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Capítulo 5 Purificação do Caldo MARCOS OMIR MARQUES 73 5. PURIFICAÇÃO DO CALDO 5.1. Introdução. O objetivo da purificação do caldo é a obtenção de um caldo claro, brilhante e transparente. Isso deve ser feito através da eliminação de impurezas dissolvidas e em suspensão, sem afetar a sacarose presente. Os objetivos dos diferentes processos são a coagulação máxima dos colóides e a formação de um precipitado insolúvel que arraste todas as impurezas coloidais responsáveis pela natureza turva do caldo. A temperatura e a mudança de reação do meio ( pH) são as variáveis mais importantes que devem ser conduzidos de modo que o final das reações ocorram próximos da neutralidade. 5.2. Peneiragem do caldo. A peneiragem do caldo tem por finalidade a eliminação de impurezas grosseiras, tais como: bagacinho, pedaços de cana e até mesmo a própria cana. A presença dessas frações decorre da utilização dos equipamentos preparadores de cana (jogo de facas nivelador, jogo de facas picador ou desintegrador), além do desgaste natural dos equipamentos e mal assentamento da bagaceira. A remoção dessas impurezas se faz necessária pois as mesmas promovem freqüentes entupimentos de bombas, propiciando incrustações em canalizações, e em tubulações dos corpos aquecedores e evaporadores. 5.3. Tipos de peneiras de caldo. Vários são os tipos de peneiras encontrados em usinas de açúcar. As mais freqüentes, e as primeiras a remover impurezas do caldo misto são as do tipo rotativas, que se constituem em um cilindro telado, inclinado, que apresenta movimento de rotação. Na extremidade superior, em sua parte interna, é admitido o caldo misto proveniente das moendas. A parte líquida passa pelos orifícios da tela, dando seqüência no processo de fabricação. As impurezas ficam retidas na tela, sobre a superfície interna do cilindro. Sobre esse material atuam duas variáveis simultaneamente: a força da gravidade e o movimento de rotação do cilindro. Ambas resultam no deslocamento desse material sobre a tela, até a extremidade inferior, se depositando sobre uma esteira que, ao se movimentar, retorna o material (bagacilho) às moendas. cush-cush. AsEssas constituem-se de uma chapa perfurada através da qual o caldo deve ultrapassar, atingindo uma caixa coletora também denominada de caixa receptora de caldo misto peneirado. As impurezas ficam retidas na peneira sobre a qual desliza uma esteira dotada de rastelos de madeira cuja função é o arraste do material aí acumulado até um condutor tipo parafuso sem fim que retorna às moendas para que o caldo seja extraído. Capítulo 5 Purificação do Caldo MARCOS OMIR MARQUES 74 Assim, os orifícios da tela são constantemente limpos pelos rastelos, deslocados pela movimentação de uma corrente dupla sem fim presa em cada uma de suas extremidades. Quanto ao condutor tipo parafuso sem fim, este acha-se posicionado dentro de uma calha em forma de U , onde o mesmo, quando em funcionamento, apresenta movimento de rotação, o que promove o deslocamento das impurezas até o condutor intermediário localizado entre o primeiro e o segundo terno de moendas. Figura 5.1. Vista parcial da superfície filtrante da peneira rotativa Dedini. (Fonte Dedini Indústrias de Base, 2007). Capítulo 5 Purificação do Caldo MARCOS OMIR MARQUES 75 Figura 5.2.Vista lateral de uma peneira rotativa Dedini instalada externamente ao galpão da moenda. (Fonte: Dedini Indústrias de Base, 2007). 5.4. Pesagem do caldo. A pesagem do caldo é necessária pois, juntamente com outras determinações, permite o controle do processo de fabricação. Vários são os métodos empregados para a determinação da quantidade de caldo enviado à fabricação. Entre os equipamentos empregados pode-se mencionar: medidores de vazão, caixas medidoras de volume, balanças registradoras, dentre outros. A preferência pelas balanças decorre do fato de que o peso independe da temperatura, a qual varia durante o dia e ao longo da safra, sendo, portanto uma variável a menos a ser monitorada. 5.5. Processos industriais de clarificação do caldo. Na indústria do açúcar brasileira a clarificação do caldo pode ser realizada de formas diferenciadas segundo o tipo de açúcar a ser produzido. Dessa forma, para a produção de açúcar demerara, o processo adotado é denominado de defecação simples ou caleagem simples. Para a produção de açúcar cristal branco, a clarificação do caldo é realizada segundo o processo denominado de sulfo-defecação, ou seja, o caldo é submetido inicialmente à sulfitação e posteriormente à caleagem. 5.5.1. Caleagem simples Capítulo 5 Purificação do Caldo MARCOS OMIR MARQUES 76 Esse processo é utilizado exclusivamente para a obtenção do açúcar demerara ou açúcar cristal bruto, o qual é utilizado como matéria-prima para refinarias produtoras de açúcar cristal refinado. Trata-se de um produto de exportação. Basicamente esse processo consiste na aplicação de leite de cal (suspensão em água de hidróxido de cálcio - Ca(OH)2), promovendo-se mudança da reação do meio. O caldo bruto, que apresenta pH na faixa de 4,8 a 5,8, recebe leite de cal (5-10ºBé) até atingir valor de pH entre 7,5 e 8,0. Em seguida, o caldo caleado é enviado aos aquecedores. onde o aquecimento se processa até que a temperatura entre 100 e 105ºC seja atingida. Além do leite de cal também podem ser empregados fosfatos, polieletrólitos, bentonita e outros produtos que atuam como coadjuvantes no processo. O leite de cal é obtido através da hidratação da cal de acordo com a reação que se segue. 1CaO + 1H2O 1Ca(OH)2 cal água hidróxido de cálcio No tanque em que se faz a hidratação, várias retiradas de sobrenadante e várias adições de água são feitas até se obter a concentração de 5 a 10 o Bé. 1 o Bé 1,83o Brix A caleagem simples proporciona a ocorrência de reações químicas entre a cal hidratada e inúmeros componentes do caldo. Entretanto, a reação mais importante ocorre entre o hidróxido de cálcio e os fosfatos solúveis do caldo. Os fosfatos presentes no caldo de cana ocorrem em diferentes formas, de acordo com o pH. As faixas de pH que ocorrem nos caldos propiciam a ocorrência de fosfatos na forma de HPO4 -- . Assim, a reação química predominante pode ser esquematizada da seguinte forma: Ca ++ + HPO4 -- CaHPO4 Composto fostatado semelhante à apatita. 5.5.1.1. Adição de leite de cal ao caldo bruto Existem dois métodos de se incorporar leite de cal ao caldo bruto proveniente das moendas: a caleagem intermitente e a caleagem contínua. 5.5.1.1.1. Caleagem intermitente Esse sistema é constituído de três tanques independentes, que recebem leite de cal à medida que o caldo vai sendo admitido em seu interiores. Com os três tanques pode-se Capítulo 5 Purificação do Caldo MARCOS OMIR MARQUES 77 obter uma boa uniformidade do processo, pois enquanto um dos tanques encontra-se em fase de enchimento, outro está sofrendo as correções finais e o terceiro acha-se enviando caldo caleado aos aquecedores. Figura 5.3. Tanques de caleagem. Processo intermitente. 5.5.1.1.2. Caleagem contínua Esse processo baseia-se na adição de cal numa quantidade proporcional à vazão de caldo numa canalização. O conjunto, nesse caso, é constituído de três corpos, sendo o caldo obrigado a passar por todos eles através de canalizações que fazem a interligação entre os corpos. Nos dois primeiros corposcoloca-se uma determinada quantidade de cal, de maneira a se obter um pH da ordem de 80 a 90% do pH desejado. No último corpo acrescenta-se de 10 a 20 % da quantidade total necessária. Com esse procedimento procura- se ter maior tempo de reação, que se resume no efeito da cal sobre o pH do caldo, necessário para se vencer o poder tampão do caldo. Capítulo 5 Purificação do Caldo MARCOS OMIR MARQUES 78 Figura 5.4. Tanques de caleagem. Processo contínuo. A quantidade de leite de cal adicionada nesse caso deveria ser controlada por potenciômetros automáticos. Entretanto, esses equipamentos apresentam problemas de resistência. O que se vê nas nossas usinas é controladores manuais tipo calha com duas canalizações. Uma que conduz o caldo para o interior do tanque de caleagem e outra de retorno ao depósito de leite de cal. Figura 5.5. Sistema de controle de admissão de leite de cal tipo leque. No caso de caleagem intermitente, para o controle do processo, o operador pode lançar mão de papéis indicadores de pH, ou proceder à titulação do caldo parcialmente caleado com solução de NaOH N/10. Conhecendo-se o volume de caldo e o volume de leite de cal aplicado, através de tabelas pode-se determinar a quantidade de leite de cal que é Capítulo 5 Purificação do Caldo MARCOS OMIR MARQUES 79 necessário ser adicionado para se atingir o pH desejado. As titulações devem ser repetidas em função do poder tampão do caldo e da distribuição desuniforme de CaO no leite de cal. O processo mais moderno é o controle do pH automaticamente através de potenciômetros, os quais regulam apenas de 10 a 20% da caleagem. Para isso são colocados juntos ao último corpo com a função de apenas variar o fluxo de leite de cal de acordo com a necessidade. 5.5.2. Sulfo-defecação Este processo é utilizado no Brasil para a fabricação do açúcar cristal branco. Fundamenta-se na utilização de anidrido sulfuroso (SO2) e leite de cal na forma de Ca(OH)2, como agente de neutralização. O caldo misto peneirado é bombeado para o topo da coluna de sulfitação, que é constituída internamente de uma série de bandejas perfuradas superpostas. Na base da coluna existem fornos rotativos cuja função é promover a combustão do enxofre mineral, produzindo SO2 que é aspirado pôr uma ventoinha localizada no topo da coluna de sulfitação. Outros dispositivos também podem ser utilizados para executar tal sucção. Dessa forma, enquanto o fluxo de caldo é descendente, o SO2 sobe pelo interior da coluna, se adsorvendo ao caldo e conferindo-lhe pH variando entre 3,8 a 4,3. Em algumas usinas o pH do caldo sulfitado pode assumir valores maiores, porém produtos auxiliares da decantação (polieletrólitos) normalmente são empregados, sob pena de a sua não utilização resultar em prejuízos à qualidade do açúcar produzido. Capítulo 5 Purificação do Caldo MARCOS OMIR MARQUES 80 Figura 5.6. Coluna de sulfitação Na seqüência o caldo sulfitado é conduzido aos tanques de caleagem, onde recebe leite de cal até pH 7,0 - 7,2. 5.5.2.1. Obtenção do anidrido sulfuroso O SO2 é obtido através da combustão do enxofre mineral de alta pureza (95 - 99,5%) na presença de ar seco natural ou forçado. A combustão ocorre em fornos fixos ou rotativos. Esses últimos é que são usados no Brasil. Constitui-se de uma peça cilíndrica de ferro fundido e de uma câmara de combustão que muitas vezes encontra-se imersa em água fria. Com relação ao ar, esse deve ser seco, pois a presença de umidade promove a formação de SO3 (sulfito), que reagirá com a água, dando origem ao ácido sulfúrico, o qual pode promover corrosão dos equipamentos. Figura 5.7. Sistema de alimentação contínua de enxofre mineral do forno rotativo. Usina São Carlos – Jaboticabal – SP – Brasil, 1999. O SO2, através da formação de CaSO3, que é insolúvel, promove a precipitação de colóides do caldo. Entretanto, é possível enumerar também as seguintes ações da sulfitação sobre o caldo: - Purificante Capítulo 5 Purificação do Caldo MARCOS OMIR MARQUES 81 Nesta fase não ocorre decantação. A variação ocasionada no pH permite que se atinja o ponto isoelétrico alguns colóides que floculação. - Descorante A redução do pH do caldo aumenta a atividade de íons H + que apresenta capacidade de reduzir materiais corantes. Contudo, essa ação pode ser revertida, tendo em vista que o contato com o ar pode proporcionar oxidação. - Fluidificante Em decorrência da floculação de colóides, torna-se possível a remoção dos mesmos o que reduz a viscosidade do meio. - Preservativa Além do efeito tóxico ocasionado pelo SO2, a redução do pH torna o meio desfavorável ao desenvolvimento de bactérias. - Neutralizante Ocorre no caso de se empregar o processo de defeco-sulfitação. - Inversiva Constitui-se na ação mais nociva do SO2 sobre o caldo, pois a acidificação do meio favorece a inversão da sacarose. Após a caleagem o caldo é aquecido até o limite de 100-105 o C. Temperaturas superiores podem promover a emulsificação das ceras, o que impedirá sua remoção pôr emersão juntamente com as borras leves retiradas do decantador de caldo. 5.5.3. Aquecimento do caldo O aquecimento do caldo é realizado com as seguintes finalidades: - acelerar as reações químicas que levam à formação de compostos insolúveis; - promover a coagulação das proteínas e a floculação máxima possível dos colóides do caldo; - reduzir a solubilidade dos sais de cálcio e a viscosidade do meio, e assim acelerar o processo de decantação e clarificação do caldo. Nas usinas de açúcar o caldo é aquecido em conjuntos de corpos aquecedores dispostos em série, ou seja, o caldo simplesmente caleado ou sulfitado e caleado, dependendo do tipo de açúcar que se quer produzir, é aquecido progressivamente à medida Capítulo 5 Purificação do Caldo MARCOS OMIR MARQUES 82 em que passa pelos diferentes corpos do conjunto aquecedor. Assim, o mesmo entra no primeiro corpo à temperatura ambiente (30 o C) e, após percorrer todos os corpos, sai do último à temperatura em torno de 100-105 o C. As maiores eficiências são obtidos quando se eleva a temperatura do caldo a esses níveis. Contudo se, por qualquer razão, a mesma atingir valores maiores, ocorre o fenômeno de emulsificação das ceras que se fazem presentes no caldo, oriundas da cutina (cera que reveste a superfície das folhas das plantas em geral). Assim, uma vez emulsificada, essa fração não mais tem condições de ser removida nos decantadores de caldo por emersão, como normalmente acontece. 5.5.3.1. Aquecedores de caldo Um corpo aquecedor de caldo constitui-se de um cilindro metálico fechado em suas extremidades por círculos metálicos perfurados, normalmente de aço ou ferro fundido, denominados de espelhos. Internamente existem tubos de diâmetro externo de 11/2” ou 2”, cujas espessuras das paredes variam de acordo com o material de que é formado. Assim, quando são de aço a espessura das paredes é de 2,0mm; quando são de aço inox a mesma pode ser reduzida a 1,20mm. O número desses tubos que ocupam o interior do corpo aquecedor varia entre 7 e 35, dependendo do diâmetro dos tubos e da velocidade desejada do caldo. O comprimento desses tubos é o mesmo comprimento do cilindro que compõe o corpo do aquecedor e varia entre 3 e 4 metros. Esses tubos internos são mandrilados, pelas suas extremidades, aos orifícios dos dois espelhos que compõemo equipamento. Externamente aos espelhos situam-se os cabeçais. Assim temos o cabeçal superior e o cabeçal inferior, os quais são diferentes quanto à forma para garantir que o caldo se desloque, no interior do aquecedor, em sentido único. Os cabeçais constituem-se de paredes metálicas que determinam espaços individualizados nas duas extremidades do aparelho. Esses espaços também são denominados de ninhos ou passes. Vedando o equipamento tem-se as tampas. O caldo a ser aquecido circula pelo interior dos tubos. Externamente circula vapor de aquecimento. Assim, o aquecimento se dá através da transferência do calor latente do vapor para o caldo através da parede dos tubos. Ao ceder seu calor latente, o vapor se condensa e acaba por se acumular nos espaços localizados externamente aos tubos de menor diâmetro e sobre o espelho inferior. Sendo essa água condensada má condutora de calor, e ocupando espaço reservado ao vapor de aquecimento, a mesma deve ser removida para não comprometer a eficiência do aparelho. Em conseqüência da deposição de sais no interior dos tubos de circulação de caldo, a eficiência dos aquecedores tende a diminuir com o passar do tempo, uma vez que os depósitos formados são também maus condutores de calor. Assim periodicamente faz-se necessário a parada desses aparelhos para limpeza. Na prática isso é facilmente verificado pois a temperatura do caldo, na saída do aparelho diminui progressivamente com o tempo. Variável importante e que define a manutenção desses equipamentos por mais tempo funcionando de forma ininterrupta é a velocidade do caldo no interior do aquecedor. Normalmente os aparelhos são projetados para que o caldo circule a uma velocidade de 2,0 m s -1 a pressões que variam de 3 a 5 atm. Velocidades Capítulo 5 Purificação do Caldo MARCOS OMIR MARQUES 83 menores aceleram o processo de formação de incrustações. Por outro lado, velocidades maiores não permitem a máxima eficiência na transferência de calor do vapor para o caldo. Na prática, as usinas de açúcar, quando dispõem de apenas um conjunto de aquecedores, realizam a limpeza uma vez por semana. Entretanto, o mais recomendável é que se disponha de dois conjuntos aquecedores, cujo funcionamento se alternam a intervalos semanais. Assim, sempre se tem um conjunto aquecendo caldo e outro que funcionou na semana anterior e que na presente semana é limpo através da passagem em seu interior de caldo sulfitado a frio. Existem outros métodos de limpeza dos aquecedores envolvendo soluções ácidas, soluções alcalinas ou remoção mecânica através de brocas, que também podem ser utilizados, mas causam, com maior freqüência, danos aos tubos dos aparelhos que se refletem através do aparecimento de orifícios em suas superfícies Figura 5.8. Aspecto externo de um corpo aquecedor de caldo. Capítulo 5 Purificação do Caldo MARCOS OMIR MARQUES 84 Figura 5.9. Visualização dos espelhos superior e inferior e respectivos cabeçais de um aquecedor de caldo. 5.5.4. Decantação A decantação consiste na remoção de impurezas que foram floculadas pela ação de agentes clarificantes e pelo aquecimento. Nesta fase eliminam-se impurezas de maior e menor densidade, as quais se separam por sedimentação e emersão. 5.5.4.1. Decantação Contínua O decantador contínuo deve receber continuamente um fluxo de caldo tratado e, devido a detalhes de construção, permitem a separação do caldo clarificado e do lodo ou borras. Os decantadores contínuos devem ser dimensionados de maneira que a saída de caldo clarificado tenha uma velocidade tão baixa que não inviabilize o processo de decantação. O caldo claro deve sair pelas partes superiores e o lodo pelas inferiores, de tal modo que as frações obtidas deixem o decantador obedecendo o princípio de vasos comunicantes, passando pelas caixas de prova localizadas próximas a borda dos aparelhos. Capítulo 5 Purificação do Caldo MARCOS OMIR MARQUES 85 O decantador mais utilizados nas usinas de açúcar é do tipo DORR. Este constitui- se de um tanque de forma cilíndrica com um fundo e uma tampa, ambos cônicos. Internamente compõem-se das seguintes partes: câmara de floculação ou coagulação, câmara de concentração de cachaça ou borras, além de 3 a 5 compartimentos clarificadores. Os compartimentos clarificadores são separados por bandejas cônicas e paralelas ao fundo, as quais possuem uma larga abertura central que faz a comunicação entre os compartimentos, constituindo-se no espaço por onde saem as borras. Esse canal central é atravessado por um eixo que sustenta suportes para raspadores em número de quatro, os quais se distribuem de forma oposta e ortogonal. Para o acionamento do eixo central utiliza-se de motor elétrico que através de roldanas e polias confere ao eixo velocidade angular variando entre 10 e 12 r.p.h. . Na câmara de coagulação encontram-se raspadores horizontais que eliminam borras leves através das calhas de descarga. Externamente, na parte superior, tem-se as caixas de prova de caldo clarificado e de lodo ou borra. Na parte inferior tem-se a caixa de descarga ou de liquidação. Ainda, como acessórios encontram-se o balão de flash, tubulações e registros. O caldo aquecido, antes de entrar no decantador, passa pelo balão de flash onde sofre auto-ebulição decorrente da queda da pressão e perda de velocidade. Figura 5.10. Decantador tipo DORR. Capítulo 5 Purificação do Caldo MARCOS OMIR MARQUES 86 Figura 5.11. Caixa de prova de caldo clarificado. Detalhe das válvulas de movimentação das garrafas de caldo clarificados dos diferentes compartimentos clarificadores. Figura 5.12. Amostra de caldo clarificado coletada da caixa de prova. Capítulo 5 Purificação do Caldo MARCOS OMIR MARQUES 87 Figura 5.13. Caixa de prova de lodo. Usina São Carlos – Jaboticabal – SP – Brasil. Os caldos clarificados retirados dos diferentes compartimentos clarificadores deixam o decantador, sendo encaminhados à etapa seguinte que é a evaporação. 5.5.5. Filtração das borras As borras são muito gelatinosas, não tendo condições de serem filtradas. Daí a necessidade de se adicionar certa quantidade de bagacilho qual atua no sentido de aumentar a porosidade desse material. Nas usinas brasileiras a quantidade de bagacilho acrescentada às borras varia de 4 a 6 kg por tonelada de cana moída. Essa fração fina de bagaço é obtida colocando-se uma peneira contendo 56 malhas/dm 2 , ocupando um trecho do fundo da esteira que conduz bagaço às caldeiras. Esse bagacilho é transportado, pela ação de um ventilador com capacidade de 6-7 m 3 /kg de bagacilho, ao misturador de borras, onde também se acrescenta leite de cal até que o pH do lodo atinja a faixa de 7,5 a 8,0, o que também contribui para a melhoria da sua filtrabilidade. 5.5.6. Funcionamento do filtro rotativo a vácuo. O cilindro, parcialmente mergulhado na caixa contendo lodo + bagacilho, inicia seu funcionamento ao penetrar na mistura (velocidade de 0,3 r.p.m.), momento em que inicia-se a formação de vácuo (varia de 15 a 18 cm de Hg). Com esse vácuo inicial as primeira porções de lodo + bagacilho prende-se à tela do filtro, formando uma pequena camada filtrante. Em seguida, a camada aderente ao filtro torna-se mais espessa, fazendo com que haja necessidade de aumentar a intensidade do vácuo. Com o movimento de rotação do cilindro, o material preso à tela recebe água quente pulverizada lateralmente e na parte superior do filtro, com a finalidade de dissolvera sacarose que ainda se faz presente. Após a segunda pulverização de água inicia-se a fase de secagem da torta, que constitui-se na Capítulo 5 Purificação do Caldo MARCOS OMIR MARQUES 88 fase final da filtração. Ao se aproximar do raspador cessa-se o vácuo e a torta é raspada, e depositada sobre uma esteira que a conduz a uma bica que dá acesso ao veículo transportador, responsável pelo seu transporte e amontoa no campo, quando sofrerá processo de humificação antes de ser incorporada ao solo como fertilizante. A quantidade média de torta de filtro produzida nas usinas brasileiras é da ordem de 35-40 kg por tonelada de cana, com as seguintes características: umidade (65 a 80%), pol (0,5 a 1,5%), o que representa de 0,1 a 0,4% do açúcar da cana, altos teores de Ca e P, baixos teores de K. Duas frações de caldo são extraídos pela filtração a vácuo. Inicialmente, quando a única superfície filtrante é a tela do filtro (100 a 115 perfurações - = 0,5mm - por cm2), obtém-se o caldo turvo. Contudo, tão logo ocorra a retenção das primeiras porções de torta à tela do filtro, essas passam também a desempenhar a função de camada filtrante, resultando na obtenção de caldo claro. As duas frações são reunidas e retornam aos tanques de caleagem, retornando os açúcares do lodo no processo. Figura 5.14. Visão esquemática lateral do filtro rotativo a vácuo tipo Oliver. Capítulo 5 Purificação do Caldo MARCOS OMIR MARQUES 89 Figura 5.15. Filtro rotativo a vácuo. Detalhe da torta se despendendo da superfície filtrante pela ação do raspador. Figura 5.16. Carregamento de torta de filtro em caminhão basculante.
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