A Evaporação de Caldo é uma das mais importantes operações unitárias dos processos na indústria. O açúcar está diluído em partes de água no caldo de cana. Temos no caldo de cana entre 75% a 82% de água e Sólidos Solúveis entre 18% a 25%, ou seja, consideram-se três partes de água para cada parte da matéria-prima, com isso necessitam a remoção desta água e a concentração do Caldo Clarificado.
Para conseguir ter caldo concentrado denominado de “xarope” é preciso ter um Sistema de Evaporação, um dos processos mais importantes na fabricação de açúcar.
O objetivo do Sistema de Evaporação do Caldo é a remoção da maior parcela possível da água contida no caldo clarificado oriundo do tratamento de caldo, sem que haja a cristalização da sacarose. Ou seja, objetiva a máxima a concentração sem o aparecimento de cristais de sacarose, pois a função da Evaporação é somente retirar a água no Caldo Clarificado tornando em um caldo concentrado que seguirá para a fábrica de açúcar. Normalmente usa-se concentrar o Caldo de 60 a 65° Brix.
Este termo “Brix” é muito utilizado na indústria sucroenergética como parâmetro de medição expressada em peso/peso dos sólidos solúveis contido em uma solução de sacarose. Brix: é a porcentagem aparente de sólidos solúveis contido em uma solução açucaradas impuras.
Tipos de Evaporadores de Caldo
Evaporador tipo Roberts
Um dos equipamentos mais encontrados nas usinas é do tipo Robert. Este equipamento é de fácil instalação de construção e de operação por isso tende ser o mais utilizado. É constituído por uma calandra, feixe tubular, domo superior, separador de arraste, coleta de vapor e condensado, fundo para recirculação de caldo.
Vantagens:
A sua construção e instalação é simples; tem fácil operação e fácil para automação; menor custo; taxa mais constante; recirculação natural; mais suscetível às oscilações e tem melhor separação de arraste.
Desvantagens:
Maior tempo de retenção de caldo; elevação de temperaturas na ebulição; a capacidade limitada na troca térmica.
Esse tipo de evaporação pode ser trabalhado de forma manual e sem qualquer tipo de automação, um equipamento que aceita melhor as variações de processo, mesmo quando existem algumas oscilações nas vazões. Por outro lado, as temperaturas tendem a ser mais altas podendo ter aumento na cor do xarope e com o tempo de retenção maior pode ocasionar perda de sacarose.
Deve-se levar em consideração que a circulação do caldo deve ser muito bem projetada, a sua geometria de instalação deve ser adequada de maneira que o caldo passe entre os efeitos sem que haja excesso nos tubos e sem interferência dos operadores. Normalmente se trabalha com 1/3 da altura dos tubos, não podendo ultrapassar este nível, pois certamente a taxa de evaporação diminuirá e a eficiência será baixa podendo ter arraste entre os efeitos e com isso a perda de açúcar será altíssima.
Evaporador tipo Falling Film ou PFD – Película Filme Descendente
Evaporadores de Filme Descendente se caracteriza por não acumular caldo nos tubos e ter circulação de caldo pelos tubos verticais de cima para baixo, formando uma película nos tubos e assim tendo uma coluna hidrostática. Neste tipo de Evaporadores temos dois sistemas: Névoa turbulenta e por Vertedores.
Sistema de Névoa turbulenta são de distribuição de alimentação com spray realizada na parte superior no topo do evaporador, na posição no centro do tampo torisférico para que se tenha uma ótima distribuição sem que haja falha no direcionamento e distribuição do caldo sobre os tubos. É constituído por uma calandra, feixe tubular, bico spray, separador centrífugo ou balão separador.
Sistema por Vertedores a alimentação distribuída e posicionada na parte superior no centro no topo do tampo torisférico, com direção nos vertedores, ou seja, bandejas instaladas para a distribuição em todo o perímetro do tubo, este deve ter cuidados nas instalações das bandejas para que não fiquem em desnível e proporcionar a má distribuição do caldo, alguns projetos com uma ou duas bandejas para a distribuição. É constituída por uma calandra, feixe tubular, bandejas distribuidoras, separador centrífugo ou balão separador.
Nesses dois sistemas precisa-se de bomba de recirculação de caldo é um dos princípios básicos, e a taxa de reciclo que deve ser condizente com o sistema para evitar possíveis falhas no fluxo na alimentação para que não haja a queima de sacarose e as incrustações devido à queima, o que ocasiona a incrustação por carbonização da matéria orgânica podendo ter entupimento dos tubos reduzindo a taxa de evaporação. A vazão de recirculação depende do comprimento dos tubos, da taxa de umectação, a área de troca térmica e da capacidade da evaporação.
Vantagens:
A taxa de evaporação alta (limpo) com sua taxa melhor do que do tipo “Robert”, tendo um tempo de residência menor. Trabalham com temperaturas de ebulição menor ou com pequenas diferenças, a instalação de autoportante e compacto, podendo ter campanhas de limpezas maiores com os devidos cuidados, realização de limpezas químicas evitando que haja operadores na limpeza com hidro ou roseta e assim não tendo problemas com espaço confinado. Normalmente é ocupada e projetada em áreas industriais mais compactas.
Desvantagens:
Um dos maiores problemas é com a distribuição de caldo nos tubos. Necessita de recirculação forçada com alta potência, às ampliações são de alto custo, oscilações na alimentação leva a taxa de incrustação inorgânica e orgânica, podendo gerar algumas eventuais limpezas mecânica ou com hidro jateamento, necessário ter automação implantada no sistema, sistema de CIP (Clean In Place) é fundamental.
Este sistema de evaporadores Falling film é vantajoso quando há pouca diferença de temperatura entre o vapor de aquecimento e o caldo dentro do evaporador. Normalmente tem sua função empregada como primeiro efeito que são de melhores desempenhos, mas podendo ter aplicações em outros efeitos e também em linhas de efeitos.
Em muitas literaturas dizem que este sistema tem a vantagem de reduzir a queima de sacarose devido seu baixo “tempo de residência.” Mas se tiver vazão muito baixa ou oscilações constantes e deficiência na recirculação as incrustações são muito fácil de acontecer e com isso as aderências nas paredes serão inevitáveis tendo a queima do caldo com aumento da cor afetando a qualidade do produto final e as inversões de sacarose será um fato.
Evaporador tipo satélite a placas
A evaporação tipo satélite a placas o caldo passa por um aquecimento por meio de contra fluxos sobre um conjunto de placas bem definidas gerando uma turbulência para resultar na troca térmica. Devido a esta transferência de calor são gerados vapores e líquidos que são separados nos separadores centrífugos a jusante.
Neste sistema o aquecimento pode ser por diferentes meios devido às geometrias de placa, o sistema pode ser aquecido tanto com água quente como com vapor. Podendo ter taxas de evaporação adaptáveis devido ao conjunto de placas podendo ser adicionando ou removendo placas de acordo com a necessidade do processo.
Um dos diferenciais é que o caldo para ser aquecido e ou evaporado necessita de menor diferencial de temperatura entre os fluidos com isso gera um vapor vegetal (V1) com maior temperatura.
Vantagens:
Permite ter uma redução no consumo de vapor de escape, menor perda de sacarose devido ao tempo de residência, permite alterar a taxa de evaporação pelos conjuntos de placas, não precisa parar todo o sistema para efetuar a limpeza, menor diferença de pureza do caldo de entrada com a saída do xarope consequentemente menor perda de sacarose, menor queda de pH entre as concentrações de caldo/xarope.
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Desvantagens:
Necessário de dois sistemas de CIP (Clean In Place) um para a limpeza química dos evaporadores a placa e outro para os regeneradores de calor com sistema de automação para os sistemas de limpeza. Alto custo para implantação na automação para todo o sistema evaporação/limpeza, não tendo flexibilidade de operação manual a automação é indispensável, pode ter elevadas incrustações, separadores de vapor ou arraste sendo fundamental.
O que vai determinar uma ótima taxa de evaporação nesse sistema é a eficiência da Limpeza Química, entretanto ficar desmontado placas para limpeza não é pratico e muito menos econômico. Vale ressaltar que no projeto é necessário ter tomadas de amostras para que possam ser realizadas inspeções preventivas de perdas e assim evitar baixa eficiência Global.
Layout Simplificado
Evaporador tipo Multi Calandrias / Satélite de tubos
Este sistema de multi calandrias é dividido entre várias calandras mantendo o mesmo domo para o flasheamento e evaporação. Os tubos da multi calandrias são mais curtos. As calandras são instaladas ao redor do domo para facilitar a distribuição de caldo e evitar gastos com tubulações desnecessárias.
As taxas de evaporação são normalmente maiores comparados aos do Robets, pois a carga hidrostática é reduzida sobre o líquido a ser evaporado. O caldo é distribuído para as multi calandrias na parte inferior dos tubos e retornando para a parte superior do domo para efetuar o flasheamento/evaporação.
O caldo é distribuído para as células/satélites que constitui de trocadores de calor de feixe de tubular, é realizado troca de calor com vapor, o caldo passa pelo sentido ascendente e retorna ao domo onde ocorrerá a separação do vapor e caldo, os condensados e gases incondensáveis leves e pesados são extraídos de todas as células/satélites. O vapor que é gerado no domo é direcionado para um separador de arraste no seu interior. O caldo do interior do domo é retirado através de bombas de nível de controle.
Por serem células separadas as vazões são distribuídas, sendo assim recebem cargas melhores distribuídas possibilitando menores níveis de incrustações. Limpezas químicas como sistema de CIP (Clean In Place) são muito bem aceitas devido às baixas cargas em todas as células.
Havendo a necessidade limpeza mecânica ou com a hidro vale ressaltar que neste sistema não exige que a mão de obra entre nas caixas e com isso reduz os passivos trabalhistas e riscos de acidentes que é de suma importância para qualquer empresa.
Vantagens:
As taxas de evaporação são mais constantes, o seu sistema modular é de baixo custo, as limpezas mecânicas com alta segurança operacional são de baixa potência e menor interferência nas vazões do processo, constituídos de um separador de arraste interno de alta eficiência no balão separador. São equipamentos autoportantes, tende a ter uma otimização nas interligações devido de as células/satélites não serem espaços confinados reduz os passivos trabalhistas e riscos de acidentes.
Desvantagens:
Trabalha com elevação da temperatura de ebulição, necessária automação no sistema, descontroles na distribuição de caldo ocorrem perdas na taxa de evaporação.
Este sistema se difere dos demais podendo ter sua operação parcialmente contínua durante a safra. Algumas Usinas tratam como células ou satélites. O sistema é projetado de tal forma que as células podem ser paralisadas para limpezas de forma que não altere a sua eficiência de evaporação podendo parar somente uma célula/satélite para efetuar a limpeza.
Fonte: https://www.procknor.com.br/br/equipamentos/evaporador-multisat
Layout Simplificado
Evaporação Hibrida Placas / Filme descendente
Este sistema é um mix de evaporador a placas com o de filme descendentes, o funcionamento se baseia nas combinações desses dois sistemas. No seu interior é instalado um pacote de placas onde o caldo circule na vertical descendente como um filme, são constituídos por alguns canais com o formato de tubos onde o vapor circula na parte externa desses canais que são as partes corrugadas das placas.
O Caldo é distribuído nas placas de forma vertical descendente, os canais de coleta de caldo são direcionados ao centro para ser retirado o caldo concentrado. Seu vapor gerado direciona pelas extremidades das placas e logo em seguida passando pelos os separados de arraste instalados na parte superior do corpo.
Vantagens:
Baixo tempo de residência, podendo trabalhar com pequenas diferenças de temperatura, maior coeficiente de troca térmica.
Desvantagens:
Alta dificuldade em realizar a limpeza, necessário limpeza química com sistema CIP (Clean In Place), é de fácil incrustação e entupimentos das placas. Necessário sistema de automação, alto custo de ampliação.
Qual a melhor escolha a ser feita?
Primeiro passo é realizar o Planejamento de Produção atual e futuros, segundo é realizar um excelente balanço de massa e energia do seu processo e a capacidade da planta e o consumo será com base a matéria prima disponível para o processamento que se planeja.
Identificar qual a disponibilidade de Vapor Gerado e consumo com o diagrama de vapor, Energia Elétrica disponível, Fluxos de Caldo do Processo contendo o balanço de ART, capacidade de troca térmica com o balanço térmico, capacidade de geração de condensado e o consumo de água da planta e outros inseridos no balanço, dará um norte para qual modelo aplicar.
E será indispensável analisar economicamente qual equipamento atenderá todo o processo e que possa viabilizar no aspecto econômico. Realizar os valores de m² de menor custo e com maior eficiência, qualidade e que atenda todas as Normas Regulamentadora de seguranças visando a melhor proteção para a operação é um dos aspectos que deve ser considerados para sua escolha.
O equipamento a ser escolhido deverá ser sem dúvida aquele que terá maior eficiência possível com o menor custo, no qual os resultados de Eficiência Global, Produtividade e qualidade serão o melhores para o retorno financeiro, econômico e mantendo a organização sempre competitiva no mercado podendo assim efetuar seus investimentos anuais de melhorias.
Anderson Peres de Souza é Gestor de Produção
