Evaporação

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7.1 Introdução

Evaporação é a operação unitária que tem por objetivo a concentração de soluções pela remoção de parte dos seus componentes voláteis que para a quase totalidade dos casos o solvente volátil em questão é a água. A evaporação tem por objetivo retirar a água de uma solução resultando num produto líquido de maior concentração, distinguindo-se da operação de secagem em que o objetivo é também a retirada de água, mas de um sólido, resultando num produto também sólido, mas com menor teor de umidade.

A evaporação do caldo de cana clarificado no processo de fabricação de açúcar tem por objetivo elevar a concentração dos sólidos dissolvidos até um valor o mais próximo possível do ponto de cristalização da sacarose, que está entre 78 e 80% de sólidos dissolvidos (°Brix). Na prática, a evaporação do caldo de cana é realizada para elevar a sua concentração até um valor entre 60 a 70 °Brix, quando passa a ser denominado xarope.

No contexto da Engenharia Química, a evaporação de uma solução líquida com o propósito de elevar sua concentração é uma prática comum e é realizada de muitas maneiras. O aparelho mais simples é o tacho evaporador a céu aberto, que recebe calor por aquecimento por fogo direto ou pela aplicação de vapor.

Este sistema ainda é utilizado em pequenas unidades artesanais de produção de açúcar mascavo.

O sistema mais eficiente e em uso nas atuais usinas de açúcar consiste na utilização de caixas evaporadoras fechadas, aquecidas por vapor através de feixes tubulares, que operam tanto em pressão maior ou menor que a atmosféri- ca. Assim, o evaporador pode ser considerado como sendo um tipo especial de trocador de calor, e sua operação é regida pelas mesmas leis de troca térmica.

Na Figura 7.1, podemos ver a representação esquemática de um aparelho eva- porador conhecido como caixa de Robert, que, apesar de muito antigo, ainda é utilizado na maioria das usinas de açúcar.

A grande vantagem do evaporador tipo Robert é poder operar praticamen- te sem controle ou automatização, sendo que o caldo circula através dele por transbordamento.

Outro tipo de evaporação utilizada na indústria de açúcar é o de película ascendente ou descendente, que pode ser de feixe tubular ou a placas. Os eva- poradores tubulares de película são geralmente de filme descendente. Todos os evaporadores de película operam com bomba de recirculação, o que significa um consumo maior de energia. Também necessitam de uma instrumentação para garantir que não ocorrerá caramelização do caldo em caso de falta deste nos tubos.

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Os evaporadores de película a placas de filme ascendente foram instala- dos em vários países, inclusive no Brasil. A recirculação do caldo é indispen- sável para garantir uma boa distribuição entre as placas. O principal problema dos evaporadores a placas é o seu alto custo inicial, pois, trata-se de equipa- mentos que devem ser construídos em aço inoxidável e cujos componentes são importados.

Figura 7.1 Corpo evaporador de feixe tubular vertical.

7.2 Princípios da evaporação

O princípio da evaporação é fundamentado na hipótese de que as solu- ções são compostas por um material não volátil na temperatura do processa- mento, denominada soluto ou matéria seca, e por um solvente volátil que é a água. A concentração dessa solução é dada em porcentagem mássica que são gramas de soluto contidas em 100 gramas de solução. Essa concentração em porcentagem mássica é denominada, nas indústrias alimentares em geral e na indústria açucareira em particular, graus Brix.

Considerando que a quantidade de soluto permanece constante ao longo do processo evaporativo e que ela é proporcional ao produto da massa pela concentração da solução, podemos escrever:

135

Mi Ci Mf Cf⋅ = ⋅

ou,

Mf Mi Ci

= Cf em que:

Mi: massa inicial da solução em kg;

Ci: concentração inicial da solução em °Brix;

Mf: massa final da solução em kg;

Cf: concentração final do produto em °Brix.

A quantia de água a ser evaporada (E) pode ser calculada por diferença:

E Mi Mf= − ou,

E Mi Mi Ci

Cf Mi Ci

= − =  −Cf

  1 

Exemplificando, consideremos 1000 kg de caldo de cana com 15 °Brix que pretendemos elevar para 60 °Brix por evaporação, calcular a massa do xarope gerado e a quantia de água evaporada:

Massa final do produto Água evaporada

= =

= − =

1000 15 60 250 1000 250 7

kg

550

Dessa forma, podemos concluir que a evaporação reduz em quatro vezes a massa do caldo de cana.

7.3 Elevação do ponto de ebulição durante a evaporação

A presença de um soluto não volátil numa solução resulta na elevação do ponto de ebulição do solvente (EPE). Esta é uma propriedade das soluções estudadas pelo químico Raul em 1854, tendo ele elaborado uma lei que leva o

136

seu nome (lei de Raul), que diz ser a elevação do ponto de ebulição uma função da natureza do solvente e da molalidade da solução:

EPE ke M= ⋅ em que:

EPE: já definido, expresso em °C;

ke: constante ebuliométrica, dependente da natureza do solvente; e que, para o caso da água, equivale a 0,52 °C/mol;

M: molalidade da solução dada em mol do soluto por 1000 g do solvente.

Normalmente, as soluções a serem evaporadas têm sua concentração ex- pressa em porcentagem mássica de soluto (°Brix), devendo então a equação de Raul ser adaptada para este tipo de expressão, conforme a seguir:

M C

P C P

= ⋅

⋅ − ⋅ 1000 100

em que:

M: molalidade da solução;

C: concentração em % em peso;

P: peso molecular do soluto em dáltons.

Dessa forma, podemos escrever:

EPE ke C

P C

= ⋅ ⋅

−

(

^1000100−

)

Caso se tenha uma solução de sacarose pura (C₁₂H₂₂O₆), cujo peso mole- cular é 342, e sabendo que o ke da água é 0,52, teremos:

EPE C

C

C

= ⋅ ⋅ C

−

(

−

)

^{= −⋅}

0 52 1000 342 100

152 100

, ,

Como o caldo de cana é uma solução impura, em que a sacarose é o componente predominante, dentre dezenas de outros constituintes orgânicos e inorgânicos, na prática a equação que correlaciona o EPE com o °Brix se apre- senta da seguinte forma:

137

EPE C

= ⋅ C

− 2 2 100 ,

Numa evaporação em bateladas, a céu aberto, à medida que a concen- tração do produto for se elevando, o mesmo ocorre com a sua temperatura de ebulição. Na Figura 7.2 é apresentada a curva que correlaciona a temperatura de ebulição e a concentração de um caldo de cana, em que 90% dos sólidos dissolvidos era sacarose e o restante, outras substâncias sólidas solúveis, tais como glicose, frutose, sais orgânicos, sais inorgânicos etc.

Figura 7.2 Curva de elevação do ponto de ebulição de caldo de cana.

A elevação do ponto de ebulição do caldo de cana a ser evaporado resulta numa perda de salto térmico, ou seja, a diferença de temperatura entre o caldo e o vapor de aquecimento, diminuindo assim a troca térmica do equipamento.

7.4 Consumo de vapor nos evaporadores

Os tachos evaporadores, aquecidos pela utilização de vapor aplicado no feixe tubular ou outro sistema qualquer de troca térmica, utilizam o calor para realizar duas atividades, a saber:

a)aquecimento do produto de sua temperatura original até a sua tempera- tura de ebulição (Q_A);

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b)evaporação da água na quantia necessária para que a concentração atinja o valor desejado (Q_E).

É necessário também fornecer uma quantia adicional de calor (Q_P) para suprir as perdas que inevitavelmente acompanham esse processo. A magnitude dessas perdas está relacionada aos cuidados que se tenha, como, a utilização de isolantes térmicos. Assim, podemos considerar o calor total (T) consumido na evaporação como sendo:

T= Q_A+ Q_E+ Q_P Como:

Q_A =W C t⋅ ⋅

(

_f −t_i

)

e Q_P^{= ⋅ λ}E Tem-se:

T W C t= ⋅ ⋅

(

_f −t_i

)

^{+ ⋅ +}E ^λ Q_P em que:

Q: calor requerido em kcal/h;

W: massa da solução diluída em kg;

t_f: temperatura da solução em ebulição em °C;

t_i: temperatura inicial da solução em °C;

C: calor específico do líquido em kcal/kg °C;

E: massa de água a ser evaporada em kg;

π

: calor latente de vaporização da água em kcal/kg;

Q_P: perdas.

7.5 Evaporação em múltiplo efeito

O processo de evaporação, tal como vimos, apresenta como grande limi- tação o seu grande consumo de energia térmica para proceder à retirada da água. Por exemplo, uma solução a 20 °Brix que se queira concentrar a 60 °Brix necessita que se evapore água correspondente a quase 70% de seu peso, o que demanda algo como 40000 kcal para processar 100 kg de matéria-prima.

O problema do elevado consumo de energia pela evaporação atraiu a aten- ção do inventor franco-americano Norbert Rillieux, na Louisiana (EUA), que em 1844 patenteou um sistema em que dois evaporadores foram acoplados entre si,

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de forma que o primeiro era aquecido por vapor originário da caldeira e o segundo

recebia o vapor gerado na evaporação que ocorria no primeiro equipamento. O líquido a ser evaporado, que no caso do experimento de Rillieux era o caldo de cana, passava de um corpo para outro, sofrendo assim duas evaporações su- cessivas utilizando praticamente a mesma quantia de vapor, conforme pode ser visto na Figura 7.3.

Figura 7.3 Evaporação em duplo efeito.

Rillieux constatou que os equipamentos assim acoplados demandavam aproximadamente a metade do vapor que a quantidade necessária para reali- zar a mesma concentração em um único evaporador. O inventor realizou expe- rimentos com três e quatro caixas ou corpos evaporadores acoplados da mes- ma forma e constatou que a demanda de vapor caia para a terça parte quando utilizadas três caixas, e a quarta parte quando utilizadas quatro caixas, em relação a consumida pelo sistema convencional de um só evaporador.

Esse sistema foi denominado de evaporação em múltiplo efeito em contrapo- sição ao sistema de simples efeito, realizado por um único evaporador. O sistema de múltiplo efeito passou a ser denominado conforme o número de evaporadores acoplados de duplo efeito (duas caixas), tríplice efeito (três caixas), quádruplo efeito (quatro caixas) etc., como apresentado na Figura 7.4, para quatro efeitos.

Figura 7.4 Evaporação composta por quatro caixas evaporadoras (quádruplo efeito).

140

Sob o ponto de vista teórico, o número de efeitos a ser utilizado num sistema de evaporação poderia ser tão grande quanto se queira, mas na prática o número é bastante limitado. Cada corpo da evaporação necessita de certo diferencial de temperatura entre o vapor de aquecimento e a temperatura de ebulição do líquido em seu interior, para que a transferência de calor possa ocorrer. Em geral, essa temperatura deve ser superior a 10 °C para que a necessidade de superfície de troca térmica do equipamento seja viável economicamente. Deve se considerar que esta diferença de temperatura acaba sendo reduzida pela perda de tempera- tura provocada pela EPE (elevação do ponto de ebulição) e também pela perda de salto térmico ocasionada pela coluna hidrostática de líquido dentro dos tubos dos evaporadores.

Considerando que a temperatura do vapor que aquece o primeiro corpo do evaporador seja de 130 °C, a temperatura do vapor retirado do último corpo seja de 60 °C e um salto térmico de 10 °C, o número de efeitos máximo a ser utilizado seria de:

130 60 10 7−

( )

⁼

Nas indústrias produtoras de açúcar de beterraba, costuma-se utilizar eva- poração com esse número de efeitos, assim como em indústrias produtoras de xarope concentrado de laranja. Nas usinas de açúcar que utilizam a cana-de- -açúcar como matéria-prima, a evaporação opera em quíntuplo efeito.

7.6 Acessórios de uma evaporação

Entre os acessórios de uma evaporação, podemos citar as bombas neces- sárias para alimentar o equipamento e retirar o líquido concentrado. Nos evapo- radores de circulação forçada, existe a bomba de recirculação. O aparelho deve dispor também de equipamento para regular o nível das caixas e medidores de temperatura e pressão.

Como todos os equipamentos que utilizam vapor como agente de aqueci- mento, as caixas evaporadoras devem dispor de um dispositivo que retire o va- por após a sua condensação (condensado). Este equipamento, conhecido como purgador, consiste numa válvula que abre para a passagem da água em estado líquido, mas não permite a saída da água no estado vapor. Existem diversos tipos de purgadores sendo sua instalação realizada conforme a Figura 7.5. Na Figura 7.6, tem-se um purgador do tipo termostático, cujo funcionamento está baseado na diferença de temperatura entre o vapor e o líquido condensado. O equipamento possui uma válvula que permanece aberta enquanto o condensa- do circula em seu interior. Tão logo o condensado seja totalmente eliminado, o

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vapor começa a sair e, por apresentar uma temperatura maior, provoca a dilata-

ção do corpo termossensível, fechando a sua saída.

Figura 7.5 Instalação de um purgador de condensado num tacho evaporador.

Entre os tipos de purgadores disponíveis no mercado, temos o purgador de boia representado na Figura 7.7. Seu funcionamento se baseia no princípio que a válvula permanece fechada enquanto o equipamento está cheio de vapor.

Quando o condensado preenche de líquido o equipamento, provoca a flutuação da boia, que ao se elevar abre a válvula permitindo a saída do líquido. Assim, a boia abaixa bloqueando novamente a saída do vapor.

Figura 7.6 Purgador termostático.

Figura 7.7 Purgador de boia.

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7.7 Separador de arraste

Devido à intensa ebulição que ocorre na calandra do evaporador, mui- tas gotículas de caldo são atiradas ao corpo do evaporador. Uma parte dessas gotículas volta a cair sobre a calandra, enquanto as restantes, as menores, são arrastadas pelos vapores ascendentes, resultando numa perda significativa de açúcar, que pode chegar a 3%.

Quanto maior foi o vácuo existente no interior do corpo de evaporação, maior é o perigo da ocorrência de arraste. A fim de se evitar essa perda, os evaporadores dispõem em sua parte superior de um dispositivo que por ação centrífuga retém essas gotículas, fazendo-as retornarem ao interior do equipa- mento. Com isso, as perdas por arraste se reduzem a valores inferiores a 0,1%.

Na Figura 7.8, observa-se a concepção de um separador de arraste. Nele o va- por é forçado a mudar bruscamente de direção, fazendo com que as gotículas, que pela sua massa possuem maior inércia, se choquem e adiram a uma chapa metálica em que escorrem para o interior do corpo.

Figura 7.8 Separador de arraste no topo do evaporador.

Figura 7.9 Separador de arraste do tipo ás de ouro.

Figura 7.10 Separador de arraste do tipo grade.

143

Como os separadores de arraste colocados no topo do evaporador muitas

vezes não são eficientes, em especial quando o vácuo é grande, é instalado um separador auxiliar externo que funciona sob o mesmo princípio (figuras 7.9 e 7.10).

7.8 Coeficientes de transmissão de calor

O cálculo dos evaporadores de múltiplo efeito está relacionado com o coe- ficiente de transmissão de calor entre o vapor e o caldo por meio da parede dos tubos que formam o feixe tubular ou das placas quando o equipamento utiliza este tipo de evaporador. Existem diversos modos de se expressar esse coefi- ciente. A seguir, apresentaremos alguns:

a)taxa de evaporação: consiste no número de kg de vapor formado no cor- po por hora e por m² de superfície de aquecimento;

b)taxa de evaporação específica: consiste no número de kg de vapor for- mado no corpo por hora, por m² de superfície de aquecimento e por grau de queda de temperatura entre o vapor e o caldo;

c) taxa global de troca térmica: consiste na quantidade de quilocalorias transmitidas por hora, por m² de superfície de aquecimento e por grau de queda de temperatura.

Nos dois últimos casos, pode-se distinguir a taxa aparente da real. A taxa aparente considera queda de temperatura a diferença entre a temperatura de vapor de aquecimento e do corpo de evaporação. A taxa real leva em conta a queda de salto térmica disponível, devido à elevação do ponto de ebulição (EPE) causada pela concentração do caldo (Brix), e também a perda de salto térmica ocasionada pela pressão hidrostática da coluna líquida nos tubos.

Os valores mais comuns de coeficientes de troca térmica, expressos em kcal/h m °C⋅ ²⋅ , são os seguintes:

Triplo Quádruplo Quíntuplo

1^o corpo 2.000 a 2.500 2.000 a 2.400 2.000 a 2.400 2^o corpo 1.500 a 1.800 1.400 a 1.800 1.400 a 1.800 3^o corpo 800 a 1.000 1.000 a 1.400 1.300 a 1.500

4^o corpo - 600 a 800 800 a 1.000

5^o corpo - - 500 a 600

Existem diversas formas de se estimar a taxa de evaporação para os múltiplos efeitos, das quais a mais aceita é a devida a Dessin, modificada por Coutenceau, que apresentamos a seguir:

144

C K=

(

¹⁰⁰−B_m

) (

T⁻⁵⁴

)

em que:

C: taxa de evaporação específica real (TEER) do corpo, em kg de vapor m hora C²⋅ ⋅° ;

Bm: Brix médio do caldo no corpo;

T: temperatura do vapor de aquecimento em °C;

K: coeficiente relativo ao estado dos tubos de evaporador, podendo ser 0,001 para tubos novos e 0,0007 para tubos incrustados.

Para uma melhor compreensão da utilização da fórmula de Dessin, dare- mos um exemplo:

Uma caixa de evaporação opera com caldo a 15 °Brix que sai a 25,8 °Brix, produzindo 41.800 kg/h de vapor vegetal. O vapor de aquecimento entra a 124 °C e a temperatura da caixa é 115 °C. Sabendo-se que os tubos do evaporador es- tão em suas piores condições, calcular a superfície de troca térmica necessária.

a)cálculo do Brix médio da caixa:

B_m= 28 5 15+ = Brix

2 21 75

, , °

b)cálculo da TEER:

C=0 0007 100 21 75 125 54,

(

− ,

) (

⁻

)

C=3 9, kg de vapor h m ⋅ ²⋅°C c) cálculo do salto térmico real:

Considerando uma perda de salto térmico devido à elevação do ponto de ebulição de 0,3 °C e devido à pressão hidrostática na caixa de 0,8 °C, temos:

T

T C

= −

(

− −

)

=

124 115 0 3 0 8 7 9

, ,

, °

d)cálculo da superfície de troca térmica:

S= 41 800x 3 9 7 9

.

, ,

S=1 357. m²

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7.9 Sangria de vapor num múltiplo efeito

É denominada sangria de um evaporador de múltiplo efeito a retirada de parte do vapor gerado por uma ou mais de suas caixas, em geral as primeiras, para ser usado em outros equipamentos como aquecedor de caldo, cozedor a vácuo etc.

Considerando como válido o primeiro princípio de Rillieux, em que cada quilograma de vapor aplicado na calandra gera um quilograma de vapor no corpo, podemos fazer as seguintes considerações:

E: quantidade total de água evaporada no múltiplo efeito;

X: quantidade de vapor que sai do último corpo para o evaporador;

S1: quantia de vapor sangrado no primeiro corpo;

S2: quantia de vapor sangrado no segundo corpo;

S3: quantia de vapor sangrado no terceiro corpo;

S4: quantia de vapor sangrado no quarto corpo.

Adotando como exemplo um evaporador em quádruplo efeito como o da Fi- gura 7.11, pode-se ver que o último efeito (o quarto) evapora X + S₄ kg de caldo, quantia esta que deverá receber do 3^o efeito, cuja evaporação será de X + S₄+ S₃, que deverá receber do 2^o efeito, cuja equação será de X + S₄ + S₃ + S₂, que finalmente, deverá evaporar X + S₄+ S₃ + S₂+ S₁, que seria a quantia de vapor a ser alimentado (V). A evaporação total E será a somatória das evaporações individuais das caixas, ou seja:

a)evaporação do 4^o efeito: X + S₄ b)evaporação do 3^o efeito: X + S₄+ S₃ c) evaporação do 2^o efeito: X + S₄+ S₃+ S₂ d)evaporação do 1^o efeito: X + S₄+ S₃+ S₂+ S₁

Total de evaporado E

( )

⁼⁴X⁺⁴S4 ⁺³S3⁺²S2⁺S1

Pela expressão anterior, conclui-se que o total evaporado por um múltiplo efeito é igual a 4 vezes o evaporado pelo último corpo mais o vapor sangrado multiplicado pelo número que indica a posição do corpo onde a sangria é efe- tuada. Assim, se tivermos um quádruplo efeito com sangria efetuada no 1^o e 2^o corpos, o total evaporado será:

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E= 4X + S₁+ 2S₂

Pela expressão, pode-se supor, a princípio, que a sangria deve preferen- cialmente ser realizada nos últimos corpos, pois são neles que a sangria implica em menor incremento do consumo de vapor. No entanto, a temperatura do vapor nos últimos corpos, como já foi visto, é bastante baixa, tendo, o vapor, poucas possibilidades de ser utilizado como agente aquecedor. Em geral, as sangrias são feitas nos dois primeiros corpos, pois o vapor sangrado dos mesmos apresenta temperatura superior a 100 °C e pressão superior à atmosférica.

Figura 7.11 Evaporação em múltiplo efeito com sangria em suas caixas.

7.10 Incrustação nos evaporadores

Durante a operação dos evaporadores ocorre a formação de incrustações em seu interior pela deposição de material dissolvido presente no caldo, que se insolubiliza pelo aumento da concentração do caldo. As incrustações formam uma capa sobre o tubo, que vai se espessando à medida que o novo material vai se depositando. O material depositado apresenta vários graus de dureza, podendo chegar a ter a consistência de uma rocha.

As incrustações nunca são formadas por um único composto químico, mas por uma mistura de compostos orgânicos e minerais que varia de usina para usina, e também de um corpo do múltiplo efeito para outro. Caldos clarificados que apresentem um alto teor de sulfato em sua composição resultam em incrus- tações nos últimos corpos evaporadores, sendo raro encontrar incrustação com essa composição nos primeiros efeitos do múltiplo efeito.

Apesar de as incrustações serem em sua maioria formadas por material inorgânico, nos primeiros corpos evaporadores encontra-se muito material orgâ- nico como parte da composição do material depositado, em conjunto com sais de magnésio e em fosfatos.

147

A matéria orgânica encontrada nas incrustações é formada por ácidos or-

gânicos, não açúcares orgânicos decompostos, proteínas, lipídeos, pectinato de cálcio e bagacinho finamente desintegrado. Excesso de fosfato no caldo, como valores maiores que 450 mg de P₂O₅ por litro e pH alto, superior a 8,0, ou baixo, inferior a 6,5, resulta em incrustação no primeiro corpo evaporativo sob a forma de fosfatos. Na Figura 7.12, pode-se ver como a composição das incrustações varia em função da concentração do caldo nos evaporadores.

Figura 7.12 Composição das incrustações em função da concentração do caldo na caixa evaporadora.

7.11 Controle da evaporação

Durante o processo de evaporação, o material em processamento não so- fre grandes alterações físico-químicas, exceto quanto à sua concentração e uma queda de pH da ordem de 0,3 a 0,4 ponto em relação ao valor do caldo tratado.

Sob o ponto de vista de controle do processo, o fundamental é o acompa- nhamento do Brix do xarope na saída da última caixa e usualmente, também é determinada a pureza, uma vez que o xarope é o ponto de partida para os cozi- mentos e a pureza é um parâmetro muito importante para esta fase do processo.

Quando se quer realizar um acompanhamento mais rigoroso com a determi- nação da taxa de evaporação de cada uma das caixas do múltiplo efeito, torna-se necessário analisar o Brix de saída de cada uma das caixas individual.

7.12 Xarope

O caldo de cana concentrado até um valor entre 55 a 65 °Brix passa a ser denominado xarope e seu destino é a cristalização de sua sacarose. Muitas

No documento Tecnologia de Produção de Açúcar de Cana (páginas 132-152)