BME Produção suco de uva

Prévia do material em texto

2
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO SUL DE MINAS GERAIS 
CAMPUS POUSO ALEGRE
BALANÇO DE MASSA E ENERGIA DA PRODUÇÃO DE SUCO DE LARANJA INTEGRAL
BRENDA SILVA DE SOUZA
GIOVANNA GARCIA PERES
MAYARA DE SOUSA BRANDES
TAINARA ALVES SOUZA
VIVIANE MAGALHÃES PEREIRA
Pouso Alegre – MG
2020
Sumário
1.	BALANÇO DE MASSA DO PROCESSO DE PRODUÇÃO SUCO DE LARANJA	2
1.1 BALANÇO DE MASSA NA EXTRATORA	3
1.2 BALANÇO DE MASSA NO FINISHER	4
1.3 BALANÇO DE MASSA NA CENTRÍFUGA CLARIFICADORA	5
1.4 BALANÇO GLOBAL DO PROCESSO	7
2.	BALANÇO DE ENERGIA E INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA DO PROCESSO DE PRODUÇÃO DO SUCO DE LARANJA	8
3	REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS	18
1. BALANÇO DE MASSA DO PROCESSO DE PRODUÇÃO SUCO DE LARANJA
	Um fluxograma simplificado do processo de produção de suco de laranja encontra-se representado pela Figura 1, abaixo. 
FIGURA 1 – Fluxograma do processo de produção do suco de laranja.
Fonte: Adaptado de Pereira et. al, 2018.
	
	Considerando que chega à indústria 70000 kg de laranjas por dia e que há uma perda de 2% na etapa de seleção, de acordo com a Equação 1: 
(1)
Logo, temos que a massa inicial de laranja que entra na extratora é de 68600 kg. 
	Considerando um volume de controle na extratora, Figura 2, que possui: uma corrente de entrada de laranja (corrente 1) e duas correntes de saída, sendo uma de extrato (corrente 2) e a outra, de bagaço (corrente 3).
	 O tempo de processamento de suco, limpeza e manutenção foi estimado em 6,5 h e 1,5 h, respectivamente, totalizando um tempo de operação diária de 8 h. Todos os cálculos foram realizados considerando estado estacionário. 
1.1 BALANÇO DE MASSA NA EXTRATORA 
FIGURA 2 – Volume de controle na extratora.
EXTRATORA
2
1
3
Fonte: Elaborada pelas autoras, 2020.
	Para o início do processo, a massa inicial de laranja foi de 68600 kg, como calculado acima, tendo uma vazão mássica de 10553,85 kg/h, visto que, o tempo de processamento do suco é de 6,5 h. De acordo com Pereira et. al, (2018), considera-se que, a corrente 2 apresenta 45% de suco de laranja, 25% da polpa da laranja, totalizando 70% (, e a porcentagem de bagaço, 30% da laranja (.
	A partir da quantidade de extrato na corrente 2, calculou-se as frações de suco e polpa no extrato. De acordo com as Equações 2 e 3, temos:
(2)
 (3)
	Encontradas as frações, calculou-se as vazões mássicas de suco e polpa presentes no extrato e bagaço, através das Equações 4, 5 e 6, respectivamente. 
 (4)
 
 (5)
 
	Logo, a vazão mássica total da corrente 2, é .
	Para a corrente 3, temos: 
 (6)
1.2 BALANÇO DE MASSA NO FINISHER 
	De acordo com Pereira et. al, (2018), no finisher ocorre a primeira filtração e remoção de polpa do extrato. De acordo com Tetrapak (1998) apud Pereira et. al, (2018), o teor de polpa resultante desse equipamento, deve ser em torno de 12%. Determinada essa fração de saída do finisher, definiu-se o volume de controle do equipamento, conforme Figura 3. 
FIGURA 3 – Volume de controle no finisher.
FINISHER
4
2
5
Fonte: Elaborada pelas autoras, 2020.
	
	Para encontrar a vazão de saída da corrente 4, é feito um balanço de massa global do equipamento e para a polpa, conforme Equações 7 e 8.
	
 (7)
 (8)
Substituindo o valor de (7387,65 kg/h), isolando na Equação 8, e substituindo na Equação 7, temos a Equação 9. 
 (9)
 
	Logo, o a vazão mássica de saída da corrente 4 é 5372,84 kg/h e a de polpa, da corrente 5, é de 2014,81 kg/h. 
1.3 BALANÇO DE MASSA NA CENTRÍFUGA CLARIFICADORA
	Segundo Tetrapak (1998) apud Pereira et. al (2018), após o finisher temos uma centrífuga clarificadora, onde o teor de polpa recomendada para a comercialização do suco é de 4%. Consequentemente, a porcentagem de suco é de 96%. A Figura 4, representa o volume de controle adotado na centrífuga clarificadora.
FIGURA 4 – Volume de controle na centrífuga clarificadora.
CENTRÍFUGA
CLARIFICADORA
6
4
7
Fonte: Elaborada pelas autoras, 2020.
	Para encontrar a vazão mássica da corrente 7, foi realizado um balanço global do equipamento e da polpa, de acordo com as Equações 10 e 11. 
 (10)
 (11)
Substituindo o valor de (5372,84 kg/h), isolando na Equação 11 e substituindo na Equação 10, temos a Equação 12.
 (12)
	
	Logo, a vazão mássica da corrente 6 é de 4925,14 kg/h e a vazão de polpa da corrente 7 é de 447,73 kg/h. 
1.4 BALANÇO GLOBAL DO PROCESSO
	
	De acordo com Pereira et. al, (2018), na etapa de pasteurização não há perdas significativas de massa. Logo, a vazão mássica de suco produzido é de 4925,14 kg/h (.
	Segundo Alves et. al (2016), a massa específica do suco de laranja a 30 ºC é de 1032,43 kg/m³ (. Assim, obteve a vazão volumétrica de suco, através da Equação 13. 
 (13)
Logo, a vazão volumétrica de suco é de 4,77 m³/h. Como a operação ocorre por 6,5 h por dia, temos um volume diário de suco de laranja de aproximadamente 31 m³. 
	Na Figura 5, está representado, portanto, um balanço global do processo. 
FIGURA 5 – Balanço global do processo.
PROCESSO
	Componente
	Fração
	 (kg/h)
	Laranja
	1
	10553,85
	Componente
	Fração
	 (kg/h)
	Suco
	0,96
	4728,13
	Polpa
	0,04
	197,01
	Componente
	Fração
	 (kg/h)
	Bagaço
	0,56
	3166,16
	Polpa
	0,44
	2462,54
Fonte: Elaborada pelas autoras, 2020.
2. BALANÇO DE ENERGIA E INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA DO PROCESSO DE PRODUÇÃO DO SUCO DE LARANJA
	O balanço de energia foi realizado de acordo com descrito por Pereira et. al (2018). O balanço foi realizado para o pasteurizador e considerou-se estado estacionário, variação de energia potencial e cinética desprezíveis, as carcaças dos equipamentos são isoladas e nos processos de troca térmica não ocorrem variações nas pressões dos fluidos, portanto a variação de energia interna será igual a variação da entalpia. 
	Os valores de entalpia e entropia utilizados no balanço foram obtidos de acordo com Moran e Shapiro (2006).
	Após a passagem do suco pela centrífuga, o mesmo se encontra a 30 ºC e deve passar por um processo de pasteurização que consiste em elevar a temperatura do suco a 90 ºC e depois resfriá-lo a 15 ºC. Devido a necessidade de aquecer e resfriar o fluido, é possível realizar uma integração energética nessa operação unitária.
	Segundo Geankoplis (1993) apud Acerbi e Garcia (2015), considerando o suco com uma solução e água e sacarose, o calor específico, em kJ/kg.°C, do suco de laranja pode ser calculado pela Equação 13.
 (13)
Onde é a porcentagem mássica (ºBrix) de sacarose na solução. 
	Antes de entrar no pasteurizador têm-se 10 °Brix de sacarose, então 3,935 kJ/kg. °C.
	Temos que, a vazão mássica de suco que entra no pasteurizador é de =4925,14 kg/h. Considerando que o calor trocado no processo de aquecimento e resfriamento do fluido é igual a variação de entalpia, podemos obter essa variação a partir da Equação 14.
 (14)
	Visto que, para aquecer o fluido de 30 ºC até 90 °C, temos um ∆T = 60 ºC, logo o calor necessário para aquecer o fluido é de 1162825,554 kJ/h. Já para resfriar o fluido de 90 °C a 15 °C, temos um ∆T = -75 °C, logo é necessário retirar 1453531,943 kJ/h através de utilidade fria, totalizando 2616357,497 kJ/h. Como visto nas Figuras 6 e 7.
FIGURA 6 – Variação de entalpia pela temperatura da corrente fria.
Fonte: Elaborada pelas autoras, 2020.
FIGURA 7 – Variação de entalpia pela temperatura da corrente quente.
Fonte: Elaborada pelas autoras, 2020.
	Segundo Smith (2005), uma diferença mínima de temperatura de 10ºC minimiza o gasto com utilidades e a área de troca térmica. Com isso implementamos a eficiência energética considerandoo ΔT min de 10°C e plotamos as duas curvas na mesma Figura 8.
FIGURA 8 – Variação de entalpia pela temperatura com ΔT min de 10°C.
Fonte: Elaborada pelas autoras, 2020.
Na Figura 8, a região entre as linhas verticais pretas representa a quantidade de calor aproveitado das correntes que é igual a 969021,295 kJ.h-1. Após a integração será necessário retirar 484510,647 kJ.h-1 por meio de utilidade fria e fornecer 193804,25 kJ.h-1. Pelo gráfico é possível observar também que no regenerador do pasteurizador a corrente quente entrará a 90ºC e sairá a 40ºC e a corrente fria entrará a 30ºC e sairá a 80ºC.
O processo de pasteurização ocorrerá de acordo com o diagrama de blocos da Figura 9, adaptado de Pereira et. al (2018).
FIGURA 9 – Diagrama de blocos do processo de pasteurização.
Fonte: Adaptado de Pereira et. al, 2018.
	
	Os passos a seguir estão descritos de acordo com Pereira et. al, (2018). 
	A corrente de suco proveniente da centrífuga (corrente 1), encontra-se a 30 °C e, como visto na etapa de integração energética, a corrente deverá ser aquecida até 80 ºC (corrente 2), enquanto a corrente 3 será pré-resfriada de 90 °C a 40 °C (corrente 6). Considera-se que durante o processo não há variação de pressão no suco, a operação ocorre em estado estacionário e durante o mesmo, o pasteurizador encontra-se isolado. 
	Na etapa de aquecimento, o suco deverá ser aquecido de 80 ºC a 90 ºC. A partir da Equação 14, com os valores de calor específico (3,935 kJ/kg. °C) e vazão mássica de suco (4925,14 kg/h) conhecidos, é possível calcular a quantidade de calor necessária para promover esse aumento. Logo, o valor encontrado é de: 
	A caldeira selecionada opera a uma pressão de 10 bar e fornece vapor saturado a 179,9 ºC (corrente 4). O calor retirado da água resultará em sua mudança de fase para líquido saturado a 179,9 °C (corrente 5). O calor de vaporização da água a 10 bar é ∆hvap=2015,3 kJ/kg. Dessa maneira, determinou-se a vazão mássica de vapor pela Equação 15. 
 (15)
	A geração de calor da caldeira será feita através da combustão do gás natural, Figura 10, que possui um poder calorífico de PCIcarvão = 60249,6 kJ/kg. A massa de gás natural necessária para fornecer energia a água será dada pela Equação 16.
FIGURA 10 – Diagrama de blocos do processo da caldeira.
Gás natural
Gás de Combustão
Caldeira
Ar
50% excesso
Fonte: Elaborada pelas autoras, 2020.
 (16)
	
Temos que a composição média do gás natural descrita na Tabela 1:
Composição mássica do carvão.
	Composição Mássica GN (%)
	
	79,11
	
	10
	
	4,89
	
	2,33
	
	3,67
Fonte: Elaborada pelas autoras, 2020.
Tomando como base 100 kg/h de gás natural, encontramos os valores em mol descritos na Tabela 2:
Composição em kgmols do carvão.
	Componente
	Massa kg/kg carvão
	kgmol
	
	79,11
	4,944
	
	10
	0,333
	
	4,89
	0,111
	
	2,33
	0,083
	
	3,67
	0,084
Fonte: Elaborada pelas autoras, 2020.
	Pela estequiometria obtemos a Equação 17.
	
	
	(17)
Fazendo o balanço de componente para o oxigênio, encontramos o valor de x, sendo ele igual a 6,194 kgmol de , consequentemente encontramos o valor de y que é 23,29 kgmol de . Como temos ar em excesso de 50% temos, 9,29 kgmol de e 34,94 kgmol de . Pela Equação 19, encontramos a relação de massa de ar pela a massa de gás natural.
	
	
	(18)
	
	
	(19)
Com o ar em excesso, a estequiometria final da combustão é definida pela Equação 20.
	
	
	(20)
O produto dessa reação, Equação 20, são os gases de combustão liberados. Pela Equação 21, obtemos a massa dos gases de combustão em relação a massa de carvão.
	
	
	(21)
	
	
	(22)
	Na Tabela 3 abaixo, estão apresentados dados do processo. 
Dados do processo.
	PCI GN
	60249,6
	kJ/kg
	Cp (suco)
	3,935
	kJ/kg. °C
	(suco)
	4925,14
	kg/h
	dT (suco)
	10
	°C
	dT (Gases)
	200
	°C
	dT (ar)
	170
	°C
	T inicial gases
	0
	°C
	T final gases
	200
	°C
	Cp 
	0,9236
	kJ/kg. °C
	Cp 
	1,9007
	kJ/kg. °C
	Cp 
	0,9371
	kJ/kg. °C
	Cp 
	1,0448
	kJ/kg. °C
	Média Cp (ar)
	0,9913
	kJ/kg. °C
	Média Cp (gases)
	0,9342
	kJ/kg. °C
Fonte: Elaborado pelas autoras, 2020.
	
	Com os dados da Tabela 3 e a Equação 16, foi possível determinar a massa de gás natural necessária para o aquecimento do suco. Sendo obtido um valor de: 
 
	Na etapa de resfriamento o líquido deve ser resfriado de 40 °C até 15 °C. Através da Equação 14, com os valores de calor específico e vazão mássica de suco, foi possível calcular a quantidade de calor que deve ser retirada do suco para promover essa variação de temperatura. 
	A etapa de resfriamento ocorrerá baseada em um ciclo de refrigeração por compressão, conforme Pereira et. al (2018), como apresentado na Figura 11.
FIGURA 11 – Diagrama de blocos para o processo de resfriamento.
Fonte: Adaptado de Pereira et. al, 2018.
	De acordo com ETAL (2020), a temperatura entre o líquido na saída do processo de resfriamento e o fluido refrigerante para sucos e polpas, deve ser próxima de 10 °C. Dessa maneira, conforme descrito por Pereira et. al (2018), adotou-se uma temperatura de trabalho de 5 °C para o fluido refrigerante na região do evaporador. Na saída do condensador (corrente 11) assumiu-se que a temperatura da água liquida saturada é 31ºC para que ocorra troca térmica com o ar ambiente. Segundo Moran e Shapiro (2009), durante a passagem pela válvula de expansão o processo é isoentálpico, dessa forma a entalpia das correntes 8 e 11 são as mesmas. A entalpia da água líquida saturada a 31ºC é 129,97 kJ.kg-1, enquanto que a entalpia da água líquida e vapor saturados a 5ºC é 20,98 kJ.kg-1 e 2510,6 kJ.kg-1, respectivamente. Com esse valor foi possível calcular a porcentagem de líquido e vapor na corrente 8 pela Equação 23.
A água a 5ºC possui entalpia de vaporização de Δh𝑒𝑣𝑎𝑝 = 2489,6 𝑘𝐽. 𝑘𝑔−1. A vazão mássica da fração líquida de água no evaporador foi obtida analogamente à maneira como se obteve a vazão de vapor de água da caldeira.
Com a vazão mássica da fase líquida de água no evaporador e conhecendo o título do líquido obteve-se a vazão mássica total de água no sistema.
Ao sair da etapa de pasteurização a 15ºC o suco seguirá para o tanque de armazenamento asséptico. O tanque de armazenamento asséptico será isolado termicamente do ambiente, portanto, como não ocorrerá troca térmica, não será necessário realizar o balanço de energia para o mesmo
3 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ACERBI, L. W.; GARCIA, R. L. Planta de Produção de Suco de Laranja Concentrado. Trabalho de conclusão de curso. Universidade Federal de Alfenas, Poços de Caldas, 2015.
ALVES, M.N.M.; SANTOS, D. A.; MELO, J.C.S.; COSTA, C.H.C; FEITOSA, R. M. Efeito da temperatura na massa específica do suco de laranja. 56º Congresso brasileiro de química. Belém, nov. 2016.
ETAL TECNOLOGIA DE ALIMENTOS. PASTEURIZADORES PARA INDÚSTRIA ALIMENTÍCIA. Disponível em: http://www.etaltecnologia.com.br/equipamentos-detalhe.php?id=80. Acesso em: 20 mai. 2020.
GEANKOPLIS, C. J.; Transport Process and Unit Operation. 3. ed. Englewood Cliffs: A Simon & Schuster Company, 1993.
MORAN, M. J.; SHAPIRO, H.N. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. 5th Ed. SI Unit. 2006. 
MORAN, M. J.; SHAPIRO, H. N.; BOETTNER, D. D.; BAILEY M. B. Princípios de termodinâmica para engenharia. 7 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2013.
PEREIRA, I. B. T.; BUSSULO, J. R.; CARPI, J. M. G.; YAMAMOTO, K.; ANDRADE, P. F. Indústria de suco de laranja integral, 2018. Trabalho de conclusão de curso, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Apucarana, 2018. 
TETRA PAK. The Orange book. 1998.
SMITH, R. Chemical process design and integration. Chichester: John Wiley & Sons (McGraw hill), 2005.
Corrente fria
Corrente fria	0	124588.39599999999	249176.79199999999	373765.18799999997	498353.58399999997	622941.98	747530.37599999993	30	40	50	60	70	80	90	ΔH (KJ/h)
T(°C)
Corrente quente
Corrente quente	0	62294.197999999997	186882.59399999998	311470.99	436059.386	560647.78200000001	685236.17799999996	809824.57399999991	934412.97	1059001.36599999995	10	20	30	40	50	60	70	80	90	ΔH (kJ/h)
T(°C)
Corrente fria	436059.386	560647.78200000001	685236.17799999996	809824.57399999991	934412.97	1059001.3659999999	1183589.7619999999	1308178.1579999998	30	40	50	60	70	80	90	100	Corrente quente	0	62294.197999999997	186882.59399999998	311470.99	436059.386	560647.78200000001	685236.17799999996	809824.57399999991	934412.97	1059001.3659999999	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	436059.386	436059.386	40	0	1059001.3659999999	1059001.3659999999	90	0	ΔH (kJ/h)
T(°C)