Evaporators & Crystallizers
Heating options for thermal separation plants
Traditionally, an evaporator or crystallizer is heated by live steam, but waste heat (e.g. recompressed vapor, drier vapor, hot water or thermal oil) can be used as energy source as well, as long as the amount of energy required for the thermal separation process is given.
Opções de aquecimento para plantas de separação térmica
Tradicionalmente, um evaporador ou cristalizador é aquecido por vapor vivo, mas o calor residual (por exemplo, vapor recomprimido, vapor seco, água quente ou óleo térmico) também pode ser utilizado como fonte de energia, desde que seja fornecida a quantidade de energia necessária para o processo de separação térmica.
Aquecimento a vapor (efeito Simples/Múltiplo)
A Produto / B Concentrado / C Condensado / D Vapor de Aquecimento / E Vapor
Para a evaporação da água em um evaporador de efeito único, cerca de 1 t/h de vapor vivo produzirá cerca de 1 t/h de vapor, já que os valores específicos de calor de evaporação na parte do aquecimento e do produto são aproximadamente os mesmos.
Se os vapores do produto de um efeito de evaporação forem utilizados para aquecer outro efeito de evaporação operado a uma pressão mais baixa, o consumo de vapor de todo o sistema será reduzido em conformidade.
Se a quantidade de vapor produzida pela energia primária for utilizada como vapor de aquecimento num segundo efeito, o consumo de energia de todo o sistema é reduzido em cerca de 50%. Este princípio pode ser continuado sobre outros efeitos para economizar ainda mais energia.
| Vapor vivo [t/h] | Vapor [t/h] | Consumo específico de vapor | |
| Planta para 1 efeito | 1 | 1 | 100% |
| Planta para 2 efeito | 1 | 2 | 50% |
| Planta para 3 efeito | 1 | 3 | 33% |
| Planta para 4 efeito | 1 | 4 | 25% |
A temperatura máxima de aquecimento do primeiro efeito em combinação com a temperatura de ebulição mais baixa do efeito final, definem uma diferença global de temperatura que pode ser dividida entre os efeitos individuais.
Isto significa que, caso o número de efeitos aumente, a diferença de temperatura por efeito diminui em conformidade.
Por este motivo, as superfícies de aquecimento dos efeitos individuais precisam de ser dimensionadas de acordo com as dimensões maiores para atingir a taxa de evaporação necessária a uma diferença de temperatura média inferior (∆ Tm). Uma primeira aproximação mostra que a superfície de aquecimento total de todos os efeitos aumenta proporcionalmente ao número de efeitos. Como resultado, os custos de investimento aumentam consideravelmente enquanto a quantidade de energia economizada se torna proporcionalmente menor.
Recompressão de vapor térmico (TVR)
A Produto / B Concentrado / C Condensado / D Vapor de Aquecimento / E Vapor
Durante a recompressão do vapor, o vapor do separador é recomprimido para a pressão mais alta de um lado de aquecimento do feixe de tubos.
Aproximadamente metade dos vapores produzidos pelo processo de evaporação pode ser reutilizada para aquecimento, a outra metade flui para o efeito seguinte para impulsionar o processo ali. É necessária uma certa quantidade de vapor, o chamado “vapor motriz”, para a operação de um recompressor de vapor térmico.
Para a recompressão de vapor térmico (TVR) são utilizados compressores a jato de vapor. Eles operam de acordo com o princípio dos ejetores. Eles não possuem peças móveis e, portanto, não têm peças de desgaste, o que garante a máxima confiabilidade operacional. Os recompressores de vapor térmico são projetados internamente.
A GEA tem mais de cem anos de experiência no fornecimento de bombas e compressores a jato de vapor.
Recompressão a vapor mecânico (MVR)
A Produto / B Concentrado / C Condensado / D Vapor de Aquecimento / E Vapor / El Energia Elétrica
Enquanto os compressores a jato de vapor comprimem apenas parte do vapor que sai do evaporador, os recompressores a vapor mecânico (MVR) são capazes de reciclar tudo isso.
O vapor é recomprimido para a pressão correspondente da temperatura do vapor de aquecimento do evaporador, usando uma mera fração de energia elétrica em relação à entalpia recuperada no vapor. A energia do vapor condensado é frequentemente utilizada para o pré-aquecimento da alimentação do produto.
Dependendo das condições de operação da planta, pode ser necessária uma pequena quantidade de vapor adicional ou a condensação de uma pequena quantidade de vapor em excesso para manter o equilíbrio global de calor do evaporador e para garantir condições estáveis de operação, especialmente durante a inicialização.
Devido à sua simplicidade e design de fácil manutenção, são usados ventiladores centrífugos de estágio único (fornecidos como ventiladores de alta pressão) nas plantas de evaporação. Eles operam em altas velocidades de fluxo e por isso são adequadas para grandes índices de fluxo nas taxas de compressão do vapor de 1:1.2 a 1:2. As velocidades de rotação são normalmente de 3.000 até 12.000 rpm. Para grandes aumentos de pressão, podem ser usados múltiplos ventiladores.
Vapor versus Eletricidade
Dependendo das condições locais e dos custos específicos do projeto, a opção mais ecológica e econômica de aquecimento pode ser avaliada com base em valores de consumo típicos.
A possibilidade de utilizar eletricidade de fontes renováveis em vez de vapor de combustíveis fósseis é uma das maiores vantagens que o aquecimento elétrico oferece.
Consumo de utilitário específico por tonelada de evaporação
| Vapor [t] | Eletricidade [kWh] | Água de resfriamento [m³ (∆T = 10K)] | |
| Vapor vivo | 1 | menor | 60 |
| 2 efeitos | 0,5 | menor | 30 |
| 3 efeitos | 0,33 | menor | 20 |
| 4 efeitos | 0,25 | menor | 15 |
| TVR | ~0.5 | menor | 30 |
| MVR | menor | ~30-50 | menor |
Não menos importante e de especial relevância para regiões áridas, o uso de aquecimento elétrico reduz drasticamente a necessidade de água de resfriamento. Em suma e com a economia circular e as novas tendências para reduzir o consumo de energia assumindo um papel cada vez mais preponderante, a MVR está surgindo como a opção mais apropriada.
Vários processos de cristalização são operados a baixas temperaturas devido às restrições do sistema de fase ou produtos sensíveis à temperatura. Portanto, é necessário um resfriamento eficiente que pode ser induzido tanto pelo Resfriamento a Vácuo quanto pelo Resfriamento de Superfície.
Secador aquecido a vapor (Plantas de evaporação)
O principal critério para o uso de vapor seco para aquecer plantas de evaporação é o ponto de orvalho da mistura água vapor-ar facultada pela presença de gases inertes e/ou ar na mesma. Quanto maior for o ponto de orvalho, maior será o teor de vapor de água e, portanto, o teor de energia utilizável.
Se os vapores do secador contiverem pó e vapores de gordura, estes podem aterrar na calandra, prejudicando ou mesmo impedindo a transferência de calor do aquecimento para a câmara de ebulição. Isto pode ser evitado limpando o vapor da máquina de secar em um purificador de vapor GEA. Normalmente, um purificador a jato, um ventilador a jato líquido de autopriming, é perfeitamente adequado para esta aplicação.
O purificador de vapor pode ser operado com o condensado de vapor da planta de evaporação. Assim, não é necessária água industrial extra - desta forma, a energia pode ser economizada e usada para o aquecimento do evaporador e, simultaneamente, o exaustor do secador é limpo.
Resfriamento a vácuo (Plantas de Cristalização)
O resfriamento a vácuo é o método preferido, pois o resfriamento é gerado apenas pela expansão adiabática do solvente e nenhuma superfície de resfriamento ativo é necessária. Esta superfície de resfriamento ativo teria que ser relativamente grande devido aos coeficientes de transferência de calor limitados e apresentar o risco de escalonamento devido à diminuição das solubilidades a temperaturas mais baixas.
O principal parâmetro, bem como a limitação para o resfriamento a vácuo é a pressão dos vapores gerados durante o processo. Dependendo da pressão necessária, a mistura mais rentável deve ser escolhida de entre as seguintes opções disponíveis:
- Condensação de superfície ou condensação direta
- Água de resfriamento ou água gelada
- Com ejetor de vapor ou sem ejetor de vapor
Resfriamento da Superfície (Plantas de cristalização)
O resfriamento da superfície é aplicado quando a temperatura requerida não pode ser atingida por resfriamento a vácuo.
Este método utiliza uma superfície de resfriamento ativa (trocadores de calor de feixe de tubos) refrigerada por qualquer meio de resfriamento disponível adequado para as temperaturas de processo necessárias.
Esses sistemas apresentam o risco de mostrar tendências de escalonamento em tubos dos trocadores de calor devido a altas supersaturações locais em superfícies frias.
Para maximizar o ciclo operacional de tais unidades, seu design precisa ser altamente sofisticado no que diz respeito ao perfil de resfriamento, coeficientes de transferência de calor do design, densidades sólidas e velocidades de tubos, bem como a qualidade da tubulação. Além disso, estão disponíveis procedimentos de limpeza eficientes que minimizam o tempo de inatividade a um nível aceitável.
Ejetor de Vapor versus Resfriador (Plantas de cristalização)
Para efeitos de resfriamento podem ser utilizados tanto um Ejetor de Vapor como um Resfriador.
Enquanto os ejetores de vapor comprimem os vapores a um nível de temperatura, permitindo a condensação contra a água de resfriamento, os resfriadores utilizam energia elétrica para gerar um meio frio, permitindo a condensação de vapores a baixa pressão.
Dependendo das condições locais, bem como da disponibilidade e preços dos serviços públicos, a decisão é tomada individualmente para oferecer a cada cliente a solução mais eficiente em termos de custos e com maior economia de energia.
Com a economia circular e as novas tendências para reduzir o consumo de energia assumindo um papel cada vez mais preponderante, o Resfriador está surgindo como a opção mais apropriada. As instalações já existentes foram remodeladas para mudar o seu Ejetor de Vapor para um Resfriador.
