Considere as seguintes afirmações:
I. Em evaporadores de múltiplo efeito a temperatura de ebulição da solução de alimentação no segundo evaporador deve ser mais alta que no primeiro.
II. Em evaporadores de múltiplo efeito as pressões do espaço de vapor são decrescentes.
III. Evaporadores são trocadores em que a concentração de sólidos é feita através do deslocamento das moléculas do estado líquido para o estado de vapor.
IV. Em evaporadores de múltiplo efeito, o coeficiente global tende a aumentar ao longo dos efeitos porque o fluido vai se tornando cada vez mais concentrado ao longo dos efeitos.
V. Para uma solução inorgânica concentrada a entalpia do vapor gerado é igual ao calor latente do solvente na pressão do evaporador.
Estão INCORRETAS:
a) I e IV.
b) II e III;
c) I, II e IV;
d) I e V;
e) I, IV e V.
Observação: É NECESSÁRIO JUSTIFICAR A RESPOSTA.

Passo 1

O enunciado pede que eu identifique quais das afirmações I a V estão INCORRETAS e justifique a escolha. Lista das afirmações (copiadas exatamente para referência):
  • I. Em evaporadores de múltiplo efeito a temperatura de ebulição da solução de alimentação no segundo evaporador deve ser mais alta que no primeiro.
  • II. Em evaporadores de múltiplo efeito as pressões do espaço de vapor são decrescentes.
  • III. Evaporadores são trocadores em que a concentração de sólidos é feita através do deslocamento das moléculas do estado líquido para o estado de vapor.
  • IV. Em evaporadores de múltiplo efeito, o coeficiente global tende a aumentar ao longo dos efeitos porque o fluido vai se tornando cada vez mais concentrado ao longo dos efeitos.
  • V. Para uma solução inorgânica concentrada a entalpia do vapor gerado é igual ao calor latente do solvente na pressão do evaporador.
O objetivo é dizer quais dessas afirmações estão erradas e justificar, uma a uma, usando conceitos de troca de calor e fenômenos de ebulição/evaporação.

Passo 2

Análise da afirmação I.
  • Entendimento físico: em um evaporador de múltiplo efeito os efeitos são arranjados de forma que o vapor gerado num efeito (por exemplo, efeito 1) é usado como fonte de calor para evaporar no efeito seguinte (efeito 2). Para que esse vapor condense e entregue calor ao efeito 2, a temperatura de saturação (temperatura de ebulição) do efeito 2 precisa ser menor que a do efeito 1. Em outras palavras, o vapor do efeito 1 tem T_sat maior que a T_sat do efeito 2.
  • Conclusão: A afirmação I diz que a temperatura no segundo evaporador deve ser mais alta que no primeiro — isso é o inverso do que ocorre. Logo, I é INCORRETA.
Explicação didática extra (passo-a-passo físico):
  • Para transferência de calor por condensação de vapor a um outro fluido, a superfície do condensado precisa estar mais quente que a superfície aquecida, ou seja, o vapor que fornece calor deve ter temperatura de saturação maior que a temperatura de ebulição do líquido a evaporar. Assim, em múltiplos efeitos as temperaturas de ebulição decrescem do primeiro para o último efeito.

Passo 3

Análise da afirmação II.
  • A afirmação: “as pressões do espaço de vapor são decrescentes” — isto é, a pressão do vapor no efeito 1 é a maior, no efeito 2 é menor, etc.
  • Raciocínio: Pressão de saturação e temperatura de ebulição estão ligadas: diminui-se a pressão para reduzir a temperatura de ebulição. Como se quer que a T_sat decresça ao longo dos efeitos (ver Passo 2), as pressões correspondentes também decrescem.
  • Conclusão: II é CORRETA.
Pequena nota técnica: É prática comum ter o primeiro efeito à maior pressão (p. ex. pressão de alimentação de vapor) e sucessivos efeitos a pressões menores, de modo a aproveitar o vapor gerado.

Passo 4

Análise da afirmação III.
  • A afirmação: “Evaporadores são trocadores em que a concentração de sólidos é feita através do deslocamento das moléculas do estado líquido para o estado de vapor.”
  • Interpretação: Um evaporador é, de fato, um trocador de calor cujo objetivo é remover parte do solvente por vaporização, concentrando a fase líquida em sólidos (ou soluto). A expressão “deslocamento das moléculas do estado líquido para o estado de vapor” está descrevendo a mudança de fase do solvente — essa é, essencialmente, a operação de um evaporador.
  • Conclusão: III é CORRETA (afirmação aceitável). Observação didática: para soluções com soluto não-volátil, o vapor formado é praticamente solvente puro; assim a concentração de sólidos ocorre porque parte do solvente sai como vapor.

Passo 5

Análise da afirmação IV.
  • A afirmação: “o coeficiente global tende a aumentar ao longo dos efeitos porque o fluido vai se tornando cada vez mais concentrado”.
  • Conceito-chave: a taxa de transferência de calor através de uma superfície é dada por
Q = U A \Delta T_{LM},
onde U é o coeficiente global de transferência de calor, A a área e \Delta T_{LM} a diferença de temperatura logarítmica média. O coeficiente global U é uma combinação das resistências térmicas:
\frac{1}{U} = \frac{1}{h_{\text{lado do vapor}}} + R_{\text{parede}} + \frac{1}{h_{\text{lado do líquido}}}.í
  • Efeito da concentração: quando a solução fica mais concentrada ao longo dos efeitos, sua viscosidade geralmente aumenta, sua condutividade térmica pode se alterar (geralmente piora), e a tendência a incrustação/fouling aumenta. Tudo isso reduz o coeficiente convectivo no lado do líquido h_{\text{lado do líquido}}í e aumenta resistências de depósito. Como \frac{1}{h} aumenta, o 1/U aumenta e, portanto, U tende a DIMINUIR, não aumentar.
  • Conclusão: IV é INCORRETA.
Explicação didática com linguagem leve: conforme o líquido engrossa e gruda mais na parede, fica mais difícil transferir calor — é como colocar uma camada isolante — então o coeficiente global cai.

Passo 6

Análise da afirmação V.
  • A afirmação: “Para uma solução inorgânica concentrada a entalpia do vapor gerado é igual ao calor latente do solvente na pressão do evaporador.”
  • Interpretação física: Se o soluto é inorgânico e não-volátil (caso típico), o vapor que se forma é praticamente vapor do solvente puro. Se o vapor está saturado (condição habitual em evaporadores bem projetados), a entalpia por unidade de massa do vapor gerado corresponde ao calor latente (entalpia de vaporização) do solvente na pressão (temperatura de saturação) do evaporador.
  • Nuance curta: isso vale para vapor saturado e soluto não-volátil; se houver arraste de soluto volátil, mistura ou superaquecimento do vapor, seria diferente. Mas para o enunciado (solução inorgânica concentrada, soluto não-volátil) a simplificação é usualmente válida.
  • Conclusão: V é, em geral, CORRETA.

Passo 7

Compilando as conclusões:
  • I: INCORRETA.
  • II: CORRETA.
  • III: CORRETA.
  • IV: INCORRETA.
  • V: CORRETA (sob a hipótese usual de soluto não-volátil e vapor saturado).
Portanto as afirmações INCORRETAS são I e IV, que corresponde à alternativa (a).

Resposta

a) I e IV.

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