Recomendados
Mais conteúdo relacionado
Mais procurados
Mais procurados (20)
Último
Balanços de massa e energia em sistema de evaporação
- 1. Escola Politécnica Curso de Engenharia Química Escola Politécnica Curso de Engenharia Química BALANÇOS DE MASSA E ENERGIA EM SISTEMAS DE EVAPORAÇÃO A VÁCUO Jairo Oliveira de Paula Ferreira Lorenna Magalhães Drummond Orientador: MSc. Bruno Alves Resende
- 2. Escola Politécnica Curso de Engenharia Química Escola Politécnica Curso de Engenharia Química 1. Introdução A Operação de Evaporação • Presente em diversos processos industriais; • Uma das mais antigas operações de separação na indústria; • Finalidade: separar o solvente volátil de um soluto não volátil; • Alto consumo energético; • Ocorre em trocadores de calor chamados evaporadores; • Superfície intermediária entre o fluido de aquecimento e o fluido de processo. 16/01/2023 2 Balanços de Massa e Energia em Sistema de Evaporação a Vácuo Figura 1: Evaporador do tipo calandra (ARAÚJO, 2015).
- 3. Escola Politécnica Curso de Engenharia Química Escola Politécnica Curso de Engenharia Química 1. Introdução A Evaporação na Indústria Sucroalcooleira • Primeiro estágio de concentração do caldo tratado nas indústrias sucroalcooleiras; • Concentração baixa: – Alto consumo de vapor e tempo de cozimento; – Perdas na capacidade dos equipamentos. • Concentração alta: – Incrustação. • Monitoramento: – Índice de refração de Brix; – Titulometria; – Polarização. 16/01/2023 3 Balanços de Massa e Energia em Sistema de Evaporação a Vácuo Figura 2: Indústria sucroalcooleira (JIMÉNEZ, 2013). Moenda Cana de Açúcar Sulfitação Calagem Clarificação Lama Evaporação Cozimento e Cristalização Centrifugação Secagem
- 4. Escola Politécnica Curso de Engenharia Química Escola Politécnica Curso de Engenharia Química 1. Introdução Balanços de Massa • Situações em que não é possível medir a concentração de um componente num processo; • Análise quantitativa de eficiências, rendimentos e perdas; • Estudo mássico de entrada e saída de materiais. Balanços de Energia • Permite identificar e minimizar pontos de perda; • Redução de custos de produção. 16/01/2023 4 Balanços de Massa e Energia em Sistema de Evaporação a Vácuo Objetivos • Aplicar os conceitos de balanços de massa e energia em sistemas de evaporação a vácuo; • Simular a operação em módulo didático: – Água e soluções de sacarose; • Estabelecer parâmetros ideais de operação, buscando a máxima eficiência do processo em estudo.
- 5. Escola Politécnica Curso de Engenharia Química Escola Politécnica Curso de Engenharia Química 16/01/2023 5 Balanços de Massa e Energia em Sistema de Evaporação a Vácuo Figura 3: Módulo didático evaporador a vácuo (UP CONTROL, 2018). 2. Metodologia
- 6. Escola Politécnica Curso de Engenharia Química Escola Politécnica Curso de Engenharia Química 2. Metodologia 16/01/2023 6 Balanços de Massa e Energia em Sistema de Evaporação a Vácuo Figura 4: Fluxograma instrumental e de processo do sistema (AUTORES, 2018).
- 7. Escola Politécnica Curso de Engenharia Química Escola Politécnica Curso de Engenharia Química 2. Metodologia Ensaios • Água - 40 minutos; • Soluções de sacarose: 50, 60 e 70 g/L – 80 minutos; • Modo semicontínuo: – Alimentação da solução contínua; – Extração de evaporado contínua; – Concentrado acumulou no interior da calandra. • Amostragem: – 50 mL de concentrado; – Intervalo de 4 minutos; – Índice de Brix. 16/01/2023 7 Balanços de Massa e Energia em Sistema de Evaporação a Vácuo Evaporado Figura 5: Circuito do fluido de processo (AUTORES, 2018).
- 8. Escola Politécnica Curso de Engenharia Química Escola Politécnica Curso de Engenharia Química 2. Metodologia 16/01/2023 8 Balanços de Massa e Energia em Sistema de Evaporação a Vácuo Tabela 1: Variáveis de processo monitoradas e registradas (AUTORES, 2018). Tabela 2: Parâmetros de operação (AUTORES, 2018). Parâmetros dos ensaios
- 9. Escola Politécnica Curso de Engenharia Química Escola Politécnica Curso de Engenharia Química 2. Metodologia 16/01/2023 9 Balanços de Massa e Energia em Sistema de Evaporação a Vácuo Balanços de Energia - Estimativa do Calor Específico em Regime Transiente • Calor absorvido pelo fluido de processo • Calor cedido pelo fluido de aquecimento Equação 1 Equação 2
- 10. Escola Politécnica Curso de Engenharia Química Escola Politécnica Curso de Engenharia Química 2. Metodologia 16/01/2023 10 Balanços de Massa e Energia em Sistema de Evaporação a Vácuo Balanços de Energia em Regime Permanente • Lei da conservação da energia aplicada ao sistema Equação 3 Equação 4 • Energia Total cedida ao sistema Equação 1 Equação 2 • Entalpia de aquecimento • Entalpia de aquecimento e evaporação
- 11. Escola Politécnica Curso de Engenharia Química Escola Politécnica Curso de Engenharia Química 2. Metodologia 16/01/2023 11 Balanços de Massa e Energia em Sistema de Evaporação a Vácuo Balanços de Energia – Estimativas: Latente de Vaporização, EPE e Eficiência Energética • Latente de vaporização Equação 5 • Eficiência energética Equação 6 • EPE – Elevação do Ponto de Ebulição: temp. do concentrado = temp. ebulição • Soluções de 50, 60 e 70 g/L • Coeficiente global de troca térmica Equação 7
- 12. Escola Politécnica Curso de Engenharia Química Escola Politécnica Curso de Engenharia Química 2. Metodologia 16/01/2023 12 Balanços de Massa e Energia em Sistema de Evaporação a Vácuo Balanços de Massa Equação 8 • Lei da conservação da massa aplicada ao sistema • Balanço de massa global • Balanço de massa de sacarose Equação 9 Equação 10 Considerações: volume constante e volume variável - solução ideal
- 13. Escola Politécnica Curso de Engenharia Química Escola Politécnica Curso de Engenharia Química 16/01/2023 13 Balanços de Massa e Energia em Sistema de Evaporação a Vácuo 3. Resultados e Discussão Balanços de Energia Figura 6: Temperatura do concentrado na calandra (TI-01), nos regimes transiente (a) e permanente (b) (AUTORES, 2018).
- 14. Escola Politécnica Curso de Engenharia Química Escola Politécnica Curso de Engenharia Química 16/01/2023 14 Balanços de Massa e Energia em Sistema de Evaporação a Vácuo 3. Resultados e Discussão Tabela 3: Dados de regime transiente para estimativa de calor específico médio (AUTORES, 2018). Figura 6: Temperatura do concentrado na calandra (TI-01), no regime transiente (AUTORES, 2018). Balanços de Energia Calor específico teórico da água: 4,19J/g*ºC)
- 15. Escola Politécnica Curso de Engenharia Química Escola Politécnica Curso de Engenharia Química 16/01/2023 15 Balanços de Massa e Energia em Sistema de Evaporação a Vácuo 3. Resultados e Discussão Figura 7: Balanço de energia com base nas potências (Watts) em regime permanente (AUTORES, 2018). Balanços de Energia
- 16. Escola Politécnica Curso de Engenharia Química Escola Politécnica Curso de Engenharia Química 16/01/2023 16 Balanços de Massa e Energia em Sistema de Evaporação a Vácuo 3. Resultados e Discussão Latente de vaporização teórico para a água: 2.260,87 J/g – 13,09% Tabela 4: Dados de regime permanente para estimativa de latente de vaporização (AUTORES, 2018). Balanços de Energia
- 17. Escola Politécnica Curso de Engenharia Química Escola Politécnica Curso de Engenharia Química 16/01/2023 17 Balanços de Massa e Energia em Sistema de Evaporação a Vácuo 3. Resultados e Discussão Tabela 4: Cálculo do coeficiente global de troca térmica (AUTORES, 2018). Balanços de Energia
- 18. Escola Politécnica Curso de Engenharia Química Escola Politécnica Curso de Engenharia Química 16/01/2023 18 Balanços de Massa e Energia em Sistema de Evaporação a Vácuo 3. Resultados e Discussão Figura 8: Temperatura em regime permanente do concentrado (TI-01) na calandra em função da concentração da solução de partida (AUTORES, 2018). Balanços de Energia
- 19. Escola Politécnica Curso de Engenharia Química Escola Politécnica Curso de Engenharia Química 16/01/2023 19 Balanços de Massa e Energia em Sistema de Evaporação a Vácuo 3. Resultados e Discussão Figura 9: Curvas de calibração para soluções de sacarose. Correlação entre as concentrações de diferentes soluções de sacarose e seus respectivos índices de refração de Brix (a). Correlação entre as concentrações das soluções de partida utilizadas nos ensaios e suas respectivas massas específicas determinadas via picnometria (b) (AUTORES, 2018). Balanços de Massa
- 20. Escola Politécnica Curso de Engenharia Química Escola Politécnica Curso de Engenharia Química 16/01/2023 20 Balanços de Massa e Energia em Sistema de Evaporação a Vácuo 3. Resultados e Discussão Balanços de Massa Tabela 5: Estimativas de concentração final na calandra via balanços de massa (AUTORES, 2018).
- 21. Escola Politécnica Curso de Engenharia Química Escola Politécnica Curso de Engenharia Química 16/01/2023 21 Balanços de Massa e Energia em Sistema de Evaporação a Vácuo 3. Resultados e Discussão Balanços de Massa Figura 10: Comparativo de concentrações medidas via refratômetro (determinada) com resultados calculados por balanço de massa a volume variável (estimada) (AUTORES, 2018).
- 22. Escola Politécnica Curso de Engenharia Química Escola Politécnica Curso de Engenharia Química 4. Conclusões • Parâmetros de operação estabelecidos; • Simulação de uma operação industrial em escala laboratorial; • Validação da metodologia utilizada nas estimativas das propriedades termodinâmicas: – Ensaios com água; • Estimativa do calor específico das soluções processadas: – Regime transiente. • Estimativa do latente de vaporização e determinação da eficiência térmica do sistema e do coeficiente global de troca térmica: – Balanços de energia; – Regime permanente. 16/01/2023 22 Balanços de Massa e Energia em Sistema de Evaporação a Vácuo
- 23. Escola Politécnica Curso de Engenharia Química Escola Politécnica Curso de Engenharia Química 4. Conclusões • Identificação da EPE: – Perfis de temperaturas de equilíbrio de cada ensaio. • Estimativa da concentração ao final dos ensaios: – Balanço de massa de sacarose; – Volume variável; – Comportamento ideal. • Desenvolvimento de um procedimento de prática para o curso de engenharia química: – Nosso legado para as próximas gerações de estudantes de engenharia química do Unileste; – Que sejam muitas e cada vez melhores! 16/01/2023 23 Balanços de Massa e Energia em Sistema de Evaporação a Vácuo
- 24. Escola Politécnica Curso de Engenharia Química Escola Politécnica Curso de Engenharia Química 16/01/2023 24 Balanços de Massa e Energia em Sistema de Evaporação a Vácuo Bibliografia Energia Responsável Cocal. Disponível em: <http://www.cocal.com.br /conteudo/21/3/fluxograma-de-fabricacao.html>. Acesso em: 03 Mai 2018. ALCARDE, A. R. ESALQ - Tecnologia da fabricação do Açúcar e do Etanol. São Paulo: USP, 2016. ARAÚJO, E. C. D. C. Evaporadores. São Carlos: Edufscar, 2012. ARAÚJO, E. C. D. C. Operações Unitárias Envolvendo Trocadores de Calor. São Carlos: Edufscar, 2015. BADINO JÚNIOR, A. C.; CRUZ, A. J. G. D. Balanços de Massa e Energia na Análise de Processos Químicos. São Carlos: Edufscar, 2011. BROWN, G. Ingeniería química. Barcelona: Editorial Marin, 1955. COULSON, J. M.; RICHARDSON, J. F. Ingeniería Química: Operaciones Básicas. 3. ed. Barcelona: Editorial Reverté, 1981. HEWITT, G. Evaporators. Thermopedia, 2011. Disponivel em: <http://www.thermopedia.com/content/744/>. Acesso em: 28 abr. 2018. JIMÉNEZ, L. , “ResearchGate,” Productive system used in Argentina to Produce Ethanol From Sugarcane, Agosto 2013. [Online]. Disponível em: https://www.researchgate.net/figure/Productive-system-used-in-Argentina-to-produce- ethanol-from-sugarcane_fig1_257680088. Acesso em 19 Novembro 2018.
- 25. Escola Politécnica Curso de Engenharia Química Escola Politécnica Curso de Engenharia Química 16/01/2023 25 Balanços de Massa e Energia em Sistema de Evaporação a Vácuo LOPES, C. H.; GABRIEL, A. V. M. D. Tecnologia de Produção de Açucar de Cana. São Carlos: Edufscar, 2013. LOPES, C. H.; GABRIEL, A. V. M. D.; BORGES, M. T. M. R. Tecnologia Sucroalcooleira - Produção de Etanol a Partir da Cana de Açúcar. São Carlos: Edufscar, 2011. MACHADO, S. S. Tecnologia da Fabricação do Açúcar. Inhumas: Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia, 2012. MCCABE, W. L.; SMITH, J. C.; HARRIOTT, P. Unit Operations. [S.l.]: [s.n.]. MILCENT, P. F.; PEREIRA, P. C. M. Operações Unitárias - Evaporação. Curitiba: Universidade Federal do Paraná, 2013. UP CONTROL - EQUIPAMENTOS DIDÁTICOS. Manual de Instruções - Módulo Evaporador a Vácuo. Porto Alegre: [s.n.], 2016. 37 p. WATSON, K. M.; RAGATZ, R. A. Chemical Process Principles: Material and Energy Balances. New York: John Wiley & Sons, Inc, 1954. Bibliografia
- 26. Escola Politécnica Curso de Engenharia Química Escola Politécnica Curso de Engenharia Química 16/01/2023 26 Balanços de Massa e Energia em Sistema de Evaporação a Vácuo OBRIGADO!
Notas do Editor
- O princípio dessa operação consiste em evaporar o solvente através do emprego de calor, aumentando assim a concentração do soluto na solução resultante [2]. A transferência de calor ocorre através de uma superfície intermediária entre o fluido de aquecimento e o fluido de processo. É necessário que o vapor gerado seja separado da solução, sem que haja arraste. Por isso, todos os evaporadores possuem, além da superfície de aquecimento, um espaço para que o vapor gerado seja separado da solução em ebulição (ARAÚJO, 2015).
- Durante o regime transiente, a energia na calandra foi predominantemente aproveitada para aquecer o fluido até a temperatura de evaporação na pressão de trabalho. A EQUAÇÃO 1 foi utilizada para determinar a transferência de energia nesse período, com base no calor absorvido pelo fluido da calandra. A EQUAÇÃO 2 faz referência à transferência de calor cedido pela água que circula na carcaça da calandra, e desconsidera a variação do calor específico com a temperatura, devido à baixa amplitude dessa variação. A associação dessas duas equações permitiu estimar valores de calor específico médio do fluido da calandra em cada ensaio.
- A Equação 3 expressa a lei de conservação de energia aplicada ao estudo do sistema. A quantidade de energia fornecida ao sistema foi identificada com base na potência do resistor de aquecimento da água, que alimenta a carcaça da calandra. A EQUAÇÃO 4 considera a atuação constante do controlador sobre o resistor, para corrigir a temperatura durante o regime permanente. Aplicando os dados do regime permanente e os valores estimados de Cp médio à EQUAÇÃO 1, identificou-se o valor da entalpia de aquecimento. A EQUAÇÃO 2, adaptada para o regime permanente, retorna a energia total cedida pelo fluido da calandra, que corresponde às entalpias de aquecimento e evaporação. Por fim, a aplicação do balanço de energia (EQUAÇÃO 3) foi usada para calcular a entalpia de evaporação, tendo sido identificadas todas as porções de energia envolvidas.
- A partir dos valores de entalpia de evaporação e massa de condensado recuperada no regime permanente, foi possível estimar os latentes de vaporização dos fluidos de cada ensaio, segundo Equação 5 – nos casos de solução, considera-se a porção de energia necessária para evaporar solvente. Os ensaios com água, cujas propriedades termodinâmicas são conhecidas, serviram de validação para essas estimativas. Em regime permanente, mesmo com alimentação contínua, a temperatura do concentrado no interior da calandra é constante, sendo esta a temperatura de evaporação. Os dados de ensaios com diferentes concentrações de partida foram usados na estimativa a EPE - elevação do ponto de ebulição, para a sacarose. A eficiência térmica global, dada pela razão entre a energia aproveitada (EQUAÇÃO 2) pelo sistema e o calor a ele cedido (Equação 4) foi determinada, para cada ensaio, por meio da Equação 6:
- Os balanços de massa foram empregados considerando o regime permanente para se estimar, de forma paralela, a massa específica e a concentração da solução no interior da calandra, ao final do processo. A base algébrica foi a lei da conservação da massa, expressa pela EQUAÇÃO 7. Os valores estimados pelos cálculos de balanço foram comparados com os determinados ao longo de cada ensaio, sendo massa específica via picnometria, e a concentração por índice de refração de Brix. O balanço de massa global (EQUAÇÃO 8) foi utilizado na estimativa da massa específica da solução da calandra, e o balanço de sacarose (EQUAÇÃO 9) na estimativa da concentração. As típicas aproximações para sistemas de soluções aquosas em regime transiente foram aplicadas em cada balanço: volume constante e volume variável com comportamento de solução ideal – ausência de forças de interação soluto-solvente capazes de alterar o volume da solução. A comparação dos resultados com os dados medidos definiu a melhor aproximação a se aplicar no caso estudado.
- O comportamento da temperatura do concentrado na calandra indicou o regime de trabalho do sistema ao longo do tempo. A Figura 2 exibe as temperaturas registradas para os ensaios com água e soluções de sacarose. Na Figura 2 (a) os dados de regime transiente mostram que a água alcançou temperaturas mais altas que as soluções de 50, 60 e 70 g/L, para os mesmos tempos de ensaio. Isso é consistente com o fato de que, tipicamente, uma solução aquosa de soluto não volátil apresenta maior capacidade térmica do que a água. Além disso, nos tempos 4 e 8 minutos, a temperatura alcançada diminui com o aumento da concentração, confirmando maior demanda de energia para aumentar a temperatura de um meio aquoso mais concentrado. O tempo de 12 minutos representa a transição de regimes para os ensaios com solução. O perfil de temperatura do concentrado, mostrada Figura 2 (b), representa o regime permanente e indica aproveitamento de energia para evaporação do solvente. O aumento dessa temperatura com a concentração confirma o efeito coligativo ebulioscópico.
- A Tabela 3 exibe as variáveis utilizadas na estimativa do calor específico médio das soluções de trabalho. O índice estimado para a água validou a abordagem. Os valores encontrados de calor específico estimado justificam o comportamento das curvas mostradas na Figura 2 (a).
- O balanço de energia, em regime permanente (Figura 3), com base nas potências permitiu a comparação de ensaios com diferentes durações. A média de perda térmica registrada entre todos os ensaios foi 66,5%, sendo que a menor perda (maior eficiência térmica) foi verificada nos ensaios com água. Entre os ensaios com soluções, observou-se que a perda térmica diminui com o aumento da concentração da solução processada. Isso pode ser explicado pelos dados da Tabela 3 e da Figura 2 (a): a demanda por maior quantidade de energia para aumentar a temperatura de soluções mais concentradas (calor específico), também implica numa maior capacidade de retenção de calor por parte do meio. As altas perdas térmicas se devem, também, a aspectos construtivos do equipamento utilizado: superfícies de troca térmica e costado em vidro, e ausência de revestimento térmico no evaporador. Esses fatores, embora indesejáveis do ponto de vista termodinâmico, são estratégicos num equipamento didático. Observou-se também, que a maior parte da energia aproveitada foi sob a forma de entalpia de evaporação. A razão média entre as entalpias de evaporação/aquecimento para os ensaios com solução foi de aproximadamente 24:1. A maior demanda de energia para transição de fase também outra diferença entre os contextos industrial e didático: o fluido de aquecimento típico que circula na carcaça de evaporadores fabris é o vapor saturado, que troca calor latente com o fluido da calandra, saindo da carcaça sob a forma de condensado. A opção pelo aproveitamento de calor latente é mais uma das medidas que conferem maior eficiência térmica aos processos industriais. Finalmente, o porcentual da entalpia de aquecimento aumenta linearmente com o aumento da concentração, confirmando, mais uma vez, as capacidades caloríficas estimadas.
- A parcela de energia identificada pelo balanço como entalpia de vaporização e a quantidade de condensado recuperada em cada ensaio, foram utilizadas para estimar a demanda de energia por parte do fluido na calandra para evaporar solvente (Tabela 4). O valor teórico do latente de vaporização da água (2260,87 kJ) validou a abordagem, com desvio de13,08%. Os valores de latente de vaporização também apresentaram aumento à medida que aumentou a concentração do fluido na calandra.
- A parcela de energia identificada pelo balanço como entalpia de vaporização e a quantidade de condensado recuperada em cada ensaio, foram utilizadas para estimar a demanda de energia por parte do fluido na calandra para evaporar solvente (Tabela 4). O valor teórico do latente de vaporização da água (2260,87 kJ) validou a abordagem, com desvio de13,08%. Os valores de latente de vaporização também apresentaram aumento à medida que aumentou a concentração do fluido na calandra.
- Conforme mostrado na Figura 2 (b), a faixa de temperatura característica do regime permanente varia com a concentração de partida da alimentação. A Figura 4 exibe a elevação do ponto de ebulição como consequência do aumento da concentração.
- A curva de calibração utilizada para verificar a concentração das amostras durante os ensaios, bem como a picnometria das soluções de partida, são exibidas na Figura 5. A linearidade observada na correlação com grau Brix demonstra que, para o intervalo estudado, é possível utilizá-lo como referência da concentração. Embora a variação da massa específica com a concentração tenha apresentado comportamento esperado, a força dessa correlação se mostrou menor, sendo necessário mais pontos para conferir maior confiabilidade.
- Os balanços globais se mostraram inadequados para se estimar a concentração com base na determinação da massa específica. Isso pode ser explicado, devido à insuficiência de pontos de correlação, conforme mostrado na Figura 5 (b). Também foi constatado que o desvio, independentemente do tipo de balanço, é reduzido quando se considera volume variável, que é a abordagem que melhor interpreta a operação. Os balanços de sacarose retornaram valores de concentração final muito próximos dos valores determinados em todos os ensaios. Isso é justificado porque o cálculo retorna o valor da concentração de forma direta, o que reduz o erro. Outro fator é a forte correlação observada na Figura 5 (a): o método de verificação da concentração durante os ensaios (°Brix) contou com uma distribuição suficiente de pontos, diminuindo assim o desvio.
- A definição da abordagem de balanço de soluto considerando volume variável como a que melhor se aplica ao sistema estudado, é confirmada na Figura 6.