Evaporador de circulação forçada de triplo efeito

Conceitos básicos e princípios de funcionamento

1. Evaporação de Múltiplos Efeitos: Seu princípio fundamental é a utilização em cascata da energia. O vapor vivo (energia primária) entra primeiro na câmara de aquecimento do primeiro efeito, aquece o material e, em seguida, condensa-se em água. O vapor secundário gerado no primeiro efeito é então introduzido na câmara de aquecimento do segundo efeito como fonte de calor, e assim por diante. Dessa forma, 1 tonelada de vapor vivo pode evaporar aproximadamente 3 toneladas de água, melhorando significativamente a utilização da energia térmica.

2. Circulação Forçada: Ao contrário da circulação natural, utiliza uma bomba de circulação de alta vazão entre a câmara de evaporação e a câmara de aquecimento de cada efeito. Essa bomba força o material a fluir através dos tubos de aquecimento a uma alta velocidade (tipicamente de 1,5 a 3,5 m/s), resultando em dois efeitos principais:

Inibição da formação de incrustações e cristalização: O fluxo de material em alta velocidade lava as paredes do tubo, reduzindo significativamente a deposição de soluto e a formação de incrustações na superfície de aquecimento.

Transferência de calor aprimorada: A alta velocidade do fluxo interrompe a camada limite laminar das paredes do tubo, aumentando a turbulência e melhorando o coeficiente de transferência de calor.

Componentes principais do sistema

• Um sistema típico de evaporação por circulação forçada de triplo efeito inclui:

• Câmara de aquecimento: Um trocador de calor de casco e tubos, o componente principal para a troca de calor entre o vapor e o material.

• Câmara de Separação por Evaporação: O material evapora instantaneamente aqui, separando o vapor secundário do concentrado.

• Bomba de Circulação Forçada: O "coração" do sistema, responsável por fornecer energia para a circulação do material; um equipamento essencial.

• Pré-aquecedor: Utiliza o calor residual do condensado ou do vapor secundário para pré-aquecer a alimentação.

• Sistema de vácuo: Normalmente localizado no último estágio. Reduz o ponto de ebulição do último estágio, aumentando assim a força motriz da diferença de temperatura geral do sistema e reduzindo ainda mais o consumo de vapor.

• Condensador: Condensa e descarrega o vapor secundário gerado no último estágio.

• Sistema de controle: Automatiza o controle da vazão de material, concentração, nível de líquido, temperatura e pressão em cada ponto de aplicação.

Principais vantagens e cenários de aplicação

Vantagens:

1. Economia térmica extremamente alta: Esta é a sua vantagem mais significativa. O consumo de vapor é muito menor do que na evaporação de efeito simples, resultando em economia de energia significativa e baixos custos operacionais.

2. Alta capacidade de processamento e ampla aplicabilidade: Particularmente adequado para o processamento de materiais de alta viscosidade, com tendência à formação de incrustações e cristalização. Exemplos incluem: sais na indústria química (como cloreto de sódio e sulfato de sódio), xarope de frutose na indústria alimentícia, extratos na indústria farmacêutica e efluentes industriais (contendo efluentes salinos) na indústria de proteção ambiental.

3. Anti-incrustação e ciclo de operação prolongado: A ação de lavagem em alta velocidade da circulação forçada torna o equipamento menos propenso à incrustação, garantindo uma eficiência de transferência de calor estável a longo prazo e prolongando o ciclo de limpeza.

4. Alta flexibilidade operacional: Ajustando a vazão da bomba de circulação e a pressão de interação, o sistema pode se adaptar a diferentes condições de alimentação e requisitos de concentração.

Desvantagens:

1. Alto custo de investimento: Devido ao grande número de efeitos e à necessidade de bombas de circulação de alta potência, o investimento inicial em equipamentos e os custos de instalação são elevados.

2. Alto consumo de energia: As bombas de circulação forçada são equipamentos de alta potência, e seu consumo de energia é um dos principais custos operacionais do sistema, compensando em certa medida os benefícios da economia de vapor.

3. Possível efeito de cisalhamento nos materiais: Para alguns materiais sensíveis a forças de cisalhamento (como certos polímeros ou produtos biológicos), bombas de circulação de alta velocidade podem causar degradação do produto ou alterações em suas propriedades.

Fluxograma do processo (exemplo de fluxo paralelo)

Tomemos como exemplo um processo em fluxo concorrente, onde o material e o vapor fluem na mesma direção:

1. A matéria-prima líquida, após o pré-aquecimento, entra na primeira etapa.

2. O vapor vivo aquece o material no primeiro efeito, e o vapor secundário gerado entra na câmara de aquecimento do segundo efeito.

3. O líquido concentrado do primeiro efeito, impulsionado por uma bomba de circulação, entra parcialmente no segundo efeito.

4. O vapor secundário gerado no segundo efeito entra no terceiro efeito, e seu líquido concentrado também entra no terceiro efeito.

5. O terceiro efeito opera sob vácuo, atingindo o ponto de ebulição mais baixo. O líquido concentrado final, que atende aos requisitos, é descarregado na parte inferior do terceiro efeito.

6. O vapor secundário gerado no terceiro efeito entra no condensador e é completamente condensado.

Resumo: 

O evaporador de triplo efeito com circulação forçada equilibra perfeitamente a eficiência energética, a estabilidade e a adaptabilidade através de tecnologias engenhosas de "uso de energia em camadas" e "circulação forçada". Embora o investimento inicial e o consumo de energia sejam relativamente altos, seu desempenho excepcional no processamento de materiais complexos e o consumo extremamente baixo de vapor o tornam insubstituível na produção industrial em larga escala e um dos processos preferidos para evaporação e concentração rápidas e econômicas em diversos setores.