Estudo do processo evaporativo em Indústria Sucroalcooleira no Município de
Sirinhaém em Pernambuco
Study of evaporative process in sugar-alcohol industry of Sirinhaém in
Pernambuco
DOI:10.34117/bjdv6n6-096
Recebimento dos originais: 08/05/2020 Aceitação para publicação: 04/06/2020
Marília Sthella Da Silva Soares
Engenheira Química Instituição: UNINASSAU - Recife
Endereço: R. Guilherme Pinto, 114 - Graças, Recife - PE, 52011-210 E-mail: mariliasthella@gmail.com
Caio Július César Miranda Rodrigues da Cunha
Mestre em Tecnologias Energéticas e Nucleares Instituição: Universidade Federal de Pernambuco Endereço: Cidade Universitária, Recife - PE, 50740-540
E-mail: caio.julius@ufpe.br
Roberto Luiz Frota de Menezes Vasconcelos
Engenheiro Civil e Tutor de Engenharia do Grupo Ser Educacional Instituição: UNINASSAU – Recife/Grupo Ser Educacional Endereço: R. Guilherme Pinto, 114 - Graças, Recife - PE, 52011-210
E-mail: roberto.vasconcelos@sereducacional.com
Iury Sousa e Silva
Doutor em Engenharia Química, Docente do Centro Universitário Maurício de Nassau – UNINASSAU-Recife e Professor Executor do Grupo Ser Educacional
Instituição: UNINASSAU – Recife/Grupo Ser Educacional Endereço: R. Guilherme Pinto, 114 - Graças, Recife - PE, 52011-210
E-mail: iurysousa88@gmail.com
RESUMO
Em uma indústria sucroalcooleira existem diversos processos que envolvem operações unitárias, entre eles o processo evaporativo que é um grande consumidor de vapor na concentração do caldo clarificado a um teor de sólidos dissolvidos. A maneira como a estação de evaporadores é configurada indica a quantidade de vapor que uma fábrica necessita e assim a determinação do sistema da evaporação é uma das mais importantes considerações. O objetivo desse trabalho foi apresentar as vantagens do uso de evaporadores múltiplo efeito, assim como aplicar estudos relacionados a operações unitárias aplicadas a engenharia química. Para isto foi de grande importância a análise de parâmetros de temperatura e °Brix dos evaporadores da indústria, sendo adotado valores médios para a obtenção dos resultados. Os cálculos foram realizados admitindo os valores adquiridos na indústria, estimando valores do coeficiente de transferência de calor. Após os resultados foi perceptível a vantagem da utilização de um sistema evaporativo múltiplo efeito, por ter uma economia mais elevada. Entretanto a economia não vem sem custos. Na proporção que os números de efeitos aumentam a diferença de temperatura entre o vapor e as condições do seu final têm de ser compartilhadas entre os evaporadores. Isto implica que a área de aquecimento tem que aumentar e
isto trazem custos adicionais. Contudo o sistema evaporativo múltiplo efeito é de fato uma alternativa executável para indústria, pela sua viabilidade produtiva, pela sua capacidade e pela sua grande economia quando comparado a outros sistemas de evaporação.
Palavras-chave: Múltiplo efeito; Caldo clarificado; Evaporadores; Transferência de calor. ABSTRACT
In a sugar-alcohol industry, there are so many process involving unitary operations, among them the evaporative process, which is a major consumer of steam in the clarified cane juice concentration to a content of dissolved solids. The way the evaporator station is configured indicates the amount of steam a factory needs and so determining the evaporation system is one of the most important considerations. The objective of this paper was to present advantages of the use of multiple effects evaporators, as well studies related to the advantages of using unitary operations in chemical engineering. For this, it was of great importance the analysis of industry evaporators parameters such as, temperature and °Brix being assumed average values for the obtaining results. The calculations were performed assuming the values acquired in the industry, estimating values of the heat transfer coefficient. After the results was noticeable the advantage of using an evaporative multiple effect system, because it has a higher economy. However, an economy does not come without costs. In proportion as the number of effects increase the temperature difference between the vapor and the conditions of its end have to be shared between the evaporators. This implies that the heating area has to increase and this brings additional costs. However the multiple effect evaporative system is in fact an executable alternative for industry, for its productive viability, for its capacity and for its great economy when compared to other evaporation systems.
Keywords: Multiple effect; Clarified Cane Juice; Evaporators; Heat Transfer. 1 INTRODUÇÃO
A indústria que é capaz de transformar a matéria-prima da biomassa em diversos produtos, é chamada de biorrefinaria, ela utiliza diferentes processos convectivos, que partem das plataformas bioquímica e termoquímica. Entre as biomassas lignocelulósica e não oleaginosa existentes, a que tem grande aplicação no território brasileiro é a cana de açúcar (ELY, 2009). O caldo de cana obtido da extração se apresenta como uma mistura complexa que contém além dos componentes comuns da cana-de-açúcar, material incorporado da colheita, transporte e das operações realizadas durante a etapa de moagem (NUNES E FINZER, 2019).
No ponto de vista socioeconômico, a cultura da cana-de-açúcar é de grande importância e os principais impactos positivos podem-se citar a geração de empregos e renda, sendo observado que o setor sucroenergético se destaca por apresentar grande potencial econômico, decorrente da comercialização de produtos e subprodutos do processamento da cana-de-açúcar como álcool e açúcar e dada a grande experiência brasileira na produção dos produtos e sua posição de destaque nas exportações destes se espera que a sua produção aumente significativamente a fim de atender à crescente demanda interna e externa (DORNFELD E PAULILLO, 2020)
A evaporação é a principal operação unitária na fabricação do açúcar e é utilizada para retirar os quase 75% da água que contém o caldo e retirar o açúcar que vem na cana, com isto, tem-se um alto consumo de energia, em forma de vapor (GONZÁLES, 2010).
O processo no qual uma solução com um solvente volátil e um soluto não volátil é concentrada é chamada de evaporação (BUENO, 2011). Onde ocorre a vaporização do solvente e resulta em uma solução final concentrada (MCCABE et al, 2004).
De acordo com Rain (2013), o processo evaporativo é o maior consumidor de vapor na concentração do caldo clarificado a um teor de sólidos dissolvidos de cerca de 65 a 68%. A maneira como a estação de evaporadores é configurada determina a quantidade de vapor que uma fábrica necessita e assim a determinação do arranjo da evaporação é uma das mais importantes considerações. A geometria do evaporador modifica sua estrutura de troca térmica, no entanto, há várias formas diferentes de evaporadores eles podem ser constituídos por tubos horizontais ou por tubos verticais (ARAUJO, 2012). É interessante lembrar ainda que a adição de bombas ao evaporador orienta o fluxo da solução no interior do equipamento. Existem sistemas de evaporação que trabalham com apenas um evaporador, fornecendo a solução na concentração desejada e há sistemas de múltiplos efeitos que compõe dois ou mais evaporadores interligados em série. A sua composição ou o formato que sua estrutura está arranjada dependem principalmente do tipo do tipo de aplicação e da função desempenhada por estes equipamentos (FOUST et al. 2011).
O princípio da evaporação de múltiplo efeito foi criado por Norbet Rillieux, que foi um dos primeiros engenheiros químicos estadunidense, esta invenção modificou radicalmente o processo na usina de açúcar, com uma economia grande no uso do vapor e um caldo concentrado de maneira contínua, contendo aproximadamente 70°Brix. Com a constante necessidade de energia do mundo, as usinas buscam a otimização energética para ter uma operação sem consumo de outro combustível adicional e dispor de sobra de combustível que permita gerar energia para venda. Foi também o próprio Rillieux que criou a ideia da utilização do vapor gerado no sistema de concentração no aquecimento e cozimento de açúcar - "sangrias dos evaporadores" (GONZALES, 2010).
O objetivo deste presente trabalho é apresentar o estudo sobre os processos evaporativos, assim como os benefícios da utilização de evaporadores múltiplo efeito.
2 METODOLOGIA
Ao avaliar semanalmente os parâmetros de temperatura, pressão, vazão e °Brix nos evaporadores, aplicou-se estes parâmetros em equações contidas na avaliação da aplicação do conceito do evaporador múltiplo efeito. O estudo deste sistema foi realizado através da aplicação de um conjunto de equações, as quais necessitam apenas das condições de entrada e saída de cada efeito.
Ao aplicar o balanço material global, obteve-se as seguintes equações de acordo com FOUST et al. (2011) e Araujo (2012):
𝐹 = 𝐸 + 𝑆 (1)
Posteriormente foi calculado o soluto e com os valores obtidos realizou-se o cálculo do balanço material para primeiro efeito utilizando as seguintes equações:
𝐹. 𝑥𝑓 = 𝑆4. 𝑥𝑠4 (2)
F= E1+S1 (3)
Do mesmo modo, o balanço de massa para o segundo, terceiro e quarto efeito:
𝑆1 = 𝐸2+ 𝑆2 (4)
𝑆2 = 𝐸3+ 𝑆3 (5)
𝑆3 = 𝐸4+ 𝑆4 (6)
Em seguida determinou-se a fração de concentrado de cada efeito com as equações posteriores: 𝐹. 𝑥𝑓 = 𝐸1 . 𝑥𝑒1 + 𝑆1. 𝑥𝑠1 (7) 𝑆1. 𝑥𝑠1 = 𝐸2 . 𝑥𝑒2 + 𝑆2. 𝑥𝑠2 (8)
𝑆2. 𝑥𝑠2 = 𝐸3 . 𝑥𝑒3 + 𝑆3. 𝑥𝑠3 (9) Para determinar as incógnitas deste processo, foi necessária a aplicação de balanço de energia, sendo assim: 𝑞𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 = 𝑞𝑟𝑒𝑐𝑒𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑞𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 = 𝑊(ℎ𝑔 – ℎ𝑓) 𝑞𝑟𝑒𝑐𝑒𝑏𝑖𝑑𝑜 = 𝐸1 . ℎ𝑒 + 𝑆1 . ℎ𝑠 − 𝐹 . ℎ𝑓 Ou então: 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎 = 𝑆𝑎𝑖 𝐹 . ℎ𝑓 + 𝑊 . ℎ𝑔 = 𝐸1 . ℎ𝑒 + 𝑊 . ℎ𝑓 + 𝑆1 . ℎ𝑠 (10) O cálculo das entalpias é dado como:
ℎ = ℎ0 + ∫𝑇𝑇𝐶𝑝 𝑑𝑇
0 (11)
Conforme descrito em literatura por Astolfi (2011), o coeficiente de calor específico para o caldo clarificado é descrito como:
𝐶𝑝 = 4,19 – 𝐴. 𝑤 (12)
Onde 𝐴 é descrito como 3,38 [𝐾𝐽
𝐾𝑔°𝐶] e 𝑤 sendo o °Brix do caldo. A transferência de calor foi
considerada igual nos quatro efeitos. Portanto:
∑3𝑖=1𝛥𝑇 = 𝛥𝑇1 + 𝛥𝑇2 + 𝛥𝑇3 = (𝑇𝑠 − 𝑇1) + (𝑇1 − 𝑇2) + (𝑇2 − 𝑇3) + (𝑇3 – 𝑇4) = 𝑇𝑠− 𝑇4
Sabendo que cada efeito é dependente do coeficiente global de transferência de calor 𝑈𝑖 [𝑊 °𝐶 𝑚2],
tem-se as seguintes expressões para a variação de temperatura dos efeitos:
Δ𝑇1 = ∑4𝑖=1𝛥𝑇 . (𝑈11) 1 𝑈1+ 1 𝑈2+ 1 𝑈3+ 1 𝑈4 (14) Δ𝑇2 = ∑4𝑖=1𝛥𝑇 . ( 1 𝑈2) 1 𝑈1+ 1 𝑈2+ 1 𝑈3+ 1 𝑈4 (15) Δ𝑇3= ∑4𝑖=1𝛥𝑇 . ( 1 𝑈3) 1 𝑈1+ 1 𝑈2+ 1 𝑈3+ 1 𝑈4 (16) Δ𝑇4 = ∑4𝑖=1𝛥𝑇 . (𝑈41) 1 𝑈1+ 1 𝑈2+ 1 𝑈3+ 1 𝑈4 (17)
Com isto, foi possível estabelecer a expressão que determina a temperatura interna de cada efeito:
𝑇1 = 𝑇𝑠 − 𝛥𝑇1 (18)
𝑇2 = 𝑇1 − 𝛥𝑇2 (19)
𝑇3 = 𝑇2 − 𝛥𝑇3 (20)
As entalpias de vaporização e condensação do vapor de aquecimento, foram obtidas através da tabela de propriedades de água saturada. Ao substituir os valores em cada termo da equação do balanço de energia foram desconsideradas as perdas de calor do processo. Com todas as incógnitas determinadas, tornou-se possível efetuar o cálculo do calor cedido em cada efeito:
𝑞1 = 𝑊 . (ℎ𝑔 − ℎ𝑓) [𝐾𝐽 ℎ] (21) 𝑞2 = 𝐸1 . ℎ𝑓𝑔 [𝐾𝐽 ℎ] (22) 𝑞3 = 𝐸2 . ℎ𝑔 [𝐾𝐽 ℎ] (23) 𝑞4 = 𝐸3 . ℎ𝑓𝑔 [𝐾𝐽 ℎ] (24)
Ainda foi possível determinar a área de troca térmica através da seguinte expressão: 𝐴𝑖 = 𝑞𝑖
𝑈𝑖.∆𝑇𝑖 (25)
Em que 𝑖 representa o efeito (1, 2, 3 ou 4). Em seguida, realizou-se o cálculo da economia do sistema utilizando a expressão descrita abaixo:
𝐸𝑐 =
∑𝐸
𝑊 (26)
E a partir desses valores obteve-se a taxa de evaporação:
𝑇𝑎𝑥𝑎 =Σ𝐸
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
O caldo clarificado da cana-de-açúcar passa por sistema evaporativo múltiplo efeito, que contém quatro evaporadores acoplados conforme a Figura 1, com a finalidade de obter uma concentração de aproximadamente 63,0 °Brix. A modelagem matemática utilizada no presente trabalho tem como princípio a correta aferição dos dados, atestando assim, sua reprodutibilidade em vasta produção. O produto a ser concentrado tem uma vazão de entrada no primeiro efeito de aproximadamente 428 m³/h, com um °Brix de aproximadamente 16,0. Embora alguns dados tenham sido adquiridos na empresa, outros dados foram mantidos em sigilo industrial.
Figura 1 - Evaporadores da Usina em Sirinhaém – Pernambuco
Fonte: o Autor (2019)
Inicialmente converteu-se a vazão de entrada de [𝑚3 ℎ ]para [
𝐾𝑔
ℎ] que resultou:
𝐹 = 428 [𝑚3
ℎ] → sendo a densidade do caldo clarificado 1,05
∴𝐹 = 428 ∗ 1000 ∗ 1,05 = 449400 [𝐾𝑔
ℎ]
Sendo sua composição na entrada: 𝑥𝑓= 0,16
Utilizando a vazão de entrada encontrada e adotando as concentrações iniciais e finais como os valores do °Brix. Foram realizados cálculos através das equações demonstradas anteriormente para encontrar as vazões de saída de líquido, as vazões mássicas de vapor em cada efeito. Os resultados estão apresentados na Tabela 1:
Tabela 1 - Vazões mássicas de vapor e vazões de saída de líquido Efeitos Vazões de saída de líquido (𝑲𝒈 𝒉) Vazões mássicas de vapor (𝑲𝒈 𝒉) 1º 365.580 83.817 2º 281.770 83.817 3º 197.950 83.817 4º 114.130 83.817
Com os dados apresentados na tabela acima foi possível calcular as concentrações de entrada e saída em cada evaporador que estão apresentados em um gráfico apresentado na Figura 2.
Figura 2 - Determinação das concentrações na entrada e na saída dos evaporadores.
Ao observar o gráfico foi perceptível a diferença entre os valores do °Brix, e que a concentração prevista de 0,63 °Brix foi alcançada, ou seja, ocorreu a concentração do caldo até torna-se um xarope. Um xarope de boa concentração é um produto de extrema importância em uma indústria no setor de cozimento. Quando este tem uma baixa concentração, os efeitos negativos são muitos, provocando aumento do consumo de vapor e do tempo de cozimento, bem como perdas de capacidade dos equipamentos.
E em seguida foram encontradas as vazões e as concentrações, foi possível calcular as variações de temperatura utilizando as Equações 13, 14, 15, 16 e 17 e em seguida a temperatura interna de cada evaporador, a partir das Equações 18, 19 e 20.
Os valores do coeficiente global de transferência de calor foram estimados com base em literaturas apropriadas, conforme Tabela 2.
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 1 2 3 4 °B rix Evaporadores Brix de entrada Brix de saída
Tabela 2 – Estudo da influência do coeficiente global de transferência de calor no conceito de evaporadores de múltiplo efeito. Efeito Coeficiente Global [𝑾 𝒎𝟐°𝑪] Temperatura [°𝑪] 1º 2500 106,09 2º 2319 91,09 3º 2194 75,24 4º 1496 52,0
De acordo com a Tabela 2, nota-se que as temperaturas decrescem, isto ocorre devido a uma expansão isentalpica que ocorre quando a solução passa de um evaporador para outro por uma válvula, este nome se dá pois não há variação de entalpia apenas de temperatura e pressão, pois há uma necessidade de diminuir a temperatura para que não atrapalhe o processo, logo diminui-se a pressão para uma menor que a atmosférica para que o líquido que é a água entre em ebulição com uma temperatura mais baixa. Visto que a temperatura final da solução, isto é, o xarope, tem que ser de aproximadamente 55°C. Também é interessante avaliar que a evaporação em múltiplo efeito terá a capacidade de reduzir a temperatura conforme passam os efeitos, tal execução não é possível ao utilizar um simples efeito por ser apenas um evaporador e trabalhar com apenas uma temperatura e pressão.
A partir das temperaturas e dos coeficientes foi possível construir gráficos da temperatura com relação aos evaporadores e de coeficiente com relação aos evaporadores, que podem ser observados nas Figura 3 e Figura 4 respectivamente, a fim de afirmar que o coeficiente global de transferência de calor e as temperaturas do sistema são diretamente proporcionais.
Figura 3 – Comportamento da temperatura ao longo dos efeitos.
Nota-se que as temperaturas iniciais são altas, mas em seguida ocorre a necessidade de diminui-las, pois em temperaturas muito altas pode ocorrer a deterioração da sacarose transformando-a em furfural não sendo possível a obtenção do xarope.
Figura 4 – Variação do coeficiente global de transferência de calor ao longo dos efeitos.
De acordo com a Figura 4 observou-se que a medida que o coeficiente diminuía a temperatura também diminuía, levando a compreender que são diretamente proporcionais, ou seja, a variação da temperatura vai depender da variação do coeficiente global de transferência de calor.
Outra observação importante é o coeficiente está ligado diretamente á concentração do fluido, pois a medida em que a concentração aumenta, ocorre também um aumento na sua viscosidade,
106,09 91,09 75,24 52 0 20 40 60 80 100 120 1 2 3 4 T emper atura ( °C) Evaporadores 2500 2319 2194 1496 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 1 2 3 4 C oe fic iente W /(m 2K) Evaporadores
podendo causar incrustações no interior do equipamento causando aumento na resistência térmica e reduzindo a taxa de transferência de calor. De acordo com o procedimento dos cálculos mencionados, a partir dos valores das temperaturas, foi possível obter os valores das entalpias liquida da água e a entalpia de vaporização, assim como o valor da entalpia do caldo da cana, com a tabela de propriedades de água saturada e utilizando as Equações 11 e 12:
ℎ𝑓𝑔 = 2202,6 [𝐾𝐽 𝐾𝑔] ℎ𝑠 = 503,71 [𝐾𝐽 𝐾𝑔] ℎ𝑒 = 2686,6 [ 𝐾𝐽 𝐾𝑔] ℎ𝑓 = 419,658 [ 𝐾𝐽 𝐾𝑔]
Em seguida foi realizado o balanço de energia utilizando a equação (10) para obter a massa de água vaporizada por unidade de tempo:
𝑊 = 100.214 [𝐾𝑔 ℎ ]
Com isto, percebe-se que a cada uma hora 100.214 kg de água são evaporados, ou seja, depois de uma hora terão sido evaporados aproximadamente 30% da quantidade de água presente no sistema. Ao realizar os devidos cálculos percebeu-se que serão necessários aproximadamente três horas e meia para evaporar toda a massa de água.
Ao substituir os valores encontrados anteriormente em cada equação do balanço de energia, desconsiderou-se as perdas de calor. Com todas as incógnitas encontradas, foi determinado o calor cedido em cada efeito com as Equações 21, 22, 23, e 24 e transformando a unidade resultante para [W]:
𝑞1 = 61363359,53 [𝑊] 𝑞2 = 52161949,53 [𝑊] 𝑞3 = 53046852,87 [𝑊]
𝑞4 = 53944921,3 [𝑊]
Como calor é a energia em trânsito, ou seja, é a energia transferida de um sistema para outro. Esta transferência de energia é altamente vantajosa para as indústrias visto que só há consumo de energia no primeiro efeito, no entanto nos demais há o reaproveitamento dela. Ou seja, haverá uma grande quantidade de água evaporada com um pequeno consumo de energia. Após encontrar os valores do calor cedido foram determinadas as áreas de troca térmica em cada efeito:
𝐴1 = 1764,6 [𝑚2] 𝐴2 = 1500,0 [𝑚2] 𝐴3 = 1525,4 [𝑚2]
𝐴4 = 1551,3 [𝑚2]
Com todos os dados foi possível calcular a economia:
𝐸𝑐 = 3,3455 [𝐾𝑔 𝑑𝑒 á𝑔𝑢𝑎 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑖𝑧𝑎𝑑𝑎 𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜]
De acordo com o valor obtido para a economia do processo, é possível notar que no sistema múltiplo efeito a cada Kg de vapor consumido são evaporados 3,3455 Kg de água. Ao realizar um levantamento de dados de trabalhos acadêmicos foi observado que a economia para evaporadores simples efeito normalmente resulta ≈ 0,8 kg, logo compreende-se que mesmo utilizando uma grande quantidade de vapor no processo não haverá um rendimento tão proveitoso, pois para cada 1 kg de vapor utilizado, está se evaporando cerca de 0,8 kg da solução. Ao comparar sistemas evaporativo múltiplo efeito e um sistema simples efeito, percebe-se que a concentração final do xarope será a mesma, porém o consumo de energia será maior, tal coisa pode não ser viável na indústria sucroalcooleira, pois ao utilizar um simples efeito seria necessário uma maior geração de energia para ser transferida ao evaporador, o que remete a maiores e menores rendimentos.
A economia de vapor também ocorre devido a reutilização do vapor, pois por serem interligados o vapor passa de um para o outro, para que assim não ocorra perda de vapor. Posteriormente calculou-se a taxa de evaporação: 𝑇𝑎𝑥𝑎1 = 83817 1764,6= 47,4987[𝐾𝑔/𝑚². ℎ] 𝑇𝑎𝑥𝑎2 = 83817 1500,0= 55,8775[𝐾𝑔/𝑚². ℎ] 𝑇𝑎𝑥𝑎3 = 83817 1525,4= 54,9461[𝐾𝑔/𝑚². ℎ] 𝑇𝑎𝑥𝑎4 = 83817 1551,3= 54,0307[𝐾𝑔/𝑚². ℎ]
A taxa de evaporação é a quantidade de líquido evaporado por unidade de área, por este motivo é interessante considerar esta taxa, para ter o conhecimento de quanto está sendo evaporado em cada
efeito e quanto o valor da área pode interferir no processo. A taxa depende muito da diferença de temperatura entre o vapor de aquecimento e o vapor gerado, como também da temperatura com que o caldo é inserido no equipamento.
Um evaporador gerando vapor vegetal de baixa pressão, desde que a pressão do vapor de escape esteja correta, ele terá taxas de evaporação melhores porque existe uma diferença de temperaturas entre o vapor fora dos tubos e o caldo dentro dos tubos. Todos os cálculos foram realizados com o auxílio do software MatLab que se apresenta o código fonte no Apêndice.
Após a realização do dimensionamento concluiu-se que, o equipamento está dentro dos padrões para o processo e fabricação de açúcar, pois os resultados comportam-se de acordo com os parâmetros esperados.
4 CONCLUSÃO
Dentre os resultados obtidos na avaliação do conceito proposto, pode ter ocorrido discrepâncias em alguns valores devido a suposições do calor específico, do coeficiente de transferência de calor e de haver desconsiderado a elevação da temperatura ou perdas de calor. Tendo em vista que são valores com altas interferência no processo, pois as perdas de calor têm grande significado nos primeiros efeitos uma vez que uma perda na evaporação afetará todos os vasos subsequentes e a elevação da temperatura que é a consequência das alterações do líquido e que provoca alterações nas pressões e purezas.
De acordo com os resultados obtidos no presente estudo, observa-se que um menor consumo de vapor geralmente combina com a necessidade de uma superfície maior. Rillieux descreve claramente que o número de efeitos está diretamente ligado a economia de vapor, ou seja, uma evaporação quatro efeitos requerem 1/4 Kg de vapor para que 1 Kg de água seja evaporado.
Entretanto, a economia não vem sem custos. Na proporção que o número de efeitos aumenta, a diferença de temperatura entre o vapor e as condições do seu final tem de ser compartilhada entre os evaporadores. Isto implica, que a área de aquecimento tem que aumentar e isto traz custos adicionais. No entanto, estes trazem um benefício maior em termos de eficiência e economia.
De modo geral, a partir dos resultados obtidos neste trabalho, observou-se que a aplicação do sistema múltiplo efeito cocorrentes são de fato uma alternativa executável para indústria, pela sua viabilidade produtiva, pela sua capacidade e pela sua grande economia quando comparado a outros sistemas de evaporação.
NOMENCLATURA
Ai - área de troca térmica do evaporador i [m2]
Cp - calor específico [Kj/Kg °C]
Ec - economia do sistema
Ei - vazão de vapor no evaporador i [Kg.h-1]
F - vazão de alimentação do caldo clarificado [Kg.h-1]
hF – entalpia do líquido em F [KJ/Kg]
hfg - entalpia de vaporização da água [KJ/Kg]
hs - entalpia do líquido em S [KJ/Kg]
i = 1,2,3 ou 4
q - taxa de calor cedido [KJ.h-1]
Si - vazão de saída do líquido evaporador i [Kg.h-1]
Ti - temperatura do evaporador i [°C]
Ui - coeficiente global de transferência de calor do evaporador i [W.°C.(m2)-1]
W - vapor perdido [Kg.h-1]
xei - concentração de vapor do evaporador i
xf - concentração do caldo clarificado
xsi - concentração de líquido no evaporador i
REFERÊNCIAS
ARAUJO, E. C. DA C. Evaporadores. São Carlos, Brasil, 89 P.2012
BUENO, S. S. Modelagem do escoamento ao longo de Evaporadores de serpentina com tubos Aletados. Dissertação de pós-graduação, Universidade Estadual Paulista, São Paulo. 2011
DORNFELD, H.C.M.; PAULILLO, L.F.O. Gestão da qualidade utilizando a ferramenta de sugestão de melhorias dos funcionários em uma empresa de transporte de usina de açúcar e etanol, Brazilian Journal of Development, Curitiba, v. 6, n. 1, p.2971-2983 jan. 2020.
ELY, R. N. Avaliação Prospectiva das Rotas de Biorefinaria no Brasil, a partir do bagaço de cana-de-açúcar como matéria-prima básica. Dissertação de mestrado. UFRJ, Rio de Janeiro. 2009
FOUST, A. S.; WENZEL, L. A.; CLUMP, C. W.; ANDERSON, L. B. Princípios das operações unitárias. 2. Ed. Rio de Janeiro: LTC, 670 p. 2011
GONZALES, P. E. M.; FILHO, L. L.; ANDRADE, C. M. G.; JORGE, L. M. M.; PARAISO, P. R., “Evaporação da miscela: avaliação de parâmetros de processo”, Anais do XVIII Congresso Brasileiro de Engenharia Química – COBEQ, 3182 – 3190, 2010
MCCABE, W. L. SMITH, J. C.; HARRIOT, P. Operaciones unitarias en ingenieria quimica. 7. Ed. Madrid: Mcgraw-hill, 2004
NUNES, T. S.; FINZER, J. R.D. A importância do tratamento do caldo de cana-de-açúcar para a produção de açúcar e etanol . Brazilian Journal of Development, Curitiba, v. 5, n. 11, p.24816-24823 nov. 2019
RAIN, P. Engenharia do açúcar da cana. Stone, Inglaterra. 876 P, 2013
APÊNDICE
clear all clc
% evaporador quatro efeitos % variáveis
F=449400.0; %vazão de entrada
Xf=0.16; %porcentagem de sólidos na vazão de entrada Xs4=0.63; %porcentagem de sólidos na vazão de saída Tf=115.0; %temperatura de entrada no evaporador Tsat=120.0; %temperatura de saturação
Te3=52; %temperatura de saída no terceiro efeito U1=2500; U2=2319; U3=2194; U4=1496; %vazão de saída S4=F*Xf/Xs4;
%vazão dos caldais de vaporização E=F-S4;
E1=E/4; E2=E1; E3=E2; E4=E3;
%balanço de massa global S1=F-E1;
S2=S1-E2; S3=S2-E3; S4=S3-E4;
%balanço de massa dos sólidos; Xs1=F*Xf/S1;
Xs2=S1*Xs1/S2; Xs3=S2*Xs2/S3; Xs4=S3*Xs3/S4;
%determinação das variações de temperatura de cada efeito dT=Tsat-Te3;
dT1=dT*(1/U1)/(1/U1+1/U2+1/U3+1/U4); dT2= dT*(1/U2)/(1/U1+1/U2+1/U3+1/U4); dT3= dT*(1/U3)/(1/U1+1/U2+1/U3+1/U4); dT4= dT*(1/U4)/(1/U1+1/U2+1/U3+1/U4); %temperatura de ebulição de cada efeito
T1=Tsat-dT1; T2=T1-dT2; T3=T2-dT3; T4=T3-dT4;
%calores específicos de entrada e saída da solução; cpf=4.19-3.38*Xf;
cps4=4.19-3.38*Xs4;
%entalpias (kJ/kg) graus celsius Hfg=2202.6; %120.0 Celsius Hs=503.71;
He=2686.552; %para temperatura um Hf=cpf*Tf;
%calculando o vapor perdido através do balanço de energia W=(E1*He+S1*Hs-F*Hf)/Hfg;
%para o cálculo da taxa de calor cedido foram usadas entalpias encontradas na tabela de propriedades de água saturada.
HfgT1=2238.611; %para T1 HfgT2=2276.558; %para T2 HfgT3=2315.130; %para T3
%cálculo do calor cedido em cada evaporador
%sabendo que se deve transformar para Watt, foi utilizado o fator de transformação 0,278 q1=(W*Hfg)*0.278;
q2=(E1*HfgT1)*0.278; q3=(E2*HfgT2)*0.278; q4=(E3*HfgT3)*0.278; %determinação das áreas A1=q1/(U1*dT1); A2=q2/(U2*dT2); A3=q3/(U3*dT3); A4=q4/(U4*dT4); %determinação da economia Ec= E/W;
%determinação da taxa de evaporação Ta1=E1/A1;
Ta2=E2/A2; Ta3=E3/A3; Ta4=E4/A4;
