH.(F)Hh.(L)hH.(V
h)VF(H).LVF(h.LV
1L2V*
2V*
2L21L2V*
21
1L12V*
212L221
(11)
Na equao (9) F1L11V*
11o FhhLHVV 11 V F L
1
F1V*
11L1o
h.FH.Vh).VF(V
(12)
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Troca de calor
1111o1 T.A.UVQ (13)
(14)222212 T.A.UVQ
11
1o1
T.U
.VA
22
212
T.U
.VA
Soluo por tentativa:
Primeira tentativa: a) V1 = V2b) Q1 = Q2
Segunda tentativa:
21
2211m
TT
T.AT.AA
m
222
m
111
A
T.AT ;
A
T.AT
Op. Unit. IIOp. Unit. II
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Exerccio
3. Uma soluo de NaOH a 5% em peso deve ser concentrada at 40% emum evaporador de duplo efeito concorrente, com taxa de alimentao de24.000 lb/h, a 68oF. O vapor de aquecimento est a 78,4 psig. A presso dosegundo estgio de 1,275 psia. Os coeficientes globais de troca de calorso 2.250 e 2.050 kcal/h.m2.oC para o primeiro e segundo estgiosrespectivamente. O primeiro evaporador tem uma rea de troca de calorduas vezes maior que o do segundo evaporador. Determine as reas detroca de calor.
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2. Proposto: Um Evaporador de duplo efeito concorrente deve ser projetadopara concentrar 600kg/h de uma soluo de NaOH a 10% at 50%, em peso. Asoluo est a 30oC. O vapor para aquecimento est a 8,5 kgf/cm
2. A cmara deevaporao do 2 estgio deve ser operado a 0,15 kgf/cm2. Os coeficientes deglobais de troca de calor so 1.450 e 1.350 kcal/h.m2.oC para o primeiro esegundo estgio, respectivamente. O estgios devero ter reas iguais. Calculeo consumo de vapor e as rea de troca de calor.
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Evaporador de duplo efeito contracorrente
HV1
L2 , xL2 , hL2
T2
U2D2hD2
P2
Q2
V2 H*V2
A2VopVo
HVoL1 , xL1, hL1
T1
U1D1hD1
P1
Q1
V1H*V1
A1
, hFF, xF , TF
soluo diluda
vapor
soluo conc.
1 2
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Balano de massa
1) Cmara de evaporao L V F 22
x.L F.x 2L2F
112 V L L
x.L .xL 1L1L22
2) Cmara de condensao1o D V
21 D V
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(CE -1)
(CE -2)
(CC -1)
(CC -2)
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Balano de energia
2L21L11V*
11D1Voo
1L11D11V*
12L2Voo
hLhLHVhDhV
hLhDHVhLhV
(7)
21 D V
1o D V
Evap
ora
do
r 1
Evap
ora
do
r 2
2L21L11V*
1oo hLhLHVV
F2L22V*
22D21V1
2L22D22V*
21V1F
FhhLHVhDHV
hLhDHVHVFh
F2L22V*
211 FhhLHVV (8)
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Troca de calor
111oo1 T.A.UVQ (9)
(10)222112 T.A.UVQ
11
oo1
T.U
.VA
22
112
T.U
.VA
Simplificao de incgnitas nas equaes (7) e (8)
2L111L11V*
1oo h)VL(hLHVV
F2L112V*
1111 Fhh)VL(H)VLF(V
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Das equaes (1) e (3):
Da equao (1):
112
112
L V F V
L V V F
112 V L L
2L12L11L11V*
1oo hVhLhLHVV
o
2L1L12L1V*
1o
)hh(L)hH(VV
(11)
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F2L112V*
1111 Fhh)VL(H)VLF(V
F2L12L12V*
12V*
12V*
11 FhhVhLHVHLFHV
)hH(F)Hh(L)hH(V F2V*
2V*
2L12L12V*
1
2L12V*
F2V*
2V*
2L11
hH
)hH(F)Hh(LV
(11)
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Exerccio
4. Repetir os clculos do exerccio (3), usando os seguintes coeficientesglobais de troca de calor: 2.100 e 2.200 kcal/h.m2.oC, para o primeiro esegundo estgios, respectivamente.