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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ

CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS

CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA

Fernando Ignácio Baena Alves

USINA ALTO ALEGRE - UNIDADE SANTO INÁCIO

PRODUÇÃO DE ÁLCOOL E AÇÚCAR

TOLEDO – PARANÁ

2010

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Fernando Ignácio Baena Alves

USINA ALTO ALEGRE - UNIDADE SANTO INÁCIO

PRODUÇÃO DE ÁLCOOL E AÇÚCAR

Trabalho acadêmico apresentado

para disciplina de Estágio

Supervisionado na Universidade

Estadual do Oeste do Paraná -

Campus de Toledo.

TOLEDO – PARANÁ

2010

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Sumário

1. INTRODUÇÃO .............................................................................................. 5

2. PROCESSAMENTO E RECEPÇÃO DA CANA-DE-AÇÚCAR ..................... 8

3. EXTRAÇÃO ................................................................................................ 11

3.1 LAVAGEM DA CANA ................................................................................ 11

3.2 PREPARO PARA MOAGEM OU DIFUSÃO .............................................. 12

3.3 EXTRAÇÃO DO CALDO: MOAGEM OU DIFUSÃO .................................. 14

3.3.1 Extração por moagem ............................................................................ 15

4. TRATAMENTO DO CALDO ....................................................................... 19

4.1 REGENERAÇÃO / FLASHEAMENTO / DECANTAÇÃO ........................... 19

4.2 FILTRAÇÃO .............................................................................................. 21

4.3 EVAPORAÇÃO ......................................................................................... 23

5. FÁBRICAÇÃO DO AÇÚCAR ..................................................................... 28

5.1 COZIMENTO E CENTRIFUGAÇÃO.......................................................... 28

5.2 SECAGEM E ARMAZENAMENTO ........................................................... 32

6. FABRICAÇÃO DO ÁLCOOL ...................................................................... 35

6.1 FERMENTAÇÃO ....................................................................................... 35

6.2 PREPARO DO MOSTO ............................................................................ 35

6.3 TRATAMENTO DO FERMENTO .............................................................. 36

6.4 FERMENTAÇÃO ....................................................................................... 37

6.5 CENTRIFUGAÇÃO ................................................................................... 39

6.6 RECUPERAÇÃO DE ETANOL ................................................................. 40

6.7 DESTILAÇÃO ........................................................................................... 42

6.8 ARMAZENAMENTO ................................................................................. 49

7. PRODUÇÃO DE ENERGIA ........................................................................ 51

7.1 CALDEIRAS .............................................................................................. 52

7.1.1 Tubulão superior .................................................................................... 55

7.1.2 Tubulão inferior ...................................................................................... 57

7.1.3 Circulação da água ................................................................................ 57

7.1.4 Câmara de combustão ........................................................................... 58

7.1.5 Paredes de água .................................................................................... 60

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7.1.6 Superaquecedor ..................................................................................... 60

7.1.7 Economizador ........................................................................................ 62

7.1.8 Pré-aquecedores .................................................................................... 62

7.2 DESAERADOR ......................................................................................... 63

7.3 TURBINAS A VAPOR ............................................................................... 64

7.3.1 Constituintes das turbinas a vapor ........................................................ 65

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1. INTRODUÇÃO

O Brasil é o maior produtor de cana-de-açúcar do mundo, seguido pela

Índia, China e Tailândia, e responde por cerca de 45,0% da produção mundial

de etanol. A cultura da cana-de-açúcar produziu 21,2 bilhões de litros de etanol

em 2007/08, dos quais mais de 2,0 bilhões foram destinados à exportação. A

área cultivada abrange 6,9 milhões de hectares, correspondendo a 1,9% da

área agriculturável e 18,7% da área utilizada para culturas anuais (IBGE,

2007). A produção e o processamento de cana-de-açúcar no Brasil são

gerenciados pelo setor privado, que obtém os menores custos de produção do

mundo, tanto de açúcar, como de álcool, despontando como um segmento

altamente competitivo no mercado internacional.

O primeiro objetivo da unidade industrial é ser rentável, proporcionando

em retorno compatível com os investimentos realizados. Uma maior

rentabilidade está relacionada com uma produtividade mais elevada, o que se

consegue, por exemplo, com uma otimização do processo. O processo

somente é otimizado quando se conhecem todas as operações unitárias,

permitindo introduzir modificações corretivas eventuais efetivando um controle

adequado.

O engenheiro químico é responsável pelo controle do processo, tendo

como suporte os princípios básicos de observação e medida que integram a

análise do sistema, possibilitando a interpretação dos resultados, e a

conseqüente tomada de decisão.

A eficácia do controle aplicado, evitando perdas extraordinárias,

dependerá da precisão dos números levantados (função da amostragem

técnica analítica criteriosa), da qualidade das informações relativas às

condições operacionais e, principalmente, do conhecimento dos equipamentos

utilizados nos processos de transformação, os quais ficam a cargo do

engenheiro químico.

O grupo Alto Alegre apresenta 4 unidades fabris e 1 unidade central:

Unidade Junqueira;

Unidade Floresta;

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Unidade Santo Inácio;

Unidade Florestópolis;

Unidade Central

A unidade de Santo Inácio é a mais nova unidade da Usina Alto Alegre.

Inaugurada em junho de 2007, está localizada no estado do Paraná, na cidade

de Santo Inácio, a 111km de Maringá e 483km da capital, Curitiba. Em sua

produção estão o açúcar VHP, o álcool hidratado, álcool anidro carburante e

energia elétrica.

Em sua capacidade atual processa cerca de 2,5 milhões toneladas de

cana de açúcar por safra, o que gera 3,3 milhões de sacas de açúcar cristal e

125 milhões de litros de álcool hidratado e álcool anidro carburante. Além

disso, a unidade produz energia elétrica que é consumida internamente e o

excedente é comercializado com as principais empresas do setor.

A Usina Alto Alegre, unidade de Santo Inácio gera 540 empregos diretos

e 1620 indiretos. E em suas dependências conta com assistência médica e

odontológica para os funcionários, além de refeitório e espaço para descanso.

Esta unidade foi certificada em 2009 com a ISO9001:2008. Esta

certificação assegura ao consumidor a qualidade dos produtos oferecidos, e a

responsabilidade da agrícola e da indústria com seus processos de produção.

Figura 1 - Usina Alto Alegre - Unidade Santo Inácio

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2. PROCESSAMENTO E RECEPÇÃO DA CANA-DE-AÇÚCAR

A cana-de-açúcar é a principal matéria-prima para a indústria

sucroalcooleira brasileira. A composição química da cana de açúcar é muito

variável em função das condições climáticas, das propriedades físicas,

químicas e microbiológicas do solo, do tipo de cultivo, da variedade, da idade,

do estágio de maturação, do estado sanitário, entre outros fatores.

O caldo, definido como uma solução impura de sacarose, glicose e

frutose, é constituído de água (=82%) e sólidos solúveis ou Brix (=18%), sendo

estes agrupados em açucares orgânicos, não açucares e inorgânicos.

Os açucares são representados pela sacarose, glicose e frutose. A

sacarose, como o componente mais importante, tem um valor médio de 14%,

enquanto os demais, dependendo do estado de maturação, 0,2 e 0,4%,

respectivamente para a frutose e glicose. Estes carboidratos que constituem o

açúcar total, quando expressos em glicose ou açúcar invertido, apresentam um

teor de cerca de 15 – 16%.

Os açúcares redutores – glicose e frutose – quando em teores elevados

mostram um estágio pouco adiantado de maturação da cana, além da

presença de outras substâncias indesejáveis ao processamento.

A colheita da cana pode ser feita manual ou mecanicamente. No

primeiro caso, a cana é obtida inteira e no segundo caso, obtém-se toletes da

cana de 20 a 25 cm. A cana é transportada às indústrias através de caminhões

adaptados para o serviço. Os caminhões são pesados antes e após o

descarregamento para se obter o peso de cana recebida. O objetivo de se

pesar a cana é permitir o controle agrícola, o controle da moagem e o cálculo

de rendimento industrial.

Os caminhões após a pesagem são encaminhados para amostragem

(Figura 2) da cana fazendo com que a sonda de amostragem penetre de cima

para baixo em um local determinado, recolhendo uma quantidade de amostra

de cana. A amostra é encaminhada através de um duto que leva a mesma até

um desfibrador. De cada amostra é coletada uma alíquota do bagaço

desfibrado e levado para análise para que se possam definir características

como a POL (teor de sacarose aparente), ATR (açúcares redutores totais), AR

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(açúcares redutores – glicose e frutose), Brix (quantidade de sólidos solúveis),

pureza, porcentagem de fibra da cana e tempo de queima e corte, a partir das

quais o pagamento da cana é efetuado.

Figura 2 - Amostragem de cana por sonda oblíqua

Em seguida, é mostrada a Tabela 1 apresentado os principais dados da

cana-de-açúcar.

Tabela 1 - Principais dados de cana-de-açúcar

Indicadores Valores recomendados

POL > 14

Pureza (POL/Brix) > 85%

ATR (glicose, frutose, sacarose) > 15%

AR (glicose e frutose) < 0,8%

Fibra 11 – 13%

O descarregamento da cana pode ser feito diretamente nas mesas

alimentadoras da moenda ou no tombador (cana mecanizada) através de

guindastes do tipo hilo.

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A colheita, carregamento, transporte, pesagem, passagem da cana pelo

controle de qualidade, descarregamento e lavagem são operações

determinantes para um bom desempenho industrial.

Estas etapas devem ser realizadas em sincronia com as operações

industriais para que não ocorra sobreabastecimento, o que demanda

armazenamento, com conseqüente queda na qualidade ou falta de cana para a

moagem, ocasionando atrasos na produção.

Na indústria sucroalcooleira, a cana-de-açúcar pode ter dois destinos:

produção de açúcar ou produção de álcool.

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3. EXTRAÇÃO

O Setor de moendas é constituído por: Lavagem da cana, preparo da

cana para a extração e a extração do caldo propriamente dita. Um esquema do

setor de moendas é apresentado pela Figura 3, abaixo:

Figura 3 - Representação do setor de extração

3.1 LAVAGEM DA CANA

A lavagem da cana (Figura 4) é efetuada sobre mesas alimentadoras,

normalmente com inclinação de 45° – que controla a quantidade de cana sobre

uma esteira metálica - e visa à retirada de matérias estranhas como, por

exemplo: terra, areia, etc., com a finalidade de se obter um caldo com melhor

qualidade e aumentar a vida útil dos equipamentos pela redução do desgaste.

Esta lavagem nunca é feita na cana colhida mecanicamente, pois devido a sua

forma de toletes, o arraste de sacarose pela água seria muito grande.

A água utilizada para a lavagem da cana é conhecida como água de

lavagem, e passa por um processo de decantação após a lavagem da cana

para retirada das impurezas provindas desta operação. A água decantada é

então reutilizada no processo, gerando grande economia para a indústria, uma

vez que em todo o processo é na lavagem da cana que mais se utiliza água.

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Figura 4 - Mesa 45° para lavagem de cana

3.2 PREPARO PARA MOAGEM OU DIFUSÃO

Logo após a lavagem, a cana é conduzida através de esteiras rolantes

para um nivelador, seguido do picador, do desfibrador e do eletroímã. Esta

etapa é conhecida como preparo da cana. O nivelador proporciona uma

alimentação uniforme. O picador e o desfibrador têm como objetivo aumentar a

densidade, facilitando a extração do caldo pelas moendas, e romper ao

máximo as células para forçar uma maior eficiência de extração do açúcar. Já o

eletroímã visa retirar possíveis materiais ferrosos que possam vir com a cana

para evitar a quebra dos rolos das moendas.

O picador, mostrado na Figura 5, é um equipamento rotativo de facas

fixas, que opera a uma velocidade periférica de aproximadamente 60 m.s-1,

aumentando a densidade da cana e cortando-a em pedaços menores,

preparando-a para o trabalho do desfibrador.

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Figura 5 - Picador

O desfibrador, apresentado na Figura 6, por sua vez, é um equipamento

empregado para completar a preparação e desintegração da cana-de-açúcar.

Este aparelho é formado por um rotor no qual é acoplado um conjunto de

martelos oscilantes que gira em sentido contrário à esteira.

Figura 6 - Desfibrador

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Ao final dos processos citados acima, a cana sairá da seguinte forma.

Figura 7 - Cana picada e desfibrada

Para remoção de materiais metálicos prejudiciais ao processo de

moagem é utilizado um eletroímã.

Figura 8 - Eletroímã

3.3 EXTRAÇÃO DO CALDO: MOAGEM OU DIFUSÃO

A extração do caldo da cana consiste no processo físico de separação

da fibra (bagaço) da fração líquida, contendo açúcares (caldo). Na extração por

moagem, a separação é feita por pressão mecânica dos rolos da moenda

sobre a cana desfibrada.

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3.3.1 Extração por moagem

A cana intensamente picada e desfibrada chega às moendas por meio

de um alimentador vertical. Cada conjunto de rolos de moenda, montados

numa estrutura denominada castelo, constitui um terno de moenda. O número

de ternos utilizados no processo de moagem varia normalmente entre quatro e

sete, e cada um deles é formado por quatro cilindros principais, denominados

cilindro de pressão, cilindro superior, cilindro inferior e cilindro de alimentação.

A cana desfibrada chega à primeira moenda, onde recebe a primeira

compressão. Tem-se, então um caldo conhecido como primário, seguindo este

para o tanque pulmão de caldo primário. O bagaço resultante segue pela

esteira intermediária para o segundo terno de moagem, recebendo novamente

pressões, como mencionado anteriormente. Os esmagamentos continuam nos

ternos seguintes. O caldo provindo dos outros ternos recebe o nome de caldo

misto e segue para o tanque pulmão de caldo misto. O bagaço final sai com

umidade em torno de 50% e segue para as caldeiras onde se produz vapor,

que será consumido em todo o processamento e no acionamento das próprias

moendas.

Figura 9 - Ternos de moenda

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A cana que sai do segundo terno é encaminhada para o terceiro terno. O

caldo resultante desta etapa cai em uma calha, conectada a uma bomba, e

retorna para o segundo terno. Este procedimento é repetido até o penúltimo

terno, uma vez que no último terno é adicionado água de lavagem.

Este processo de fazer retornar o caldo para o terno anterior é

conhecido como embebição composta e é realizada com o intuído de diluir os

sólidos remanescentes no bagaço para aumentar a extração. A embebição

pode ser tanto simples como composta, como já explicado.

Uma vez que a extração do primeiro terno resulta em uma quantidade

mensurável de bagacilho, o caldo presente no tanque pulmão de caldo primário

passa por uma peneira rotativa e segue para o tanque de caldo primário e em

seguida para o tratamento de caldo. O bagacilho resultante deste peneiramento

retorna ao primeiro terno para sofrer novamente extração.

O caldo proveniente das seguintes extrações, ou seja, o caldo misto, que

está presente em um tanque pulmão, passa pela mesma peneira rotativa que o

caldo primário.

A mistura entre os dois caldos não ocorre, pois a peneira rotativa,

mostrada na Figura 10, é dividida em duas seções, metade dela é para o caldo

primário e a outra metade para o caldo misto. O bagacilho resultante deste

peneiramento volta para o setor de moendas no primeiro terno.

Figura 10 - Peneira rotativa com bagacilhos

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Figura 11 - Esquema de um terno de moenda de cana-de-açúcar.

A bagaceira tem como função conduzir o material fibroso (bagaço) do

cilindro anterior (primeira compressão) para o cilindro posterior (segunda

compressão). Alguns cuidados especiais devem-se ter na instalação da

bagaceira:

Se for instalada muito alta, a carga sobre o rolo superior é muito

elevada, ocorrendo desgaste da bagaceira, aumentando a potência

absorvida, sufocando a passagem do bagaço. Resulta desta maneira em

alimentação deficiente do terno.

Se for instalada muito baixa, o bagaço ao passar sobre ela não é

comprimido suficientemente para impedir que o rolo superior deslize

sobre a camada de bagaço resultando em embuchamento.

A eficiência de um terno de moenda pode ser medida por dois

parâmetros: capacidade e eficiência de extração. Entende-se por capacidade

de um terno de moagem a quantidade de cana moída por unidade de tempo.

Já o termo eficiência de extração refere-se à quantidade de sacarose extraída

da cana pelas moendas.

Alguns fatores que afetam a capacidade de moagem são:

Preparo da cana;

Eficiência de alimentação da moenda;

Cilindro Anterior Cilindro Posterior

Cilindro Superior

Bagaceira

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Tamanho e tipo dos cilindros da moenda;

Regulagem da bagaceira.

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4. TRATAMENTO DO CALDO

4.1 REGENERAÇÃO / FLASHEAMENTO / DECANTAÇÃO

A Figura 12 mostrada abaixo representa uma parte do setor de

tratamento:

Figura 12 - Regeneração / Flasheamento / Decantação

O caldo, após passar pela etapa de calagem, é enviado para o

aquecimento, onde sua temperatura é elevada para 102 – 105 ºC, com o

propósito de promover a floculação dos colóides com maior rapidez e

facilidade, devido à redução da densidade e viscosidade do caldo. O

aquecimento é realizado em trocadores de calor (horizontais ou verticais),

constituídos por um feixe tubular, no qual passa o caldo a alta velocidade,

localizado no interior de um cilindro por onde circula vapor saturado (com

pressão de 0,7 Kgf/cm² e temperatura de 115 °C).

Temperaturas insuficientes de aquecimento podem causar:

Formação de flocos deficientes devido à reações químicas que não se

completam;

Coagulação incompleta, não permitindo a total remoção das impurezas;

Incompleta eliminação dos gases, ar e vapor do caldo

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Em caso de temperatura alta, podem ocorrer:

Destruição e perda de açúcar;

Formação de cor no caldo devido à decomposição de substâncias;

Caramelização do açúcar, causando aumento de substâncias;

Consumo excessivo e desnecessário de vapor.

O aquecimento do caldo pode ser prejudicado pela presença de

incrustação nos tubos dos aquecedores. Para isso são realizadas limpezas

periódicas nos mesmos. A remoção dos gases não condensáveis e a descarga

dos condensadores também são necessária para uma boa transferência do

calor do vapor para o caldo em um aquecedor, por isso esses equipamentos

possuem válvulas no seu corpo para retirada dos mesmos.

O aquecimento em si pouco reduz a contaminação microbiana devido ao

baixo tempo de residência à elevada temperatura.

O caldo após o aquecimento é enviado a um balão de flash, onde uma

diminuição brusca de pressão provoca uma ebulição espontânea do caldo

eliminando assim o ar nele dissolvido que, quando presente, dificulta a

decantação das impurezas mais leves.

Nesta operação denominada Flasheamento, a temperatura cai

abruptamente para cerca de 100 °C e o caldo é encaminhado ao sistema de

decantação.

A decantação é a etapa de purificação do caldo, e consiste na remoção

das impurezas floculadas ou flotadas nos tratamentos anteriores. Os principais

objetivos da decantação são: precipitação e coagulação tão completa quanto

possível dos colóides, rápida velocidade de assentamento, formação de lodos

densos e produção de caldo o mais claro possível.

A decantação é realizada de forma contínua em um equipamento

denominado clarificador ou decantador, que possui vários compartimentos,

com a finalidade de aumentar a superfície de decantação.

O caldo entra nos decantadores, onde na câmara aquecedora, na

entrada do decantador é aquecido e recebe o polímero. A adição de polímeros

acelera a velocidade de decantação, compacta e reduz o volume de lodo,

favorece a obtenção de um caldo de melhor qualidade e acarreta em menores

perdas de sacarose na torta.

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Figura 13 - Decantadores contínuos

O caldo decantado, ou sobrenadante, é retirado da parte superior de

cada compartimento e enviado ao processo. O caldo clarificado provindo dos

decantadores para a produção de açúcar é enviado para o setor de evaporação

para concentração do mesmo. As impurezas sedimentadas, com uma

concentração de sólidos de aproximadamente 10 ºBrix constituem o lodo que

normalmente é retirado do decantador pelo fundo e enviado ao setor de

filtração (tanque de lodo) para recuperação do açúcar nele contido.

4.2 FILTRAÇÃO

O setor de filtros é apresentado pela Figura 14 abaixo:

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Figura 14 – Filtração

A operação de tratamento do caldo de cana após a decantação é a

filtração. Juntamente com o lodo provindo da decantação, é arrastada uma

quantidade significativa de caldo, que pode ser recuperada através de uma

filtração a vácuo. Antes de ocorrer a filtração, o lodo retirado do decantador

recebe a adição, em um tanque de lodo, de uma porção de bagacilho

remanescente do setor de moagem, que irão agir como auxiliar de filtração,

proporcionando consistência e porosidade ao lodo, uma vez que este quando

retirado do decantador apresenta caráter gelatinoso e não pode ser submetido

diretamente à filtração.

Esta operação é realizada por filtros prensa à vácuo, onde a mistura de

lodo e bagacilho é submetida a aspiração, lavagem e secagem. A lavagem do

lodo no filtro é feita com água à temperaturas elevadas, pois isso tem efeito

positivo sobre a filtração, acelerando o processo. Este fato ocorre porque a

viscosidade do caldo decresce à medida que a temperatura se eleva. Assim

sendo, é preferível filtrar a temperaturas elevadas, acima de 80º C.

A filtração objetiva recuperar o açúcar contido no lodo, fazendo com que

este retorne ao tanque de caldo misto (setor de moagem), na forma de caldos

filtrados. O material retido no filtro recebe o nome de torta e é enviado à

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lavoura para ser utilizado como adubo, pois é rica em sais minerais. É

importantíssimo controlar a perda de açúcar na torta.

4.3 EVAPORAÇÃO

Os evaporadores correspondem a 4 ou 5 corpos de evaporação de

funcionamento contínuo com a finalidade principal de remoção da maior parte

da água existente no caldo clarificado, que saído dos decantadores é enviado

para um reservatório e através de bombeamento chega ao primeiro efeito, o

pré-evaporador, cujo objetivo é auxiliar na evaporação da água contida no

caldo e gerar maior quantidade possível de vapor vegetal, resultando um caldo

clarificado na primeira caixa de evaporação mais concentrado.

Esse tipo de evaporação, em múltiplo-efeito, é usada devido à menor

necessidade de um estrito controle das condições da ebulição e maior

economia de vapor. Um evaporador é do tipo múltiplo-efeito, quando o caldo

em um vaso é fervido em virtude da condensação dos vapores derivados do

caldo em ebulição no vaso anterior, de acordo com as figuras abaixo.

Figura 15 - Representação dos evaporadores de Múltiplos Efeitos.

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Figura 16 - Evaporadores de Múltiplos Efeitos

O princípio de funcionamento de um evaporador de múltiplo-efeito é o

seguinte: o caldo que está no primeiro vaso é aquecido por meio de vapor

direto da caldeira ou de escape, injetado na câmara de aquecimento ou

calandra; o calor do vapor é transferido para o caldo através da parede dos

tubos e então, os gases desprendidos do caldo em ebulição no primeiro vaso,

são levados por meio de tubos à calandra do segundo vaso, fazendo ferver o

caldo nele existente, sem, porém entrar em contato como o mesmo: os gases

desprendidos do caldo em ebulição no segundo vaso são conduzidos à

calandra do terceiro vaso e, assim, o processo é repetido em todos os vasos

subseqüentes que formam o evaporador de múltiplo-efeito; no último vaso, os

gases desprendidos do caldo em ebulição seguem para um condensador

barométrico onde se condensam.

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Figura 17 - Transferência de calor

A temperatura do caldo clarificado tem uma relação direta com a

superfície necessária neste primeiro efeito (pré-evaporador). Normalmente a

temperatura do caldo clarificado que entra no pré-evaporador é de

aproximadamente de 115 °C (após pré-aquecimento) que entrará em ebulição

dentro do corpo. Se a temperatura de alimentação for inferior a 115 ºC parte da

superfície disponível no pré-evaporador será destinada, exclusivamente a

aquecer o caldo até 115 °C e posteriormente evaporar.

Após o pré-evaporador, o caldo pré-concentrado passar para os

evaporadores de múltiplos estágios (4 a 5) os quais tem a função concentrar o

caldo inicialmente a 20º Brix até 65º Brix (xarope).

Para que o vapor vegetal fornecido para cada corpo de evaporação

possa aquecer o caldo da caixa seguinte é necessário trabalhar-se com

pressão reduzida (vácuo) a fim de que o ponto de ebulição do líquido seja mais

baixo, assim por exemplo, o último efeito reduz o ponto de ebulição do líquido

até 52º C. A figura e a tabela a seguir mostram um exemplo das condições de

operação de cada efeito.

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Figura 18 - Dados de um sistema de evaporação

Os vapores que saem da câmara de caldo do último vaso vão ao

condensador. Esses vapores vêm acompanhados de gases incondensáveis e,

como há necessidade de condensação intensa e de retirada dos mesmos, o

condensador deve ser de grande potência e dotado de dispositivos que

permitam sua retirada.

Há vários tipos de condensadores:

Condensadores de superfície;

Condensadores barométricos que se dividem em condensadores

de contra-corrente, de corrente paralela e de injetores múltiplo ou

multijato.

Os condensadores de superfície, atualmente, são pouco usados. Os

barométricos são condensadores nos quais a água é aspergida em grande

quantidade sobre os vapores. Nesses condensadores, ocorre a entrada de

água pela superior que na sequência entre em contato com os gases e

utilizam uma bomba para criar o vácuo necessário para a condesação.

Figura 19 - Condensador barométrico

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5. FÁBRICAÇÃO DO AÇÚCAR

5.1 COZIMENTO E CENTRIFUGAÇÃO

Seguinte ao processo de evaporação do caldo, esta etapa consiste nas

operações desenvolvidas na fábrica de açúcar para obtenção do cristal de

sacarose com valor comercial.

O cozimento propriamente dito é feito em cozedores à vácuo de

funcionamento idêntico ao evaporadores apresentados na secção anterior

(evaporação). Como o próprio nome sugere, o cozimento é feito sobre vácuo

de 22-25 pol Hg, por evaporação e a baixa temperatura (65-70°C), para que

não ocorra prejuízo na qualidade do açúcar ou até degradação térmica da

sacarose.

Um esquema geral do setor de cozimento é apresentado na Figura 20.

Figura 20 - Esquema geral do setor de cozimento.

Operando em batelada o processo se inicia com a alimentação dos

cozedores com o xarope proveniente do setor de evaporação do caldo e mel.

Os cozedores 1, 2 e 3 são alimentados com uma mistura de mel pobre e

mel rico e terão a finalidade de produzir o mel final para a destilaria, mais

precisamente para o setor de fermentação alcoólica.

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Os cozedores 4, 5 e 6 alimentados com mel rico e xarope irão

concentrar a solução até 92° Brix, ponto final do cozimento. Porém, para

promover a formação dos cristais de açúcar é preciso introduzir durante o

cozimento sementes do mesmo.

Figura 21 - Cozedor à vácuo

Estas sementes são produzidas laboratorialmente com uma mistura de 2

litros de álcool anidro para 1 Kg de açúcar. Os cristais utilizados tem cerca de

5 a 12 µm, tamanho adquirido após 8-10 horas de moagem em moinho de

bolas.

O ponto de semeamento do cozedor (84° Brix) é obtido quando se forma

um fio estável entre os dedos afastados de 1 a 2 cm, ou então analisando-se o

comportamento do mel escorrendo em uma lâmina seca de vidro. A proporção

utilizada é de 1 a 2 ml de semente para 1 L de massa cozida final.

A massa cozida final (92° Brix) é então alimentada nos cristalizadores

onde se junta com a “massa A” proveniente da centrifuga dos cozedores 1, 2 e

3 que separou-a do mel final para a destilaria.

Os cristalizadores providos de agitadores auxiliam a cristalização e

impedem a formação de um bloco, além de servirem como pulmão para as

centrífugas. A centrifugação tem a finalidade de separar o mel que envolve os

cristais de açúcar de uma massa cozida.

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Figura 22 - Cristalizador

As centrífugas contínuas, mostrada na Figura 23, são utilizadas para

“lavagem” da massa B, provinda dos cozedores 1, 2 e 3. A massa B é lavada

com água em centrífugas do tipo cônico vertical, operando com descarga

contínua de sólidos. A separação centrífuga ocorre no cesto cônico, sobre as

telas para filtração. Com a subida da massa sobre a tela, o mel é separado dos

cristais de açúcar.

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Figura 23 - Centrífugas contínuas (Kont 14)

Já as centrífugas batelada/automática, apresentada na Figura 24,

promovem a separação da massa A, provinda dos cozedores 4, 5 e 6. Na

primeira lavagem, com água, saí o mel pobre e na segunda, com vapor, saí o

mel rico.

Figura 24 - Centrífugas automáticas (MAC 1800)

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Os méis, pobre e rico, retirados da centrifuga descontinua são

retornados aos tanques pulmão. Já o açúcar transportadores vibratórios,

helicoidais e elevadores de caneca para o setor de secagem de açúcar.

Figura 25 - Transportador vibratório para açúcar

5.2 SECAGEM E ARMAZENAMENTO

Esta etapa tem a finalidade de secar, resfriar e finalizar o açúcar para a

venda. A secagem é realizada através de um secador rotativo.

Figura 26 - Secador rotativo de açúcar

33

O açúcar é secado através da troca de calor com um ar quente. Esse ar

é previamente aquecido em um radiador através da troca de calor com vapor

direto. No final do secador, há injeção de ar quente para resfriamento do

produto.

Figura 27 - Secador rotativo

Em uma relação açúcar:ar 1:2, o açúcar é enviado para o secador e é

seco até atingir uma umidade final de no máximo 0,10-0,15% dependendo do

tipo de açúcar pretendido.

A seguir, a Figura 28 representa o setor de secagem e armazenamento

Figura 28 - Esquema geral do setor de secagem e ensaque de açúcar

34

Após a secagem o açúcar está pronto. Ele é transportado a partir do

secador através de esteiras até um elevador de canecas. No topo desse

elevador, o açúcar pode ser destinado à um silo que destinará açúcar para os

caminhões ou para um armazém.

Figura 29 - Sistema de armazenamento e silo

35

6. FABRICAÇÃO DO ÁLCOOL

6.1 FERMENTAÇÃO

Esta etapa é responsável por transformar o mosto com baixo teor de

açúcar em vinho com alto teor alcoólico através de fermentação alcoólica

realizada pela levedura do gênero Saccharomyces por meio da seguinte

reação:

Uma representação da fermentação é mostrada na Figura 30 abaixo:

Figura 30 - Etapas primárias do Setor de Fermentação.

6.2 PREPARO DO MOSTO

Mosto é o material fermentescível previamente preparado. Ele é

composto de caldo clarificado e/ou mel final (proveniente do cozimento do mel

pobre) e água. Tal mistura é resfriada até 30ºC em trocadores de calor tipo

placas, e enviado às dornas de fermentação. No preparo do mosto define-se as

condições gerais de trabalho para a condução da fermentação como,

regulagem da vazão, teor de açúcares e temperatura (fatores que dependem

da capacidade de processamento da planta e da qualidade do mosto).

36

Densímetros, medidores de vazão e controlador de Brix monitoram este

processo.

6.3 TRATAMENTO DO FERMENTO

A levedura após passar pelo processo de fermentação se "desgasta",

por ficar exposta a teores alcoólicos elevados. Após a separação do fermento

do vinho, o fermento a 60% é diluído a 25% com adição de água. Regula-se o

pH em torno de 2,8 a 3,0 adicionando-se ácido sulfúrico que também tem efeito

desfloculante e bacteriostático. O tratamento é contínuo e tem um tempo de

retenção de aproximadamente uma hora. O fermento tratado volta ao primeiro

estágio para começar um novo ciclo fermentativo; eventualmente é usado

bactericida para controle da população contaminante.

Figura 31 - Cubas

37

O mosto pronto e o fermento em condições ideais são misturados e

alimentados nas dornas de fermentação orientados pelo distribuidor de mosto,

com isso, dá-se inicio ao processo de fermentação propriamente dito. As

atividades seguintes desse setor estão representadas pela Figura 32.

Figura 32 - Etapas secundarias do Setor de Fermentação.

6.4 FERMENTAÇÃO

É na fermentação que ocorre a transformação dos açúcares em etanol,

ou seja, do açúcar em álcool. Utiliza-se uma levedura especial para

fermentação alcoólica, geralmente do gênero Saccharomyces.

No processo de transformação dos açúcares em etanol há

desprendimento de gás carbônico e calor, portanto, é necessário que as dornas

sejam fechadas para recuperar o álcool arrastado pelo gás carbônico e o uso

de trocadores de calor (serpentinas ou placas) para manter a temperatura nas

condições ideais para as leveduras. A fermentação é regulada para 28 a 30ºC.

38

Figura 33 - Trocador de calor para fermentação

O mosto fermentado é chamado de vinho. Esse vinho contém cerca de

9,5% de álcool. O tempo de fermentação é de 6 a 8 horas. A fermentação pode

ser contínua ou descontínua.

Na fermentação descontínua ou batelada utilizam-se várias dornas

geralmente com capacidade menor que as do processo continuo, pode-se dizer

que neste tipo de processo trabalha-se fazendo várias pequenas fermentações,

pois as dornas são cheias, fermentadas e processadas uma a uma. São

características desse processo:

Alto custo de instalação e automação;

Alto custo de manutenção;

Facilidade no controle microbiológico;

Limpeza das dornas com maior freqüência.

39

Figura 34 - Dornas

Figura 35 - Representação do funcionamento da fermentação descontínua

6.5 CENTRIFUGAÇÃO

Após a fermentação a levedura é recuperada do processo por

centrifugação, em separadores que separam o fermento do vinho. O vinho irá

para os aparelhos de destilação onde o álcool é separado, concentrado e

40

purificado. O fermento, com uma concentração de aproximadamente 60%, é

enviado às cubas de tratamento do fermento.

Figura 36 - Secção transversal e funcionamento da centrífuga de fermento.

6.6 RECUPERAÇÃO DE ETANOL

Durante a formação do etanol, há liberação de CO2. Devido aos efeitos

de temperatura e sua alta volatilidade, frações do etanol acabam passando

para fase gasosa e se desprendem junto ao gás carbônico do vinho

fermentado. Para evitar perdas, todo o gás liberado durante a fermentação

passa por uma coluna de absorção em água, esta coluna retida o etanol da

corrente gasosa e absorve-o na corrente líquida de água.

41

Figura 37 - Torre de absorção de CO2

A mistura etanol água é então retornada ao processo através do

distribuidor de mosto. Ainda o CO2 liberado no processo pode ser vendido para

industrias que necessitem do processo de carbonatação como indústrias de

refrigerantes, espumantes e cervejarias.

Figura 38 - Esquema de operação da coluna de absorção etanol/água.

42

6.7 DESTILAÇÃO

O vinho que vem da fermentação possui, em sua composição, 7 ºGL a

10 °GL (% em volume) de álcool, além de outros componentes de natureza

líquida, sólida e gasosa. O álcool presente neste vinho é recuperado por

destilação, processo este que se utiliza dos diferentes pontos de ebulição das

diversas substâncias voláteis presentes, separando-as.

Em geral, os compostos envolvidos na destilação alcoólica são

apresentados à seguir.

Classe Química

Composto Peso

Molecular (kg/kmol)

Temperatura de Ebulição

(°C)

Pressão de Vapor a 100°C

(mmHg)

Água Água 18,02 100 760

Álcoois

Metanol 32,04 64,7 2610

Etanol 46,07 78,4 1697

Propanol 60,10 97,2 846

Isopropanol 60,10 82,4 1484

Butanol 74,12 117,5 389

Issobutanol 74,12 107,7 565

Amílico 88,15 137,9 185

Isoamílico 88,15 130,9 237

Aldeídos

Acetaldeído 44,05 20,8 7047

Butiraldeido 72,11 74,9 1539

Crotonaldeido 70,09 104,6 -

Ácidos

Acético 60,05 118,1 427

Propiônico 74,08 140,9 182

Crapílico 144,21 236,9 1,7

Cetona Acetona 58,08 56,2 2806

Ésteres Acetato de Etila 88,11 77,1 1533

Caprilato de Etila 172,26 207,1 -

Éter Acetal 118,17 102,9 -

Hidrocarbo- neto

Ciclohexano 84,16 - 1303

Nos últimos anos este tipo de álcool vem sendo produzido em escala

crescente visando atender o consumo de combustíveis alternativos aos

derivados de petróleo. A obtenção deste produto é normalmente feita em duas

colunas de destilação, conforme a Figura 39, nos quais são indicadas as

correntes do processo

43

Figura 39 - Planta de álcool hidratado

A destilação é processada em três colunas superpostas: A, A1 e D. O

vinho (inicialmente com 7º a 10°GL) após pré-aquecimento no condensador E,

por isso o mesmo é denominado de “esquenta-vinho”, passa pelo trocador K,

atingindo sua máxima temperatura antes de entrar na secção intermediária da

primeira coluna, chamada de coluna epuradora A1, cuja função é a de esgotar

do vinho os produtos leves (de ponto de ebulição menor que o etanol),

principalmente ésteres e aldeídos.

44

Figura 40 - Trocador de calor K

A maior parte destes produtos, juntamente com certa quantidade de

álcool e água, passam para a seção secção de concentração (concentradoras

de cabeças, D) e retirados no seu topo, sendo condensados em dois

condensadores R e R1, onde uma fração deste líquido (90% a 95%) retorna ao

topo da coluna D e a outra é retirada como álcool de 2ª, com graduação de

aproximadamente 92 °GL, ou retornado à dorna volante. Os dois

condensadores dessa coluna são usualmente verticais, sendo que a tendência

atual vem sendo a substituição do primeiro deles (R) por condensadores

horizontais de menor área, devido a maior eficiência de troca térmica; o

condensador R é de condensação parcial enquanto que R1, de condensação

total.

45

Figura 41 - Condensador R

Figura 42 - Condensador R1

46

O produto de fundo da coluna D, flegma no estado líquido, constituído

essencialmente por água, álcool etílico, alcoóis superiores (N-propanol, N-

butanol, isobutanol e amílicos) e pequenas quantidades de aldeídos e ésteres

não eliminados pela epuração, é então enviado para a coluna retificadora B/B1

entrando na altura da última bandeija da secção de esgotamento dessa coluna.

Figura 43 - Coluna D

Por outro lado, o vinho é alimentado no topo da coluna A1, descendo

pelas bandejas e sofrendo a epuração, sendo a flegma (vapores com 40º a

50°GL) retirada no fundo desta e enviada à coluna B.

47

Figura 44 - Colunas de destilação e acessórios

Essa primeira coluna A/A1/D tem por finalidade esgotar a maior

quantidade possível de álcool do seu produto de fundo, que é denominado

vinhaça. A vinhaça, retirada em uma proporção aproximada de 13 litros para

cada litro de álcool produzido, é constituída principalmente de água, sais

sólidos em suspensão e solúveis e é utilizada na lavoura como fertilizante,

sendo seu calor parcialmente recuperado pelo vinho em um trocador de calor.

A sua graduação alcoólica não deve ser superior a 0,03°GL.

O aquecimento das colunas A/A1/D é realizado pela injeção de vapor

(escape ou vegetal) no fundo, ou indiretamente através do trocador-

evaporador.

A finalidade da coluna B é concentrar a flegma a uma graduação de

aproximadamente 93,3 ºINPM (álcool hidratado carburante) e proceder a sua

purificação com a retirada das impurezas que a acompanham, como álcoois

48

homólogos superiores, aldeídos, ésteres, aminas, ácidos e bases. A flegma é

alimentada nessa coluna (duas bandejas acima da base da coluna), onde é

concentrada e purificada, sendo retirada, sob a forma de álcool hidratado, duas

bandejas abaixo do topo da coluna.

Os voláteis retirados no topo da segunda coluna passam por uma

seqüência de condensadores onde parte do calor é recuperado pelo vinho,

uma fração do condensado é reciclada e outra retirada como álcool de 2ª.

Valem para os três condensadores desta coluna (E, E1, E2) as mesmas

observações feitas para o R e R1 da primeira coluna, ou seja, os dois primeiros

são condensadores parciais (E e E1), enquanto o último tem funções de

condensação total.

Figura 45 - Condensadores E e E1

49

Figura 46 - Condensador E2

Do fundo da coluna B é retirada uma solução aquosa chamada

flegmaça, que foi esgotada e que pode ser reciclada no processo ou eliminada.

6.8 ARMAZENAMENTO

O álcool produzido é quantificado através de medidores de vazão e são

previamente armazenados em tanques medidores. A partir de amostras desses

tanques, o álcool é analisado e se aprovado segue para tanques de

armazenamento

50

Figura 47 - Tanque medidores

Figura 48 - Tanques de armazenamento

51

7. PRODUÇÃO DE ENERGIA

Co-geração é definida como o processo de transformação de uma forma

de energia em mais de uma forma de energia útil. Uma vez que as formas de

energias úteis mais freqüentes são a energia mecânica (movimentar máquinas,

equipamentos e turbinas de geração de energia elétrica) e a térmica (geração

de vapor, frio ou calor). A co-geração apresenta alta eficiência energética, pois

não há o desperdício de energia térmica (como ocorre nas termoelétricas

puras), pois essa energia é utilizada em processos industriais, como secagem,

evaporação, aquecimento, cozimento, destilação, etc.

Figura 49 - Representação da geração de energia

Co-geração é definida como o processo de transformação de uma forma

de energia em mais de uma forma de energia útil. Uma vez que as formas de

energias úteis mais freqüentes são a energia mecânica (movimentar máquinas,

equipamentos e turbinas de geração de energia elétrica) e a térmica (geração

de vapor, frio ou calor). A co-geração apresenta alta eficiência energética, pois

não há o desperdício de energia térmica (como ocorre nas termoelétricas

52

puras), pois essa energia é utilizada em processos industriais, como secagem,

evaporação, aquecimento, cozimento, destilação, etc.

Esses conceitos aplicam-se didaticamente à cadeia sucroalcooleira. No

processamento da cana-de-açúcar, há alta demanda de energia térmica,

mecânica e elétrica. Após a extração do caldo, é possível queimar o bagaço

obtido em caldeiras, produzindo vapor que é utilizado para obter as três fontes

de energia.

7.1 CALDEIRAS

Caldeira é o nome popular dado aos equipamentos geradores de vapor,

cuja aplicação tem sido ampla no meio industrial e também na geração de

energia elétrica nas chamadas centrais termelétricas.

A primeira tentativa do homem em produzir vapor na evolução da

historia da humanidade foi no século II a.C., quando Heron de Alexandria

concebeu um aparelho que vaporizava água e movimentava uma esfera em

torno de seu eixo. Esse foi o aparelho precursor das caldeiras e das turbinas a

vapor.

As primeiras aplicações práticas ou de caráter industrial de vapor

surgiram por volta do século 17. O inglês Thomas Savery patenteou em 1698

um sistema de bombeamento de água utilizando vapor como força motriz. Nos

finais do século 18 e inicio do século 19 houve os primeiros desenvolvimentos

da caldeira com tubos de água.

Vapor de água é usado como meio de geração, transporte e utilização

de energia desde os primórdios do desenvolvimento industrial. São inúmeras

as razões que colaboram para a geração de energia através do vapor d’água:

A água, na forma de vapor, tem grande quantidade de energia por

unidade de massa e volume. (entálpico);

Pouco corrosivo;

Substância abundante na Terra;

Não é tóxico nem corrosivo;

Vapor saturado tem a grande vantagem de manter a temperatura

constante durante a condensação a pressão constante. A pressão de

condensação do vapor saturado controla indiretamente a temperatura dos

53

processos. O controle de pressão, por ser um controle mecânico de ação direta

é conseguido mais facilmente que o controle direto da temperatura.

Em utilização industrial, poderíamos arbitrar uma classificação de

geradores de vapor em relação a pressão de trabalho:

baixa pressão: até 10 kgf/cm²;

média pressão: de 11 a 40 kgf/cm²;

alta pressão: maior que 40 kgf/cm²;

Existem diversos tipos de caldeiras, as quais podem ser classificadas,

de um modo genérico, em elétricas, flamotubulares e aquatubulares.

Figura 50 - Caldeira aquatubular

54

Figura 51 - Lavador de gases e exaustor

Será dado maior ênfase nas caldeiras aquatubulares, as quais são

utilizadas no processo de produção de álcool e açúcar. As caldeiras

aquatubulares se caracterizam pela circulação externa dos gases de

combustão e os tubos conduzem massa de água e vapor. Elas são de

utilização mais ampla, pois possuem vasos pressurizados internamente e de

menores dimensões relativas. Isso viabiliza tecnicamente o emprego de

maiores espessuras e, portanto, a operação em pressões mais elevadas.

55

Outra característica importante, e de grande importância na indústria de

álcool e açúcar, desse tipo de caldeira é a possibilidade de adaptação de

acessórios, como o superaquecedor, que permite o fornecimento de vapor

superaquecido, necessário ao funcionamento das turbinas.

Figura 52 - Caldeira aquatubular

As caldeiras aquatubulares têm a produção de vapor dentro de tubos

que interligam dois ou mais reservatórios cilíndricos horizontais:

tubulão superior, onde se dá a separação da fase liquida e do

vapor;

tubulão inferior, onde é feita a decantação e purga dos sólidos em

suspensão;

7.1.1 Tubulão superior

O tubulão superior, ou tambor de vapor é o elemento da caldeira onde é

injetada a água de alimentação e de onde é retirado o vapor. No interior dele

estão dispostos vários componentes, conforme mostra a figura a seguir.

56

Figura 53 - Tubulão superior

1. Área dos tubos de descida da água do feixe tubular.

2. Área de tubos vaporizantes, que descarregam a mistura de vapor e água

contra a chicana (6). Esta forma uma caixa fechada no fundo e dos lados, com

abertura na parte superior, que projeta o vapor e a água contra a chicana (8).

3. Área dos tubos do superaquecedor, mandrilados no tambor.

4. Filtro de tela ou chevron.

5. Tubo de drenagem da água retirada no filtro.

6. Tubo distribuidor da água de alimentação; observa-se a posição dos furos.

7. Tubo coletor de amostras de água e da descarga contínua.

8. Chicana

Os tubos são mandrilados nos tubulões e se dividem em tubos de

descida d’água e tubos de geração de vapor, que descarregam a mistura

água/vapor no tubulão.

Na descarga dos tubos de geração de vapor é instalada uma chicana

(chapa defletora) que é uma caixa fechada no fundo e nos lados, destinada a

57

separar a água contida no tubulão e amenizar as variações do nível de água,

ocorridas no tubulão de vapor.

Existe ainda no tubulão superior um conjunto constituído de chapas

corrugadas, denominado chevron ou filtro, cuja finalidade é reter a maior

quantidade possível de partículas sólidas ou líquidas arrastadas pelo vapor,

antes de o vapor sair para o superaquecedor.

O tubo de alimentação de água é por onde a água entra no tubulão. A

posição deste tubo deve ser posicionada de modo a que o jato d’água não se

dirija contra a chapa do tubulão. É essencial que o tubo de alimentação esteja

sempre bem fixado para não causar vibração e nem se soltar dentro do

tubulão.

O tubo de descarga contínua ou coletor é o responsável pela captação

constante de água de drenagem que elimina sólidos em suspensão prejudiciais

à caldeira, normalmente 1% do volume da água de alimentação.

7.1.2 Tubulão inferior

O tubulão inferior, ou tambor de lama, também é construído em chapas

de aço carbono. Nele, estão mandrilados tanto os tubos de água que descem

do tubulão superior quanto os tubos de vaporização que sobem para o tubulão

superior.

No tubulão inferior estão instaladas tomadas para purga ou descarga de

fundo, utilizadas para remover parte da lama e resíduos sólidos originários do

processo e que podem causar corrosão, obstrução e superaquecimento.

A qualidade do tratamento de água de alimentação da caldeira e os

tratamentos e análises do processo determinam a periodicidade das descargas

a serem efetuadas.

7.1.3 Circulação da água

A água pode circular por convecção natural pelos tubos, devido a

diferença de densidade entre o líquido e vapor formado pelo aquecimento

conforme esquematizado na Figura 54.

58

Figura 54 - Esquema da circulação natural

7.1.4 Câmara de combustão

A câmara de combustão, também chamada de fornalha, é o local onde

se processa a queima de combustível. De acordo com o tipo de combustível a

ser queimado, a câmara pode ser dividida em:

Câmara para queima de combustível sólido: são as que possuem

suportes e grelhas; podem ser planas, inclinadas ou dispostas em formas de

degraus que ainda podem ser fixos ou móveis. Estas fornalhas destinam-se

principalmente à queima de: lenha, carvão, sobras de produtos, casca de

cacau, bagaço de cana, casca de castanha, etc.

Figura 55 - Câmara de combustão

59

A alimentação do combustível pode ser feita de maneira manual ou

automatizada.

Apresenta como desvantagens o decaimento de temperatura que pode

ocorrer próximo à entrada de combustível, a grande geração de resíduos e ter

seu uso limitado em caldeiras de pequena capacidade.

Normalmente, elas trabalham com grande excesso de ar, para melhorar

as condições de fumaça da chaminé.

Câmara com grelhas basculantes: é um tipo de fornalha muito usada

para a queima de bagaço como combustível sólido e é dividida em vários

setores.

Cada setor possui elementos de grelha denominado barrotes. Estes

barrotes se inclinam sob a ação de um acionamento externo, que pode ser de

ar comprimido ou de vapor. Com a inclinação dos barrotes, a cinza escoa-se

para baixo da grelha, limpando-a. A redução de ar da combustão e a melhor

distribuição do bagaço sobre a grelha aumentam consideravelmente o

rendimento da caldeira.

Figura 56 - Câmara de combustão da caldeira

Na figura 56, pode-se observar a câmara de combustão em

funcionamento, onde ocorre à queima do bagaço da cana de açúcar, fonte de

combustível nas caldeiras.

60

7.1.5 Paredes de água

As paredes de água da câmara de combustão podem ser totalmente

integrais, ou seja, cada tubo tangente ao próximo formando uma parede

impermeável aos gases, ou ainda pode ser construído com tubos interligados

por aletas de chapa soldadas. Há ainda paredes de água com tubos espaçados

e parede refratária. O calor que não atinge diretamente os tubos é reirradiado

pelo revestimento refratário (Figura 57).

Figura 57 - Tipos de paredes de água

7.1.6 Superaquecedor

Vapor saturado é extraído do tubulão superior e entra em um trocador de

calor instalado dentro da própria caldeira. Os superaquecedores podem ser de

natureza apenas convectiva, ou seja, recebe calor somente por convecção

térmica, ou de irradiação, e neste caso, estão localizados dentro da própria

câmara de combustão, ou na saída desta, de maneira que receba calor por

radiação da chama ou da grelha. A temperatura de superaquecimento varia

com a carga da caldeira, já que a troca de calor não é acompanhada de

mudança de fase como na vaporização. A troca de calor dentro do

superaquecedor é função da velocidade do vapor dentro dos tubos e da

61

velocidade dos gases na zona de convecção. Quando instalados dentro das

caldeiras, podem estar localizados, dependendo da concepção de projeto da

caldeira.

Equipamentos de convecção aumentam a temperatura de

superaquecimento com o aumento da carga da caldeira, pois os coeficientes de

troca de calor tendem a aumentar com as maiores velocidades dos gases e

também do vapor dentro dos tubos. Superaquecedores de irradiação tem a

temperatura de saída diminuída com o aumento da produção de vapor. A

irradiação de calor varia pouco com a carga de produção de vapor. Em baixa

carga a velocidade do vapor é mais baixa e conseqüentemente os coeficientes

de troca de calor também.

O controle fino da temperatura de superaquecimento pode ser feito de

diversas maneiras:

- desvio de gases passando pelo superaquecedor: através de uma

válvula de desvio regulável automaticamente.

- utilização de dessuperaquecedor (ou atemperador): na saída do

superquecedor, o qual através da injeção direta de água líquida controla a

temperatura de saída do vapor superaquecido. Neste caso o superquecedor

tem que ser projetado para temperatura de saída maior que o necessário, a fim

de permitir margem de controle. A temperatura de saída do atemperador é

então controlada pela vazão de água injetada. Um esquema do atemperador é

mostrado na figura 68 abaixo.

Figura 58 - Dessuperaquecedor ou atemperador

62

7.1.7 Economizador

Os economizadores se destinam a aquecer a água de alimentação antes

de ser introduzida no interior da caldeira. O pré-aquecimento é feito através da

troca de calor com os gases de combustão saindo da caldeira.

O aproveitamento do calor sensível dos gases de combustão traz um

aumento de eficiência térmica do equipamento. Economizadores são

trocadores de calor gás-líquido. Devido ao baixo coeficiente de troca de calor

por convecção no lado dos gases, geralmente os economizadores são

compostos por tubos aletados. Em relação á suas instalações devem estar

localizados após a última superfície de convecção do gerador de vapor. Podem

ser fabricados integralmente à caldeira, ou podem ser adicionados na parte

exterior da mesma, logo após a saída dos gases.

Economizadores são praticamente usados em médias e grandes

instalações. O custo adicional comparado com o ganho de rendimento térmico

não viabiliza a utilização em pequenas caldeiras, e que geralmente se utilizam

de alimentação intermitente de água, impossibilitando, portanto, a operação em

uso contínuo e simultâneo dos fluxos de água e produtos de combustão.

7.1.8 Pré-aquecedores

Os pré-aquecedores de ar elevam a temperatura do ar de combustão

antes de sua entrada na fornalha ou câmara de combustão, através da troca de

calor com os produtos de combustão saindo da caldeira. Além da vantagem de

aumento de rendimento térmico por diminuição das perdas nos gases de

exaustão, o ar pré-aquecido melhora o funcionamento e rendimento dos da

câmara de combustão. Ar pré-aquecido aumenta a estabilidade de chama, a

temperatura interna da câmara de combustão, aumentando, portanto, a troca

de calor por radiação, permitindo a utilização de menor excesso de ar. O fato

de se utilizar também o calor sensível dos gases de combustão não impede

seu uso conjunto com o economizador, o qual quando usado, deve vir antes do

pré-aquecedor, já que existem limitações quanto à temperatura máxima do ar

de combustão conforme o tipo de fornalha e combustível utilizado

63

7.2 DESAERADOR

O desaerador tem a função de retirar os gases não condensáveis da

água de alimentação de modo a não danificar as caldeiras. É utilizado vapor de

extração de 5 bar para retirar o ar da água por arraste de vapor, ou seja, o

vapor, em contra-corrente com a água, carrega os não condensáveis, que são

liberados para a atmosfera.

Figura 59 – Desaerador

Além de retirar não condensáveis, o desaerador promove aquecimento

da água e funciona, também, como um reservatório que possibilita a sucção

das bombas de alimentação da caldeira.

64

Figura 60 - Esquema de funcionamento de um desaerador

7.3 TURBINAS A VAPOR

As turbinas de vapor são máquinas rotativas que aproveitam a

variação de entalpia de um fluido, regra geral a água, para produzir trabalho

através da rotação de um órgão móvel: o rotor. São máquinas de ponta,

sujeitas a grandes esforços, que operam a grandes velocidades, pressões e

temperaturas que conseguem aproveitar a quase totalidade da energia contida

no vapor antes deste começar a condensar. Num modo muito simplista, pode-

se dizer que as turbinas são hélices que funcionam inversamente, aproveitando

o fluxo de um fluido para realizar trabalho. Além das turbinas de vapor, existem

também turbinas de gás, de vento e hidráulicas.

65

Figura 61 - Turbina a vapor

7.3.1 Constituintes das turbinas a vapor

A turbina a vapor utiliza o vapor a alta pressão produzido por

uma caldeira para colocar em movimento as pás do rotor.

Como qualquer máquina, a turbina a vapor possui reguladores,

mecânicos ou eletrônicos, que regulam a quantidade de vapor que entra

conforme a velocidade de rotação do rotor.

As turbinas na generalidade são constituídas por dois ou mais andares

de diferentes pressões, sendo cada um desses andares constituído por

conjuntos de rodas de turbina e coroas ou distribuidores, conforme são turbinas

de reação, turbinas de ação ou impulso. A existência destes vários andares

deve-se ao aproveitamento da energia contida no vapor, que à medida que se

expande vai decrescendo, assim como a sua pressão. Assim, o vapor ao sair

de um andar regressa à caldeira onde é re-aquecido antes de voltar a entrar na

turbina num andar de menor pressão.

Rotor

O rotor é o órgão móvel da turbina. É constituído pelo veio [ou eixo] e

pelas rodas de turbina e se apóia no estator através de chumaceiras.

66

Figura 62 – Rotor

Estator

É o invólucro que envolve o rotor da turbina e lhe serve de apoio. Pode

também ser chamada de carcaça ou caixa. Qualquer dilatação da turbina é

referenciada em relação ao indicador que não sofre os efeitos da temperatura.

Este indicador é importante na medida que valores anormais são indicativos de

problemas funcionais da turbina, que se não fossem perceptíveis poderiam

levar à sua inutilização. A vedação do eixo é feita a través de uma série de

estrias que se comportam como um longo e torduoso labirinto para quaisquer

fugas de vapor. O seu objetivo não é anular as fugas de vapor mas sim

diminuí-las. Nas turbinas de alta pressão, o vapor que consegue passar através

da vedação é recolhido e canalizado para uma parte da instalação de menor

pressão. Nas turbinas de baixa pressão é perdido.

67

Figura 63 - Estator