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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 * * * 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 * * * 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. * * * 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% * * * 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. * * * 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. * * * 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) * * * 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. * * * 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. * * * 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 * * * Detalhe construtivo do conjunto de Múltiplo-Efeito. * * * 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 * * * 2.6 TIPO ESPECIAIS DE EVAPORADORES Evaporador de calandria flutuante com recirculação Evaporador Kestner Evaporador Compacto Evaporador de pelicula descendente Evaporador típico torre * * * * * * * * * * * * * * * * * * 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 * * * 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 * * * 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) * * * 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) * * * 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 * * * (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. * * * (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 * * * CSS = 1.0 CSS < 1.0 CSS > 1.0 * * * (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. * * * 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 * * * 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). * * * 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. * * * 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. * * * 3.4. EQUIPAMENTOS DE COZIMENTO 3.4.1. DESCRIÇÃO DE UM COZEDOR INTERMITENTE CLÁSSICO * * * 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) * * * Tipos de Cozedores “intermitentes”, sob alto vácuo e baixa temperatura caracterizado pelo elemento de aquecimento: B) calandria fixa A) Serpentina clássica * * * C) calandria flutuante D) em anel com circulação forçada mecânica * * * Brasil placas substituindo os de calandria nos cozimentos - Cozedor horizontal com elementos de aquecimento em placas - Cozedor segura de alta velocidade E) F) * * * G) Cozedor de calandra com circulação diametral H) Cozedor com elemento de aquecimento em anel * * * I) * * * 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 * * * 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) * * * * * * 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
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