Tratamento do caldo – Parte 1
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5.1 Introdução
O caldo da cana-de-açúcar, tal como é extraído pelas moendas ou pelo di- fusor, não apresenta características físico-químicas que possibilitem a produção de um açúcar que atenda às especificações dos compradores e às exigências de órgãos governamentais ou entidades internacionais. Esse caldo possui uma com- posição bastante complexa, em que estão presentes, além da sacarose, diver- sos componentes como outros açúcares não sacarose, não açúcares orgânicos e diversos componentes inorgânicos.
Os materiais presentes no caldo se apresentam tanto sob a forma solubi- lizada como a sacarose, a glicose e a frutose, como sob a forma de suspensão coloidal como as proteínas e alguns polissacarídeos. O caldo apresenta também impurezas sob a forma de partículas suspensas com 1 mm ou menos de tama- nho, denominadas material grosseiro.
O objetivo do tratamento do caldo da cana é a retirada dessas impurezas o tanto quanto for possível, utilizando métodos físicos como filtração, decantação etc. e métodos químicos, como a adição de hidróxido de cálcio (leite de cal) ou bióxido de enxofre (gás sulfito).
5.2 Tipos de tratamento do caldo
Costuma-se dividir o tratamento do caldo em duas etapas, em função do material a ser retirado:
a)tratamento preliminar: consiste numa série de operações físicas destina- das a separar o material grosseiro presente no caldo, como partículas de terra, fragmentos de cana (bagacinho) etc.;
b)tratamento físico-químico: constituído pelo conjunto de operações físico- -químicas destinadas a retirar material coloidal ou em solução presente no caldo, além de corrigir o seu pH para valores próximos a sete, para evitar a inversão da sacarose.
5.3 Tratamento preliminar do caldo
O caldo misto originário das moendas apresenta certa porcentagem de material grosseiro suspenso, que pode oscilar entre 0,1 e 1,0%. Os caldos ge- rados pelo processo de extração por difusor apresentam uma baixa presença desses sólidos, pois uma filtragem é realizada por meio das múltiplas passagens pelo leito de cana. Essa suspensão presente no caldo originário de moenda é formada predominantemente por fragmentos do colmo ou das folhas com menos de 1 mm de tamanho, e também por material proveniente do solo.
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Os processos para realizar a retirada desse material podem ocorrer por meio de decantação, hidrociclones ou peneiramento. Cada uma dessas ope- rações é avaliada pela sua capacidade de remoção das suspensões, além de outros parâmetros como a possibilidade de servir como local de proliferação de micro-organismos ou a facilidade de limpeza.
5.4 Decantadores
A separação de material suspenso no caldo misto por decantação está pra- ticamente abandonada por ser um processo bastante susceptível de sofrer con- taminação microbiológica, como pelo leuconostoc mesenteroides, que produz um polissacarídeo denominado de dextrana, extremamente prejudicial ao processo tecnológico de fabricação de açúcar, como também à qualidade do produto final.
Esses decantadores apresentam uma eficiência de remoção do material suspenso muito baixa (ao redor de 20%), o que desaconselha a sua utilização.
5.5 Hidrociclones
O hidrociclone é formado por uma parte cilíndrica que opera recebendo uma alimentação tangencial do caldo, resultando num vórtice do líquido em seu interior, que por sua vez gera uma força centrífuga que provoca a separação das partículas. As partículas, por apresentarem uma densidade maior que a do caldo, dirigem-se à periferia do cilindro e descem espiralando para a parte cônica do equipamento, de onde são retiradas, conforme pode ser visto na Figura 5.1.
Figura 5.1 Descrição de um hidrociclone.
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O hidrociclone apresenta uma taxa de remoção de material insolúvel docaldo numa faixa que varia de 60 a 90%, que são valores bastante altos. Por ou- tro lado, trata-se de um equipamento que necessita, para operar eficientemente, de uma pressão de admissão e uma vazão bastante constante, que resultou no seu abandono pelas indústrias açucareiras.
5.6 Peneira de rastelos (cush-cush)
Consiste numa peneira fixa disposta horizontalmente, localizada bem próximo da moenda, com abertura que varia de 0,5 a 2 mm, utilizada para reter o deno- minado bagacinho. O material retido é retirado por rastelos que o enviam para uma rosca sem fim que, por sua vez, o devolve para a moenda entre o primeiro e segundo terno, ou mesmo antes do primeiro terno. Esse equipamento apresenta uma grande flexibilidade operacional e capacidade de separação. No entanto, por ser um local de fácil contaminação microbiológica, sua utilização tem dimi- nuído nos últimos anos.
Esse equipamento apresenta as seguintes características:
• largura da tela: 45 a 60 cm;
• número de perfurações por cm2 variando de 13 a 100, sendo 50 o valor mais recomendado;
• área perfurada da tela: 17 a 36%;
• superfície da tela: 0,05 a 0,1 m2 por TCH.
5.7 Peneira estática
Equipamento constituído por barras espaçadas entre si de 0,35 a 1,0 mm, formando uma superfície que inicialmente se apresenta quase na vertical, des- crevendo uma curva para no final se apresentar quase na horizontal, conforme pode ser visto na Figura 5.2. Esse tipo de peneira apresenta a característica de ser autolimpante, pois o próprio caldo a ser peneirado impulsiona o material insolúvel retido para fora da tela.
A peneira estática é de fácil limpeza e apresenta um baixo nível de conta- minação microbiológica. Sua capacidade de retenção de material insolúvel pode chegar a 80%, dependendo do espaçamento entre as barras.
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Figura 5.2 Peneira estática.
5.8 Peneira vibratória
Equipamento constituído por uma superfície telada levemente inclinada, que é submetido a vibrações geradas por um mecanismo excêntrico ou eletromagné- tico. Esse equipamento tem capacidade de reduzir o teor de bagacinho no caldo de um valor entre 0,6 a 1,5 g por litro para 0,4 a 0,5 g por litro, e apresenta as seguintes características:
Cálculo da peneira 30 a 40 TCH por m de largura Superfície necessária 0,02 a 0,03 m2/TCH
Consumo de potência ± 2 HP/peneira
Vibrações ± 600 por minuto
Orifícios 0,2 a 0,8 mm
Superfície perfurada 26% da área da tela
5.9 Peneira rotativa
É composta por um cilindro horizontal giratório, cuja superfície lateral é formada por uma tela. O caldo de cana é aplicado no interior do cilindro, atraves- sando a malha e retendo o bagacinho. A capacidade de retenção desse equi- pamento chega a 83%, e por apresentar facilidade de limpeza e ser de fácil de- sinfecção microbiológica, tem tido uma boa aceitação pelas usinas e destilarias para o tratamento primário do caldo.
Segundo os fabricantes, esse tipo de peneira tem uma capacidade de pro- cessar de 30 a 35 m3/h de caldo para uma superfície de tela de 0,45 m2, ou seja:
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0,02 m2 de superfície por m3 de caldo/hora. A literatura cita uma capacidade de pro-cessamento de 0,1 m2 de superfície/TCH ou m3 de caldo por hora (ver Figura 5.3).
Figura 5.3 Peneira rotativa.
5.10 Tratamento físico-químico do caldo
O caldo de cana após a eliminação da maior parte do material insolúvel grosseiro é encaminhado para um tratamento destinado a retirar se possível todo o material em suspensão, seja sob a forma de partículas ou de material coloidal, e também de muitos constituintes solúveis.
O tratamento realizado pela aplicação de produtos químicos e calor visa atingir os seguintes objetivos:
a)máxima eliminação de não açúcares;
b)máxima eliminação de coloides;
c) caldo com baixa turbidez;
d)mínima formação de cor;
e)máxima taxa de sedimentação;
f) volume mínimo de lodo;
g)baixo teor de cálcio no caldo clarificado;
h)pH adequado para evitar inversão da sacarose e decomposição dos açú- cares redutores.
Para uma usina cuja produção seja de açúcar branco do tipo cristal, o tratamento consiste numa aplicação de ácido sulfuroso, denominada sulfitação,
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seguido da calagem (adição de cal), aquecimento e separação do material pre- cipitado por decantação, conforme apresentado no fluxograma da Figura 5.4.
Além dos produtos convencionais, dependendo da qualidade do açúcar a ser produzido ou da qualidade da matéria-prima, pode-se utilizar outros produtos como auxiliares de clarificação, como ácido fosfórico, polímeros eletrolíticos etc.
O caldo de cana apresenta um pH original entre 5,0 e 5,5, que deve ser reduzido para 3,8 a 4,3 pela adição do sulfito e a seguir elevado a um patamar entre 6,8 e 7,0 pela adição de hidróxido de cálcio. Atualmente, as normas quanto à presença de sulfito residual no açúcar estão cada vez mais rigorosas, levando as usinas a limitarem a sua aplicação, que está em torno de 250 a 400 g de SO2 por litro de caldo (125 a 200 g de enxofre por litro de caldo).
Figura 5.4 Fluxograma do processo de tratamento do caldo de uma unidade produtora de açúcar cristal.
5.11 Sulfitação
No processo de fabricação de açúcar branco é utilizada a operação de sulfitação, que se constitui na adição de sulfito (bióxido de enxofre) e que tem as seguintes funções no processo:
a)produz um precipitado de pequenos cristais de sulfito de cálcio que pos- suem grande atividade superficial sendo, portanto, fortemente absorven- te e um poderoso auxiliar de decantação;
b)apresenta uma ação fortemente bactericida que elimina os micro-orga- nismos no caldo;
c) por ser um forte redutor, o sulfito atua sobre as substâncias corantes do caldo reduzindo a cor. Também reage com os açúcares redutores inibin- do a formação de componentes que apresentem cor;
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d)é um redutor de viscosidade dos fluidos, facilitando a decantação e acristalização da sacarose;
e)apresenta um efeito inibidor do escurecimento do açúcar no armazém por bloqueio dos grupos carbonílicos, essenciais para formação de com- postos coloridos.
O ácido sulfuroso utilizado para a sulfitação é o resultante de queima do enxofre elementar na própria usina, conforme a equação química a seguir:
S O+ 2 → SO2
Essa reação é altamente exotérmica, ocorrendo uma liberação de 2.217 Kcal por quilograma de enxofre queimado, e deve ser realizada em ausência de água a fim de se evitar a formação de SO3 (anidrido sulfúrico), conforme a equação química a seguir:
SO2+1 2O2 → SO3
Para evitar esse problema, em especial pelo fato do anidrido sulfúrico ser altamente corrosivo e gerador de sulfatos que podem causar incrustações nas operações subsequentes como a evaporação, deve-se secar o ar de combustão e evitar a ocorrência de excesso de ar, que causa a elevação de SO3, conforme o gráfico da Figura 5.5.
Na curva do gráfico da Figura 5.5, tem-se na abscissa o teor de SO2 nos gases resultantes da queima, e, na ordenada, o teor de sulfato (SO3). Pela curva pode-se ver que quanto maior o teor de SO2, ou seja, menor o excesso de ar, menor a quantia de SO3 gerado na combustão. Gás com baixo teor de SO2 e elevado excesso de ar implica em alta formação de sulfato.
Figura 5.5 Relação entre a porcentagem de SO3 e SO2 nos gases resultantes da com- bustão do enxofre.
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O processo de sulfitação nas usinas de açúcar consiste na geração de gás e sua absorção pelo caldo de cana. A queima é realizada por forno rotativo seguido de uma caixa de término da combustão e de sublimação do enxofre não queimado. Os gases são, então, resfriados e encaminhados para o dispositivo de absorção (conforme a Figura 5.6).
Figura 5.6 Sistema de sulfitação utilizado na produção de açúcar branco.
Os gases de SO2 gerados no forno de combustão de enxofre, com 6 a 14%
de sulfito, devem ser resfriados a uma temperatura inferior a 200 °C, a fim de mi- nimizar a formação de sulfatos. O resfriamento ocorre logo na saída da câmara de sublimação, num sistema de troca térmica constituído por um tubo encamisado, por onde circula água como fluido de refrigeração.
5.12 Forno de enxofre
Entre os diversos fornos de enxofre existentes, o mais adotado em nosso país é o denominado tambor rotativo, que pode ser visto na Figura 5.7. Nesse tipo de forno, o enxofre é queimado num equipamento cilíndrico horizontal que gira de 5 a 6 rpm e realiza a combustão na temperatura de 750 °C.
Figura 5.7 Forno rotativo para queima de enxofre.
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A capacidade de processamento desse equipamento é proporcional à suaárea interna, sendo necessária uma área de 0,06 m2 para a queima de 1 kg de enxofre por hora. A área S do forno em m2 é de:
S=3 14, ⋅ ⋅L D em que:
D: diâmetro do tambor em m;
L: comprimento do tambor em m (em geral de 2,5 a 3,4 vezes o diâmetro).
5.13 Absorção dos gases
O gás de SO2 gerado pela queima do enxofre no forno é encaminhado para o dispositivo onde deve ocorrer a sua absorção pelo caldo de cana, que consiste num sistema onde ocorre o contato entre a fase líquida com a fase gasosa. O sistema mais utilizado em nosso país é a denominada coluna de sulfitação se- guido do sistema de multijato, também bastante utilizado.
A coluna de sulfitação é constituída por uma torre vertical cilíndrica cons- truída em aço inoxidável com dispositivos internos de contato, que podem ser bandejas com borbulhadores, bandejas tipo chapéu chinês ou pratos perfura- dos. Este último sistema é o mais adotado, por ser o que propicia um maior contato entre as fases.
A colina é alimentada pela sua parte superior, e o caldo desce por gravidade em contracorrente com os gases ricos em SO2, que são alimentados pela parte inferior do equipamento. Os gases isentos de SO2 saem por aspiração pela parte superior, enquanto o caldo com o gás sulfito sai pela parte inferior (ver Figura 5.8).
Figura 5.8 Coluna de sulfitação constituída por bandejas perfuradas.
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Outro processo já citado para absorção do SO2 pelo caldo é o denomina- do multijato, em que os gases sulfurosos produzidos no forno de enxofre são arrastados hidrodinamicamente pelo caldo de cana, o que resulta numa intensa mistura, com a absorção do gás pelo líquido. Na Figura 5.9 apresentamos o flu- xograma desse processo, indicando o multijato e a coluna barométrica geradora do vácuo, que realiza a aspiração dos gases sulfurosos.
Figura 5.9 Fluxograma do processo de sulfitação pelo sistema de multijato.
O corpo multijato que realiza a mistura do gás com a fase líquida é apre- sentado na Figura 5.10.
Figura 5.10 Multijato utilizado para absorver os gases sulfurosos.
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5.14 Caleagem
A adição da cal sob a forma de “leite de cal” é um procedimento quase uni- versal para a fabricação de açúcar. A cal em solução está na forma de hidróxido de cálcio, e seu uso visa elevar o pH do caldo de seu vapor original (entre 5 e 5,5) para um valor próximo a sete, em que apresenta a dupla função:
a)inibir a inversão da sacarose em glicose e frutose;
b)precipitar as impurezas do caldo.
5.15 Óxido de cálcio ou cal
A cal, ou óxido de cálcio (CaO), é obtida pela queima de rochas calcárias, ou carbonato de cálcio (CaCO3), que pela ação de elevada temperatura (de 900 a 1200 °C) se dissocia conforme a equação química:
CaCO +42,5 kcal3 → CaO+CO2
A cal apresenta uma tendência de realizar a reação inversa, ou seja, reagir com o CO2 da atmosfera e regenerar o carbonato numa reação denominada re- carbonatação. Essa reação é catalisada pela presença de umidade, portanto, o produto deve ser armazenado em local fechado, livre de contato com a atmosfera e não ser estocado por um tempo prolongado.
Uma cal de qualidade deve apresentar um alto teor de CaO em sua compo- sição, conforme a classificação a seguir:
>90% Excelente
Entre 80 a 90% Bom Entre 75 a 80% Razoável
<75% Inferior
5.16 Hidróxido de cálcio
A cal virgem, ou o óxido de cálcio, ao ser misturada com a água reage qui- micamente resultando no hidróxido de cálcio:
CaO+H O2 → Ca(OH)2
Cal + Água Hidróxido de cálcio
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Essa reação é bastante exotérmica, liberando elevada quantidade de calor.
O produto é uma suspensão grosseira e coloidal de hidróxido em água, devido à baixa solubilidade do produto. O local onde o hidróxido é armazenado deve estar sob constante agitação, a fim de evitar a sua decantação.
O hidróxido de cálcio é preparado pela sua dissolução com 2 a 3 partes de água, que posteriormente é diluída até formar uma suspensão com 4 a 5% de hidróxido. Para que se tenha uma suspensão formada por partículas finas, reco- menda-se a utilização de água quente nessa dissolução.
Existem vários processos para a formação da suspensão de cal, conforme podemos ver nas figuras 5.11 e 5.12.
Figura 5.11 Hidratador de cal rotativo com os tanques de sedimentação e de preparo.
Figura 5.12 Hidratador de cal tipo piscina.
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5.17 Calcário dolomítico
A utilização de calcário dolomítico ou magnesiano, que consiste num pro- duto rico em magnésio, tem sido preconizada para algumas situações. Com esse tipo de calcário que apresenta um teor de MgO (óxido de magnésio) na ordem de 30% ou mais, por apresentar um peso molecular inferior ao óxido de cálcio, a quantia necessária para realizar a neutralização do caldo é menor. O hidróxido de magnésio possui um poder neutralizante 27% maior que o hidróxido de cálcio.
Outro fator que tem atraído a atenção para esse tipo de calcário é o de que o Mg++ forma sais solúveis, por exemplo, o sulfato de magnésio. Com isso, a formação de incrustação em equipamentos como os evaporadores é bastante reduzida. Como a reação que envolve o Mg++ é mais lenta do que aquela que envolve o Ca++, é necessário que o tempo de contato para que a neutralização se efetive seja maior que o normal.
5.18 Aquecimento do caldo
Além da adição de produtos como a cal sulfito (para o caso da fabricação de açúcar branco do tipo cristal), o tratamento do caldo consiste também no aquecimento deste até uma temperatura ao redor de 105 °C.
O objetivo dessa operação é a remoção das albuminas e impurezas coloi- dais, induzindo a sua separação por decantação pela floculação e precipitação.
A temperatura do caldo não deve superar muito os 105 °C, pois isso pode provo- car a emulsificação das ceras, tornando difícil a sua separação.
O aquecimento é realizado em trocadores de calor, utilizando o vapor de escape das turbinas, cuja pressão é em torno de 1,5 kgf/cm2. Utiliza-se também vapor retirado das caixas evaporadoras, em especial de seu primeiro corpo, de- nominado pré-evaporador.
O aquecimento pode ser dividido em duas etapas, sendo uma antes da sul- fitação, denominada aquecimento primário, e uma após a caleagem, denominada aquecimento secundário. Alguns autores como Hugot (1977) falam em aqueci- mento em várias etapas, de forma que ele seja gradual.
O modelo de aquecedor mais utilizado pelas usinas brasileiras é o denomi- nado carcaça e feixe tubular, em que o caldo a ser aquecido circula pelo interior dos tubos e o vapor utilizado como agente de aquecimento circula pelo exterior dos tubos (ver Figura 5.13).
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Figura 5.13 Aquecedor carcaça/tubos com múltiplas passagens.
Também são utilizados aquecedores do tipo horizontal, que trabalham com velocidades do caldo no interior do tubo bem maiores que os aquecedores ver- ticais. Esses aparelhos apresentam os tubos mais compridos que os dos aque- cedores verticais.
5.19 Superfície de aquecimento
É o parâmetro mais importante para o aparelho, e seu cálculo pode ser feito pela expressão:
S p c k lnT t
= ⋅ T t−
− 01
em que:
S: superfície de aquecimento em m2; p: vazão do caldo em kg/h;
c: calor específico do caldo em kcal/g °C;
k: coeficiente de troca térmica em kcal/h.m2 °C;
T: temperatura do vapor de aquecimento em °C;
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t0: temperatura de entrada do caldo em °C;t1: temperatura de saída do caldo em °C.
5.20 Coeficiente de transferência de calor (k)
O coeficiente global de troca térmica (k) dos trocadores de calor para aqueci- mento do caldo é medido em kcal/h.m2 °C. De uma forma simplificada, sem incorrer em grandes erros, podemos considerar o valor de k como sendo proporcional à velocidade v do líquido nos tubos, em m/s:
k=900 v
De uma forma mais precisa em função também da temperatura do vapor T, em °C:
k T=
(
5+v)
Os aquecedores convencionais devem operar com velocidade sempre su- perior a 1 m/s e inferior a 2,5 m/s, pois a perda de carga pode se tornar muito elevada. O coeficiente de troca térmica se situa em 800 kcal/h.m2 °C. Aquecedo- res de alta velocidade (2 m/s) são também utilizados, tendo um k ao redor de 1400 kcal/h.m2 °C.
5.21 Incrustações
Na passagem do caldo, algumas impurezas precipitam-se no aquecedor, formando incrustações como silicatos, sulfitos, fosfatos e fibra de cana, que di- minuem o coeficiente de troca térmica e elevam a perda de carga.
Do lado onde passa o vapor, ocorre a deposição de óleo de lubrificação das turbinas e máquinas.
5.22 Tipos de aquecedor
De modo geral, são trocadores de calor tipo carcaça/tubo tanto com tubos verticais como horizontais. Podem ser utilizados também trocadores de calor de placas ou em espiral, mas seu uso está muito restrito pelo alto preço.
Os aquecedores tubulares com tubos verticais estão menos sujeitos a in- crustações e ocupam pouco espaço.
110
Os horizontais tendem a utilizar tubos longos e apresentam menor perda de carga. Na prática, ambos produzem ótimos resultados, mas a preferência das usinas tem recaído sobre os verticais.
5.23 Calor específico do caldo
Pode-se estimar o calor específico do caldo como sendo a média entre o calor específico do açúcar e da água.
C C b Ca b
C
s solução
solução calor específico da solução a con
= ⋅ +
(
−)
=
1
ccentração b C calor específico do açúcar °
C calor
s
a
=
( )
=
0 301, cal g C
eespecífico da água
(
1 00, cal g C°)
b
C
=
=
concentração de açúcar em fração decimal ponderal
solução 0 3, 001
100 1 1
⋅ + − 100
=
B B
B C
concentração de açúcar em % de peso
sollução =0 007, B
Hugot (1977) recomenda, segundo dados práticos, a seguinte fórmula:
Csolução = −1 0 006, B
5.24 Calor perdido
A perda de calor nos trocadores de calor para aquecimento de caldo varia de 5 a 10% segundo Tromp (apud HUGOT, 1977), e em 4 a 8% segundo Hugot (1977). O valor em geral adotado em projetos é de 5%.