Capítulo 06 - Apostila Cana

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Capítulo 6 
Evaporação 
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6. EVAPORAÇÃO 
 
6.1. Introdução 
 
 O caldo purificado compõe-se de uma solução diluída de sacarose e de outras 
substâncias. Para se cristalizar a sacarose é necessário retirar grande parte dessa água. 
 A concentração da sacarose, por motivos técnicos e econômicos, é realizada em 
duas etapas. A primeira é realizada em aparelhos evaporadores de múltiplos efeitos 
aquecidos a vapor. Desses aparelhos, o caldo sai na forma de xarope. 
 O segundo estágio realiza-se em evaporadores de simples efeito, também aquecidos 
por vapor. Nesses aparelhos, denominados de cozedores, o caldo entra na forma de xarope 
e sai na forma de massa cozida, na qual a sacarose apresenta-se na forma cristalizada. 
 
6.2. Princípios da evaporação pelo vapor 
 
 A evaporação baseia-se no fato de que quando se tem um vapor em contato com 
uma superfície de menor temperatura, há transferência de calor para a substância que se 
encontra do outro lado dessa superfície. Com essa transferência de calor, o vapor perde seu 
calor latente e se condensa. 
 Determinada a quantidade de vapor necessária para evaporar uma certa quantidade 
de água, o trabalho do evaporador resume-se na transferência de calor latente do vapor 
para o caldo, fazendo com que o mesmo entre em ebulição. 
 
 
Figura 6.1. Transferência de calor através de 
superfície metálica. 
 
 
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6.3. Evaporação em evaporador múltiplo efeito. 
 
 Evaporadores de múltiplo efeito são aqueles em que o caldo, nele contido, é 
aquecido através da condensação dos vapores provenientes do corpo anterior. Dessa forma 
o caldo no primeiro corpo é aquecido por vapor reduzido da caldeira, que é injetado no seu 
elemento de aquecimento (calândria), não havendo contato direto entre o vapor e o caldo a 
ser aquecido. 
 A transferência de calor latente, promove a condensação do vapor nos elementos de 
aquecimento do evaporador, e o caldo é aquecido. Com a elevação da sua temperatura 
inicia-se o processo de ebulição e a liberação de vapor denominado de vapor vegetal. Os 
vapores de cada corpo, após terem aquecido o caldo se condensam e são retirados por 
purgadores, sifões em U, drenos barométricos ou bombas. 
O vapor vegetal produzido no primeiro corpo do conjunto evaporador é 
encaminhado aos elementos de aquecimento do segundo corpo, promovendo o aquecimento 
do caldo desse corpo, conduzindo-o estado de ebulição. O vapor aí produzido será enviado 
para o elemento de aquecimento do corpo seguinte. Isso se repete até o último corpo, onde 
o vapor gerado pelo aquecimento e ebulição do caldo é enviado a um condensador, onde a 
condensação dos vapores leva à formação de vácuo em todo o conjunto. 
 
Figura 6.2. Evaporador tríplice efeito. 
 
 A condensação dos vapores do último corpo resulta na formação de vácuo em todos 
os corpos, cuja intensidade é crescente à medida em que se desloca do primeiro para o 
último corpo. Como conseqüência disso a temperatura de ebulição do caldo é decrescente , 
o que permite ao vapor proveniente do corpo anterior ser suficiente para evaporar a água 
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contida no caldo do corpo considerado, ou seja, o vapor gerado por um corpo é sempre 
suficiente para evaporar a água do caldo do corpo seguinte. 
 O caldo clarificado entra no primeiro corpo com uma concentração variando entre 
13 e 15ºBrix. Durante sua circulação através dos corpos evaporadores, vai ocorrendo 
concentração gradual, o que faz com que o mesmo seja retirado do último corpo com 
concentração em torno de 55- 60 Brix, na forma de xarope. 
 A evaporação do caldo é realizada em evaporadores de múltiplos efeitos devido à 
economia de vapor que se consegue obter. Sabe-se que, para a evaporação de 1 kg de água 
em aparelho de simples efeito é necessário 1 kg de vapor. Por outro lado, para os múltiplos 
efeitos, teoricamente, com 1 kg de vapor consegue-se evaporar tantos kg de água quantos 
forem os corpos que compõem o conjunto. Para um quádruplo efeito, teoricamente, com 1 
kg de vapor consegue-se evaporar 4 kg de água. Na prática, consegue-se um pouco menos 
de 4 kg, em função das perdas de calorias ocorridas, uma vez que a eficiência do sistema 
não é de 100%. 
 
6.4. Acessórios do evaporador 
 
6.4.1. Vaso de segurança 
 
O vaso de segurança é uma estrutura comum a todos os corpos do conjunto 
evaporador. Constituído por placas distribuídas em chicanas, tem a finalidade de reter 
bolhas de líquido que são arrastadas da câmara de gases de um corpo em direção à 
calândria do corpo seguinte. Dessa forma esse equipamento tem o objetivo de evitar 
possíveis perdas de sacarose por arraste. 
 
 
Figura 6.3. Sistemas de recuperação de caldo arrastado com o vapor vegetal. 
 
 
Tipo Clássico 
 
Tipo Guarda-chuva 
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Figura 6.4. Corpo evaporador. Detalhes da câmara de caldo, calândria e câmara de vapor. 
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6.4.2. Calândria 
 
 A calândria vem a ser o elemento de aquecimento do evaporador. Situa-se logo 
acima do fundo, e é constituída de duas placas perfuradas, uma superior e outra inferior 
denominadas de espelhos. Essas são interligadas por tubos, que são mandrilados nas suas 
extremidades, aos orifícios que se distribuem nas superfícies dos dois espelhos. 
 
Existe na calândria um tubo central denominado de tubo de circulação, que apresenta 
diâmetro maior do que o dos outros tubos localizados na parte periférica. Dessa maneira, 
durante a evaporação existem 2 correntes de circulação de caldo: uma ascendente pelos 
tubos da periferia (de menor diâmetro) e da periferia para o centro, e uma segunda, 
descendente, pelo tubo central, que se prolonga do centro para a periferia. 
 Na indústria açucareira os múltiplos efeitos constituem-se de 3,4 ou 5 corpos, e são 
denominados de tríplice, quádruplos ou quíntuplos efeitos, respectivamente. 
 Normalmente todos os corpos têm a mesma constituição, mesma capacidade. Mas 
também podem ser de alturas decrescentes do primeiro para o último corpo, ou o primeiro 
pode ser maior do que os demais. 
 Cada corpo é construído em chapas de ferro revestidas por pequenos pedaços de 
madeira isolantes ou amianto, cuja altura normalmente é o dobro do seu diâmetro. A parte 
superior é fechada pelo domo e pelo vaso de segurança, enquanto que a parte inferior pelo 
fundo, que apresenta forma variável. Em todos os corpos encontram-se aberturas de visita 
superior e inferior, lunetas, manômetros, termômetros, indicadores de níveis, etc. 
 As água condensadas depositam-se sobre o espelho inferior e devem ser retiradas 
através dos dispositivos anteriormente citados, uma vez que atrapalham a evaporação pois 
são más condutoras de calor. 
 A partir do segundo corpo há formação de gases incondensáveis, os quais se 
acumulam sob o espelho superior. São retirados através dos tubos amoniacais. Esses gases 
atuam formando zonas inativas dificultando a transmissão de calor. 
 
6.4.3. Câmara de gases 
 
 A câmara de gases situa-se entre o espelho superior da calândria e o domo. É 
totalmente ocupada por vapores provenientes da evaporação do caldo, os quais 
alcançam o domo, o vaso de segurança e posteriormente a tubulação que dá acesso à 
calândria do corpo seguinte. 
 
 
6.4.4. Câmara de caldo 
 
 A câmara de caldo compreende o espaço existente entre o fundo do corpo 
evaporador e o espelho inferior da calândria. Entretanto, além desse espaço o caldoocupa 
o interior dos tubos. 
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 O volume de caldo não deve ser maior do que a altura do espelho superior, para não 
comprometer a capacidade de evaporação do aparelho. 
 A passagem do caldo de um corpo para outro se dá através de tubulações, sendo o 
fluxo regulado manual ou automaticamente através de reguladores de nível ou sifões 
barométricos. O xarope é retirado do último corpo através de bombas que o recalcam para o 
depósito. 
 
6.4.5. Condensadores 
 
 Os vapores produzidos no último corpo são encaminhados par o condensador, 
visando sua condensação e conseqüente formação de vácuo nesse e nos demais corpos. O 
condensador deve ser ligado a um purgador que se comunica com uma bomba de ar seco, 
que tem a finalidade de separar os gases incondensáveis dos condensáveis em estado seco. 
 Nas usinas de açúcar os condensadores usados podem ser dos seguintes tipos: 
- secos de corrente paralela 
- secos de contracorrente 
- tipo ejetor de multijatos a vapor 
- tipo ejetor de multijatos a água. 
 
 
6.4.6. Condições de evaporação 
 
Tabela 6.1. Variáveis monitoradas durante o funcionamento de um evaporador quádruplo-efeito. 
Local Condição 1
o
 vaso 2
o
 vaso 3
o
 vaso 4
o
 vaso 
Calândria pressão (kg/cm
2
) 0,63 0,24 - - 
 vácuo (cm de Hg) - - 10,16 38,50 
 temperatura e  C 114,00 106,00 86,00 80,50 
Câmara de gases pressão (kg/cm
2
) 0,24 - - - 
 vácuo (cm de Hg) - 10,16 38,50 66,00 
 temperatura e  C 106,00 96,00 80,50 52,00 
Brix Entrada 16,00 19,30 35,00 36,50 
 Saída 19,30 35,00 36,50 60,00 
 
 
 Com relação à pressão da calândria, ela aparece apenas nos dois primeiros vasos, 
não aparecendo nos dois últimos. Por outro lado, vácuo na calândria ocorre apenas nos dois 
últimos corpos. Quanto à temperatura, a mesma é decrescente quando se desloca do 
primeiro ao último corpo. 
 Para a câmara de gases, pressão positiva só ocorre no primeiro corpo, a qual 
assume valor reduzido. O vácuo começa a aparecer a partir do segundo corpo, sendo 
crescente até o último corpo. A temperatura aqui também é decrescente em conseqüência 
do aumento do vácuo. 
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Em relação à concentração de sólidos solúveis esta aumenta ao longo do percurso 
do caldo dentro do conjunto evaporador em função da perda progressiva de água que se 
verifica. 
 
6.4.7. Fatores que afetam a transmissão de calor. 
 
 Os principais fatores que afetam a transmissão de calor são: 
 
 diferença de temperatura 
 incrustações 
 água de condensação 
 gases incondensáveis 
 natureza do material de construção, etc. 
 
 
Figura 6.5. Conjunto evaporador quádruplo efeito. Usina Guaira – SP – Brasil. 
 
6.4.8. Incrustações 
 
Em conseqüência das reações químicas aceleradas pelo aquecimento do caldo, que 
levam à formação e insolubilização de sais de cálcio ocorre a deposição dos mesmos nos 
tubos das calândrias dos corpos evaporadores. Essa deposição é progressiva e pode obstruir 
completamente as secção de tais tubos. Entretanto, os prejuízos causados ocorrem desde o 
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início dessa deposição, pois esses depósitos são maus condutores de calor, o que resulta em 
aumento do consumo de vapor para atingir a concentração desejada do xarope. 
Na prática, o que se observa é que um conjunto múltiplo-efeito, inicialmente 
operando de forma normal a concentração do caldo clarificado, passa a produzir, ao longo 
do tempo, xaropes cada vez menos concentrados. Em conseqüência disso, semanalmente as 
usinas de açúcar programam uma parada de 24 horas, quando providenciam, além da 
reposição das peças desgastadas, também a limpeza dos tubos das calândrias dos corpos 
evaporadores. 
Para essa operação, os corpos evaporadores devem ser esgotados e um operador, em 
seu interior, promove a limpeza dos tubos com o auxilio de chicotes dotados de brocas 
especiais em suas extremidades. Esses chicotes são inseridos nos tubos de diâmetros 
menores nas calândrias, promovendo a remoção desses depósitos. Essa operação, ao longo 
do tempo, acaba por danificar as paredes dos tubos. A conseqüência desses danos é a 
passagem de xarope para o circuito de vapor, contaminando assim as águas condensadas. 
Por conta disso, testes com alfa-naftol são realizados periodicamente. No caso dessas águas 
estarem contaminadas ocorre a reação dos açúcares com o alfa-naftol e o aparecimento de 
coloração rósea, o que é o indicativo da existência de perfuração dos tubos da calândria.