Lista de Exercícios Evaporação

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Operações de Separação II 
 
Prof. Wendell Ferreira de La Salles 
 
1a Lista de Exercícios - Evaporação 
 
1. Determine a temperatura de ebulição e a elevação no ponto de ebulição (EPE) para 
os seguintes casos: 
 
a. Uma solução de NaOH a 30% sendo produzida em um evaporador operando 
a uma pressão de 169,2 kPa; 
b. Uma solução de NaOH a 60% sendo produzida em um evaporador operando 
a uma pressão de 9,595 kPa; 
 
2. Um evaporador contínuo de efeito simples concentra uma solução aquosa de NaOH 
de 44% (em massa) até 54 % (em massa). O vapor de aquecimento (S) é vapor 
d'água saturado a 400 kPa e a alimentação encontra-se a 20 °C. A pressão no interior 
do evaporador (P) é de 19,94 kPa. O evaporador tem uma área de transferência de 
calor (A) de 230 m2 e foi estimado que o seu coeficiente global de transferência de 
calor (U) é 2000 W/m2 °C. Calcule: 
 
a. A temperatura da solução dentro do evaporador; 
b. A temperatura do vapor de aquecimento (TS); 
c. A fluxo de calor (Q), em kW, fornecido a solução; 
d. A vazão mássica (kg/s) de vapor de aquecimento (S); 
e. As entalpias das correntes líquidas (hF e hL) em kJ/kg; 
f. A entalpia da corrente de vapor d'água superaquecido (HV) que deixa o 
evaporador (KJ/kg); 
g. A vazão mássica da corrente de alimentação (F) em kg/s; 
h. A vazão mássica da solução concentrada produzida (L) em kg/s; 
i. A economia no evaporador (V/S); 
 
3. Uma solução aquosa de um colóide orgânico (cp = 0,9 kcal/kg.°C) deve ser 
concentrada de 10 a 40% em um evaporador de simples efeito a uma vazão de 
15000 Kg/h. O vapor de aquecimento é vapor saturado a 2 atm e deixa a câmara na 
temperatura de condensação. A câmara de evaporação se mantém a uma pressão 
absoluta de 150 mmHg. O calor de diluição e as perdas de calor no exterior por 
convecção e radiação são desprezíveis. O coeficiente global de transferência de 
calor é 2000 Kcal/m2.h.ºC e o calor específico da alimentação é 0,9 Kcal/Kg.ºC. 
Sabendo que a solução entra no evaporador a 20ºC. Determine: 
 
a. O consumo de vapor vivo (S) 
b. A superfície de troca térmica (A) 
c. A economia 
 
4. Um evaporador simples recebe 9070 kg/h de uma solução aquosa a 40 °C com 20% 
em massa de NaOH e concentra-a até 50%. O fluido de aquecimento é vapor d’água 
saturado a pressão absoluta de 0,2322 MPa. A pressão no interior do evaporador é 
mantida a 15,76 KPa e sabe-se que o coeficiente global de transferência de calor é 
igual a 1400 W/m2.°C. Calcule: 
 
a. A vazão mássica da solução concentrada produzida (L) em kg/s; 
b. A entalpia do vapor superaquecido produzido no evaporador em kJ/kg; 
c. O fluxo de calor (Q), fornecido à solução; 
d. A vazão mássica de vapor (S) empregada no processo; 
e. A área da superfície de aquecimento; 
f. A economia no evaporador (V/S); 
 
5. Usa-se um evaporador simples (para o qual U = 1700 J/s.m2.°C) para concentrar 250 
kg/h de uma solução de sólido a 20°C desde 10% (em massa) até 30% (em massa). 
A pressão no evaporador é de 70,14 kPa e têm-se disponível vapor de aquecimento a 
300 kPa (absoluto). Admita que as propriedades da solução são aproximadamente 
iguais às da água nas mesmas condições de temperatura e que a elevação no ponto 
de ebulição é desprezível. Calcule: 
 
a. A vazão mássica da solução concentrada produzida (L) em kg/s; 
b. A temperatura (TS) do vapor de aquecimento; 
c. A vazão mássica de vapor (S) empregada no processo; 
d. O fluxo de calor (Q), fornecido à solução; 
e. A área da superfície de aquecimento; 
f. A economia no evaporador (V/S); 
 
6. Dispõe-se de um evaporador de efeito duplo operando em cocorrente com uma área 
de transferência de calor de 20 m2 em cada efeito para concentrar uma solução 
aquosa a 40°C desde 10% (em massa) num determinado soluto até 50%. Sabe-se 
que, nas condições de trabalho, são praticamente nulas as elevações das 
temperaturas de ebulição das soluções aquosas e que os seus calores específicos são 
aproximadamente iguais aos da água pura (cp = 4,14 kJ/kg.K). O fluido de 
aquecimento é vapor de água saturado a 3 atm e, no segundo efeito, a pressão é 
mantida a 610 mmHg. Os coeficientes globais de transferência de calor dos 
evaporadores são (em kcal/h.m2°C) U1 = 2200 e U2 = 1500. Calcule a vazão de 
solução que pode ser tratada por hora neste evaporador duplo. 
 
7. Uma solução aquosa de colóides (cP = 3,8 kJ/K.kg) com 25000 kg/h de vazão é 
concentrada por evaporação desde 0,1 até 0,5 (frações mássicas). Esta solução entra 
no evaporador a 20°C e apresenta uma elevação no ponto de ebulição (EPE) de 
cerca de 20% em relação à temperatura de ebulição da água pura. A pressão no 
interior do evaporador é de 12,35 kPa e o coeficiente global de transferência de 
calor é U = 10050 kJ/(h.m2.K). O vapor usado para aquecimento é fornecido 
saturado à temperatura de 120 °C. Calcule: 
 
a. A vazão mássica da solução concentrada produzida (L) em kg/s; 
b. A entalpia do vapor superaquecido produzido no evaporador em kJ/kg; 
c. O fluxo de calor (Q), fornecido à solução; 
d. A área da superfície de aquecimento; 
e. A vazão mássica de vapor (S) empregada no processo; 
 
OBS: considere que o valor de cP fornecido também é válido para a solução 
concentrada. T(K) = T (°C) + 273,15 
 
8. 13600 kg/h de uma solução aquosa com 10% (massa) de NaOH a 38°C são 
evaporados até 50%, usando vapor d’água saturado a 8 bar. 
 
a. Se for usado um evaporador simples com U = 2300 W/(m2 °C) operando a 
102 mmHg, calcule a área de transferência de calor e a economia deste 
evaporador. 
b. Considerando agora que a operação é conduzida em um sistema de 
evaporação a duplo efeito em cocorrente em que U1 = 2550 W/(m2 °C) e 
U2 = 2000 W/(m2 °C), e que opera a 102 mmHg no segundo efeito, 
determine a área de transferência de calor em cada efeito (assumidas iguais) 
e a economia global. 
 
9. Muitos produtos alimentares com sabores voláteis retêm maiores quantidades destes 
constituintes se forem evaporados em condições que favoreçam menores tempos de 
contato com as superfícies quentes. Esta dificuldade pode ser ultrapassada, usando, 
por exemplo, evaporadores de filme ascendente*, onde se mantém em permanência 
um volume de solução relativamente pequeno. Considere que uma fábrica utiliza um 
evaporador de filme ascendente com área de troca térmica (A) de 0,377 m2 para 
concentrar suco de tomate de 12% de sólidos até 28% (em massa). O suco de tomate 
entra no evaporador a 57 ºC, temperatura que não deve ser ultrapassada para não 
provocar a sua degradação térmica. A 57 ºC a entalpia de vaporização do suco de 
tomate é de 2366 kJ/kg. O vapor d’água saturado usado para aquecimento está a 
169,2 kPa. Sabendo que o coeficiente global de transferência de calor é de 
6000 J/(s m2 ºC), estime: 
 
a) A pressão de funcionamento do evaporador; (0,2) 
b) A quantidade de suco de tomate (F) que pode ser processada por hora. (1,3) 
 
*Os evaporadores de filme ascendente são evaporadores do tipo casco e tubos, nos 
quais o produto circula pelos tubos e o vapor pelo casco, aquecendo as paredes 
externas dos mesmos, tendo sido um dos primeiros tipos de evaporadores 
projetados. 
 
OBS: Em se tratando de uma solução coloidal, o suco de tomate não apresenta EPE. 
 
 
Respostas: 
 
1. a) Teb = 130 °C e EPE = 15°C; b) Teb = 102 °C e EPE = 57 °C 
2. a) 110°C; b) 143,55 °C, c) 15433 kW; d) 7,23 kg/s; e) hF = 200 kJ/kg e 
hL = 620 kJ/kg; f) 2705,46 kJ/kg; g) 18,76 kg/s; h) 15,29 kg/s; i) 0,48 
3. a) 13070 kg/h (20°C), 12300 kg/h (50°C) e 11530 kg/h (80°C); b) 58 m2 
(20°C), 54 m2 (50°C) e 51 m2 (80°C); c) 0,86 (20°C), 0,92 (50°C) e 0,98 
(80°C). 
4. a) 3628 kg/h; b) 2677,18 kJ/kg; c) 15192204,32 kJ/h; d) 6943,3 kg/h; 
e) 100,48 m2; f) 0,78 
5. a) 83,33 kg/h, b) 133,46 °C, c) 209,7 kg/h. d) 453706,92 kJ/h, e) 1,7 m2, 
f) 0,79 
6. 5560 kg/h 
7. a) L = 5000 kg/h; b) HV = 2610,7 kJ/kg; c) Q = 51454000 kJ/h; d) A = 85,33 
m2; e) S = 23365,7 kg/h. 
8.???? 
9. P = 17,4 kPa e F = 349,35 kg/h