Evaporador de múltiplos efeitos

O Evaporador de Múltiplos Efeitos (MEE) é um sistema de concentração com economia de energia que conecta vários evaporadores de efeito simples em série. Ele utiliza o vapor secundário gerado no estágio anterior (pré-efeito) para acionar o estágio seguinte (subefeito), permitindo que 1 kg de vapor fresco seja reutilizado diversas vezes, multiplicando assim a capacidade de evaporação. Este artigo apresenta uma visão geral sistemática sob sete aspectos: princípio, tipo de processo, composição estrutural, indicadores de desempenho, áreas de aplicação, vantagens e desvantagens e pontos de seleção.

I. Princípio de funcionamento

1. Energia Térmica em Cascata: O vapor vivo entra apenas na câmara de aquecimento do primeiro efeito, onde a solução é aquecida para gerar vapor secundário. Embora a temperatura e a pressão desse vapor secundário sejam ligeiramente menores, ele ainda pode servir como fonte de calor para o próximo efeito, e assim por diante, estágio por estágio.

2. Redução do vácuo: Para garantir uma diferença de temperatura para a transferência de calor em cada estágio, o efeito final é conectado a um sistema de vácuo, fazendo com que a pressão de operação e o ponto de ebulição de cada efeito diminuam sequencialmente.

3. Aumento da concentração: A concentração da solução aumenta a cada efeito, atingindo finalmente a concentração desejada no n-ésimo efeito; o condensado e o concentrado são descarregados continuamente de forma separada. 4. Economia de energia: Teoricamente, n efeitos podem amplificar a capacidade de evaporação de 1 kg de vapor vivo para n kg; na prática, devido à perda de calor e à elevação do ponto de ebulição, cinco efeitos consomem aproximadamente 0,3 toneladas de vapor fresco para evaporar 1 tonelada de água.

II. Fluxograma do Processo (Alimentação e Fluxo de Vapor)

1. Fluxo concorrente: O líquido de alimentação e o vapor fluem na mesma direção. A pressão é alta no primeiro estágio, e os estágios subsequentes podem fluir por gravidade sem a necessidade de bomba; no entanto, à medida que a concentração aumenta e a temperatura diminui, a viscosidade aumenta e o coeficiente de transferência de calor diminui.

2. Fluxo em Contracorrente: O líquido de alimentação é bombeado do último efeito para o primeiro efeito. A temperatura também é mais alta na concentração mais alta, o que pode reduzir a viscosidade. Isso é adequado para materiais cuja viscosidade aumenta rapidamente com a concentração; no entanto, requer bombas entre os efeitos, tornando o controle complexo.

3. Fluxo Paralelo: Cada efeito possui alimentação e saída de concentrado separadas. Isso é frequentemente usado em situações onde ocorre cristalização durante o processo de evaporação, evitando o bloqueio por cristais nas tubulações.

4. Fluxo Misto: Uma combinação dos métodos acima, como fluxo paralelo nos primeiros efeitos e fluxo contracorrente nos efeitos posteriores, equilibrando o consumo de energia e o controle da viscosidade.

III. Estrutura do Sistema e Componentes Principais

1. Unidade de Efeito: Cada efeito contém uma câmara de aquecimento (tubo/placa) e uma câmara de separação (tanque de flash), às vezes combinadas em uma única unidade.

2. Condensador: O vapor secundário do último efeito entra em um condensador de superfície ou de mistura, onde é condensado utilizando água circulante e mantendo-se o vácuo.

3. Bomba de vácuo: Bombeia gases não condensáveis durante a inicialização/operação para garantir o nível de vácuo necessário para o último efeito.

4. Pré-aquecedor: Utiliza o calor residual do condensado de cada efeito para elevar a temperatura de alimentação, reduzindo o consumo de vapor vivo.

5. Bomba de Circulação Forçada (Opcional): Para materiais de fácil cristalização ou alta viscosidade, mantém uma vazão no lado do tubo de 2 a 4 m/s, prevenindo a formação de incrustações e melhorando o coeficiente de transferência de calor.

IV. Principais Indicadores de Desempenho

1. Economia de vapor: Taxa de evaporação por kg de água/kg de vapor vivo: 1,8–2,0 para dois efeitos, 2,5–2,8 para três efeitos e aproximadamente 4,5 para cinco efeitos. 2. Área específica de transferência de calor: Aumenta com o número de efeitos, resultando em um aumento linear no investimento; os custos operacionais diminuem enquanto os custos de equipamento aumentam, indicando um número ideal de efeitos. Aplicações industriais geralmente utilizam de 2 a 3 efeitos, com um máximo de 6 efeitos.

3. Perda por diferença de temperatura: A diferença de temperatura efetiva ΔT por efeito é de aproximadamente 8-15°C; com uma diferença de temperatura total fixa, quanto mais efeitos, menor o ΔT por efeito, exigindo uma área maior.

4. Comparação do consumo de energia: Em comparação com evaporadores de efeito simples, os evaporadores de efeito triplo podem economizar mais de 60% de vapor; em comparação com a MVR (Recompressão Mecânica de Vapor), os evaporadores de múltiplos efeitos têm menor investimento inicial e menores requisitos de qualidade do vapor, mas maior consumo de energia a longo prazo.

V. Áreas de aplicação típicas

1. Indústria química: Concentração de soda cáustica, carbonato de sódio, fosfatos e intermediários de corantes.

2. Indústria alimentícia: suco de frutas, soro de leite, soluções de açúcar, molho de soja e maltodextrina.

3. Indústria farmacêutica: Concentração de extratos de medicina tradicional chinesa, caldos de fermentação de antibióticos e soluções vitamínicas. 4. Proteção ambiental: Descarte zero de águas residuais com alta salinidade, lixiviado de aterro sanitário e solução-mãe de galvanoplastia; recuperação de sais subprodutos, como NaCl e Na₂SO₄.

5. Dessalinização da água do mar: Combinada com tratamento eletroquímico multiefeito de baixa temperatura (LT-MEE) e cogeração, resultando em alta taxa de produção de água e baixa tendência à formação de incrustações.

6. Aplicações petroquímicas e metalúrgicas: águas residuais de decapagem, solução-mãe de catalisadores e separação óleo-água.

VI. Vantagens e Limitações

Vantagens

Reduz significativamente o consumo de vapor vivo; os custos operacionais diminuem com o aumento da escala.

Requisitos baixos de pressão de vapor de entrada e eletricidade, adequado para instalações com vapor de baixa pressão já existente.

Tecnologia consolidada, alta flexibilidade operacional, capaz de lidar com materiais cristalinos, de alta concentração e não sensíveis ao calor.

Sistema modular; 2 a 6 efeitos podem ser combinados livremente, facilitando a expansão da capacidade.

Limitações

O aumento do número de efeitos de eficiência leva a um aumento exponencial na área de transferência de calor, no consumo de aço e no investimento inicial;

Materiais com aumento significativo do ponto de ebulição (como soluções de NaOH e açúcar) irão reduzir rapidamente a diferença de temperatura, limitando o número de efeitos de eficiência;

São necessárias bombas de circulação de água de refrigeração e de vácuo, e o consumo de água e eletricidade permanece;

A temperatura ainda está muito alta para materiais sensíveis ao calor, exigindo acoplamento com película descendente, MVR ou TVR (recompressão térmica).

VII. Considerações sobre seleção e projeto do sistema

1. Características do material: A elevação do ponto de ebulição, a viscosidade, o hábito de cristalização, a sensibilidade ao calor e a corrosividade determinam os efeitos da eficiência, o fluxo do processo e o material (304/316L/2205/Ti).

2. Utilidades: Pressão do vapor no local, temperatura da água de resfriamento e preço da eletricidade; se os preços do vapor forem altos e os da eletricidade forem baixos, pode-se usar um sistema MVR; se o vapor for barato, os sistemas de multieficiência são a opção mais estável.

3. Modo de operação: A operação contínua apresenta o menor consumo de energia; a operação semicontínua ou em lotes cíclicos pode ser utilizada para operações intermitentes ou em pequenos lotes. 4. Prevenção e limpeza de incrustações: Para sais pouco solúveis, como CaSO₄ e SiO₂, são fornecidas interfaces de limpeza e dosagem química online; para maior eficiência de cristalização, são utilizados cristalizadores do tipo Oslo (OSLO) ou DTB.

5. Automação: O DCS/PLC controla o nível do líquido, a pressão, a densidade e a condutividade do condensado para realizar a remoção automática do concentrado e a limpeza automática em linha (CIP).

6. Compensações Econômicas: Usando "Custo Total Anual = Depreciação + Custo do Vapor + Custo da Água e Eletricidade + Custo de Manutenção" como função objetivo, de 2 a 4 efeitos normalmente atingem um valor mínimo; para escalas >10 t/h, três ou mais efeitos mostram vantagens significativas.

Conclusão: Os evaporadores de múltiplos efeitos aproveitam ao máximo a energia térmica por meio de um sistema de "relé de vapor em múltiplos estágios", tornando-se uma das tecnologias de concentração em larga escala mais maduras e confiáveis disponíveis atualmente. Com o aumento da demanda por descarte zero de águas residuais com alta salinidade, novos materiais para baterias de lítio e dessalinização da água do mar, os evaporadores de múltiplos efeitos estão sendo aprimorados para escalas maiores, alto vácuo, baixa diferença de temperatura, circulação forçada e acoplamento MVR/TVR, continuando a desempenhar um papel fundamental no campo global da conservação de energia industrial e reciclagem de recursos.