RELATÓRIO TRATAMENTO DE CALDO

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RELATÓRIO DO TRATAMENTO DE CALDO
Amanda Ribeiro 17037
Março de 2020
TRATAMENTO DE CALDO
Após a moagem é extraído o caldo de cana bruto que é opaco, de cor amarela pardacenta a esverdeado, mais ou menos escuro e viscoso. As impurezas do caldo podem ser classificadas como impurezas em suspensão (terra, areia, bagacilho) e impurezas solúveis (corantes, sais minerais). 
A opacidade é causada pelos colóides, proteínas, pentosanas, pectina e compostos inorgânicos como sílica. A cor varia com a cana e com a energia do esmagamento e é dada pela clorofila, antocianina, sacaretina e substâncias cromógenas. A viscosidade do caldo é causada por gomas, pectinas, albuminas e sílica coloidal. O pH do caldo varia de 5 a 6. A acidez aumenta nas canas queimadas, doentes, praguejadas, cortadas a mais de 24 horas, verdes e passadas. No tratamento visa-se separar do caldo a maior quantidade possível de impurezas dissolvidas e em suspensão, sem afetar a sacarose. Deve ser feita logo após a moagem para evitar a ação de fermentos e enzimas.
A etapa de tratamento do caldo, que tem como objetivo:
· Eliminar os microrganismos por esterilização (Altas temperaturas);
· Completar as reações químicas (neutralização, floculação); 
· Provocar a floculação das impurezas e facilitar a decantação;
· Remover os gases;
· Temperatura 108 a 110ºC;
· Filtração do Lodo;
O tratamento de caldo mais recomendado para a produção de álcool é aquele que prevê peneiramento, caleação, aquecimento, decantação e resfriamento. As peneiras mesmo quando arranjadas em cascata, com eficiência gradativa de retenção, não conseguem remover mais que 80% das impurezas em suspensão, passando argila e bagacilho para o processo. 
Para a eliminação de argila e bagacilho, após o peneiramento e desaeração, é o aquecimento, seguido de decantação. Estas duas impurezas entopem os bicos das centrífugas impedindo uma separação eficiente do fermento. O aquecimento do caldo a 108°C reduz a carga microbiana contaminante e o volume de espuma na fermentação. A operação de concentração do caldo que permite, a elevação do teor de álcool no vinho, aumentando a capacidade de produção da destilaria e diminuindo o consumo de vapor.
 A elevação do teor de açúcar total do mosto para fermentação implica em aumento 
O trabalho eficiente dos decantadores dependerá:
 
         PH de caldo após calagem (5,8 a 6,0) ; 
         Temperatura do caldo clarificado (> 95ºC ao sair do decantador). Excesso de caldo = < 
 temperatura;
         Remoção de gases incondensáveis (balão de flash);
         Vazão do caldo;
         Quantidade de fosfato no caldo (0,3%);
         Adição de polímeros (1 a 3 ppm);
  
No caso de baixa temperaturas:                                             No caso de temperaturas altas:
- Formação de flocos deficientes devido - Perda do açúcar (salvo que em alguns
 (falta de reações químicas) casos, a temperatura mais alta é bom)
- Coagulação incompleta = impurezas                                 - Consumo excessivo e desnecessário 
 de vapor
- Incompleta eliminação dos gases                                      - Formação de cor no caldo devido à 
 decomposição de substâncias;
Para uma melhor separação e remoção das impurezas esses procedimentos são realizados:
I - Caleação do caldo
Normalmente o pH do caldo de cana varia entre 4,8 - 5,5, sendo que as canas maduras a presentam um pH mais elevado, e nas canas passadas e queimadas, este valor tende a um limite mais baixo. Esta acidez pode ser alterada para menos, mediante a adição de álcalis, assim como o leite de cal Ca(OH)2 , o qual constitui a base fundamental de todos os processos de clarificação do caldo de cana, por formar compostos insolúveis no mesmo, sendo estes, de fácil remoção por decantação e filtração. Pela adição de leite de cal, além da formação de compostos insolúveis, verifica -se a coagulação de grande quantidade de colóides, e ainda uma elevação na concentração.
 A reação química a seguir mostra como o Cal se comporta, formando o fosfato de cálcio que é insolúvel em pH neutro e se precipita.
Ca(OH)2 + 2 H3PO4 ------ Ca3(PO4)2 + 6 H2O
A queda no ph não deve ser maior que 0,5 , ou seja, caldo que entra = 6,8 – 7,0  e caldo clarificado = 6,3 e 6,6 . As razões para grandes quedas de pH podem ser: aquecimento do caldo insuficiente, tempo de retenção muito longo, decomposição do lodo. Queda excessiva de pH = problemas e perdas e destruição de açúcares. Para evitar deve-se ter o controle do pH.
· Consumo de cal: 500 – 800 g de CaO por tonelada de cana;
· Um bom processo de caleação apresenta um teor de CaO do caldo clarificado não superior a 400 ml/L.
· Poder Relativo de Neutralização Total (PRNT) – qualidade do cal – Anexo I.
II - Aquecimento do caldo
O aquecimento do caldo apresenta os seguintes objetivos: 
· Acelerar as reações químicas que levam à formação de compostos insolúveis;
o máxima possível dos 
· 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 acelerar o processo de decantação do caldo;
· Saturar os sais formados nas reações químicas;
· Controle microbiológico;
O aquecimento é feito em trocador de calor, geralmente do tipo casco e tubos, do tipo vertical / horizontal ou trocadores de placas. O aquecedor trocador tipo casco tubo é formado por uma calandra tubular: o caldo circula por dentro dos tubos e o vapor em volta dos tubos. A temperatura do caldo deve ser elevada acima do ponto de ebulição na pressão atmosférica, podendo chegar a 110°C na entrada do decantador, sendo a temperatura de aquecimento mais usada 108ºC e a velocidade de circulação do caldo considerada ótima se situa na faixa de 1,5 a 2,0 m/s. 
Esse aquecimento é feito pelo vapor vegetal gerado nos pré-evaporadores. Há grande incidência de incrustações nos tubos dos aquecedores, e por isso deve ser feita uma limpeza periódica nos mesmos, para evitar perdas na transferência de calor.
III – Adição de polímeros
O objetivo da etapa de floculação em um processo de tratamento é promover o aumento do tamanho das partículas através das colisões entre uma e outra. Consequentemente a decantação com a clarificação que corresponde a diminuição da cor do caldo.
Para aumentar a eficiência dessa floculação é utilizado o polímero aniônico, aquele que devido à alta densidade de suas cargas negativas em sua cadeia, atrai e se liga à moléculas de predominantes cargas positivas (impurezas).
A figura abaixo demonstra como esse processo acontece.
 
IV - Decantação
O Balão Flash é um simples recipiente cilíndrico, colocado imediatamente antes e acima do decantador, com uma chaminé aberta para a atmosfera e ao qual o caldo vindo dos aquecedores, chega tangencialmente. Como o caldo está a 108°C, há uma evaporação espontânea, assim que chega a este recipiente, à pressão atmosférica. Este fenômeno libera todas as partículas em suspensão das bolhas de ar que ali estão agregadas e que impediriam a deposição das partículas de bagaço (bagacilho) durante a clarificação, se não fossem retiradas. 
Portanto, por meio da ebulição espontânea, há a eliminação do ar dissolvido no caldo que dificulta a decantação das impurezas mais leves (bagacilho). O único parâmetro a ser controlado é a temperatura do caldo, a 108ºC, ou seja, acima do ponto de ebulição para haver o flasheamento.
A decantação é a separação física entre sólido e líquido por diferença de densidade e uma das etapas mais importantes do tratamento. É um processo contínuo, que leva aproximadamente três horas no decantadorconvencional, a capacidade de um decantador é determinada pelo tempo de retenção necessário para permitir a sedimentação do lodo. A área disponível para a sedimentação constitui o maior fator para garantir a eficiência. Quanto maior a área por unidade de volume, mais rápida a decantação e menor o volume de lodo obtido.
Os principais parâmetros da sedimentação são: 
 pH do caldo clarificado: 6,8 a 7,0;
· pH do caldo clarificado: 6,8 a 7,0;
· Concentração do lodo: 45 a 55% de impurezas;
· Tempo de retenção: 30 min à 3 horas;
· Flocos pequenos: falta de polímero;
· Caldo turvo: pH baixo;
· Impurezas flotando: temperatura baixa;
· Caldo com cor amarelo forte: pH alto;
O decantador separa o lodo do caldo alimentado, que resulta em um caldo mais puro e límpido, e a esse caldo se dá o nome de caldo decantado. O lodo retirado do decantador possui uma grande quantidade de sacarose. Este lodo passa por um processo de filtração gerando um caldo filtrado que volta para o processo.
Vantagens e desvantagens do uso do decantador convencional:
	Vantagens
	Desvantagens
	Alta estabilidade a qualquer variação de 
fluxo.
	Maior tempo de retenção (2,5 horas).
	Apresenta lodo mais concentrado e menor recirculação de caldo filtrado. 
	Maior queda de pH.
	Decantação normal mesmo com Brix
elevado (> 18oBrix).
	Alto custo de implantação.
	Alta estabilidade a qualquer variação de
fluxo.
	Volume inoperante na parte superior, acima da primeira bandeja, onde pode ocorrer pontos mortos aumentando o nível de infecção. 
	Baixo consumo de polímeros.
	O caldo das bandejas inferiores recebe 
o lodo das bandejas superiores
V) Filtração do lodo
O objetivo da filtração é recuperar açúcar do lodo, retornando-o ao processo na forma de caldo filtrado. O lodo removido dos decantadores possui uma considerável quantidade de açúcar que, portanto, deve ser aproveitado. A filtração é uma operação difícil de ser regulada e que exige cuidados. Para reunir as melhores condições à sua realização, é preciso observar vários pontos: 
- Temperatura: A viscosidade dos caldos, sobretudo, das gomas e das ceras que decantam na superfície filtrante deve diminui com o aumento da temperatura. É, portanto, conveniente filtrar o caldo a alta temperatura. Trabalhe-se, preferivelmente, acima de 80°C. 
- Reação: Os caldos alcalinos são mais facilmente filtrados que os caldos ácidos ou neutros. 
Utilizam-se normalmente Filtros-Prensa e Filtros Rotativos a vácuo. 
Parâmetros da Filtração 
· % de impurezas no caldo filtrado: 2 a 12% matérias sólidas em suspensão;
· Retenção ideal dos filtros: 90% (rotativo apresenta em média 70%);
· Umidade da torta: 70 a 75%;
· Pol da torta: o menor possível;
Após sair do decantador o lodo que vai para o filtro prensa recebe uma pequena quantidade de polímero, que ajudará na separação das impurezas. O filtro prensa é um equipamento indicado para separação de sólido e líquido, com o objetivo de remover as partículas sólidas das soluções. Com estrutura reforçada em que as placas são posicionadas consecutivamente e prensadas, formando câmaras internas que, revestidas com o elemento filtrante, retém os sólidos e o líquido é direcionado para os coletores laterais. Todo este processo ocorre através de bombeamento sob pressão.
As placas de filtro em polipropileno injetado reforçado de alta resistência que garantem um perfeito assentamento da lona filtrante. A suspensão é bombeada para dentro do filtro através de bombas de alta pressão (bombas pneumáticas, bomba helicoidal), resultando em sólidos retidos pelos elementos filtrantes, a parte filtrada escoa através dos dutos e é direcionada para fora do filtro.
O filtro rotativo a vácuo é composto de um tambor perfurado que gira em volta de um eixo horizontal e parcialmente submerso no líquido a ser filtrado. A periferia do tambor constitui a superfície filtrante, sendo esta dividida em 24 seções independentes, cada uma das quais ocupando 15 ° da circunferência e estendendo-se por todo o comprimento do tambor. 
Anexo I
Qualidade do Cal
O PRNT nada mais é do que o Poder Relativo de Neutralização Total. O PRNT depende do poder de Neutralização (PN) e da Reatividade (RE).
Veja abaixo a descrição do que é PRNT, PN e RE, segundo a legislação:
· Poder de neutralização (PN): “Capacidade potencial total de bases neutralizantes contidas em corretivo de acidez, expressa em equivalente de Carbonato de Cálcio puro (%ECaCO3).”
· Reatividade das partículas (RE): “Valor que expressa o percentual do corretivo que reage no solo.”
· Poder relativo de neutralização total (PRNT): Conteúdo de neutralizantes contidos em corretivo de acidez, expresso em equivalente de Carbonato de Cálcio puro (%ECaCO3).
Como vimos, o Poder de Neutralização (PN) mostra a capacidade do corretivo em neutralizar a acidez. Veja abaixo a relação de corretivos ao carbonato de cálcio.
Capacidade de neutralização relativa ao CaCO3 (ECaCO3):
· Carbonato de cálcio = 1,00
· Carbonato de magnésio = 1,19
· Hidróxido de cálcio = 1,35
· Hidróxido de magnésio = 1,72
· Óxido de cálcio = 1,79
· Óxido de magnésio = 2,48
· Silicato de cálcio = 0,86
· Silicato de magnésio = 1,00
Observe que, de acordo com as relações acima, 100 kg carbonato de magnésio por exemplo, apresentam ação equivalente a 119 kg de carbonato de cálcio. A legislação prevê também um valor mínimo para o PN para a soma da % de CaO + % MgO e PRNT.
Veja na tabela estes valores!
Mas você deve estar se perguntando: por que preciso saber tudo isso? Calcário não é tudo igual? A resposta é NÃO!
Isso porque, quanto maior o poder de neutralização do corretivo, maior será a quantidade de ácidos que ele vai neutralizar.
Observe pela tabela acima que o poder de neutralização mínimo da cal virgem é de 125. Assim, menor será a quantidade de produto que precisará ser comprado.
Anexo II
Valor do pH nos decantadores
Para entender melhor o consumo de cal e qual a melhor faixa de pH a se trabalhar, foi acompanhado por dois dias o pH e a quantidade de impureza do decantador e do mosto.
No dia 1 manteve o pH com um valor mais alto e obteve os seguintes resultados:
	DATA: 01/04/2020
	Horário
	Ph
	Impureza
	Impureza do mosto
	00:12
	6,55
	0,1
	0,2
	01:20
	6,52
	0,1
	0,2
	02:09
	5,99
	0,2
	0,2
	03:08
	6,36
	0,1
	0,2
	04:29
	5,99
	0,2
	0,2
	05:09
	6,02
	0,1
	0,2
	média:
	6,24
	0,13
	0,20
No dia 2 trabalhou-se com a faixa de pH entre 5,6 e 6,4 e obteve os resultados abaixo:
	DATA: 02/04/2020
	Horário
	Ph
	Impureza
	Impureza do mosto
	00:08
	5,6
	0,2
	0,2
	01:13
	6,4
	0,1
	0,2
	02:14
	6,1
	0,1
	0,2
	03:38
	5,7
	0,2
	0,2
	04:50
	6,1
	0,1
	0,2
	05:23
	5,9
	0,1
	0,2
	média:
	5,97
	0,13
	0,20
De acordo com os resultados apresentados podemos ver no gráfico que é possível trabalhar com uma faixa de pH mais baixa e mesmo assim manter o nível de impureza baixo, fato observado no viso do decantador pelo operador e nas análises laboratoriais. Observa-se que a medida que o pH cai a impureza aumenta, porém em um padrão determinado aceitável.
Esse acompanhamento teve como objetivo diminuir o consumo de cal e consequentemente ter uma economia no gasto mensal. Para observar essa economia as planilhas abaixo demonstram os valores.
Valores com o pH mais alto:
	Horário
	Ph
	Vazão
	Nível
	Volume
	00:37
	6,27
	251,3
	54,12
	16236
	00:44
	6
	250,8
	54,1
	16230
	00:07
	6,135
	251,05
	54,11
	6,0
	Diferença
	Média 
	Média
	 
	Diferença
	Massa
	0,3
	Kg cal
	Vazão
	0,020
	m³ / min
	 Vazão
	20,3397
	L / min
	Por hora
	257,1
	Kg cal
	Por dia
	6171,4
	Kg cal
	Por mês
	185142,9
	Kg cal
	Por mês
	185,1
	t cal
	Gasto mês
	75908,6
	R$
Valores com o pH mais baixo:
	Horário
	Ph
	Vazão
	Nível
	Volume
	01:03
	5,87
	341,5
	50,48
	15144
	01:13
	6,19
	258,3
	50,47
	15141
	01:43
	6,06
	281,6
	50,44
	15132
	40,00
	6,04
	293,8
	-
	12
	Diferença
	Média
	Média
	
	Diferença
	Massa
	0,6
	Kg cal
	Vazão
	195,867
	m3 / min
	Vazão
	19586,67
	L / min
	Por hora
	90
	kg cal
	Por dia
	2160
	kg cal
	Por mês
	64800
	kg cal
	Por mês
	64,8
	t
	Gastomês
	26568,0
	R$
Mesmo levando em conta a variação da vazão, do pH e das características da cana, trabalhar com um pH mais baixo é vantajoso, diminuiria no fim do mês um valor estimado de 30 t em relação ao valor gasto no mês de março que foi de 93 t. Passaria a gastar 2,16 bags por dia invés de 3,13 bags.
Anexo III
Eficiência térmica dos trocadores regenerativos
Os trocadores de calor de placa regenerativos têm como objetivo a troca térmica, aquecer o caldo misto que vem da moenda para entrar nos aquecedores e resfriar o caldo evaporado que sai dos pré evaporadores em destino a fermentação. Para comparativo da eficiência da troca térmica planejada para a executada, alguns cálculos foram realizados.
Cálculos da eficiência planejada
	Lado caldo misto
	Lado caldo evaporado
	 
	T ° C
	T K
	 
	T ° C
	T K
	T e, cm
	34,4
	307,4
	T e, ce
	118
	391
	T s, cm
	58,9
	331,9
	T s, ce
	68,9
	341,9
	T m, cm
	46,65
	319,65
	T m, ce
	93,45
	366,45
Propriedades
	ρ 
	1173,04
	ρ
	1049,98
	Cp
	3748,526
	Cp
	3781,80
	µ
	6,09E-04
	µ
	3,53E-05
	ƛ
	0,484789
	ƛ
	0,4875688
	W cm
	536,4
	m³/h
	W ce
	311
	m³/h
	m cm
	629216,78
	kg/h
	m ce
	326542,75
	kg/h
	q cm
	57786568628,3
	J/ h
	
	q ce
	-60634593957,84
	J/ h
	q cm
	16051824,62
	W
	
	q ce
	-16842942,77
	W
	q cm
	16051,82
	Kw
	
	q ce
	-16842,94
	Kw
	Eficiência %
	95,30
A eficiência na qual o trocador foi projetado para trabalhar seria de 95,5%, como mostra os cálculos acima. Mas sabemos que com o passar dos dias, as condições de trabalho e possíveis incrustações podem mudar esse valor. 
Abaixo os dados dos dois trocadores que estão em operação:
REGENERATIVO I
	Lado caldo misto
	Lado caldo evaporado
	 
	T ° C
	T K
	 
	T ° C
	T K
	T e, cm
	42,9
	315,9
	T e, ce
	109,5
	382,5
	T s, cm
	55,7
	328,7
	T s, ce
	102,5
	375,5
	T m, cm
	49,3
	322,3
	T m, ce
	106
	379
Propriedades
	ρ 
	1172,04
	ρ
	1049,98
	Cp
	3772,12
	Cp
	3781,80
	µ
	5,44E-04
	µ
	3,53E-05
	ƛ
	0,485178
	ƛ
	0,4875688
	W cm
	619,9
	m³/h
	W ce
	340,8
	m³/h
	m cm
	726524,66
	kg/h
	m ce
	356317,99
	kg/h
	q cm
	35078888951,6
	J/ h
	
	q ce
	-9494807186,51
	J/ h
	q cm
	9744135,82
	W
	
	q ce
	-2637446,441
	W
	q cm
	9744,14
	Kw
	
	q ce
	-2637,45
	Kw
	Eficiência %
	369,45
REGENERATIVO II
	Lado caldo misto
	Lado caldo evaporado
	 
	T ° C
	T K
	 
	T ° C
	T K
	T e, cm
	31,8
	304,8
	T e, ce
	113,7
	386,7
	T s, cm
	47,5
	320,5
	T s, ce
	99
	372
	T m, cm
	39,8
	312,8
	T m, ce
	106,35
	379,35
	ρ
	1175,71
	ρ
	1045,41
	Cp
	3772,778
	Cp
	3807,41
	µ
	8,25E-04
	µ
	2,14E-05
	ƛ
	0,483782
	ƛ
	0,4894264
	W cm
	715,4
	m³/h
	W ce
	370,1
	m³/h
	m cm
	841101,50
	kg/h
	m ce
	386906,28
	kg/h
	q cm
	49820641178,5
	J/ h
	
	q ce
	-21654727807,90
	J/ h
	q cm
	13839066,99
	W
	
	q ce
	-6015202,169
	W
	q cm
	13839,07
	Kw
	
	q ce
	-6015,20
	Kw
	Eficiência %
	230,06
A eficiência calculada equivale à divisão da quantidade de calor do liquido frio dividido pelo líquido quente. Na pratica a vazão do caldo misto tem sido muito maior que a do caldo evaporado, fazendo com que o caldo misto troque mais calor e esquente mais. Para igualar a troca térmica e obter o resultado esperado para os dois líquidos, as vazões de entrada precisariam ser alteradas.
Anexo IV
Retenção de sólidos dos filtros
Foi realizada a coleta e análise das amostras de lodo e filtrado dos filtros para observar e comparar suas capacidades de reter os sólidos.
	Filtro rotativo
	 
	11/03/2020
	13/03/2020
	Impureza do lodo 
	22,2
	33,3
	Brix do lodo
	10,1
	9,2
	Impureza do filtrado
	3,4
	1,51
	Brix do do filtrado
	9,8
	9,1
	Eficiência do filtro
	85,14
	95,51
 
	Filtro prensa
	 
	11/03/2020
	13/03/2020
	Impureza do lodo 
	20,7
	25,9
	Brix do lodo
	8,1
	6,3
	Impureza do filtrado
	9,0
	14,8
	Brix do do filtrado
	6,3
	5,7
	Eficiência do filtro
	66,18
	48,30
Nos dias em questão estava operando com a bomba de lodo em torno de 16%, o que pode ter acarretado em alterações. Percebe-se que o filtro rotativo conseguiu reter uma quantidade maior de sólidos e com isso uma melhor eficiência.
DIA: 01/04/2020 
Ph	8.3333333333333332E-3	5.5555555555555552E-2	8.9583333333333334E-2	0.13055555555555556	0.18680555555555556	0.21458333333333335	6.55	6.52	5.99	6.36	5.99	6.02	Impureza	8.3333333333333332E-3	5.5555555555555552E-2	8.9583333333333334E-2	0.13055555555555556	0.18680555555555556	0.21458333333333335	0.1	0.1	0.2	0.1	0.2	0.1	DIA: 02/04/2020 
Ph	5.5555555555555558E-3	5.0694444444444452E-2	9.3055555555555558E-2	0.15138888888888888	0.20138888888888887	0.22430555555555556	5.6	6.4	6.1	5.7	6.1	5.9	Impureza	5.5555555555555558E-3	5.0694444444444452E-2	9.3055555555555558E-2	0.15138888888888888	0.20138888888888887	0.22430555555555556	0.2	0.1	0.1	0.2	0.1	0.1	Eficiência Filtro rotativo
43901	43903	85.139595040585149	95.514753884319106	0	Eficiência Filtro prensa 
Eficiência 	43901	43903	66.183574879227052	48.299319727891145	0