Evaporador de Filme Descendente: Guia de Projeto, Energia e Seleção

EVAPORAÇÃO E CONCENTRAÇÃO

Evaporadores de Filme Descendente: Concentrando Líquidos Termossensíveis Sem Cozinhar

Concentrando líquidos termossensíveis sem cozinhar – como funciona a evaporação em filme descendente, quando supera a evaporação em filme ascendente ou em circulação forçada, e as decisões que definem a qualidade do seu produto e sua conta de vapor

Todo projeto de concentração enfrenta o mesmo conflito: remover água exige calor, e o produto que se tenta proteger é exatamente o que esse calor danifica. Um evaporador de filme descendente resolve esse conflito agindo de forma oposta a uma panela em ebulição. Em vez de manter um grande volume à temperatura elevada por horas, ele espalha o produto em um filme tão fino que pode ser concentrado em uma única passagem, a uma temperatura suportável pelo produto, com tempo de residência medido em segundos.

Este artigo aborda o que é um evaporador de filme descendente, onde ele se posiciona em comparação com outros tipos de evaporadores, como os sistemas de múltiplos efeitos, recompressão térmica de vapor e recompressão mecânica de vapor alteram o cenário energético, e quais perguntas valem a pena responder antes da construção de um sistema. Os equipamentos mostrados ao longo do texto são provenientes de nossas próprias instalações.

Filmado em uma unidade em operação: tampa instrumentada do vaso, nível e fluxo visíveis no visor de vidro, e produto sendo descarregado para o tanque receptor.

Arquivo de vídeo: https://sc02.alicdn.com/kf/H74328f887453403b9092073e11cffb4fj.mp4

O que torna a evaporação em filme descendente diferente

O produto é bombeado para o topo de um feixe de tubos verticais e distribuído de modo que escorra pela parede interna de cada tubo como um filme fino e contínuo. O meio de aquecimento — vapor, água quente ou vapor recomprimido — flui no lado casco. Como o produto forma um filme, em vez de uma coluna inundada, o vapor que ele gera pode descer junto com ele, em vez de ter de subir forçadamente através do líquido, e toda a massa não precisa atingir o ponto de ebulição antes de iniciar a evaporação.

• Tempo de residência curto. O produto permanece apenas alguns segundos na zona de aquecimento, não horas, de modo que cor, aroma e princípios ativos sensíveis ao calor sobrevivem a condições que os degradariam num tacho.
• Operação em baixa temperatura. Manter o efeito sob vácuo reduz o ponto de ebulição, de modo que a concentração ocorre numa temperatura escolhida conforme o produto, e não conforme a atmosfera.
• Uma pequena diferença de temperatura é suficiente. O filme descendente opera com uma modesta diferença de temperatura motriz entre o meio de aquecimento e o produto — o que, precisamente, torna viáveis as disposições de múltiplos efeitos e de recompressão de vapor.
• Baixa retenção líquida. Um pequeno inventário significa partida e parada rápidas, menos produto retido no sistema durante uma troca de operação e menos tempo sob temperatura quando a unidade é desligada.
• Comportamento superior com alimentações espumantes e moderadamente viscosas em comparação com um feixe inundado, pois o filme não se agita.

Onde o filme descendente se aplica — e onde não se aplica

O filme descendente não é a solução adequada para todas as aplicações. As diferenças que realmente importam na prática são a forma como o produto se desloca através da zona de aquecimento e o impacto disso sobre o tempo de residência e o risco de incrustação.

Questão energética: múltiplos efeitos, TVR ou MVR

A evaporação é onde recai a maior parte do custo operacional de uma planta de concentração, e a configuração escolhida depende sobretudo da disponibilidade de utilidades, e não de fatores mecânicos.

Múltiplos efeitos

Um evaporador de múltiplos efeitos conecta vasos de modo que o vapor gerado em um efeito se torne o meio de aquecimento para o próximo. Cada efeito adicional reutiliza vapor que, de outra forma, teria de ser condensado; assim, o consumo de vapor por quilograma de água evaporada diminui à medida que se acrescentam mais efeitos. A contrapartida é o custo de capital, a área ocupada e a complexidade de controle — razão pela qual o número economicamente ótimo de efeitos depende dos preços da energia e do tempo previsto de operação da unidade.

Recompressão térmica de vapor (TVR)

Um ejetor a vapor retira parte do vapor e o recomprime utilizando vapor de acionamento, elevando sua pressão e temperatura o suficiente para que possa ser reutilizado como meio de aquecimento. Trata-se de uma solução compacta para reduzir o consumo de vapor sem demandar carga elétrica, sendo normalmente a opção a considerar quando já há disponível, no local, vapor de média pressão.

Recompressão mecânica de vapor (MVR)

Um sistema MVR comprime o vapor com um ventilador ou compressor e o devolve ao lado de aquecimento como fonte primária de calor. A instalação opera, então, predominantemente com eletricidade em vez de vapor — uma solução atraente em locais onde o vapor é caro, indisponível ou regulamentado, e onde a tarifa de eletricidade é favorável. O MVR também elimina a maior parte da carga do condensador e a demanda por água de refrigeração de um trem convencional — um ponto decisivo para instalações com capacidade limitada de refrigeração ou restrições à descarga.

Não há uma resposta universalmente ideal. A configuração correta depende dos preços dos seus insumos energéticos, da estabilidade da sua alimentação e da redução de carga (turndown) de que você realmente necessita. Especificar um sistema com base em um insumo energético que, posteriormente, se torne escasso ou caro é o erro mais comum em projetos de evaporação — e essa decisão é tomada na primeira página da especificação, não durante a fase de comissionamento.

No interior do sistema: os módulos que determinam o desempenho

Figura 1. Trem de evaporação em filme descendente sobre seu suporte: coluna vertical de evaporação, vasos de serviço e separação, e tubulação sanitária que liga as etapas.

Um trem de filme descendente é mais do que uma coluna aquecida. Essas são as peças que determinam se ele opera conforme projetado assim que a alimentação muda.

• Calandria – feixe de tubos e carcaça. O diâmetro, o comprimento e o estado superficial dos tubos definem a área de transferência de calor e a queda de pressão, enquanto o lado da carcaça é configurado conforme o meio de aquecimento selecionado.
• Sistema de distribuição da alimentação. O elemento mais importante de um projeto de filme descendente: um distribuidor desigual priva alguns tubos de alimentação, e um tubo privado forma incrustações.
• Vaso de separação vapor-líquido, dimensionado de modo que o arraste não leve produto junto com o vapor.
• Condensador, sistema de vácuo e manuseio do condensado, compatíveis com a pressão de operação do último efeito.
• Bombas de circulação e transferência com conexões sanitárias, e a tubulação que mantém o filme estável entre as etapas.
• Instrumentação: temperatura e pressão em cada efeito, controle de nível em vasos e separadores, indicação de vazão e visores, e – em aplicações alimentares e farmacêuticas – medição em linha da concentração.
• Limpeza: layout com drenagem, soldas higiênicas, conexões tri-clamp e rota de CIP dimensionada para que a limpeza seja rápida e verificável, não uma mera suposição.

Figura 2. Tampo do vaso com visores e manômetros nos vasos separadores; o módulo de filtração com duas carcaças está em primeiro plano.

Figura 3. O mesmo conjunto visto pela extremidade do acionamento: trocador de calor no topo da coluna, bombas de produto e vaso de coleta no skid.

Os pontos de controle que definem a qualidade do produto

• Temperatura máxima do produto – definida pelo seu produto, não pela máquina. O nível de vácuo é o fator que a define e limita todas as diferenças de temperatura disponíveis a jusante.
• Tempo de residência – um projeto de passagem única mantém-no curto; cada ciclo de recirculação acrescenta tempo sob temperatura.
• Concentração por passagem – uma alta razão economiza energia, mas aumenta a viscosidade na saída e o risco de áreas secas na parede do tubo.
• Estabilidade da alimentação – a evaporação é um processo em estado estacionário. Uma alimentação com variações nos sólidos ou no fluxo provoca variações correspondentes na concentração de saída.
• Margem contra incrustações – a área superficial adquirida deve ser dimensionada para operar entre ciclos de limpeza CIP, não apenas para apresentar eficiência no primeiro dia.

Onde evaporadores de filme descendente são utilizados

• Concentração de sucos de frutas e vegetais, onde cor e aroma são os principais atrativos comerciais
• Processamento de laticínios e soro lácteo
• Açúcar, xaropes de glicose e hidrolisados de amido
• Glicerina e polióis
• Extratos vegetais e herbais
• Intermediários químicos e correntes de processo
• Líquidos de processos farmacêuticos e biológicos
• Concentração de águas residuais e lixiviados da indústria alimentar para aplicações com descarga zero de líquidos

Seleção de um sistema: as perguntas que definem o projeto

Perguntas Frequentes

P: Qual é a diferença entre um evaporador de filme descendente e um evaporador de filme ascendente?

Num evaporador de filme ascendente, o líquido e o vapor viajam juntos para cima, de modo que o vapor precisa empurrar através da coluna de líquido. Num evaporador de filme descendente, o produto escorre pela parte interna do tubo como uma película fina, junto com o vapor, o que reduz o tempo de residência, diminui a diferença de temperatura necessária e tolera maior viscosidade.

P: Um evaporador de filme descendente consegue processar um produto viscoso?

Até certo ponto. À medida que a viscosidade aumenta, torna-se mais difícil manter a película contínua e cresce o risco de áreas secas. Além desse ponto, a solução habitual é acrescentar uma etapa de circulação forçada após o estágio de filme descendente, em vez de aceitar uma película com má molhabilidade.

P: Por que a capacidade diminui ao longo de uma campanha produtiva?

Quase sempre devido à incrustação em algum ponto da unidade, e muitas vezes ela começa na distribuição da alimentação, e não no próprio produto. Se o distribuidor não alimentar todos os tubos de forma uniforme, os tubos subalimentados incrustam primeiro e a perda de área superficial manifesta-se como queda de capacidade.

P: A tecnologia MVR é sempre mais barata para operar?

Não. O MVR transfere o custo do vapor para a eletricidade, portanto é vantajoso onde o vapor é caro ou indisponível e a tarifa de eletricidade é favorável. Também envolve o custo de capital e a manutenção do compressor. A comparação deve ser feita na fase de projeto, com base nos preços reais das suas utilities.

P: Qual nível de vácuo eu preciso?

Isso depende da temperatura máxima que o seu produto suporta, e não de um valor-padrão. Uma vez conhecido o limite de temperatura, o nível de vácuo é determinado pelo ponto de ebulição do seu líquido na concentração que você está atingindo.

P: Um único equipamento pode concentrar diversos produtos diferentes?

Sim, desde que tenha sido projetado para isso: um layout drenável, uma limpeza em lugar (CIP) eficaz e um controle baseado em receitas são as características habilitadoras. Nesse caso, o que você está adquirindo é velocidade de troca entre produtos e repetibilidade, e não apenas uma única função fixa.

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