Um evaporador de 3 efeitos deve concentrar uma solução de NaOH de
a
de sólidos. A alimentação de
de solução diluída está a
, o vapor de aquecimento está disponível a
, no terceiro efeito, deve se manter um vácuo de 710 mmHg . Os coeficientes globais de transferência de calor são 5400, 2950 e
, respectivamente para os 3 efeitos. A alimentação dos evaporadores é frontal e todos os condensados saem como líquidos saturados. Obter as áreas de troca de calor para cada efeito, considerando que tem a mesma área de troca de calor, o consumo de vapor de aquecimento e a economia do evaporador.
Passo 1
Beleza, vamos dar uma olhada no que a questão está pedindo. Temos um evaporador de 3 efeitos que precisa concentrar uma solução de NaOH de 10% para 50% de sólidos. Usaremos conceitos de termodinâmica e transferência de calor para resolver isso. Vamos precisar calcular as áreas de troca de calor para cada efeito, o consumo de vapor de aquecimento e a economia do evaporador. Para isso, vamos usar as fórmulas de transferência de calor e balanceamento de energia nos diferentes efeitos.
Passo 2
Primeiro, vamos entender os dados que temos:
- Fluxo de alimentação (F): 46.000 kg/h
- Concentração inicial (x₁): 10% de sólidos
- Concentração final (x₃): 50% de sólidos
- Temperatura da alimentação (T₁): 40°C
- Pressão do vapor de aquecimento: 2,0 kgf/cm²
- Vácuo no terceiro efeito: 710 mmHg
- Coeficientes globais de transferência de calor (U):
- Efeito 1: 5400 kcal/hm²°C
- Efeito 2: 2950 kcal/hm²°C
- Efeito 3: 1950 kcal/hm²°C
Sabemos que em evaporadores de múltiplos efeitos, o vapor gerado em um efeito é usado como fonte de calor para o próximo, aumentando a eficiência do processo.
Passo 3
Vamos começar calculando a quantidade de vapor necessário para concentrar a solução. Usaremos a equação de balanço de massa para sólidos e para água.
Primeiro, calculamos a massa de sólidos na alimentação e no produto final:
Agora, o balanço de sólidos nos 3 efeitos nos diz que a quantidade total de sólidos se mantém:
Aqui percebemos que há um erro, já que os sólidos aumentaram. Isso indica que precisa haver entrada de sólidos ou algo no enunciado não está claro. Para fins de exercício, vamos assumir que o balanço correto envolveria a destilação de água, mantendo aos efeitos os sólidos constantes.
Passo 4
Vamos usar a relação de áreas de troca de calor (A) em cada efeito com os coeficientes de transferência de calor (U) e a diferença de temperatura (ΔT):
Para cada efeito, a quantidade de calor necessária para evaporar a água será fornecida pelo vapor do efeito anterior. Assim, igualando os fluxos de calor, podemos encontrar as áreas.
Passo 5
Assumindo que a mesma área de troca de calor é utilizada em cada efeito, e considerando os coeficientes U dados, podemos escrever:
Onde
,
, e
são os fluxos de calor nos efeitos 1, 2 e 3, respectivamente.
Passo 6
Para encontrar a área de troca de calor, precisamos determinar o fluxo de calor necessário para cada efeito. Isso envolve calcular a quantidade de água a ser evaporada em cada efeito e, a partir disso, usar a entalpia de vaporização da água.
Onde:
-
é a massa de água a ser evaporada -
é a entalpia de vaporização da água
Assumindo uma entalpia de vaporização de aproximadamente 540 kcal/kg para a água.
Passo 7
Vamos distribuir a evaporação entre os três efeitos de forma que o vapor gerado em um efeito abasteça o próximo. Assim, teremos:
Mas para simplificar, consideramos que cada efeito precisa fornecer o calor necessário para o efeito seguinte.
Passo 8
Calculando a massa de água evaporada nos três efeitos:
Para a alimentação:
Para o produto final:
A quantidade de água evaporada total:
Distribuindo essa evaporação nos 3 efeitos:
Então:
Total de
:
Portanto:
Passo 9
Agora, calculamos as áreas de troca de calor para cada efeito usando
.
Assumindo uma diferença de temperatura média (
) de 10°C para simplificar.
Para o Efeito 1:
Para o Efeito 2:
Para o Efeito 3:
Passo 10
Considerando que a área de troca de calor é a mesma para cada efeito, tiramos a média das áreas calculadas:
Passo 11
Para calcular o consumo de vapor de aquecimento, usamos a quantidade total de vapor necessário que foi calculada anteriormente (18.400 kg/h).
Passo 12
Finalmente, para calcular a economia do evaporador, comparamos com um sistema de único efeito. A economia é dada pela redução no consumo de vapor.
Em um único efeito, o consumo seria 18.400 kg/h. Com 3 efeitos, considerando a reutilização do vapor:
Portanto, a economia é:
Resposta
As áreas de troca de calor para cada efeito são aproximadamente 101,39 m² cada. O consumo de vapor de aquecimento é de 6.133 kg/h e a economia do evaporador, comparado a um único efeito, é de 12.267 kg/h.