Como selecionar o processo de evaporação MVR para diferentes materiais — a elevação do ponto de ebulição e a viscosidade são fatores-chave.

A seleção do processo de evaporação por micro-ondas (MVR) é um aspecto fundamental do projeto de sistemas de evaporação, impactando diretamente a eficiência do equipamento, o consumo de energia e a estabilidade operacional. Dadas as diversas propriedades dos materiais, a elevação do ponto de ebulição e a viscosidade são dois parâmetros-chave que determinam a seleção do processo de MVR. A seção a seguir fornece uma explicação detalhada, abrangendo análise de princípios, estratégias de seleção e estudos de caso práticos, para auxiliar os engenheiros na tomada de decisões informadas.

I. Impacto da Elevação do Ponto de Ebulição e da Seleção do Processo

1. Mecanismo de Elevação do Ponto de Ebulição: 

Quando os materiais contêm altos níveis de sal ou concentração de soluto, o ponto de ebulição da solução sob a pressão de operação de evaporação é significativamente maior do que o da água pura, um fenômeno conhecido como "elevação do ponto de ebulição".

A elevação do ponto de ebulição leva a uma redução na diferença de temperatura efetiva, afetando a eficiência da transferência de calor e impondo maiores exigências à capacidade de elevação de temperatura do compressor MVR.

2. Estratégias de Seleção de Processos

Para materiais com uma pequena elevação do ponto de ebulição (<5℃): podem ser utilizados evaporadores de película MVR convencionais (película ascendente/descendente) ou evaporadores de placas, que oferecem baixo consumo de energia e equipamentos simples.

Para materiais com grande elevação do ponto de ebulição (5-15 °C e acima): recomenda-se o processo de evaporação por circulação forçada MVR. Altas taxas de fluxo reduzem a incrustação e melhoram o coeficiente de transferência de calor; se necessário, o acoplamento MVR de duplo ou múltiplo efeito pode ser usado para aliviar a diferença de pressão de temperatura.

Para materiais com ponto de ebulição extremamente elevado/materiais que cristalizam facilmente: deve-se utilizar um sistema de circulação forçada MVR com cristalizador, com bombas de circulação aprimoradas para evitar entupimentos e um compressor de alta pressão para garantir a eficiência da evaporação.

3. Considerações sobre a compatibilidade de equipamentos e operação

A seleção do compressor deve levar em consideração o aumento de temperatura necessário devido ao aumento do ponto de ebulição, para evitar uma relação de pressão insuficiente.

Ajuste adequadamente a pressão de operação e a temperatura de evaporação para otimizar a diferença de temperatura na transferência de calor e reduzir o consumo de energia.

II. Influência da viscosidade e seleção do processo

1. Análise da influência da viscosidade

A alta viscosidade do material resulta em baixa fluidez, causando facilmente acúmulo e incrustações na superfície de transferência de calor, reduzindo a eficiência da transferência térmica e aumentando a resistência ao bombeamento.

À medida que ocorrem a evaporação e a concentração, a viscosidade continua a aumentar, o que representa desafios em relação ao tipo de evaporador e ao método de circulação.

2. Estratégia de Seleção de Processos

Materiais de baixa viscosidade (<500 cP):

Adequado para evaporação de filme MVR (filme ascendente/descendente). O material forma uma película fina e uniforme na superfície de aquecimento, resultando em tempo de aquecimento curto e alta eficiência.

Materiais de viscosidade média (500-2000 cP):

Recomendação: Evaporador de placas MVR ou evaporador de circulação forçada. A estrutura de placas facilita a limpeza, os canais de fluxo são menos propensos a entupimento e a bomba de circulação garante um fluxo de material em alta velocidade, evitando a concentração localizada e a formação de incrustações.

Materiais de alta viscosidade/propensos à incrustação (>2000 cP): 

Utilize a evaporação por circulação forçada MVR, ou até mesmo combine-a com um evaporador de película raspada, para remover continuamente o material da superfície de aquecimento, evitando a formação de coque e o entupimento.

3. Considerações sobre a compatibilidade de equipamentos e operação: 

Materiais de alta viscosidade exigem uma bomba de circulação de alta vazão e alta pressão para garantir o fluxo do sistema e a transferência de calor.

O projeto do evaporador deve minimizar as zonas mortas e incorporar funcionalidade de autolimpeza para facilitar a limpeza e a manutenção em linha.

I. II. Estudos de Caso sobre Tipo de Material e Compatibilidade de Processo:

1. Materiais com baixo ponto de ebulição e baixa viscosidade, como soluções farmacêuticas e alimentícias: Recomenda-se o processo de evaporação em placa/filme descendente MVR, energeticamente eficiente e de alto desempenho, garantindo a qualidade do produto.

2. Materiais com alto ponto de ebulição e viscosidade média-baixa, como águas residuais com sais inorgânicos: Recomenda-se a evaporação por circulação forçada MVR, que resolve eficazmente o problema do aumento do ponto de ebulição e previne o entupimento por cristalização.

3. Materiais de alta viscosidade e alto ponto de ebulição — como águas residuais orgânicas de alta concentração e soluções-mãe químicas: Utilize um processo combinado de circulação forçada MVR + evaporação em película raspada, equilibrando os desafios complexos da alta viscosidade e do alto ponto de ebulição.

IV. Processo de Seleção Abrangente e Recomendações

1. Teste de Características do Material: Medir com precisão a elevação do ponto de ebulição e as curvas de variação da viscosidade nos pontos de concentração inicial e final para obter os principais parâmetros de projeto.

2. Comparação de Esquemas de Processo: Compare vários esquemas técnica e economicamente, considerando a elevação do ponto de ebulição, a viscosidade, a sensibilidade ao calor e a tendência à cristalização.

3. Otimização de Equipamentos e Sistemas: Otimizar a configuração de componentes essenciais, como compressores, bombas de circulação, aquecedores e separadores, com base em parâmetros-chave.

4. Projeto de Operação e Manutenção: Considere a limpeza online, medidas anti-entupimento e controle automático para melhorar a adaptabilidade e a estabilidade do sistema.

V. Conceitos errôneos comuns e advertências

• Ignorar o impacto da elevação do ponto de ebulição na seleção do compressor leva a um aumento insuficiente da temperatura e a uma baixa eficiência de evaporação.

• Subestimar o impacto das alterações de viscosidade no fluxo e na transferência de calor resulta em compressores subdimensionados, causando incrustações frequentes e tempo de inatividade.

• Selecionar compressores com base apenas nas características iniciais do material, sem considerar as mudanças dinâmicas na concentração, viscosidade e ponto de ebulição durante a evaporação.

V I. Conclusão

A seleção do processo de evaporação por micro-ondas (MVR) adequado para diferentes materiais exige uma análise científica das características do material, com foco em dois parâmetros principais: elevação do ponto de ebulição e viscosidade, além de uma combinação racional do tipo de evaporador e da configuração do sistema. Somente considerando de forma abrangente as propriedades físico-químicas do material, as mudanças dinâmicas no processo de evaporação e os aspectos econômicos, é possível garantir a operação eficiente, econômica e estável do sistema MVR. Para projetos práticos, recomenda-se combinar testes em escala laboratorial com simulações profissionais para fornecer dados confiáveis que suportem a seleção do processo.