Aula No12 Concentração

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 - A.12-
CONCENTRAÇÃO DO CALDO:
FUNDAMENTOS, OBJETIVOS DA EVAPORAÇÃO E COZIMENTO E ESQUEMAS
Guia para Iniciação ao Estudo da Agroindústria Sucro-alcooleira
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1. INTRODUÇÃO
caldo misto decantado - solução diluída (13 a 15°Brix)
– massa cozida (solução super concentrada - 90 - 95°Brix)
Remoção água
 - 2 fases -
Evaporação
 contínua
cozimento
temperatura caldo decantado  mais próxima da temperatura da caixa.
Justificativas:
a) maior consumo de vapor;
b) difícil manuseio da massa cozida;
c) necessidade de maior número de equipamentos;
d) necessidade de maior número de operações.
– evaporação - sistema de múltiplos efeitos (xarope 55-65°Brix)
– cozimento - sistema de simples efeito
Pré-evaporação - caldeira - vapor vegetal
Evaporação p.p.d.
em batelada ou intermitente
contínuo
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2. EVAPORAÇÃO 
2.1. FUNDAMENTOS DA EVAPORAÇÃO
1ª fase - Pré-evaporação - 13 a 15°Brix  20 - 25°Brix -
		condição operação temperatura — 115 -120°C
				 pressão — 0,69 - 0,99 Kg/cm²
2ª fase - Evaporação - 20 a 25°Brix  55-65°Brix 
temperaturas — 107° < 55°C
pressão— 0,37 Kg/cm² < 64 cmHg
Fatores limitantes - concentração pela evaporação
a) xarope diluído
maior consumo de vapor no cozimento;
maior tempo de cozimento;
necessidade de maior número de equipamentos;
escurecimento da massa cozida e,
maior cor do açúcar.
b) xarope muito concentrado
maior dificuldade na produção do pé de cozimento;
dificulta a condução do cozimento;
dificulta o controle de crescimento dos cristais;
facilita a formação de falsos cristais.
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2.2. PRINCÍPIOS DE EVAPORAÇÃO EM MULTIPLO-EFEITO (Fundamentos)
Norbert Rillieux  foi o primeiro a definir os princípios básicos de evaporação - 1848.
a) Primeiro Princípio: 
	“Em um evaporador de multiplo-efeito, cada quilograma de vapor, usado no primeiro vaso, evaporará tantos quilogramas de água quantos forem os números de vasos.”
Diante deste princípio, tem-se que:
a - no simples-efeito: 1kg de vapor evapora 1kg de água;
b - no duplo-efeito: 1kg de vapor evapora 2kg de água;
c - com n vasos: 1kg de vapor evapora nkg de água.
Prática  [n max. vasos = 4 ou 5] (implicações técnicas e econômicas)
Webre -	1° vaso - 100%	 3° vaso - 115%
		2° vaso - 107.5%	 4° vaso - 121%
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b) Segundo Princípio: 
	“ A extração de vapor de qualquer unidade de um evaporador de múltiplo-efeito para ser usado em outro setor da fábrica conduz a uma economia que será igual ao número de quilogramas de vapor extraído, dividido pelo nº de vasos do conjunto e multiplicado pelo nº de ordem que o corpo ocupa”
Exemplificando-se, que W o peso de vapor, M o nº de vasos e N o nº de ordem que o vaso ocupa no conjunto de evaporação, a economia de vapor E será igual a:
		E = W 	N
			M
E1º vaso = 1. 1/4 = 1/4	...	E3º vaso = 1. 3/4 = 3/4
Prática  utiliza-se vapores dos vasos  aquecimento parcial do caldo ou outros fins. Entretanto, últimos vasos  t ºC mais baixas  sangria difícil.
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c) Terceiro Princípio: 
	“Em todo aparelho no qual se condensa vapor, é necessária extrair continuamente a acumulação de gases incondensáveis que ficam, internamente”.
Prática  instalam nos evaporadores dispositivos mecânicos para a extração dos gases incondensáveis.
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2.3. EVAPORAÇÃO DO PONTO DE VISTA TERMODINÂMICO 
TRANSMISSÃO DO CALOR E FUNCIONAMENTO
Vapor aquece superfície sólida - transfere calor
- transmissão de calor
	
* mecanismos principais
Elemento aquecimento - vapor - água estado gasoso - pressão maior atmosférica - 1°vaso
- gases são vapores a pressão menor que atmosférica
- demais vasos quando pressão < atmosférica - vapores gerados
por condução* (meio sólido) - partícula/partícula 
por convecção* (movimento de partículas frias/quentes) - gases e líquidos
por irradiação (vibrações eletromagnéticas) - superfície sólida/atmosfera (perdas)
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Características dos vapores
Vapor saturado - quando o vapor está a temperatura do líquido gerador, esse vapor contém água, portanto é úmido.
Vapor superaquecido - é aquele que após obtido continuarmos a aguece-lo, com ele evapora a água contida ele é seca.
Título do vapor - é a quantidade de vapor seco que o vapor contém
vapor direto seco tem título = 0,95 a 0,97
vapor de escape tem título = 0,80 a 0,85
 Vapores gerados: 
pré-evaporador - vapor vegetal e dos demais corpos vapor de sangria.
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Definições:
Calor específico - é a quantidade de calor necessária para elevar de 1ºC uma umidade de massa - cal/g/ºC ou Kcal/Kg/ºC
Ex: C = água = 1,0 cal/g/ºC; sacarose = 0,301 cal/kg/ºC C = 1 - 0,0056Brix - sol. A 15Brix C = 0,916 cal/g/ºC
 - 60ºBrix - C = 664 cal/g/ºC
Calor Sensível - é a quantidade de calor necessária para elevar uma unidade de massa (g ou kg) a pressão P, da temperatura de 0ºC até a temperatura de ebulição (tºC) - Kcal/Kg
Calor Latente - é a quantidade de calor necessária para transformar um umidade de massa (g ou kg) a temperatura tºC em vapor a tºC - Kcal/Kg
Calor Total ou Entalpia - é a quantidade de calor necessária para transformar uma unidade de massa (g ou Kg) a 0ºC a vapor a temperatura tºC. Soma do calor sensível mais o latente - Kcal/Kg.
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2.4. CONSTRUÇÃO DE UM MÚLTIPLO-EFEITO
Facilidade de construção 
- corpos do sistema 
(forma, altura, capacidade)
Aparelho
4 partes
- Fundo
- calandria
- corpo cilíndrico
- cabeça
Detalhe da cabeça
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Detalhe construtivo do conjunto de Múltiplo-Efeito.
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Relações entre pressões, temperaturas e brix.
2.5. FUNCIONAMENTO DE UM MÚLTIPLO-EFEITO
Pré
1( V
2( V
3( V
4( V
Calandra
P (Kg/cm²)
1,33
0,69
0,28
(
(
V (cmHg)
(
(
(
10
37
T (ºC)
125
115
107
96
82
Câmara gases
P (Kg/cm²)
0,69
0,28
(
(
(
V (cmHg)
(
(
10
37
66
T (ºC)
115
107
96
82
52
Caldo Brix
Entrada
15
20
24
29
38
Saída
20
24
29
38
60
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2.6 TIPO ESPECIAIS DE EVAPORADORES
Evaporador de calandria flutuante com recirculação
Evaporador Kestner
Evaporador Compacto
Evaporador de pelicula descendente
Evaporador típico torre
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2.7 REMOÇÃO DO CONDENSADO
Purgadores - tipos:
mecânicos, termostático e termodinâmico.
 Drenos barométricos
Sifão em U
2.8 REMOÇÃO DOS INCONDENSÁVEIS
Tubos de gases amoníacais
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2.9. INCRUSTAÇÕES E PROCESSOS DE LIMPEZA ( MECÂNICA, QUÍMICA E
BIOLÓGICO
Número de Caixas de Evaporação
1
2
3
4
% de distribuição da incrustação
35
20
10
35
Composição da incrustação
Orgânico
P2O5
SiO5
Ácidos Orgânicos
Carbonatos
So4
CaO / MgO
Fe2O3
40
25
5
-
0-10
-
20
10
30
15
10
-
0-5
-
25-30
6
20
10
15
-
-
-
20-40
4
5
9
10-35
5-20
-
0-20
20-40
5-8
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Processos: 
(a) Mecânico:
	 tipos: raquete e chicote
 flexível
(b) Químico:
	  produtos: NaOH e HCl
 de 1 a 2% (2 a 5h)
(c) Biológico:
	  Solução diluída de 
melaço de 15 a 20º Bx até 
cobrir o espelho (fermentação - 15 a 20 dias)
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3. COZIMENTO DO XAROPE 
3.1. INTRODUÇÃO
Xarope
Sacarose cristaliza 	- sistema monoclínico
				- 3 eixos: a, b e c e 3 ângulos ,  e 
a) 1ª FASE
Formação 
dos cristais
de sacarose
(nucleação, 
pé de cozimento,
granagem)
b) 2ª FASE
Crescimento
dos cristais
(deposição de
sacarose nos
núcleos)
Massa Cozida
(semi-sólida)
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3.2. SOLUBILIDADE DE SACAROSE 
(1) Solubilidadeda sacarose pura em água
 
Soluções classificadas
 		como:
caldo cana, xarope e meis - soluções diluídas
cristalização - ocorre - solução super-saturadas
Massa Cozida
 - A sacarose, a semelhança de outras substâncias químicas, é altamente solúvel em água. Esta solubilidade, entretanto, sofre influência dos sais minerais e do açúcar redutor. De modo geral, os sais minerais tendem a aumentar a solubilidade da sacarose, enquanto o açúcar invertido tende a diminuir.
 - Sais minerais: substâncias melacigenicas positivas
 - Açúcares redutores: substâncias melacigenicas negativas
- Diluída, instável ou não saturada
- Concentrada, estável ou saturada
- Super concentrada, instável ou super-saturada
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(2) Solubilidade da sacarose em soluções impuras
FÓRMULA - Coeficiente de solubilidade da sacarose em solução impura (Cs):
		 Cs = 	S0	, onde
			S’
Cs = coeficiente de solubilidade da solução impura;
S0 = massa de sacarose, dissolvida em 100 partes de água, de uma solução saturada impura, pureza R, e temperatura t°C.
S’ = massa de sacarose, dissolvida em 100 partes de água, de uma solução saturada pura,pureza 100, a temperatura t°C.
Caldo solução impura
açúcar redutor - diminui solução - reduz a formação de melaço produzindo mais açúcar cristalizado. (melassigênico negativo)
Sais minerais (cinzas) aumentam a solubilidade da sacarose incrementando a produção de melaço reduzindo a produção de açúcar. (melassigênico positivo)
Relação  açúcar redutor/ cinzas  interfere na recuperação de açúcar.
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(3) Soluções Supersaturadas de Sacarose
(C1) Coeficiente de supersaturação (C.S.S.)
 		 C.S.S. = 	S’’ , onde:
				S’
S’’ = peso da sacarose (partes), dissolvidas em 100 partes de água, de uma solução supersaturada, de pureza R e a temperatura t0C
S’ = peso da sacarose (partes), dissolvidas em 100 partes de água, de uma solução saturada, pura e a temperatura t0C
Valor da C.S.S.		Interpretação
		 1		solução saturada
		<1		solução não saturada ou diluída
		>1		solução supersaturada
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CSS = 1.0
CSS < 1.0
CSS > 1.0
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(4) Zonas de Supersaturação e a Cristalização
1 - Zona Metaestável (CSS: 1,0 a 1,2)
apenas crescimento dos núcleos cristalinos existentes;
não ocorre nucleação ou formação de sacarose como cristal;
tendência do coeficiente de supersaturação se aproximar do limite inferior.
2 - Zona intermediária (CSS: 1,2 a 1,3)
crescimento dos cristais existentes;
formação de novos núcleos ou de falsos cristais (falso grão);
tendência do CSS atingir o limite superior da zona metaestável.
3 - Zona lábil (CSS: >= 1,3)
ocorrência de nucleação espontânea da sacarose;
tendência de abaixamento do CSS para limite superior da zona intermediária.
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3.3. CRISTALIZAÇÃO DA SACAROSE E O COZIMENTO
		(NUCLEAÇÃO)
Processo de cozimento
a) Concentração inicial do xarope:
 Funcionamento do vácuo (o condensador e ejetor à vapor, condensador e bomba de vácuo ou simplesmente multijato;
 redução de pressão “aspira” o xarope até cobrir a superfície superior da calandria;
 ajuste (de pressão à 590mmHg (23”) com temperatura de 63ºC;
 concentração gradual do material (perda de água) e compensado pela adição em filete contínuo de xarope ou mel
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		b) Nucleação da sacarose
Métodos de
formação
dos cristais
(1) Espera: aparecimento espontâneo de cristais em condição de supersaturação na zona hábil
 Identificação do ponto: (a) aparelho de controle (índice de refração, elevação de temp., pureza, etc); (b) observação visual (velocidade de escorrimento do xarope no vidro da luneta).
(2) Choque: obtida em condições de temperatura mais elevada (72°C) e sob vácuo (24” - 50cmHg)  temperatura cai rápido ( 60cmHg - t = 61ºC) atingida a zona lábil e forma cristais
(3) Indução: conc. zona intermediária introduz com pó de sacarose (pé de açúcar), por ocorrer a cristalização. 
(4) Semeadura: insere-se um número de núcleos , determinando-se e controlando o tamanho dos cristais. O crescimento dos cristais mantido na zona metaestável (CSS de 1,1 a 1,2). 
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c) Crescimento dos cristais pela condução do cozimento (levantamento)
Crescimento de cristais
				condição
	controle
(visual na luneta ou através de equipamentos)
d) Concentração Final
“Aperto” de massa  máxima concentração (interferem circulação de massa devido alta viscosidade).
e) Descarregamento
fecha se o vapor e a água de multijato abre-se a “quebra vácuo” e a válvula de descarga
Vazio e temperatura normais.
Alimentação gradual c/ xarope, mel rico e pobre.
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Cozimento
Intermitente
 vantagens:
a) custo mais baixo do equipamento;
b) tecnologia bem conhecida;
c) recursos requeridos plenamente disponíveis.
Contínuo
 vantagens (Assis & Jais, 1993):
a) aumento de capacidade (não há tempo “morto”);
b) economia de energia (consumo constante de vapor);
c) economia de investimento em equipamentos novos (não requer periféricos-condensadores, bombas de água, etc);
d) melhor domínio sobre o tamanho dos cristais;
e) maior controle de supersaturação;
f) dimensionado por massa;
g) menor perda na água (arraste ao condensador);
h) maior rendimento.
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3.4. EQUIPAMENTOS DE COZIMENTO
 3.4.1. DESCRIÇÃO DE UM COZEDOR INTERMITENTE CLÁSSICO 
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3.4. EQUIPAMENTOS DE COZIMENTO
 3.4.2. Classificação 
a) quanto a elementos de aquecimento
b) quanto ao tipo de calandria
c) quanto a condução
d) quanto a circulação
e) quanto a configuração
serpentina (A)
calandria (B)
placas (retas e circulares) (E-F)
fixa (B)
flutuante (C)
espelho plástico (B)
espelho inclinado
diametral (D)
anel (H)
Intermitentes
contínuos (I)
Material
Forçada (D)
Vertical
Horizontal(G)
Cilindrico (B)
corpo expandido (F)
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Tipos de Cozedores “intermitentes”, sob alto vácuo e baixa temperatura  caracterizado pelo elemento de aquecimento:
B) calandria fixa
A) Serpentina clássica
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C) calandria flutuante
D) em anel com circulação 
forçada mecânica
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Brasil  placas  substituindo os de calandria nos cozimentos
- Cozedor horizontal com elementos de aquecimento em placas
- Cozedor segura de alta velocidade
E)
F)
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G) Cozedor de calandra 
com circulação diametral
H) Cozedor com elemento
de aquecimento em anel
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I)
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	3.5. SISTEMAS DE COZIMENTO
Diferentes sistemas visam
recirculação de méis causam
 CONDUÇÃO DE UM COZIMENTO 
a) obter cristais de tamanho médio e uniforme
b) esgotamento do mel
c) maior recuperação de açúcar
- maior recuperação
- menor pureza do mel
- maior viscosidade
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Esquemas
Esquema de cozimento
(Prática: 2,3 e 4 massas)
		pouco retorno de méis p/ cozimento		fabricação do álcool
		(esgotamento custo)
Máximo rendimento industrial (recirculação dos méis para novos cozimentos)
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3.6. Quantidade de cristais nas massas cozidas:
Massa A-------------------- 50 a 55%
Massa B-------------------- 50%
Massa C-------------------- 35 a 40%
Queda de Pureza no sistema de 3 massas:
3.7. Equipamentos de controle do cozimento:
a) medição da elevação do ponto de ebulição
b) medição da supersaturação
c) medição da consistência (Brix)
d) medição da condutividade
3.8. Magma
 Constitui o “pé-de-cozimento” no cozimento;
 Produzido da massa cozida C ou B;
 Empastamento do açúcar C ou B com água, xarope ou caldo clarificado;
 Pureza de 88 a 96%
 Desse magma conduz o cozimento A, partindo-se da etapa de crescimento dos cristais