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14.Torre de resfriamento
14.1.- Introdução
As torres de resfriamento são equipamentos u�lizados para o resfriamento de água industrial, como aquela proveniente de condensadores de usinas de geração de potência, ou de instalações de refrigeração, trocadores de calor, etc. A água aquecida é gotejada na parte superior da torre e desce lentamente através de “enchimentos” de diferentes �pos, em contracorrente com uma corrente de ar frio (normalmente à temperatura ambiente). No contato direto das correntes de água e ar ocorre a evaporação da água, principal fenômeno que produz seu resfriamento.
Uma torre de refrigeração é essencialmente uma coluna de transferência de massa e calor, projetada de forma a permi�r uma grande área de contato entre as duas correntes. Isto é ob�do mediante a aspersão da água líquida na parte superior e do “enchimento” da torre, isto é, bandejas perfuradas, colméias de materiais plás�cos ou metálicos, etc, que aumenta o tempo de permanência da água no seu interior e a super�cie de contato água - ar.
O projeto de uma torre de resfriamento parte dos valores da vazão e da temperatura da água a ser resfriada. Então, uma vez especificada a geometria da torre em termos de suas dimensões e �po de enchimento, o funcionamento adequado dependerá do controle da vazão de ar. Em termos de insumo energé�co, a torre demandará potência para fazer escoar o ar, sendo que o enchimento da torre é um elemento que introduz perda de carga; a água deverá ser bombeada até o ponto de aspersão.
Em muitos processos, há necessidade de remover carga térmica de um dado sistema e usa-se, na maioria dos casos, água como o fluido de resfriamento. Devido à sua crescente escassez e preocupação com o meio ambiente, além de mo�vos econômicos, a água "quente" que sai desses resfriadores deve ser reaproveitada. Para tanto, ela passa por um outro equipamento que a resfria, em geral uma torre chamada torre de resfriamento evapora�vo ("evapora�ve cooling tower"), e retorna ao circuito dos resfriadores de processo.
A Figura 1 mostra o esquema �pico de um sistema de água de resfriamento, composto por torre de resfriamento e trocadores de calor:
A água que sai dos resfriadores de processo é alimentada e distribuída no topo da torre de resfriamento, cons�tuída de um enchimento interno para melhor espalhar a água. Ar ambiente é insuflado através do enchimento, em contracorrente ou corrente cruzada com a água que desce. Por meio desse contato líquido gás, parte da água evapora e ocorre o seu resfriamento. O princípio de funcionamento da torre será descrito no item 2. Em uma planta química ou petroquímica, a pressão de operação nos condensadores das colunas de des�lação ou nos evaporadores de sistemas de concentração é estabelecida a par�r da temperatura da água de resfriamento. Para que os condensadores de produtos voláteis possam operar com água de resfriamento, são necessárias pressões de operação suficientemente elevadas.
A temperatura da água de resfriamento é um dado muito importante para o projeto de um condensador de topo de uma coluna de resfriamento e também para o dimensionamento da própria coluna de des�lação. Variações na temperatura da água de resfriamento influenciam diretamente na operação dos condensadores de topo de uma coluna de des�lação e conseqüentemente a operação da própria coluna. Este é um exemplo interessante de como a temperatura da água de resfriamento é uma informação decisiva não só na operação de uma
planta, mas também na fase de projeto de um equipamento (trocador de calor, colunas, reatores).
Na prá�ca, há outros sistemas de resfriamento de água. Por exemplo: lagoa de resfriamento (água quente entra num lado da lagoa e após atravessar a sua extensão, sai resfriada no outro lado da lagoa), torres de resfriamento não evapora�vo (usadas em usinas nucleares), etc. Mas, o sistema mais comum é a torre de resfriamento a ser apresentada no presente trabalho. Ela é usada não só em processos industriais, mas também em prédios com sistema central de ar condicionado, como "shopping centers".
14.2) Princípio de funcionamento
Antes de estudar como funciona uma torre de resfriamento, é fundamental entender muito bem o conceito das temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido do ar. A temperatura de bulbo seco do ar é a própria temperatura do gás (o bulbo do termômetro usado na medição está "seco"). A temperatura de bulbo úmido é medida com o bulbo do termômetro envolto com uma gaze umidificada com água, com outros cuidados específicos que não serão descritos aqui. Por definição, é a temperatura a�ngida, em regime permanente (não de equilíbrio termodinâmico), por uma pequena porção de água, em contato com uma corrente con�nua de ar, em condições adiabá�cas (só há troca térmica entre o ar e essa massa de água), desprezando-se os efeitos de radiação térmica nessa troca.
A temperatura de bulbo úmido é menor ou no máximo igual em relação à temperatura de bulbo seco. Isso ocorre porque, exposta a uma corrente de ar não saturado (umidade rela�va menor do que 100 %), parte da água presente na gaze evapora e com isso, a temperatura abaixa. Para entender esse fenômeno de resfriamento devido à evaporação, podem-se mencionar dois exemplos quo�dianos. Quando você sai da piscina, tem uma sensação repen�na de frio, pois vaporiza parte da água impregnada na sua pele. Quando você toma água guardada numa moringa de barro, ela é mais fresca, pois como o barro é poroso, parte da água armazenada exsuda (transpira) pelas paredes (a super�cie externa da moringa parece "suada"), evapora no ar e com isso, resfria a água da moringa.
Numa torre de resfriamento, a principal contribuição para o resfriamento da água é dada pela evaporação de parte dessa água que recircula na torre. A evaporação da água – transferência de massa da fase líquida (água) para a fase gasosa (ar) – causa o abaixamento da temperatura da água que escoa ao longo da torre de resfriamento. Isso ocorre porque a água para evaporar precisa de calor latente, e esse calor é re�rado da própria água que escoa ao pela torre. Vale lembrar que a transferência de massa da água para o ar ocorre porque as duas fases em contato tendem a entrar em equilíbrio. A evaporação de parte da água é responsável por aproximadamente 80% do resfriamento da água. A diferença de temperatura entre o ar e a água é responsável pelos outros 20 % do resfriamento.
As vazões mais altas de ar e água provocam, até um determinado limite, uma convecção mais intensa, elevando os coeficientes globais de transferência de calor e massa. O aumento das vazões de ar e água causa um aumento da turbulência, o que favorece a transferência de calor e massa. No entanto, a par�r de um determinado ponto, quando as vazões de água e ar tornam-se muito altas, o contato entre a água e o ar torna-se ineficiente, podendo ocorrer, por exemplo, excessivo arraste de água pela corrente de ar ou a dificuldade de se formar filmes na super�cie do recheio que favorecem a transferência de massa. As vazões de água e ar da torre são limitadas pelo �po de recheio empregado.
14.3) Variáveis de processo e especificação da torre de resfriamento
O range de uma torre de resfriamento é definido como a diferença entre a temperatura da água quente (alimentação da torre) e a temperatura da água fria (saída da torre). O range de uma torre varia conforme as condições climá�cas e a vazão da água de resfriamento na torre.
O approach de uma torre de resfriamento é a diferença entre a temperatura da água fria (saída da torre de resfriamento) e a temperatura de bulbo úmido do ar na entrada da torre.
controle de dureza, pH, condu�vidade e DBO é importante não só para o desempenho da torre de resfriamento, mas também da rede de trocadores de calor. Por outro lado, por se tratar de uma instalação não integrante do processo (a torre de resfriamento faz parte das “u�lidades”) e porque em geral fica topograficamente afastada das unidades produ�vas da fábrica, o sistema de resfriamento, muitas vezes, tem sido relegado nos estudos. Porém, em face da importância das interações envolvidas com as unidades, a torre e o circuito da água de resfriamento merecem uma atenção especial na análise sistêmica de um processo industrial e, às vezes, a solução de alguns problemas operacionais pode ser encontrada ao ampliar o foco do seu estudo para as u�lidades da fábrica
14.5) Condensador Evapora�vo
Torre de refrigeração
O o ar é usado para dissipar o calor da serpen�na externa (condensador). Em sistemas maiores, a eficiência pode ser melhorada de forma significa�va se usarmos uma torre de resfriamento. Esta torre cria uma corrente de água com temperatura mais baixa. Essa água corre através de um trocador de calor e resfria a serpen�na quente (condensador). Este é um sistema mais caro, mas a economia de energia pode ser significa�va a longo prazo, especialmente em áreas de baixa umidade, onde o sistema se paga rapidamente.
Existem torres de resfriamento de todos os tamanhos e �pos. Todas elas funcionam da mesma maneira:
- Uma torre de resfriamento sopra ar através da corrente de água para que parte da água evapore.
- Geralmente, a água escoa através de uma malha com folhas espessas de plás�co na forma de colméia.
- O ar sopra através dessa malha em ângulos retos em relação ao fluxo de água.
- A evaporação resfria a corrente de água.
- Como parte da água é perdida na evaporação, a torre de resfriamento deve ter, constantemente, adicionada água ao sistema para compensar a diferença.
Torres de refrigeração
A quan�dade de resfriamento que se pode obter de uma torre de resfriamento depende da umidade rela�va do ar e da pressão barométrica.
Imagine, por exemplo, que em um dia com temperatura de 35º C (95º F ), pressão barométrica de 29,92 polegadas de água (pressão ao nível do mar) e 80% de umidade rela�va , a temperatura da água na torre de refrigeração descerá cerca de 3,36º C até a�ngir 31,7º C (6º F para 89º F).
Se a umidade é de 50%, então a temperatura da água baixará para cerca de 8,4º C até a�ngir 26,7º C (15º F para 80º F).
Se a umidade é de 20%, então a temperatura da água baixará para 15,7º C até 19,4º C (28º F para 67º F). Mesmo as pequenas quedas de temperatura podem significar alterações significa�vas no consumo de energia.
Para entender como a umidade rela�va e a pressão atmosférica controlam a queda da temperatura em uma torre de resfriamento em um dia específico, leia o ar�go (em inglês) da USA Today: como funciona um psicrômetro.
Quando você olhar atrás de um prédio e encontrar um aparelho que tem grandes quan�dades de água correndo através de uma malha de plás�co, saberá que isto é uma torre de resfriamento.
Em muitos conjuntos de prédios de escritório e campus universitários, as torres de resfriamento e os equipamentos de ar condicionado são centralizados e a água resfriada é enviada para todos os prédios através de quilômetros de tubulação subterrânea.
15. Des�lação
15.1 Introdução
A des�lação é o modo de separação baseado no fenômeno de equilíbrio líquido--vapor de misturas. Em termos prá�cos, quando temos duas ou mais substâncias formando uma mistura líquida, a des�lação pode ser um método adequado para purificá-las: basta que tenham vola�lidades razoavelmente diferentes entre si.
Um exemplo de des�lação que tem sido feito desde a an�güidade é a des�lação de bebidas alcoólicas. A bebida é feita pela condensação dos vapores de álcool que escapam mediante o aquecimento de um mosto fermentado. Como o ponto de ebulição do alcool é menor que o da agua presente no mosto, ocorre a separação entre a água e o alcool, aumentando a concentração deste na bebida. O vapor que escapa da mistura aquecida é capturado por uma serpen�na refrigerada que o devolve ao estado líquido, mas em recipiente separado.
O petróleo é um exemplo moderno de mistura que deve passar por várias etapas de des�lação antes de resultar em produtos realmente úteis ao homem: gases (um exemplo é o gás liquefeito de petróleo ou GLP), gasolina, óleo diesel, querosene, asfalto e outros.
ebulição dos líquidos da mistura é menor. Um aparelho mais sofis�cado e um pouco mais de tempo são necessários.
No aparelho de des�lação fracionada existe uma coluna de fracionamento que cria várias regiões de equilíbrio líquido-vapor, enriquecendo a fração do componente mais volá�l da mistura na fase de vapor
Neste método de des�lação, usa-se um balão de des�lação (alambique, ou refervedor, dependendo da escala de produção), uma coluna de Vigreux (coluna de des�lação, quando em indústria), um condensador e um receptor. A mistura a ser purificada é colocada no balão de des�lação, que é aquecido. Surge então um vapor quente. Ele sobe pela coluna, mas vai se resfriando ao longo dela e acaba por condensar-se. Com a condensação, forma-se um líquido, que escorre para baixo pela coluna, em direção à fonte de calor. Vapores sobem con�nuamente pela coluna e acabam por encontrar-se com o líquido. Parte desse líquido rouba o calor do vapor ascendente e torna a vaporizar-se. A uma certa altura um pouco acima da condensação anterior, o vapor torna a condensar-se e escorrer para baixo. Este ciclo de vaporização e condensação ocorre repe�das vezes ao longo de todo o comprimento da coluna.
Os vários obstáculos instalados na coluna forçam o contato entre o vapor quente ascendente e o líquido condensado descendente. A intenção desses obstáculos é promover várias etapas de vaporização e condensação da matéria. Isto nada mais é do que uma simulação de sucessivas des�lações flash. Quanto maior a quan�dade de estágios de vaporização-condensação e quanto maior a área de contato entre o líquido e o vapor no interior da coluna, mais completa é a separação e mais purificada é a matéria final.
A atenção à temperatura é importante. A cada salto de temperatura no termômetro, devem-se recolher os des�lados correspondentes.
Ela é muito comum em refinarias de petróleo, para extrair diversos �pos de compostos, como o asfalto, gasolina, gás de cozinha entre outros. Nestas separações são empregadas colunas de aço de grande diâmetro, compostas de pratos ou de seçoes recheadas. Os internos, sejam pratos, chicanas ou recheios, tem como função colocar as fases vapor e líquido em contato, de modo a que ocorra a transferência de massa entre elas. Ao longo da coluna, a fase vapor vai se enriquecendo com os compostos mais voláteis, enquanto a fase líquida se concentra com os compostos mais pesados de maior ponto de ebulição.
15.5 Des�lação Industrial
Típicas colunas de des�lação fracionada industrial
Des�lação é a mais comum tecnologia de separação usada no refino do petróleo, petroquímica , plantas químicas e processamento do gás natural. Na maioria dos casos processo con�nuo. Novas matérias-primas estão sempre sendo alimentadas na coluna de des�lação e produtos estão sempre sendo removidos. A menos que o processo seja perturbado devido a mudanças nas matérias primas, calor, temperatura ambiente, ou condensação, a quan�dade de matéria prima a ser adicionada e o volume de produto a ser re�rado são normalmente iguais.
A des�lação industrial é �picamente realizada em grandes colunas cilíndricas ver�cais conhecidas "torres de des�lação ou fracionamento" ou "colunas de des�lação" com o diâmetro variando entre 65 cm a até 6 metros e altura variando de 6 a 60 metros ou mais. As torres de des�lação tem escoadouros de líquidos a intervalos na coluna, os quais permitem a re�rada de diferentes frações ou produtos que possuem diferentes ponto de ebulição. Os produtos mais leves (aqueles com pontos de ebulição mais baixo) saem do topo da coluna e os produtos mais pesados (aqueles como o ponto de ebulição mais alto) saem da parte inferior da coluna.
Por exemplo, a des�lação fracionada usada nas refinarias de petroleo para separar o óleo cru em diferentes substâncias (ou frações) uteis tendo diferentes hidrocarbonetos de diferentes pontos de ebulição. As frações de óleo cru com maior ponto de ebulição:
- tem mais átomos de carbono
- tem maior peso molecular
- são mais escuros
- são mais viscosos
- são mais di�ceis de se iniciar a combustão
Diagrama de uma �pica torre de des�lação industrial
Torres industriais de larga escala usam o refluxo para a�ngir uma separação mais completa dos produtos. O refluxo refere-se a porção do liquido condensado de uma torre de fracionamento que é retorna para parte superior da torre como mostrado no diagrama esquemá�co �pico de uma torre de des�lação industrial de larga escala. Em dentro da torre, o liquido do refluxo descendo prove um resfriamento necessário para condensar o vapor que sobe, desta forma aumentando a eficiência da torre de des�lação.
A des�lação fracionada é também usada na separação do ar, produzindo oxigênio líquido, nitrogênio líquido. E argônio de alta pureza. A des�lação de clorosilano também possibilita a produção de silício de alta pureza usada como um semicondutor.
Em usos industriais, algumas vezes um material de embalagem é usado na coluna no lugar das bandejas, especialmente quando a bolhas de baixa pressão ao longo da coluna são necessárias, como quando a operação se da sob o vácuo
15.6 Des�lação azeotrópica
A des�lação azeotrópica é um processo de separação difusional realizado quando a mistura contendo os componentes que precisam ser separados formam um azeótropo ou apresentam baixa vola�lidade rela�va.
Em um dos processos, um componente chamado componente de arraste é adicionado à mistura original, formando um novo azeótropo que deve ser do �po heterogêneo, ou seja, deve ocorrer a formação de duas fases líquidas.
O novo azeótropo formado é re�rado no topo (azeótropo de mínimo) ou no fundo (azeótropo de máximo ponto de ebulição) da coluna de des�lação, enquanto que um dos componentes da mistura original é ob�do puro na outra extremidade da coluna. Uma segunda coluna deve ser u�lizada para realizar a separação do componente de arraste.
Outro método de "quebra" do azeótropo se baseia no fato que a composição deste depende da pressão na qual é feita a des�lação, ou seja, Mudar a pressão na qual é feita a des�lação da mistura altera a sua composição.
15.6.1 Exemplos
O álcool e�lico e a água formam um azeótropo que possui 95,6 % de álcool. A adição de benzeno a mistura forma um outro azeótropo que permite obter álcool anidro. Devido ao fato do benzeno ser tóxico e carcinogênico, ele tem sido subs�tuído por outras substâncias, tais como e�lenoglicol, n-hexano, dentre outras.
16. Evaporadores
16.1 Descrição de Evaporadores Industriais de Água
Descrição Técnica - O princípio básico de funcionamento consiste na ebulição do réfluo; a água, assim des�lada, será novamente colocada no ciclo produ�vo, enquanto que o inquinador concentrado poderá ser eliminado com custos notavelmente reduzidos. * O produto à des�lar é aspirado no des�lador, aproveitando a depressão existente na caldeira criada pelo circuito do vácuo. O ciclo frigorífico com bomba de calor efetua o aquecimento do líquido em tratamento e o arrefecimento dos vapores produzidos na fase de ebulição. O líquido des�lado e o resíduo do processo são assim descarregados no final do ciclo.
Processo de Des�lagem : 1 Entrada de água suja 2 Compressor 3 Refrigerador 4 Ebulição 5 Condensação 6 Bomba de vácuo 7 Circulador 8 Depósito de serviço 9 Descarga do des�lado 10 Bomba de extração 11 Saída do concentrado *
A prerroga�va desta tecnologia é o baixo custo de exercício da sua aplicação. A des�lação sob vácuo, combinada à uma bomba de calor, permite de fato separar a água dos componentes inquinadores con�dos na mesma com um consumo energé�co extremamente reduzido.
A gama de evaporadores, na versão com bombas de calor, inclui modelos com capacidade de 70 a 3.500 litros / diários. Modelos diferentes que u�lizam diferentes �pos de calor (vapor, água quente, fluídos diatérmicos), podem ser projetados para produzirem capacidades superiores.
Este equipamento foi projetado para funcionar em completa autonomia podendo operar em ciclo con�nuo de 24 horas e sendo construído com vários materiais e equipado de maneira diferente pode sa�sfazer as mais altas exigências de cada cliente.
Suas aplicações são as mais variadas, possibilitando a u�lização desde o tratamento das águas de lavagem à concentração dos caldos alimentares, desde a recuperação dos metais dos banhos galvânicos à separação das emulsões oleosas, até à concentração dos mostos e o tratamento dos percolados.
Os des�ladores permitem: 1.Separar a água das substâncias poluidoras con�das na mesma, 2.Imediata reu�lização do ciclo produ�vo, 3.Redução drás�ca do volume de réfluo a eliminar, 4.Recuperação de eventuais matérias primas con�das na mesma, 5.Realização de instalações com descarga zero.
16.2 Evaporador de alimentos
Na indústria de alimentos e sucos, evaporação se refere à operação que consiste em remover a água existente nos alimentos in natura (todo alimento contém água natural em sua composição.
Para a evaporação, usa-se transferência de calor para ferver o alimento, e obter um produto aquoso de concentração mais elevada. Este processo é u�lizado para re�rada da água dos alimentos mais variados como:
-Fabricação de leite condensado.
-Sucos de frutas concentrado (laranja, abacaxi, uva, etc).
-Extrato e Catchup de tomate.
-Polpas de frutas (banana, morango, manga, etc).
-Doces em massas (goiabada, marmelada, batata doce, etc).
O evaporador tem a função principal de fornecer calor para evaporar a água do alimento (troca térmica), através da ebulição. Para que o alimento não perca a sua cor, aromas e ingredientes nutri�vos, esta operação de fervura é realizada sob vácuo no interior do evaporador isto é, o alimento entra em ebulição a baixa temperatura. Alguns fatores são importante na evaporação da água do alimento e que, deve ser observado:
Viscosidade do Produto Alimen�cio
Quanto mais concentrado o produto mais viscoso ele fica, até um ponto em que a troca térmica não é mais possível.
Pressão no Evaporador
A temperatura do produto no interior do evaporador é função da pressão interna ou seja, a temperatura do vapor é igual a temperatura de saturação na mesma pressão.
Vácuo Interno
Aumentando o vácuo interno no evaporador, aumenta a troca térmica no alimento e evita a degradação do mesmo como: perda de sabor, aromas, cor e nutrientes.
Evaporadores de Um Efeito
Neste �po de evaporador também chamado de simples efeito, o vapor liberado da concentração isto é, não é reaproveitado para um pré aquecimento do alimento. Veja o esquema:
f = entrada do alimento p = alimento concentrado v = água evaporada s = vapor de aquecimento c = saída do condensado
M = quan�dade de alimento T = temperatura P = pressão absoluta W = concentração final
O vapor saturado T (^) s entra no trocador de valor acima da entrada do alimento T (^) f. A troca térmica começa a ocorrere o alimento entra em ebulição a uma temperatura Tp (temperatura de equilibrio com a temperatura do vapor) ou seja, a quan�dade de calor transferida ao alimento, é diretamente proporcional à quan�dade de vapor que condensa. Está quan�dade pode ser calculada pela equação:
Q = V x A (T (^) s - T (^) p ) = M (^) s ( H (^) s - Hc )
Pv = 0,1994 bar (pressão de vapor) Ts = 120ºC (temperatura do vapor saturado) U = 1000 W/m^2 (coeficiente de transferência de calor, fornecida pelo fabricante do equipamento) M = 342 kg (área super�cie de troca térmica) Wp = 60% (concentração final do suco) Ws = 15% (concentração inicial do suco)
solução
Mf = 10.000 kg/h; P (^) v = 0,1994 bar; T (^) v = 60ºC (temperatura do vapor de aquecimento.
calor específico do produto
PE = 0,71 x m = 0,51 x 4,39 = 2,24ºC
Tp = T (^) v + PE = 60 + 2,24 = 62,24ºC (temperatura do produto).
Cálculo do Balanço de Massa
Ws x Mf = W (^) p x M (^) p
0,15 x Mf = 0,60 x M (^) p --> M (^) p = 0,15 x Mf / 0,
Mp = 0,15 x 10.000 / 0,60 --> M (^) p = 2.500 kg/h, onde
Mp é a quan�dade ob�da de produto na concentraçao de 60% de sólidos solúveis.
Água Evaporada no Processo
Mf = M (^) p + M (^) v --> Mv = Mf - Mp
Mv = 10.000 - 2.500 --> M (^) v = 7.500 kg/h
Balanço Energé�co do Evaporador
Ms (Hs - Hc ) = M (^) p H (^) p + M (^) v H (^) v - M (^) f Hf
Hv = entalpia da água evaporada Hs = entalpia do vapor de aquecimento Hc = entalpia do condensado liberado Hp = entalpia do produto inicial Hw = entalpia do produto concentrado
Hp = H (^) w(62,2ºC) (1 - 0,7 Wp) --> 260,7 (1 - 0,7 x 0,6) --> H (^) p = 151,2 kg/kg
Hf = Hw(30ºC) (1 - 0,7 W (^) f) --> 125,76 (1 - 0,7 x 0,15) --> H (^) f = 112,6 kg/kg
Hv = 2.609,6 kg/kg
ßs = (H (^) s - Hc ) = 2.202,6 kg/kg
Área de Transferência de Aquecimento
Q = V x A (Ts - T (^) p) --> A = M (^) s ßs / U (Ts - T (^) p)
Ms = 8546 kg/h = (8546 / 3600) = 2,374 kg/seg
ßs = 2.206,6 kj/h x 1000 = 2202600 j/seg
Eficiência do Processo de Evaporação
A eficiência do processo, é calculada pela quan�dade evaporada pelo consumo de vapor u�lizado no processo todo, portanto:
Ev = M (^) v / M (^) s = 7.500 / 8.546 = 0,877 kg água evaporada / kg de vapor gasto.
A eficiência diz que está se u�lizando 1,0 kg de vapor para evaporar 0,877 kg de água do produto. Isto significa que o processo esta an�econômico; esta havendo disperdício de vapor que é a caracterís�cas dos evaporadores de um único efeito.
16.4 Evaporadores de Múl�plos Efeito
Os evaporadores de múl�plo efeito, conjugam em série dois ou mais evaporadores de um efeito. A grande vantagem desta conjugação e a economia de vapor gasto por kg de água evaporada do alimento. As ligações nos evaporadores de múl�plo efeito, são feitas de modo que o vaor produzido em um efeito do evaporador, serve como meio de aquecimento para o seguinte efeito e assim sucessivamente até o úl�mo efeito. Cada efeito age como um simples efeito. O calor liberado pelo vapor de aquecimento usado (TP 1 ) e a pressão (PV 1 ), é usado para o aquecimento do alimento no segundo efeito (MV 1 ), onde se tem uma temperatura (TP 2 ) e pressão (PV 2 ) e assim sucessivamente até o úl�mo efeito do sistema. O esquema a seguir, ilustra um evaporador cojugadp de três efeito:
Na prá�ca por questões comerciais e para não elevar os custos do enves�mento, os números de efeito são todos semelhantes , e a área de transferência de calor são iguais. Se o coeficiente de transferência de calor é o mesmo para cada efeito, a quan�dade de vapor u�lizado sera sempre o mesmo, desde que a temperatura seja a mesma para cada efeito. Portanto teremos:
Exemplo de cálculo de um evaporador triplo efeito.
Supondo o exemplo u�lizado no evaporador simples efeito,agora u�lizando um evaporador com três efeito. Deve-se concentrar um produto a 10.000 kg/h que esta com 15% de sólidos solúveis inicial, a uma temperatura de 30ºC até uma concentração final de 60% de sólidos solúveis. A temperatura do vapor no primeiro efeito é de 120ºC e, a pressão do vapor no úl�mo efeito é PV = 0,1994 bar. O coeficiente de transferência de calor para cada efeito é U=1.000 W/m 2 e, o peso específico do produto é M=342 kg/m.
solução
Sendo a mesma quan�dade de vapor, podemos escrever: MV 1 = MV 2 = MV 3 = MC 1 = MC 2 = MV
Concentrado ob�do no sistema: 0,15 Mf = 0,60 MP 3 --> 0,15 x 10.000 = 0,60 MP 3 --> MP 3 = 2.500 kg/h Logo MV 1 = MV 2 = MV 3 = MC 1 = MC 2 = 2.500 kg/h
No 1º Efeito
MP 1 = M (^) f - MV 1 = 10.000 - 2.500 --> MP 1 = 7.500 kg/h
17 Filtração
17.1 Definição
Filtração é um método para separar sólido de líquido ou fluido que está suspenso, pela passagem do líquido ou fluido através de um meio permeável capaz de reter as par�culas sólidas. Existem filtrações de escala laboratorial e filtrações de escala industrial.
Numa filtração qualita�va, é usado o papel de filtro qualita�vo, mas, dependendo do caso, o meio poroso poderá ser uma camada de algodão, tecido, polpa de fibras quaisquer, que não contaminem os materiais.
Para as filtrações quan�ta�vas, usa-se geralmente papel filtro quan�ta�vo, ou placas de vidro sinterizado ou de porcelana sinterizada.
Em qualquer dos casos indicados há uma grande gama de porosidades e esta deverá ser selecionada dependendo da aplicação em questão.
17.2 filtração laboratorial
Existem basicamente 5 �pos de filtração u�lizadas em laboratório, que são:
1. Filtrações Comuns de Laboratório
São onde os elementos fundamentais são: papel filtro qualita�vo (comprado em rolos) e funil comum.
2. Filtração Analí�ca
Usada na análise quan�ta�va. O funil é o funil analí�co, munido de um tubo de saída longo, que, cheio de líquido "sifona", acelerando a operação de filtração.
Os papéis filtro para fins quan�ta�vos diferem dos qualita�vos, principalmente por serem quase livres de cinzas (na calcinação), visto que, durante a preparação, são lavados com ácido clorídrico e fluorídrico, que dissolvem as substâncias minerais da pasta de celulose. O teor de cinza de um papel filtro quan�ta�vo de 11 cm de diâmetro é menor que 0,0001 g. Eles = 5,5; 7,0; 9,0; 11,0; 12,5; 15,0 eF 0 6 6existem no mercado na forma de discos ( 18,5) e com várias porosidades.
Os filtros de uma empresa são especificados pelo número 589 e tem várias texturas:
- a) Nº 589 - faixa preta (mole) - textura aberta e mole que filtra rapidamente. Usos: precipitados grossos e soluções gela�nosas.
- b) 589 - faixa branca (médio) - Usos: precipitados médios �po BaSO4 e similares.éverdade
- c) 589 - faixa azul (denso) - Usos: precipitados finos como o do BaSO4 formado à frio.
- d) 589 - faixa vermelha (extra-denso) - Usos: para materiais que tendem a passar para a solução ou suspensões coloidais.
- e) 589 - faixa verde (extra-espesso) - Usos: no caso anterior quando exige-se dupla folha da faixa vermelha.
- f) 589-14 (fino) - Usos: filtração de hidróxidos do �po hidróxido de alumínio e ferro. 3. Filtração Com Funil de Buchner ou Cadinho de Gooch
São as �picas filtrações a vácuo , pois são realizadas com a aplicação de vácuo para permi�r, seja por mo�vo de tempo, seja por viscosidade do líquido a ser filtrado, necessitar-se de um diferencial de pressão (a própria pressão atmosférica atua como força) atuando sobre o líquido no filtro.
Funil de Buchner
É efetuada com sucção com auxílio de uma trompa de vácuo e Kitassato. No fundo do funil, sobre a placa plana perfurada é adaptado o disco de papel filtro molhado, aderido devido à sucção. FILTRAÇÃO A VACÚO A sucção acelera a filtração, a separaçao ocorre na medita do posivel mas como o vacou é pequeno
Subs�tuindo-se o funil de Buchner por um cadinho de porcelana com fundo perfurado temos a filtração com cadinho de Gooch. É portanto, efetuada com sucção e o meio filtrante é polpa de papel de filtro quan�ta�vo ou amianto.
Para a confecção do meio filtrante de amianto ou polpa de papel filtro, deve-se colocar o cadinho na alonga e adicionar com muito cuidado o amianto misturado com água (ou polpa de papel filtro com água). Bate-se levemente com a bagueta é deixa-se escorrer toda a água através de sucção. O meio filtrante não deve ser muito espesso.
4. Filtração em Cadinhos Com Placas Porosas de Vidro ou Porcelana
Neste caso, o cadinho já possui o meio filtrante fundido ao corpo do cadinho. Sofrem via de regia, ataque das soluções alcalinas. Por isso são u�lizados em aplicações diversas, evitando-se apenas soluções francamente alcalinas.
5. Filtração à Quente
Quando a solubilidade permi�r, a filtragem à quente é preferível, por reduzir a viscosidade do líquido.
Nas filtrações à quente, evita-se o contato do papel de filtro com as paredes do funil que resfriam o conjunto filtrante. Por isso, depois de feito o cone do papel, suas paredes são dobradas em pregas e aquece-se previamente o conjunto com água quente. Há também filtros com camisa de vapor e neste caso o papel filtro é adaptado como nos casos comuns.
Ex: Os materiais sólidos ficam e os líquidos passam.
17.3 Filtração industrial
Filtração da cerveja
Filtração é o processo no qual uma mistura de líquido e par�culas con�dos em uma suspensão, são separados pela passagem desta através de um meio filtrante contendo material poroso, sob o efeito de um diferencial de pressão. A separação ocorre por retenção das par�culas sólidas neste leito.
compacta formando assim a área filtrante definida como a área sobre a qual se forma bolo filtrante. Um eixo horizontal transversal aos elementos filtrantes faz a distribuição do fluxo do produto filtrado e não filtrado através do filtro. A filtração se processa, exclusivamente, pela parte superior dos elementos filtrantes onde o filtrado é recolhido pela parte inferior destes e direcionado ao canal de distribuição formado pelo eixo central. O processo de filtração de cervejas é considerado um processo complexo pelo número de variáveis à serem controladas que o mesmo impõe e a dinâmica dos equipamentos envolvidos. As operações de enchimento e formação das pré-camadas são simples mas devem ser feitas com muito cuidado, sendo cada uma delas variáveis de acordo com cada fabricante e �po de cerveja. Após o preparo do Filtro que pode durar um par de horas, inicia-se o processo de filtração de cervejas. Ao longo do processo, cerveja turva entra pelo filtro e recebe uma dosagem de Auxiliares Filtrantes. Estes juntamente com os já existentes no interior do Filtro, farão o papel de agentes de retenção ou filtração, impedindo que o material sedimento turvo passe para as etapas seguintes. Na saída do filtro após o processo de filtração, teremos a cerveja clarificada da forma que conhecemos. Com o tempo, este sistema de filtração vai se colmatando e o diferencial de pressão Entrada X Saída se eleva até o limite de dimensionamento do equipamento, quando o ciclo é interrompido. O sistema é limpo e reinicializado outro novo caso necessário. O tempo de um ciclo tem uma série de variantes, mas considera-se 12 horas como um tempo de referência mínimo adequado para os processos modernos.
Tipos de Filtração A performance da filtração de um líquido está ligada a capacidade de um leito filtrante em reter par�culas e permi�r o fluxo do líquido. Com relação as caracterís�cas do leito, será relevante a capacidade de retenção, a porosidade e o formato das par�culas, que cons�tuem o leito. Essa retenção de sólidos das par�culas pela filtração de super�cie, é a principal caraterís�ca deste �po de processo, o que garante a eliminação da maior parte dos formadores de turvação. A filtração por profundidade tem a caracterís�ca de reter as par�culas pequenas, aprisionadas no interior dos poros. A grande vantagem dos auxiliares filtrantes é que conseguem reter material das duas formas acima descritas, a�ngindo o grau de limpidez desejado no líquido. Enfim a filtração dará o brilho, ajudará a estabilidade coloidal, microbiológica e organolép�ca da cerveja, necessários a um produto industrializado.
Filtração de Super�cie
O meio filtrante é caracterizado por possuir uma super�cie porosa, muito fina e com caminhos tortuosos. O mecanismo de separação das par�culas neste caso é de bloqueio mecânico/�sico. O efeito de retenção de par�culas é devido ao diâmetro destas serem maiores que o dos poros do meio/material filtrante. Neste processo, as par�culas que não podem passar através dos poros de um meio filtrante, são re�das em uma camada a qual torna cada vez menor ou com mais resistência.
Filtração por Profundidade
É caracterizada pela espessura do meio filtrante. A maioria dos filtros são feitos por deposição de materiais par�culados como perlitas, diatomitas, celulose e algodão, unidos por ação mecânica de fluxo passante e depositados sobre uma peneira metálica, os chamados elementos filtrantes. A formação destas camadas de auxiliar filtrante, dá a este uma espessura considerável e fornece um longo e tortuoso caminho ao fluido.
As par�culas passam para o interior do meioporoso e a estrutura em forma de labirinto do material filtrante faz com que as pár�culas fiquem aderidas às rugosidades e reentrâncias dos poros. Estas par�culas são geralmente menores que os poros do meio filtrante. Assim como no caso anterior, altas vazões, choques de pressão e turbulência podem eliminar este efeito.
Auxiliares Filtrantes
Os Auxiliares Filtrantes desempenham um dos papéis mais importantes dentro do Processo de Filtração de Cervejas. A sua escolha, caracterís�ca, origem, homogeneidade e forma de emprego impactam grandemente nos resultados de filtração, não somente em termos de qualidade do filtrado como em produ�vidade do processo. Os Auxiliares Filtrantes são um grupo de substâncias em forma de pó classificadas conforme sua origem. Durante o processo de preparo dos Filtros, são depositados por sobre os elementos filtrantes do equipamento, durante o procedimento de preparo da pré-camada, Formando um gradiente de permeabilidade, bloqueando a passagem de substâncias insolúveis pelos efeitos de filtração por super�cie e por profundidade que já discu�mos. Existem vários �pos, caracterís�cas e fornecedores de Auxiliares Filtrantes disponíveis. A seleção dos diferentes �pos para a cerveja em questão leva em consideração uma série de estudos avaliando, por exemplo: a caracterís�ca da cerveja que será a base do processo de filtração, as especificações do produto que se deseja obter, o �po de instalações disponíveis e sua condição de operação. Não existe uma receita fixa para todos os sistemas de filtração, já que processos bioquímicos são variáveis naturalmente, bem como caracterís�cas de Matérias Primas da mesma forma, mesmo para um sistema de filtração comum, as composições de auxiliares filtrantes devem estar sempre sendo adequadas.
A avaliação constante dos itens acima descritos e técnicas de preparo fazem a diferença no resultado. É por este mo�vo que é muito di�cil de se encontrar na bibliografia conhecida, informações profundas sobre o assunto. A seguir, será feita uma abordagem sobre os principais �pos de Auxiliares Filtrantes usados em cervejarias, suas caracterís�cas e aplicações.
A matéria que compõe as Terras Diatomitas, também conhecidas como Terra Infusória é o Dióxido de Silício (SiO2) formado pelo resto dos esqueletos de plantas de origem aquá�cas,principalmente de origem marinha conhecidas como Diatomáceas, que possuem 85% de sílica em sua composição. Estas plantas viveram e se mul�plicaram em águas que na pré-história, exis�am em diversos lugares do mundo, sendo que as maiores jazidas estão localizadas na Califórnia e México. Na América do Sul existem jazidas no Chile, Peru e no Nordeste do Brasil. As par�culas passam para o interior do meio poroso e a estrutura em forma de labirinto do material
