Evaporação do Licor Preto para Produção de Combustível

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Prof. Daniel Saturnino
Missão – Evaporar o licor preto fraco, removendo o excesso de água para
criar um produto combustível – licor preto forte
Os três principais processos que
ocorrem nos evaporadores são:
Licor Preto + Calor Licor Preto Forte + Água + Vapor
Condensado + Vapor Condensado Limpo + Sujo + NCG
Licor Preto Licor Preto + Sabão (só fibra longa)
▪Estágio de evaporação ou efeito é um ou possivelmente 
vários trocadores de calor operando a uma mesma 
pressão de vapor
▪Corpo do evaporador é a unidade de troca de calor. Um 
efeito pode ter vários corpos em paralelo.
▪Evaporação em estágios múltiplos: consiste de um 
número de trocadores de calor conectados em série.
▪Vapor vivo, vapor primário, ou vapor é o vapor limpo 
vindo do sistema de distribuição de vapor da fábrica.
▪Condensado primário é o condensado limpo do vapor 
vivo.
▪Vapor Secundário é o vapor gerado pela evaporação do 
licor preto. 
▪Condensado Secundário é o condensado derivado do 
vapor secundário.
▪Condensado Contaminado é o mais contaminado 
condensado secundário e precisa ser purificado por 
destilação.
▪Gases não condensáveis (NCG) são compostos 
gasosos que são liberados do licor preto durante a 
evaporação.
▪Concentrador refere-se aos primeiros efeitos das plantas 
de evaporação onde o licor é evaporado para sua 
concentração final.
▪Condensador de Superfície é um trocador de calor 
refrigerado a água que condensa o vapor do último efeito 
de evaporação.
▪ Uso eficiente da energia térmica disponibilizada
▪ Separação eficiente do vapor de água das gotas de licor
▪ Remoção de metanol, sabões e “tall oil” (se presente)
▪ Concentração final entre 75 e 85% de sólidos secos
▪ O licor preto fraco da linha de fibras contém 14 a 17% de sólidos 
secos
▪ Estes sólidos são compostos de cerca de 1/3 de químicos 
inorgânicos que estavam no licor branco alimentado no digestor
▪ Os restantes 2/3 consistem de químicos orgânicos
extraídos da madeira
▪ O licor preto precisa ser concentrado acima de 60% de sólidos 
para que possa ser queimado sem auxílio de outros combustíveis
-10.0
-5.0
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5.0
10.0
15.0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
SÓLIDOS SECOS DO LICOR PRETO, %
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▪ Usar as melhores tecnologias disponíveis para remover água 
do licor preto fraco
▪ A concentração final do licor preto deve ser alta o bastante: 
▪ para possibilitar a queima na caldeira de recuperação 
▪ minimizar emissões de SO2 e TRS(gases reduzidos de enxofre)
▪ Capacidade suficiente para acomodar possíveis vazamentos 
na planta
▪ Grande número de efeitos aumenta a eficiência energética da 
operação de evaporação
▪ Processos evaporativos devem ser realizados de forma que se 
maximize o uso eficiente da energia 
▪ Logo a evaporação é feita em estágios que permitam que 1 kg de 
vapor evapore mais que 1 kg de água, através de múltiplos efeitos 
presentes
▪ A planta de evaporação tipicamente possui 5 a 8 efeitos
▪ Nas plantas não há distinção entre evaporadores e concentradores
▪ A concentração final do licor desejada está acima de 70% de sólidos
▪ O tratamento dos condensados é integrada à planta
▪ A planta de evaporação realiza vários 
processos simultâneos além de produzir o licor 
preto concentrado para a caldeira de 
recuperação:
▪ Extração do licor preto:
▪ Turpentina
▪ Metanol
▪ Sabões (somente em madeira de fibra longa)
▪ Produção de condensado limpo para uso na 
fábrica, por exemplo, na lavagem da lama de cal
▪ Utiliza vapor da 
evaporação do licor
▪ Compressor aumenta a
pressão e temperatura 
de condensação
▪ Vapor é usado na
partida
▪ Usado para concentrar
licor fraco antes do 
evaporador principal
Saída de 
licor
Saída de 
Condensado
Compressor
Entrada 
de licor
▪Este tipo de evaporação usa o vapor gerado quando licor preto 
fraco quente é “flasheado” para um pressão mais baixa. 
▪Escoamento Contracorrente
▪Escoamento Misto
▪ Evaporação térmica
▪ evaporador de filme ascendente
▪ evaporador de filme descendente
▪ filme dentro da superfície de aquecimento
▪ filme fora da superfície de aquecimento
▪ circulação forçada
▪ evaporação por contato direto
▪ Bolhas de vapor 
empurram o licor para 
cima (princípio visto nas 
cafeteiras comerciais)
▪ Licor dentro dos tubos
▪ Vapor fora dos tubos
▪ Principal tipo nas plantas 
mais antigas
▪ Entope em alto teor de 
sólidos
▪ Não é mais comercializado
▪ A gravidade puxa o licor 
para baixo (princípio 
das gotas de chuva na 
janela)
▪ Licor dentro dos tubos
▪ Vapor fora dos tubos
▪ Entope com alto teor de 
sólidos no licor
▪ Comercializado em plantas 
com 3 a 7 efeitos
▪ A gravidade puxa o licor 
para baixo (princípio das 
gotas de chuva na janela)
▪ Licor fora dos tubos
▪ Vapor dentro dos tubos
▪ Usado para licor com alto 
teor de sólidos 
▪ Comercializado em sistemas 
de 1 a 3 efeitos, normalmente 
como concentradores
▪ A bomba força o licor 
através de um trocador de 
calor
▪ Licor dentro dos tubos
▪ Vapor fora dos tubos
▪ Utilizados em licores 
com alto teor de sólidos
▪ Comercializado como 
sistemas de 1 a 3 efeitos e 
como concentrador
▪ Utiliza transferência de calor 
por contato direto
▪ Licor fora dos tubos
▪ Gases de exaustão fora
dos tubos
▪ Era utilizado como um 
concentrador final
▪ Não é mais comercializado
devido a problemas de 
emissão atmosférica
▪Ajudam no processo de 
tratamento do condensado 
contaminado 
▪O projeto do evaporador 
permite a separação de uma 
corrente com maior teor de 
contaminantes 
▪E outra com menor teor que 
pode ser reutilizada em outras 
partes da fábrica
▪ A causa da diferença de 
pressão no lado vapor é
a água fria
▪ condensador atomizador
▪ trocador de calor
▪ O trocador de calor 
é preferido por 
melhor controle 
ambiental
▪Aparatos:
▪ Bomba de vácuo
▪ Ejetor de vapor
▪O gerador de 
vácuo: 
▪ remove gases não 
condensáveis 
▪ dos evaporadores 
▪ do condensador de 
superfície. 
▪A economia de vapor é
melhorada usando 
trocadores de calor 
indiretos para alterar a 
temperatura do licor 
preto
▪ ”Condensados” são líquidos produzidos do vapor quando
este é resfriado em um trocador de calor
▪ Os condensados são compostos principalmente de água
▪ Condensados limpos são formados quando vapor puro
ou “vivo” condensa
▪ Condensados contaminados são formados quando
vapor originado do licor preto é resfriado
▪ Há três locais na fábrica onde condensados
contaminados são formados:
▪ Planta de evaporação;
▪ Processamento de gases não-condensáveis;
▪ Cozimento
▪ Esses condensados contêm:
▪ metanol
▪ compostos odoríficos de enxofre
▪ turpentina
▪ nas plantas que processam madeira de fibra 
longa também apresentam resina de “tall oil”
▪ O condensado pode ser reutilizado se for 
tratado adequadamente
▪ Colunas de esgotamento por ar (não utilizadas 
atualmente)
▪ Remoção de TRS
▪ Sistemas de esgotamento à vapor
▪ Remoção de TRS
▪ Remoção de metanol
▪ Colunas de destilação dedicadas
▪ Colunas de esgotamento integradas na planta
▪ A fábrica é tipicamente desenhada para coletar todos os 
vazamentos
▪ Cada departamento tem um sistema de recuperação 
dos vazamentos, o qual precisa destinar 
adequadamente vazamentos com material 
contaminado de volta ao processo ou para um 
tratamento
▪ Vazamentos das partes da planta podem precisar coletar 
entre 3000 a 5000 m3
▪ Tanques de licor fraco têm tipicamente capacidade extra 
para estocar vazamentos de licor de áreas em manutenção
▪A unidade de tratamento 
térmico do licor pode 
estar presente na fábrica
▪O objetivo é reduzir a 
viscosidade do licor que 
está sendo processado 
para facilitar o 
bombeamento
Q = U ATd
T1 T2
A
Q Q
A Td
Q =
R
▪R = resistência global ao fluxo de calor
U = 1/R = 1/(RFC + RDV + RPM + RDL + RFL)
▪RFC é a resistência do filme de condensado nolado vapor;
▪RDV é a resistência do depósito no lado do vapor;
▪RPM é a resistência da parede metálica;
▪RDL é a resistência do depósito no lado do licor;
▪RFL é a resistência do filme de licor.
▪ Começando pelo lado do vapor, um balanço global de massa é 
dado pela equação:
▪ Si + Ci = Co
▪ Onde: Si é a massa do vapor que entra, Ci é a massa do 
condensado que entra e Co é a massa do condensa do que sai.
▪ No lado do licor, o respectivo balanço global de massa é dado pela 
equação:
WLi = WLo + Wv
▪ E o balanço do teor de sólidos no licor é dado pela equação:
WLi xi = WLo xo
▪ Onde: WLi é a massa de licor fraco que entra; WLo é a massa de 
licor concentrado que sai; Wv é a massa de vapor removido do 
licor; xi é a fração de sólidos no licor que entra; xo é a fração de 
sólidos no licor que sai.
▪O balanço de energia no lado do vapor calcula a quantidade de 
energia que é transferida para o licor 
▪Considera-se que o vapor e condensado entram no 
equipamento e na saída tem-se apenas condensado, ou seja, 
todo vapor alimentado no evaporador sairá como líquido
CiCpw(Tci – T
*) + Si [ Cps(Ts – T
*) + λs] = QT + QL
▪Onde: Cpw é a capacidade calorífica do condensado; Tci é a 
temperatura do condensado; T* é a temperatura de saturação 
na pressão dada; Cps é a capacidade calorífica do vapor; Ts é a 
temperatura do vapor de entrada; λs é o calor de vaporização 
na pressão dada; QT é o calor transferido ao licor preto; QL é o 
calor perdido
▪Para simplificar os cálculos duas hipóteses podem ser 
assumidas neste ponto: 
▪ as perdas de calor são negligenciáveis 
▪ o calor sensível no vapor é pequeno quando comparado ao calor 
latente, assim pode-se assumir que o vapor que entra estaria na 
temperatura de saturação, ou seja, Ts = T
*
▪Dessa forma a equação anterior é simplificada para:
CiCpw(Tci – T
*) + Si λs = QT
▪O calor transferido para o licor, QT, fornece o calor sensível e 
latente para o processo de evaporação conforme a equação:
WLiCpLi(Ti – T*)-WLoCpLo(Tb – Tr)-Wv[Cps(Tb – Tr) + λb] = QT
▪Onde: CpLi é capacidade calorífica do licor na entrada; Ti é a 
temperatura de entrada do licor fraco; Tr é a temperatura de 
referência; CpLo é a capacidade calorífica do licor na saída; Tb é 
o ponto de ebulição do licor na pressão do evaporador; λb é o 
calor de vaporização na pressão do evaporador.
▪A equação acima pode ser simplificada 
▪ [Cps(Tb – Tr) << λb], 
▪ se (Tr = Tb), tem-se:
WLiCpLi(Tb – Ti) + Wv λb = QT
Número de
estágios
Economia de 
Vapor
ton of H2O/t 
vapor
Consumo
Específico 
MJ/ ton of H2O
4 3,6 – 3,7 630 - 650
5 4,1 – 4,3 550 – 570
6 4,9 - 5,3 460 – 480
7 5,9 – 6,2 390 - 400
▪ Capacidade evaporativa é determinada pela área de troca 
térmica, força motriz térmica disponível e coeficientes 
globais de troca de calor
▪ Normalmente expressa como t H2O/h ou kg H2O/s
▪ A força motriz térmica é a diferença de temperatura entre o 
vapor fornecido como fonte de calor e a temperatura do licor 
que precisa ser evaporado
▪ Para uma fonte única de vapor T se distribui de forma 
que o produto UAT é aproximadamente constante
▪ Dessa forma, uma área ideal requer que o produto UA seja 
constante para cada efeito (custo constante por área)
▪ Para várias fontes de vapor a escolha deT e UA depende 
das diferenças de preço entre as fontes de vapor
▪ Os depósitos são 
caracterizados por:
▪ diferentes camadas na 
superfície de troca de 
calor:
▪ variação nas condições da 
fábrica
▪ a deposição é resultado 
de instabilidades do 
processo
▪ tubos e placas possuem 
depósitos diferentes
▪ A deposição é formada principalmente por:
▪ materiais insolúveis no licor
▪ materiais precipitando no licor quando sólidos secos 
(=temperatura) é aumentada (=saturação)
▪ reações no licor quando a temperatura é
aumentada
▪ Deposição por fibras
▪ fibras no licor preto aderem às superfícies
▪ superfície das fibras acelera deposição
▪ presença de fibras devido à erros no polpação
▪ Presença de areia, terra, etc.
▪ Substâncias estranhas diversas no processo
▪ Depósitos de burquita
▪ composição depende da temperatura e teor 
de sólidos secos
▪ normalmente solúvel em água
▪ Depósitos de cálcio
▪ cálcio é proveniente da madeira
▪ mais problemático em digestores batelada
▪ Depósitos de sílica
▪ Depósitos de “sabões” e “tall oil”
▪ “sabões” aderem às superfície
▪ “sabões” arrastam fibras e cálcio
▪ maioria do “tall oil” e sabões separam
em concentrações de 25 a 30% sólidos
▪ Depósitos de lignina
▪ precipitação em pH < 11