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CURSO DE EVAPORAÇAO DE CALDO Reunion Conteúdo Objetivos Evaporação Tipos de evaporadores Elementos de evaporadores Operação da evaporação Controle operacional Cálculo de um conjunto de evaporação

Curso Evaporação

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Evaporação

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Page 1: Curso Evaporação

CURSO DE EVAPORAÇAO DE CALDO

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Conteúdo

ObjetivosEvaporaçãoTipos de evaporadoresElementos de evaporadoresOperação da evaporaçãoControle operacionalCálculo de um conjunto de evaporação

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ReunionObjetivos

Os sólidos solúveis se dividem em:açúcares (que são de nosso interesse recuperar); e,não açúcares (compostos orgânicos e inorgânicos - sais).

Uma análise de caldo misto pode mostrar:Brix = 14,1 % (total de sólidos solúveis)Pol = 12,1 % (total de sólidos solúveis açúcares)Pureza = 85,8 %Água = 85,9 % (100 - Brix)

O objetivo da operação de evaporação é a remoção da maior parcela possível da água contida no caldo clarificado, sem incorrer na cristalização da sacarose. Ou seja, objetiva a máxima concentração sem o aparecimento de cristais de sacarose.

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ReunionEvaporação

O caldo é geralmente concentrado até 60 a 65 oBx, necessitando para tanto que cerca de 75 % de seu conteúdo de água seja removido.A evaporação pode ser feita em:

um único efeito: tachos usados antigamente para produção de açúcar mascavo (inicialmente com fogo direto e posteriormente com vapor).

múltiplo efeito: sistema empregado pelas usinas e que promove economia de vapor de aquecimento (e bagaço).

O múltiplo efeito, além de promover economia de vapor de aquecimento, gera vapor (chamado vegetal) para uso no aquecimento de caldo e no aquecimento dos cozedores a vácuo.A condensação de vapor no múltiplo efeito gera condensado, utilizado como água de alimentação de caldeira, atendendo a maior parte desta necessidade.

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Page 5: Curso Evaporação

ReunionReunionMúltiplo Efeito

Para que o vapor gerado por uma caixa (corpo) possa aquecer e levar o caldo da caixa seguinte à ebulição é necessário que haja uma diferença de temperaturas que permita o transporte do calor do vapor ao caldo. Este efeito pode ser conseguido pela diminuição da pressão no topo da caixa seguinte.

Num múltiplo efeito este efeito é conseguido pela diminuição da pressão no topo da última caixa.

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ReunionTab. 1 - Relação entre pressão e temperatura de ebulição

P r e s s ã o T e m p e r a t u r ak g f /c m 2 ( a ) p .s . i .g ( o C )

2 ,7 2 4 ,1 8 1 2 9 ,3 42 ,6 2 2 ,7 6 1 2 8 ,0 82 ,5 2 1 ,3 3 1 2 6 ,7 92 ,4 1 9 ,9 1 1 2 5 ,4 62 ,3 1 8 ,4 9 1 2 4 ,0 82 ,2 1 7 ,0 7 1 2 2 ,6 52 ,1 1 5 ,6 4 1 2 1 ,1 62 ,0 1 4 ,2 2 1 1 9 ,6 21 ,9 1 2 ,8 0 1 1 8 ,0 11 ,8 1 1 ,3 8 1 1 6 ,3 31 ,7 9 ,9 6 1 1 4 ,5 71 ,6 8 ,5 3 1 1 2 ,7 31 ,5 7 ,1 1 1 1 0 ,7 91 ,4 5 ,6 9 1 0 8 ,7 41 ,3 4 ,2 7 1 0 6 ,5 61 ,2 2 ,8 4 1 0 4 ,2 51 ,1 1 ,4 2 1 0 1 ,7 6

1 ,0 3 3 0 ,4 7 1 0 0 ,0 0

Page 7: Curso Evaporação

ReunionTab. 2 - Relação entre pressão e temperatura de ebulição

V á c u ok g f /c m 2 ( a ) “ H g ( v á c u o ) ( o C )

0 , 8 9 5 4 9 6 , 00 , 8 3 3 5 9 5 , 00 , 8 0 0 6 9 3 , 90 , 7 6 7 7 9 2 , 70 , 7 3 3 8 9 1 , 50 , 5 6 7 1 3 8 4 , 80 , 5 3 3 1 4 8 3 , 30 , 5 0 0 1 5 8 1 , 60 , 4 6 7 1 6 7 9 , 90 , 4 3 3 1 7 7 8 , 10 , 2 6 7 2 2 6 6 , 50 , 2 0 0 2 4 6 0 , 20 , 1 6 7 2 5 5 5 , 80 , 1 3 6 2 6 5 1 , 50 , 1 0 1 2 7 4 5 , 5

Page 8: Curso Evaporação

ReunionReunionPríncipios de RillieuxNum múltiplo efeito o princípio de Rillieux diz que:

1. Um quilograma de vapor evaporará um número de quilogramas de água do caldo igual ao número de corpos do múltiplo efeito

Portanto:- num quádruplo efeito, um quilo de vapor evaporará quatro quilos de água;- num quíntuplo efeito, um quilo de vapor evaporará cinco quilos de água.

2. A quantidade de vapor economizada através das sangrias de vapor será:

(número do efeito de onde o vapor é sangrado)x(vazão de vapor sangrado) número total de efeitos

Sangria de 10 t/h de VG1 em cinco efeitos

Economia = 1*10/5 = 2 t/h

Sangria de 10 t/h de VG2 em cinco efeitos

Economia = (2*10)/5 = 4 t/h

Page 9: Curso Evaporação

ReunionReunionVantagens do uso do múltiplo efeito

Economia de vapor = Princípio de Rillieux descrito acima.Exemplo: Qual seria o consumo de vapor de escape para se concentrar 100 toneladas de

caldo por hora de 15 oBx até 60 oBx, num triplo, num quádruplo e num quíntuplo efeito?

Tipo No de efeitosÁgua

Evaporada(t/h)

Consumo deVapor de

Escape (t/h)Economia

(%)Simples

efeito1 75 75 0

Triplo 3 75 25,00 67Quádruplo 4 75 18,75 75Quíntuplo 5 75 15,00 80

Aumento da diferença de temperaturas para evaporação.Maior diferença de temperaturas entre o vapor de aquecimento e o caldo, correspondente à diferença entre as temperaturas de ebulição do caldo no primeiro e no último efeito.

Diminui o tempo de exposição do caldo a altas temperaturas.Desta forma se evita a inversão, a caramelização da sacarose e portanto a formação de cor, que é maior à medida em que o caldo se torna mais concentrado.

Page 10: Curso Evaporação

ReunionReunionLimites de temperaturas

Temperatura Superior: Existe uma temperatura crítica acima da qual o açúcar contido no caldo tende a

caramelizar, causando ao mesmo tempo a perda de sacarose e a formação de cor. A cor persistirá até a formação do cristal no cozimento, comprometendo sua qualidade.

Na literatura, para caldo de cana, há várias recomendações, que variam de 118 a 125 oC, como temperaturas máximas a serem atingidas pelo caldo em evaporadores comuns (“Robert”) operando como primeira caixa (pré-evaporador), onde o tempo de contato pode ser de alguns minutos (3 a 4 minutos).Por segurança não se deve exceder o valor de 120 oC, a uma pressão relativa de 1,0 kgf/cm2

Evaporadores de passagem rápida permitem o uso de temperaturas maiores. O quadro abaixo mostra as condições para primeira caixa (pré-evaporador).

No caso de evaporadores de filme-descendente, onde a passagem de caldo é muito rápida, se permitem temperaturas de até 130 oC.

Page 11: Curso Evaporação

ReunionLimites de temperaturasTemperatura inferior:

O limite da temperatura inferior é dada por:Aumento da viscosidade do xarope dificultando a transmissão de calor; Arraste

Em evaporadores tipo Roberts, a temperatura no último efeito deve ser mantida ao redor de 55,8 oC, que corresponde a um vácuo de 25 “Hg. Não se deve operar a evaporação com um vácuo na última caixa inferior a 24 “Hg (60,2 oC) e nem superior a 26 “Hg (51,5 oC).

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Diferença total de temperaturasDiferença total de temperatura disponível para operação:Respeitando-se os limites apresentados se obtém esta diferença:

Vapor de aquecimento = 127 oCVapor do último efeito = 56 oCDiferença disponível = 71 oC

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ReunionReunionLimite de concentração

A concentração na qual o açúcar contido no xarope começa a cristalizar está ao redor de 78 a 80 oBx.

Por segurança, para se evitar que ocorra a cristalização de açúcar, deve-se evitar a elevação da concentração do xarope acima de 70 a 72 oBx

Deve ser meta da estação de evaporação a produção de xarope com concentração de 65 - 67oBx.

Vantagens do uso de xarope com esta concentração:

Economia de vapor no cozimento.Menor tempo envolvido nas operações de cozimento.

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ReunionReunionTipos de Evaporadores

Os equipamentos de evaporação mais encontrados nas usinas de açúcar no Brasil são do tipo “Robert”. Além deste há outros tipos no mercado mundial, alguns já instalados no Brasil, como os a placas e os de filme descendente.

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ReunionEvaporador Robert

É o equipamento de evaporação de construção mais simples e de fácil instalação e operação. É constituído de um feixe tubular, um domo superior para separação de arraste e coleta de vapor e um fundo para circulação de caldo.Aspectos construtivos:O feixe tubular, também chamado de calandra, é formado por dois espelhos perfurados, onde são fixados os tubos por mandrilhamento. Geralmente são utilizados tubos com diâmetro de 38,1 mm (1 ½ “), de aço carbono, cobre ou aço inox. O comprimento dos tubos varia de 2,0 a 4,0 m dependendo de sua posição no múltiplo efeito.Com a finalidade de se diminuir o risco de arraste de gotículas de caldo pelo vapor de água que deixa o evaporador, a altura do domo superior deve ser igual a 2 a 2,5 vezes o comprimento dos tubos. A literatura chega a citar um mínimo de 1,5 vezes o comprimento dos tubos, mas o ideal é que não seja inferior a duas vezes este comprimento.

Lembrar que “o melhor separador de arraste é a altura do espaço vapor acima do espelho”.Vantagens deste equipamento:-Equipamento de construção simples; Fácil instalação e operação; Múltiplo efeito é auto-regulável;Menor custo; Fácil automação; Bom para separação de arraste.Desvantagens:- Capacidade limitada de troca térmica;- Maior tempo de retenção do caldo em temperaturas mais altas.

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VAPOR DEAQUECIMENTO

ENTRADA DECALDO

SAÍDA DECALDO

CONCENTRADO

CONDENSADO

VAPORVEGETAL

VAPOR + GASESINCONDENSÁVEIS

SEPARADOR DEARRASTE

CENTRÍFUGO

Fig. 1 -Evaporador tipo Robert

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ReunionReunionMúltiplo Efeito

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ReunionReunionMúltiplo Efeito

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Múltiplo Efeito

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Múltiplo Efeito

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ReunionReunionEvaporador a Placas

Estes evaporadores foram desenvolvidos a partir dos trocadores de calor a placas, com adaptações para circulação do caldo em fluxo vertical ascendente.Necessitam de grandes vasos separadores de vapor, podendo ser instalados em paralelo a caixas “Robert” existentes como “boosters”. Podem ser instalados dentro de vasos “Robert”, com remoção da antiga calandra.Sua taxa de evaporação chega a ser o dobro das taxas normalmente encontradas nos “Robert”.Vantagens deste equipamento:

- ocupa pequena área projetada em comparação com Robert de mesma capacidade;- capacidade pode ser aumentada com facilidade, pela inclusão de mais placas;- pode ser instalado como “booster” com investimentos reduzidos;- pode ser instalado no interior de caixas Robert, com remoção da antiga calandra.

Desvantagens:- automação é obrigatória;- requer recirculação, levando a custos extras de bombeamento;- unidades muito grandes podem apresentar problemas de circulação levando a incrustações severas, sendo fundamental um sistema de CIP.

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ReunionFig. 4 - Evaporador a Placas

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ReunionFig. 4 - Evaporador a Placas

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ReunionFig. 4 - Evaporador a Placas

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ReunionEvaporador a Placas

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ReunionReunionEvaporador de Filme Descendente (Falling Film)

Este tipo de evaporador se caracteriza por ter o caldo circulando pelos tubos verticalmente, de cima para baixo. Desta forma não há acúmulo de caldo nos tubos formando uma coluna hidrostática, não existindo, portanto, aumento da temperatura de ebulição. Nos “Robert” este fato diminui a diferença de temperatura efetiva na caixa.O vapor que se desprende do caldo, que circula verticalmente, de cima para baixo, impulsiona o líquido para baixo, formando um filme descendente que molha totalmente a supefície interna dos tubos. Portanto, este equipamento apresenta as vantagens dos “Kestner”, sem o superaquecimento na parte inferior, mencionado acima.Os evaporadores de filme descendente, por poderem trabalhar com diferenças menores de temperatura, permitem o uso de um número maior de efeitos. Com isso as sangrias para aquecedores e cozedores podem ser feitas de efeitos mais próximos do condensador, aumentando a economia de vapor de escape utilizado na evaporação.Este equipamento permite também o uso de temperaturas (pressões) maiores no vapor de aquecimento, uma vez que a permanência do caldo nesta condição é minimizada pela alta velocidade de circulação.

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ReunionReunionEvaporador de Filme Descendente (Falling Film)

Vantagens deste equipamento:- trabalha com pequenas diferenças de temperatura;- coeficiente de transferência de calor maior que dos “Robert”;- ocupa pequena área projetada.

Desvantagens:- necessita dispositivo especial e eficaz que garanta perfeita distribuição de caldo nos tubos, de forma a garantir superfície de aquecimento permanentemente molhada;- apresenta custo de bombeamento, com maior consumo de energia, pois necessita de bombas de recirculação para todos os efeitos;- pode apresentar problemas severos de incrustação, sendo fundamental um sistema CIP- Se a caixa de caldo for instalada logo abaixo do feixe tubular,faz-se necessária a instalação de sistema para impedir o arraste de caldo

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ReunionFig. 5 - Evaporador de Filme Descendente (Falling Film) Reunion

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ReunionReunion

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Sistema de distribuiçãoSPRAY SYSTEMS

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ReunionReunionEvaporador Híbrido Placas / Filme Descendente

Este equipamento tem seu princípio de funcionamento baseado na combinação dos princípios do evaporador a placas e do de filme descendente. Sua superfície de aquecimento é formada por um pacote de placas que permite que o caldo circule na vertical descendente, na forma de filme, em canais com a forma de tubos, com o vapor circulando pelo lado de fora, na parte corrugada das placas.

Vantagens deste equipamento:- segundo o fabricante, apresenta o maior coeficiente de troca térmica - pode trabalhar com pequenas diferenças de temperatura;- pode ser montado no interior de Robert existente, após remoção da calandra;- baixo tempo de residência do caldo (preserva o caldo).

Desvantagens:- difícil limpeza em caso de incrustação do pacote de placas, por ser todo soldado. Absolutamente indispensável um sistema CIP

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ReunionFig. 6 - Evaporador Híbrido Placas / Filme Descendente

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Reboilers

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ReunionReunionCirculação do caldo

Deve ser uniforme e adequada. Falta de caldo: aumento nas incrustaçõesExcesso de caldo: redução da capacidade

Num múltiplo efeito tipo Roberts, o que faz com que o caldo circule de uma caixa para a outra é a diferença de pressões existente entre elas.

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ReunionReunionCirculação do caldo

Pré 1o efeito 2o efeito 3o efeito 4o efeito115 104 88,5 55,8118 110 100 85,5 55,8

DISTRIBUIÇÃO TÍPICA DE TEMPERATURAS

QuádruploQuíntuplo

Pré 1o efeito 2o efeito 3o efeito 4o efeito1,7 1,19 0,68 0,1671,9 1,47 1,03 0,6 0,167

QuádruploQuíntuplo

DISTRIBUIÇÃO TÍPICA DE PRESSÕES

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Circulação do caldo Chapman

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Consiste no fechamento da parte inferior do tubo central por um funil, que forma o ponto de saída do caldo que passa à caixa seguinte. Este sistema obriga o caldo a passar pelo menos uma vez através dos tubos, não havendo curto-circuito. Esta modificação é fácil de ser implantada, mas deve-se lembrar que ela elimina a possibilidade de garantia de recirculação de caldo em caso de necessidade.

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Circulação “Webre”

Similar ao sistema anterior, com o funil instalado no interior do tubo central. A borda superior do funil ocupa apenas parte da área de passagem do tubo central e esta localizada a cerca de 30 % da altura dos tubos. Em caso de necessidade este sistema permite a recirculação de caldo.

ENTRADA DECALDO

SAÍDA DECALDO CONCENTRADO

CONDENSADO

VAPORVEGETAL

VAPOR + GASES INCONDENSÁVEIS

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CONTROLE AUTOMÁTICO PELA SAÍDA

CALDOCLARIFICADO

FC01

FCV01

LC01 LCV

01

LC02 LCV

02

LC03 LCV

03

PC01

PCV01

HLA01

LLA01

XAROPE

ÁGUA

VAPOR

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ReunionReunionNível de caldo

O nível de caldo nos evaporadores está diretamente ligado à performance do equipamento.Se o nível estiver muito baixo, o caldo em ebulição não atingirá o topo dos tubos, podendo secar e levar à queima de açúcar.Se o nível estiver muito alto, os tubos estarão submersos desaparecendo o efeito de filme ascendente comprometendo a evaporação.Experimentos feitos por Kerr resultaram no gráfico apresentado na figura 8. Este gráfico mostra a variação da taxa de evaporação (coeficiente de transmissão de calor) em função do nível hidrostático de caldo na calandra. O gráfico mostra claramente o máximo de taxa de evaporação para o nível de caldo a 35 % da altura dos tubos a partir do espelho inferior. Pode-se considerar que a taxa é máxima para níveis de caldo entre 30 e 40 % da altura dos tubos.Geralmente se diz que o nível de caldo deve ser mantido a 1/3 (33 %) da altura dos tubos, no entanto a prática mostra que este valor pode variar de 20 a 35 %.Por isso, o funil interno para coleta de caldo deve ser instalado a 1/3 da altura dos tubos.Quando a operação da evaporação é feita manualmente, é necessária a instalação de garrafas com indicadores de nível em todas as caixas de evaporação. Desta forma o operador pode visualizar o nível de caldo, melhorando suas ações de controle.Em operação manual deve-se preferir a interligação entre caixas através de sifão invertido. Facilita-se o controle de nível e garante-se que não haverá passagem de vapor de uma caixa para a outra.

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Nível de caldo

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ReunionReunionO Vapor de Aquecimento

O aquecimento do pré-evaporador é feito com vapor de escape. A capacidade de projeto de um conjunto de evaporação é definida em função da pressão e temperatura escolhidas para trabalho.Se a pressão do vapor de escape cai, esta diferença diminui, caindo a capacidade do conjunto de evaporação.Hugot (1), na página 574, mostra os ganhos em taxas de evaporação para um aumento de 1 oC na temperatura do vapor de escape e para a diminuição de 1 oC na temperatura do vapor no último efeito:

Aumento de 1 oC na temperatura do escape resulta emaumento de 3% na taxa média de evaporação .Diminuição de 1 oC na temperatura do vapor do último efeito resulta em aumento de 0,9% na taxa média de evaporação .

Destes fatos decorre a importância da manutenção da pressão (temperatura) do vapor de escape em seu valor de projeto, com a menor flutuação possível.Por outro lado é também muito importante que o vapor de aquecimento chegue à evaporação saturado ou muito próximo da saturação, senão o vapor, ao entrar no equipamento, precisará primeiro se resfriar até a temperatura de saturação para então condensar, cedendo seu maior conteúdo de calor ao caldo.Destes fatos decorre a importância da instalação de um dessuperaquecedor na linha de vapor de escape que alimenta a evaporação, para controle de sua temperatura.

Page 43: Curso Evaporação

ReunionReunionCondensados

Todo vapor que entra na calandra de qualquer evaporador se condensa nos tubos para ceder seu calor latente ao caldo, permitindo sua ebulição e concentração.

O vapor ao se condensar se transforma em água, chamada de condensado, que deve ser removido da calandra o mais rápido possível, para não inundar a calandra cobrindo os tubos, ou parte dos tubos, diminuindo a capacidade do evaporador.

A remoção deste condensado é feita através de drenos localizados na parte inferior da calandra, nivelados ao espelho inferior.

Os drenos de condensados devem ser amplos e instalados junto a calandra na forma de caixas. Estas caixas são excelentes pontos para instalação de sistemas de retirada de gases incondensáveis. A conexão dos tubos com as caixas de drenagem deve ser feita através de uma redução, a fim de que a captação dos condensados não sofra interferência de gases e vapores

Page 44: Curso Evaporação

ReunionReunionSistemas para Retirada de Condensados

Calandra sob pressão positiva:- purgador;- tanque de coleta, com controle de nível.

Calandra sob vácuo:- coluna barométrica com caixa selada;- sifão com balões de “flash”.

Page 45: Curso Evaporação

ReunionReunionPurgadores

Se trata de sistema mecânico cujo princípio de funcionamento se baseia na diferença de densidade entre vapor e condensado. Dentre os vários tipos e modelos existentes no mercado, o termostático de bóia tem funcionado bem, permitindo, inclusive, a eliminação de ar e gases incondensáveis. Apresenta fragilidade a golpes de ariete.

Outro tipo também bastante utilizado e o térmico, que também funciona por diferença de temperaturas. Seu sistema consiste de fole metálico ou membranas, que sofrem dilatação acionando a haste da abertura de descarga. Este purgador apresenta dimensões reduzidas, grande capacidade de descarga e pode operar sob vácuo. Também apresenta fragilidade a golpes de ariete. Precisa ser instalado em local que garanta coluna de condensado a montante do purgador.

Os purgadores apresentam a desvantagem de serem caros e apresentarem manutenção onerosa.

Page 46: Curso Evaporação

ReunionTanque de Coleta de Controle de Nível

Trata-se de solução alternativa ao uso de purgadores para caixas sob pressão positiva, relativamente barata, eficiente e de fácil manutenção. As tubulações de drenagem da calandra do pré-evaporador são encaminhadas a um tanque pressurizado, localizado no piso inferior à evaporação. Este tanque dispõe de uma malha de controle de nível de forma a manter um nível de segurança e selagem, liberando o condensado, à medida em que é formado, para envio ao tanque de água de alimentação das caldeiras ou ao sistema de “flash”.

Page 47: Curso Evaporação

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Tanque de Coleta de Controle de Nível

Page 48: Curso Evaporação

ReunionReunionRecuperação do Vaporde Flash dos Condensados

Sifões com balões de “flash”: trata-se de sistema de coleta de condensados que permite o aproveitamento de parte de seu conteúdo de energia, pelo uso do vapor de flash obtido pela exposição do condensado de uma caixa à pressão menor da caixa seguinte

Vantagens deste sistema:- economiza energia;

- apresenta pequeno investimento inicial;

- baixíssimos custos de manutenção.

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ReunionReunionRecuperação do Vaporde Flash dos Condensados

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Page 51: Curso Evaporação

ReunionReunionIncondensáveis

O vapor que chega às calandra de qualquer evaporador traz consigo gases incondensáveis que precisam ser removidos continuamente. Seu acúmulo na calandra compromete o processo de transferência de calor impedindo o perfeito funcionamento da caixa, podendo interromper a evaporação.Os incondensáveis se originam de:- ar contido no vapor de escape. Seu teor não é muito elevado, sendo maior durante as

partidas;- gases dissolvidos no caldo e liberados durante a ebulição;- vazamentos de ar para o interior dos corpos sob vácuo, através de juntas, válvulas visores.A maior parte destes gases é formada por ar.As quantidades destes gases presentes nos vapores é pequena para os corpos aquecidos com vapor de escape, mas é bem maior para os corpos aquecidos com vapor vegetal, principalmente para aqueles sob vácuo (mais sujeitos a vazamentos de ar para seu interior).Uma pequena proporção de gases incondensáveis é suficiente para fazer com que a temperatura de condensação do vapor na calandra caia abaixo da temperatura do caldo que deveria aquecer.Por isso sua remoção deve ser eficaz e contínua.

Page 52: Curso Evaporação

ReunionReunionRetirada de Gases

Geralmente os corpos de evaporação têm tubulações para retirada de gases na parte superior e na parte inferior das calandras. Testes mostraram que a proporção de gases incondensáveis é maior na parte inferior da calandra. Portanto, durante a operação pode-se praticamente operar com as retiradas superiores de incondensáveis fechadas, mas nunca com as inferiores, que sempre deverão estar purgando gases.

O método para verificar se a remoção está sendo eficiente ou não faz uso da medição da temperatura do vapor de aquecimento da calandra e do vapor retirado através da tubulação de degasagem, antes da válvula de regulagem. O vapor saindo pela degasagem deverá apresentar uma temperatura de cerca de 2 a 3 oC abaixo do vapor de aquecimento da calandra.

Page 53: Curso Evaporação

ReunionReunionRetirada de Gases

Page 54: Curso Evaporação

ReunionVácuo

O sistema de evaporação em múltiplo efeito só funciona porque é possível se estabelecer uma diferença de temperatura de cerca de 70 oC, entre o vapor de aquecimento (escape - 127 oC) e o vapor que sai do último corpo (vegetal - 57 oC).Para obtenção desta temperatura de 57 oC no último efeito, se faz uso da geração de vácuo em seu espaço vapor, que deve ser mantido a cerca de 25 a 26 “Hg.O trabalho sob vácuo apresenta as seguintes vantagens:

- reduz a temperatura de ebulição, permitindo a evaporação da água (concentração) a baixas temperaturas;- diminui a temperatura de operação, evitando a destruição de açúcar e a formação de cor.

O vácuo é um dos extremos que garante a capacidade do multiplo efeito, portanto deve ser mantido alto (25 - 26 “Hg) e estável, evitando-se flutuações.Para manutenção eficiente de vácuo alto e estável é através da instalação de sistema automático de controle de pressão no último corpo, atuando na válvula de alimentação de água ao condensador.

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Page 55: Curso Evaporação

ReunionCondensadores

Nos sistemas de evaporação se aproveita a condensação do vapor que deixa o último efeito para geração do vácuo. Os equipamentos utilizados para este fim são os condensadores barométricos. Nos condensadores o vapor que chega do evaporador é colocado em contato direto com a água de condensação. São, portanto, trocadores de calor de contato direto.

Existem dois tipos de condensadores :- as colunas barométricas, e;- os multijatos .

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Page 56: Curso Evaporação

ReunionColunas Barométricas

São equipamentos que permitem o contato íntimo do vapor com a água, facilitando a condensação. Dispositivos internos fazem com que a água se apresente sob a forma de gotas, cortina, filme etc, aumentando sua área exposta ao vapor.

Podem ser concorrente (água e vapor fluem de cima para baixo) ou contracorrente (vapor entra por baixo e sob através da água).

Este equipamento necessita de bomba de vácuo, ou ejetor, para remoção dos gases incondensáveis.

Condensadores contra corrente com saída de ar pelo topo fornecem gases com temperatura mais baixa, diminuindo o consumo de potência na bomba de vácuo.

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Page 57: Curso Evaporação

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Figura 13. Geração de vácuo. Condensadores

CondensadorBarométrico

Multijato

Água

ArAr

Ar Ar

fria

Vapor aCondensar

Vapor aCondensar

ÁguaQuente

ÁguaQuente

ÁguaQuente

Água

Águafria

Condensadores

Page 58: Curso Evaporação

ReunionRecomendações e cuidados aserem tomados para se evitar o arraste

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1- Evitar a elevação do vácuo na última caixa a valores desnecessários. A operação a 25 - 26 “Hg é satisfatória.

2- Alimentar o caldo pelo fundo da calandra, com defletores.

3- Evitar a operação do múltiplo efeito acima de sua capacidade normal.

4- Manter o nível de caldo a 1/3 da altura dos tubos, evitando variações e, se possível, instalando controle automático.

5- Equipar o evaporador com um separador eficiente.

6- Manter uniforme a alimentação do múltiplo efeito, evitando variações bruscas.

7- Além de tudo isto, não se deve esquecer que o melhor separador de arraste é a altura do espaço vapor. O corpo superior deve ter uma altura igual a 2 a 2,5 vezes a altura da calandra.

Page 59: Curso Evaporação

ReunionPerdas por Inversão de Açúcar

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Quanto maior a temperatura e quanto menor o pH, maiores as perdas por inversão. Acima de 100 oC a taxa de inversão aumenta rapidamente. Quanto ao pH, as perdas são maiores abaixo de 6,5.A estes dois fatores soma-se o tempo de exposição do caldo a determinada temperatura.Portanto, pH baixo de caldo clarificado, temperatura alta na evaporação e alto tempo de retenção nos evaporadores aumentam as perdas de sacarose por inversão.Não se deve ficar acumulando caldo nos evaporadores, melhor compatibilizar as vazões e os volumes dos tanques de caldo clarificado e xarope.De acordo com Honig, a queda normal de pH entre o caldo clarificado e o xarope é de 0,3 e não devendo exceder 0,5.

Page 60: Curso Evaporação

ReunionPerda de Calor

Cada vez mais se vê reforçada a necessidade de economia de energia, por questões ambientais e mesmo de uso racional, que possa permitir rendimentos adicionais (economia de bagaço; geração de energia elétrica).

Sob esse aspecto assume grande importância o isolamento de equipamentos e linhas, principalmente na evaporação onde a superfície exposta geralmente é muito grande.

Recomenda-se que todas as superfícies sejam isoladas e que o sistema de isolamento seja estanque à entrada de água, principalmente se os equipamentos estiverem montados a céu aberto.

Kerr estima que as perdas num quádruplo efeito, em porcentagem do vapor fornecido ao primeiro efeito (pré), sejam:

9,8% para instalação não isolada;5,0% para instalação parcialmente isolada;2,7% para instalação completamente isolada.

Reunion

Page 61: Curso Evaporação

ReunionAvaliação de Performance

Principais informações necessárias a uma correta operação da evaporação:

Nível de caldo no tanque de caldo clarificado.Vazão de caldo alimentada ao múltiplo efeitoPressão e temperatura do vapor de escape.Pressão e temperatura do espaço vapor de todos os corpos.Pressão e temperatura do vapor na calandra de todos os corpos.Visor de nível de caldo em todos os corpos.Visor de nível de condensado em todas as calandras.Pressão e temperatura da água alimentada ao condensador.Temperatura da água deixando o condensador, medida na “perna” do equipamento.Nível de xarope na caixa de xarope.Brix do xarope

Page 62: Curso Evaporação

ReunionProcedimento de cálculo de evaporadores

Para o dimensionamento de um sistemade evaporação, os seguintes passosdevem ser observados:

1. Balanço de massa geral; 2. Definição das sangrias;3. Cálculo da superfície de aquecimento

Page 63: Curso Evaporação

ReunionBalanço de massa

Volume de controle = Evaporação completa

Evaporação

Água

M2=Y

XaropeM3= XC3=65oB

Caldo

M1=260 t/h

C1=15,4oB

Balanço de sólidos:

M1.C1=M3.C3

260.0,154=0,65.M3

M3 = 61,6 t/h; M2=198,4 t/h

Balanço geral:

M1=M2+M3

Page 64: Curso Evaporação

ReunionReunionBalanço de massa

Page 65: Curso Evaporação

ReunionReunionSangrias

Antigamente os conjuntos de evaporação eram construídos com todos os corpos do múltiplo efeito de igual tamanho e cada um fornecia vapor ao corpo seguinte.Mesmo nestas condições, é possível se retirar uma parte do vapor que se dirige a qualquer uma das caixas para utilização em aquecimentos.A este vapor vegetal retirado para outros usos se dá o nome de “sangria”. Ver figura 9.Estas quantidades de vapor a serem sangradas devem ser consideradas já quando do projeto da estação de evaporação, para que as áreas de troca térmica dos corpos sejam adequadas.A operação de sangria é muito vantajosa sob o ponto de vista de otimização do balanço térmico. Sempre que se utiliza vapor vegetal sangrado de uma caixa de evaporação se economiza vapor de escape, melhorando o balanço térmico e propiciando economia de bagaço. Esta economia é maior à medida que a sangria é feita de caixas mais próximas da última.O múltiplo efeito oferece uma ampla gama de temperaturas de vapor, por meio das quais pode ser concebido um sistema de aquecimento em degraus do caldo frio até a temperatura usada na decantação. Se em cada etapa se procurar utilizar o máximo possível de vapores de baixa temperatura a economia de vapor obtida será maximizada..

Page 66: Curso Evaporação

ReunionReunionSangrias

Exemplos de sangrias normalmente praticadas:Efeito de origem do vapor de sangria Uso1a Caixa - Pré-evaporador Aquecimento de caldo para “flash”

Aquecimento de caldo clarificadoCozedores a vácuoDestilaria

2a Caixa Aquecimento de caldo a sulfitarCozedores a vácuo

3a Caixa Aquecimento de caldo a sulfitar

Recomendação:Evitar a interligação de vapores vegetais de pressões diferentes para fornecimento alternativo a um mesmo equipamento. Exemplo: conexão de vapor de 2a e de 3a caixas num mesmo aquecedor de caldo.As válvulas podem não vedar adequadamente e se promoveria o vazamento e mistura de vapores, eventualmente atrapalhando a circulação de caldo no múltiplo efeito pela equalização de pressões

Page 67: Curso Evaporação

ReunionBalanço de massaPara este cálculo, vamos admitir:

VG1: Aquecimentos=10,3 t/hDestilaria= 21,0 t/h

VG2: Aquecimentos=11,1 t/hFábrica= 28,2 t/hRefinaria=24,7 t/h

VG3: Aquecimentos=8,3t/h

Page 68: Curso Evaporação

ReunionBalanço de massa

M=260 t/h

C= 15,4 BM=61,6 t/h

C= 65,0 B

1 2 3 4 5

X+S2+S3 X+S3S1+S2+S3+X

S1 S2 S3

X X

Page 69: Curso Evaporação

ReunionBalanço de massaÁgua evaporada:Efeito 1: S1+S2+S3+XEfeito 2: S2+S3+XEfeito 3: S3+XEfeito 4: XEfeito 5: XAE: S1+2S2+3S3+5X198,4= 31,3+2.(64)+3.(8,3)+5x198,4=184,2+5XX= 2,8

Page 70: Curso Evaporação

ReunionBalanço de massa

M=260 t/h

C= 15,4 BM=61,6 t/h

C= 65,0 B

1 2 3 4 5

75,1 2,8 2,8106,4

M=153,6 t/hC= 26,0B

M=78,5 t/hC= 50,6 B

M=67,4 t/hC= 58,9 B

M=64,6 t/hC= 61,4 B

Cm=28,2 Cm=38,3 Cm=54,7 Cm=60,1 Cm=63,2

31,3 64,0 8,3

11,1

Page 71: Curso Evaporação

ReunionBalanço de energia

Conceitos:Taxa de evaporação: quantidade de água evaporada por hora por m2

Taxa de evaporação específica: quantidade de água evaporada por hora por m2 por oC de queda de temperatura Coeficiente de troca térmica teórico: quantidade de calor transmitida por hora por m2 por oC de queda de temperaturaCoeficiente de troca térmica corrigido: quantidade de calor transmitida por hora por m2

por oC de queda de temperatura contados os efeitos da pressão hidrostática e do brix do caldo

Page 72: Curso Evaporação

ReunionPerfis de pressão e temperatura:

O perfil de pressões dos efeitos varia em função da pressão do vapor de escape, com as áreas de troca de cada caixa e com a distribuição das sangrias.Para efetuar o cálculo de área necessária de evaporação, é necessário estimar quais pressões seriam estas e depois ajustá-lasPara o “chute” inicial, Hugot recomenda os seguintes valores de pressão (em bar abs):

VE=2,4; V1=1,7; V2=1,35; V3=1,0; V4=0,6 V5=0,167 (25” Hg)

Page 73: Curso Evaporação

ReunionQuedas de temperatura

Utilizando estes valores de queda de pressão, temos:

TE=126,1 oCT1=115,1 oCT2=108,2 oCT3=99,6 oCT4=85,9 oCT5=56,0 oC

Page 74: Curso Evaporação

ReunionCálculo da superfície de evaporação específica

Fórmula de DessinSEE=0,0008.(100-Brix).(T-54)

(brix na saída do efeito)

Para os efeitos escolhidos:Pré: SEE=0,0008*(100-26).(127-54)=4,32 kg/h/m2/oC1: SEE=0,0009*(100-50,6).(115-54)=2,71 kg/h/m2/oC2: SEE=0,0009*(100-58,9).(108,2-54)=2,004 kg/h/m2/oC3: SEE=0,0009*(100-61,4).(99,6-54)=1,584 kg/h/m2/oC4: SEE=0,0009*(100-65,0).(85,9-54)=1,00 kg/h/m2/oC

Page 75: Curso Evaporação

ReunionCálculo de área

S=Água evaporada(SEEC)*dT

Mas, para tal, o dT deve ser o dT real

Neste caso, deve-se considerar osefeitos da pressão hidrostática e do brix do caldo sobre o ponto de ebulição

Page 76: Curso Evaporação

ReunionEfeito do brix

Page 77: Curso Evaporação

ReunionEfeito do brix

Este efeito também pode ser calculado através da fórmula:

Epe=2*B/(100-B) (brix médio)

Page 78: Curso Evaporação

ReunionEfeito da pressão hidrostática

Page 79: Curso Evaporação

ReunionEPE

Pré: EPE Brix=0,52; EPE PH=1,19Te=115+1,71=116,71oC (Delta T=127-116,71=10,3oC)

1o. : EPE Brix=1,2; EPE PH=1,64Te=108,2+2,84=111,04oC (Delta T=116,7-111,04= 5,66oC)

2o.: EPE Brix=2,5; EPE PH=2,43Te=99,6+4,93=104,5oC; (Delta T=111,04-104,5= 6,87oC)

3o.: EPE Brix=3,17; EPE PH=3,95Te=85,9+7,12=93,02oC; (Delta T=104,5-93,02= 11,48oC)

4o.: EPE Brix=3,52; EPE PH=9,00 Te=56,0+12,52=68,52oC (Delta T=93,02-68,52= 24,5oC)

Page 80: Curso Evaporação

ReunionCálculo da Superfície de evaporação

S=Água evaporada(SEEC)*dT

S pré= 106,4*1.000/(4,32*10,3)=2.391,1 m2

S1= 75,1*1.000/(2,71*5,66)=4.896 m2

S2= 11,11*1.000/(2,004*6,87)=806m2

S3= 2,8*1.000/(1,584*11,48)=200m2

S4= 2,8*1.000/(1,00*24,5)=130 m2

Recálculo tx. EvaporaçãoT1=106.400/2.391,1= 44,5 kg/h/m2

T2=75.100/4.896= 15,3 kg/h/m2

T3=11.110/806= 13,77 kg/h/m2

T4= 2.800/200= 14,0 kg/h/m2

T5=2.800/130= 21,5 kg/h/m2

Page 81: Curso Evaporação

ReunionVerificação dos resultados

Sabemos que, usualmente temos:Pré: 25 a 30 kg/h/m2

1o Efeito: 25 a 30 kg/h/m2

2o Efeito: 20 kg/h/m2

3o Efeito: 20 kg/h/m2

4o Efeito: 20 kg/h/m2

Como resolver o problema?Retrofit alterando as pressões atribuídas inicialmente para os efeitos

Page 82: Curso Evaporação

ReunionComplemento de área

Se o caldo chegar ao pré evaporador com temperatura inferior à temperatura de ebulição dentro do evaporador, temos que complementar a área do pré para que o caldo seja aquecido e então entre em ebulição=

As=0,1*Mcaldo misto*(Teb.- Tcaldo entrando)

Page 83: Curso Evaporação

ReunionPrática

Dimensionar um sistema de evaporação com características similares aos da PBE nas seguintes condições:1. Cozimento massa B no VG3 (considerar

vazão de vapor ½ da vazão necessária para o cozimento completo)

2. Operação da usina com VE= 2,8 bar