Curso Evaporação
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CURSO DE EVAPORAÇAO DE CALDO
Reunion
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.
Reunion
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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.
Reunion
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ReunionReunion
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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).
Reunion
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Reunion
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.
Reunion
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Reunion
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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ReunionReunion
Múltiplo Efeito
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ReunionReunion
Múltiplo Efeito
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Reunion
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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
Reunion
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ReunionFig. 4 - Evaporador a Placas
Reunion
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ReunionFig. 4 - Evaporador a Placas
Reunion
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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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ReunionReunion
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
Reunion
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ReunionReunion
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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Reunion
Circulação do caldo Chapman
Reunion
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.
![Page 38: Curso Evaporação](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022102614/557210c3497959fc0b8da5d7/html5/thumbnails/38.jpg)
ReunionReunion
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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Reunion
CONTROLE AUTOMÁTICO PELA SAÍDA
CALDOCLARIFICADO
FC01
FCV01
LC01 LCV
01
LC02 LCV
02
LC03 LCV
03
PC01
PCV01
HLA01
LLA01
XAROPE
ÁGUA
VAPOR
Reunion
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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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Reunion
Reunion
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.
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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
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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”.
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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.
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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”.
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ReunionReunion
Tanque de Coleta de Controle de Nível
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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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Reunion
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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.
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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.
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ReunionReunionRetirada de Gases
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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.
Reunion
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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 .
Reunion
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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.
Reunion
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ReunionReunion
Figura 13. Geração de vácuo. Condensadores
CondensadorBarométrico
Multijato
Água
ArAr
Ar Ar
fria
Vapor aCondensar
Vapor aCondensar
ÁguaQuente
ÁguaQuente
ÁguaQuente
Água
Águafria
Condensadores
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ReunionRecomendações e cuidados aserem tomados para se evitar o arraste
Reunion
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.
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ReunionPerdas por Inversão de Açúcar
Reunion
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.
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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
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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
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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
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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
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ReunionReunionBalanço de massa
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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..
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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ReunionEfeito do brix
![Page 77: Curso Evaporação](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022102614/557210c3497959fc0b8da5d7/html5/thumbnails/77.jpg)
ReunionEfeito do brix
Este efeito também pode ser calculado através da fórmula:
Epe=2*B/(100-B) (brix médio)
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ReunionEfeito da pressão hidrostática
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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](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022102614/557210c3497959fc0b8da5d7/html5/thumbnails/80.jpg)
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
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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
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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)
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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