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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA
Fernando Ignácio Baena Alves
USINA ALTO ALEGRE - UNIDADE SANTO INÁCIO PRODUÇÃO DE ÁLCOOL E AÇÚCAR
TOLEDO – PARANÁ 2010
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Fernando Ignácio Baena Alves
USINA ALTO ALEGRE - UNIDADE SANTO INÁCIO PRODUÇÃO DE ÁLCOOL E AÇÚCAR
Trabalho acadêmico apresentado para disciplina de Estágio Supervisionado na Universidade Estadual do Oeste do Paraná Campus de Toledo.
TOLEDO – PARANÁ 2010
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Sumário
1. INTRODUÇ INTRODUÇÃO ÃO ........................................ ................................................................. ................................................. ............................. ..... 5 2. PROCESSAMENTO E RECEPÇÃO DA CANA-DE-AÇÚCAR ............... ....... .............. ...... 8 3. EXTRAÇÃO EXTRAÇÃO ........................................... ..................................................................... ................................................... ............................. 11 3.1 LAVAGEM LAVAGEM DA CANA ................................................ .......................................................................... ................................ ...... 11 3.2 PREPARO PARA MOAGEM OU DIFUSÃO .............................................. 12 3.3 EXTRAÇÃO DO CALDO: MOAGEM OU DIFUSÃO ................ ........ ................ ................ .......... .. 14 3.3.1 Extração por moagem ............................................................................ 15
4. TRATAMENTO DO CALDO ....................................................................... 19 4.1 REGENERAÇÃO / FLASHEAMENTO FLASHEAMENTO / DECANTAÇÃO ............... ....... ................ ............ .... 19 4.2 FILTRAÇÃO FILTRAÇÃO ...................................... .............................................................. .................................................. ................................ ...... 21 4.3 EVAPORAÇ EVAPORAÇÃO ÃO ............................................................. ....................................................................................... ............................ .. 23 5. FÁBRICAÇÃO DO AÇÚCAR ..................................................................... 28 5.1 COZIMENTO E CENTRIFUGAÇÃO.......................................................... 28 5.2 SECAGEM E ARMAZENAMENTO ........................................................... 32
6. FABRICAÇÃO DO ÁLCOOL ...................................................................... 35 6.1 FERMENTAÇ FERMENTAÇÃO ÃO ................................... ........................................................... ................................................. ............................ ... 35 6.2 PREPARO PREPARO DO MOSTO .................................... ............................................................. ........................................ ............... 35 6.3 TRATAMENTO DO FERMENTO .............................................................. 36 6.4 FERMENTAÇ FERMENTAÇÃO ÃO ................................... ........................................................... ................................................. ............................ ... 37 6.5 CENTRIFUGA CENTRIFUGAÇÃO ÇÃO .................................................................... ................................................................................... ............... 39 6.6 RECUPERAÇÃO DE ETANOL ................................................................. 40 6.7 DESTILAÇÃ DESTILAÇÃO O ............................................... ......................................................................... ............................................ .................. 42 6.8 ARMAZEN ARMAZENAMENTO AMENTO ................................................. ........................................................................... ................................ ...... 49
7. PRODUÇÃ PRODUÇÃO O DE ENERGIA ENERGIA ............................................ ...................................................................... .............................. 51 7.1 CALDEIRAS CALDEIRAS.................................................. ............................................................................ ............................................ .................. 52 7.1.1 Tubulão Tubulão superior superior ...................................................................... .................................................................................... .............. 55 7.1.2 Tubulão Tubulão inferior inferior .............................................. ........................................................................ ........................................ .............. 57 7.1.3 Circulação Circulação da água ......................................................... ................................................................................ ....................... 57 7.1.4 Câmara Câmara de combustão combustão ................................... ............................................................ ........................................ ............... 58 7.1.5 Paredes Paredes de água................................................ .......................................................................... .................................... .......... 60
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7.1.6 Superaque Superaquecedo cedorr......................................................... ................................................................................... ............................ .. 60 7.1.7 Economiza Economizador dor ................................................ ......................................................................... ........................................ ............... 62 7.1.8 Pré-aquec Pré-aquecedore edoress........................................................ .................................................................................. ............................ .. 62 7.2 DESAERAD DESAERADOR OR .................................................................. ......................................................................................... ....................... 63 7.3 TURBINAS TURBINAS A VAPOR .......................... ................................................... ................................................... ............................ .. 64 7.3.1 Constituintes das turbinas a vapor ............... ....... ................ ................ ................ ................ ................ .......... 65
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1. INTRODUÇÃO O Brasil é o maior produtor de cana-de-açúcar do mundo, seguido pela Índia, China e Tailândia, e responde por cerca de 45,0% da produção mundial de etanol. A cultura da cana-de-açúcar produziu 21,2 bilhões de litros de etanol em 2007/08, dos quais mais de 2,0 bilhões foram destinados à exportação. A área cultivada abrange 6,9 milhões de hectares, correspondendo a 1,9% da área agriculturável e 18,7% da área utilizada para culturas anuais (IBGE, 2007). A produção e o processamento de cana-de-açúcar no Brasil são gerenciados pelo setor privado, que obtém os menores custos de produção do mundo, tanto de açúcar, como de álcool, despontando como um segmento altamente competitivo no mercado internacional. O primeiro objetivo da unidade industrial é ser rentável, proporcionando em retorno compatível com os investimentos realizados. Uma maior rentabilidade está relacionada com uma produtividade mais elevada, o que se consegue, por exemplo, com uma otimização do processo. O processo somente é otimizado quando se conhecem todas as operações unitárias, permitindo introduzir modificações corretivas eventuais efetivando um controle adequado. O engenheiro químico é responsável pelo controle do processo, tendo como suporte os princípios básicos de observação e medida que integram a análise do sistema, possibilitando a interpretação dos resultados, e a conseqüente tomada de decisão. A eficácia do controle aplicado, evitando perdas extraordinárias, dependerá da precisão dos números levantados (função da amostragem técnica analítica criteriosa), da qualidade das informações relativas às condições operacionais e, principalmente, do conhecimento dos equipamentos utilizados nos processos de transformação, os quais ficam a cargo do engenheiro químico. O grupo Alto Alegre apresenta 4 unidades fabris e 1 unidade central:
Unidade Junqueira;
Unidade Floresta;
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Unidade Santo Inácio;
Unidade Florestópolis;
Unidade Central
A unidade de Santo Inácio é a mais nova unidade da Usina Alto Alegre. Inaugurada em junho de 2007, está localizada no estado do Paraná, na cidade de Santo Inácio, a 111km de Maringá e 483km da capital, Curitiba. Em sua produção estão o açúcar VHP, o álcool hidratado, álcool anidro carburante e energia elétrica. Em sua capacidade atual processa cerca de 2,5 milhões toneladas de cana de açúcar por safra, o que gera 3,3 milhões de sacas de açúcar cristal e 125 milhões de litros de álcool hidratado e álcool anidro carburante. Além disso, a unidade produz energia elétrica que é consumida internamente e o excedente é comercializado com as principais empresas do setor. A Usina Alto Alegre, unidade de Santo Inácio gera 540 empregos diretos e 1620 indiretos. E em suas dependências conta com assistência médica e odontológica para os funcionários, além de refeitório e espaço para descanso. Esta unidade foi certificada em 2009 com a ISO9001:2008. Esta certificação assegura ao consumidor a qualidade dos produtos oferecidos, e a responsabilidade responsabilidade da agrícola e da indústria com seus processos de produção.
Figura 1 - Usina Alto Alegre - Unidade Santo Inácio
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2. PROCESSAMENTO E RECEPÇÃO DA CANA-DE-AÇÚCAR A cana-de-açúcar cana-de-açúcar é a principal matéria-prima para a indústria sucroalcooleira brasileira. A composição química da cana de açúcar é muito variável em função das condições climáticas, das propriedades físicas, químicas e microbiológicas do solo, do tipo de cultivo, da variedade, da idade, do estágio de maturação, do estado sanitário, entre outros fatores. O caldo, definido como uma solução impura de sacarose, glicose e frutose, é constituído de água (=82%) e sólidos solúveis ou Brix (=18%), sendo estes agrupados em açucares orgânicos, não açucares e inorgânicos. Os açucares são representados pela sacarose, glicose e frutose. A sacarose, como o componente mais importante, tem um valor médio de 14%, enquanto os demais, dependendo do estado de maturação, 0,2 e 0,4%, respectivamente para a frutose e glicose. Estes carboidratos que constituem o açúcar total, quando expressos em glicose ou açúcar invertido, apresentam um teor de cerca de 15 – 16%. Os açúcares redutores – glicose e frutose – quando em teores elevados mostram um estágio pouco adiantado de maturação da cana, além da presença de outras substâncias indesejáveis ao processamento. A colheita da cana pode ser feita manual ou mecanicamente. mecanicamente. No primeiro caso, a cana é obtida inteira e no segundo caso, obtém-se toletes da cana de 20 a 25 cm. A cana é transportada às indústrias através de caminhões adaptados para o serviço. Os caminhões são pesados antes e após o descarregamento para se obter o peso de cana recebida. O objetivo de se pesar a cana é permitir o controle agrícola, o controle da moagem e o cálculo de rendimento industrial. Os caminhões após a pesagem são encaminhados para amostragem (Figura 2) da cana fazendo com que a sonda de amostragem penetre de cima para baixo em um local determinado, recolhendo uma quantidade de amostra de cana. A amostra é encaminhada através de um duto que leva a mesma até um desfibrador. De cada amostra é coletada uma alíquota do bagaço desfibrado e levado para análise para que se possam definir características como a POL (teor de sacarose aparente), ATR (açúcares redutores totais), AR
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(açúcares redutores – glicose e frutose), Brix (quantidade de sólidos solúveis), pureza, porcentagem de fibra da cana e tempo de queima e corte, a partir das quais o pagamento da cana é efetuado.
Figura 2 - Amostragem de cana por sonda oblíqua
Em seguida, é mostrada a Tabela 1 apresentado os principais dados da cana-de-açúcar. Tabela 1 - Principais dados de cana-de-açúcar
Indicadores
Valores recomendados
POL
> 14
Pureza (POL/Brix)
> 85%
ATR (glicose, frutose, sacarose) sacarose)
> 15%
AR (glicose e frutose) frutose)
< 0,8%
Fibra
11 – 13%
O descarregamento da cana pode ser feito diretamente nas mesas alimentadoras da moenda ou no tombador (cana mecanizada) através de guindastes do tipo hilo.
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A colheita, carregamento, transporte, pesagem, passagem da cana pelo controle de qualidade, descarregamento e lavagem são operações determinantes para um bom desempenho industrial. Estas etapas devem ser realizadas em sincronia com as operações industriais para que não ocorra sobreabastecimento, o que demanda armazenamento, armazenamento, com conseqüente queda na qualidade ou falta de cana para a moagem, ocasionando atrasos na produção. Na indústria sucroalcooleira, a cana-de-açúcar pode ter dois destinos: produção de açúcar ou produção de álcool.
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3. EXTRAÇÃO O Setor de moendas é constituído por: Lavagem da cana, preparo da cana para a extração e a extração do caldo propriamente dita. Um esquema do setor de moendas é apresentado pela Figura 3, abaixo:
Figura 3 - Representação do setor de extração
3.1 LAVAGEM DA CANA A lavagem da cana (Figura 4) é efetuada sobre mesas alimentadoras, normalmente com inclinação de 45° – que controla a quantidade de cana sobre uma esteira metálica - e visa à retirada de matérias estranhas como, por exemplo: terra, areia, etc., com a finalidade de se obter um caldo com melhor qualidade e aumentar a vida útil dos equipamentos pela redução do desgaste. Esta lavagem nunca é feita na cana colhida mecanicamente, pois devido a sua forma de toletes, o arraste de sacarose pela água seria muito grande. A água utilizada para a lavagem da cana é conhecida como água de lavagem, e passa por um processo de decantação após a lavagem da cana para retirada das impurezas provindas desta operação. A água decantada é então reutilizada no processo, gerando grande economia para a indústria, uma vez que em todo o processo é na lavagem da cana que mais se utiliza água.
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Figura 4 - Mesa 45° para lavagem de cana
3.2 PREPARO PARA MOAGEM OU DIFUSÃO Logo após a lavagem, a cana é conduzida através de esteiras rolantes para um nivelador, seguido do picador, do desfibrador e do eletroímã. Esta etapa é conhecida como preparo da cana. O nivelador proporciona uma alimentação uniforme. O picador e o desfibrador têm como objetivo aumentar a densidade, facilitando a extração do caldo pelas moendas, e romper ao máximo as células para forçar uma maior eficiência efic iência de extração do açúcar. Já o eletroímã visa retirar possíveis materiais ferrosos que possam vir com a cana para evitar a quebra dos rolos das moendas. O picador, mostrado na Figura 5, é um equipamento rotativo de facas fixas, que opera a uma velocidade periférica de aproximadamente 60 m.s -1, aumentando a densidade da cana e cortando-a em pedaços menores, preparando-a para o trabalho do desfibrador.
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Figura 5 - Picador
O desfibrador, apresentado na Figura 6, por sua vez, é um equipamento empregado para completar a preparação e desintegração da cana-de-açúcar. Este aparelho é formado por um rotor no qual é acoplado um conjunto de martelos oscilantes que gira em sentido contrário à esteira.
Figura 6 - Desfibrador
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Ao final dos processos processos citados acima, a cana cana sairá da seguinte forma. forma.
Figura 7 - Cana picada e desfibrada
Para remoção de materiais metálicos prejudiciais ao processo de moagem é utilizado um eletroímã.
Figura 8 - Eletroímã
3.3 EXTRAÇÃO DO CALDO: MOAGEM OU DIFUSÃO A extração do d o caldo da cana consiste no processo físico de separação da fibra (bagaço) da fração líquida, contendo açúcares (caldo). Na extração por moagem, a separação é feita por pressão mecânica dos rolos da moenda sobre a cana desfibrada.
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3.3.1 Extração por moagem A cana intensamente picada e desfibrada chega às moendas por meio de um alimentador vertical. Cada conjunto de rolos de moenda, montados numa estrutura denominada castelo, constitui um terno de moenda. O número de ternos utilizados no processo de moagem varia normalmente entre quatro e sete, e cada um deles é formado por quatro cilindros principais, denominados cilindro de pressão, cilindro superior, cilindro inferior e cilindro de alimentação. ali mentação. A cana desfibrada chega à primeira moenda, onde recebe a primeira compressão. Tem-se, então um caldo conhecido como primário, seguindo este para o tanque pulmão de caldo primário. O bagaço resultante segue pela esteira intermediária para o segundo terno de moagem, recebendo novamente pressões, como mencionado anteriormente. Os esmagamentos continuam nos ternos seguintes. O caldo provindo dos outros ternos recebe o nome de caldo misto e segue para o tanque pulmão de caldo misto. O bagaço final sai com umidade em torno de 50% e segue para as caldeiras onde se produz vapor, que será consumido em todo o processamento e no acionamento das próprias moendas.
Figura 9 - Ternos de moenda
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A cana que sai do segundo segundo terno é encaminhada para o terceiro terno. terno. O caldo resultante desta etapa cai em uma calha, conectada a uma bomba, e retorna para o segundo terno. Este procedimento é repetido até o penúltimo terno, uma vez que no último terno é adicionado água de lavagem. Este processo de fazer retornar o caldo para o terno anterior é conhecido como embebição composta e é realizada com o intuído de diluir os sólidos remanescentes no bagaço para aumentar a extração. A embebição pode ser tanto simples como composta, como já explicado. Uma vez que a extração do primeiro terno resulta em uma quantidade mensurável de bagacilho, o caldo presente no tanque pulmão de caldo primário passa por uma peneira rotativa e segue para o tanque de caldo primário e em seguida para o tratamento de caldo. O bagacilho resultante deste peneiramento retorna ao primeiro terno para sofrer novamente extração. O caldo proveniente das seguintes extrações, ou seja, o caldo misto, que está presente em um tanque pulmão, passa pela mesma peneira rotativa que o caldo primário. A mistura entre os dois caldos não ocorre, pois a peneira rotativa, mostrada na Figura 10, é dividida em duas seções, metade dela é para o caldo primário e a outra metade para o caldo misto. O bagacilho resultante deste peneiramento volta para o setor de moendas no primeiro t erno.
Figura 10 - Peneira rotativa com bagacilhos
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Cilindro Superior
Bagaceira
Cilindro Anterior
Cilindro Posterior
Figura 11 - Esquema de um terno de moenda de cana-de-açúcar.
A bagaceira tem como função conduzir o material fibroso (bagaço) do cilindro anterior (primeira compressão) para o cilindro posterior (segunda compressão). Alguns cuidados especiais devem-se ter na instalação da bagaceira:
Se for instalada muito alta, a carga sobre o rolo superior é muito elevada, ocorrendo desgaste da bagaceira, aumentando a potência absorvida, sufocando a passagem do bagaço. Resulta desta maneira em alimentação deficiente do terno.
Se for instalada muito baixa, o bagaço ao passar sobre ela não é comprimido suficientemente para impedir que o rolo superior deslize sobre a camada de bagaço resultando em embuchamento. A eficiência de um terno de moenda pode ser medida por dois
parâmetros: capacidade e eficiência de extração. Entende-se por capacidade de um terno de moagem a quantidade de cana moída por unidade de tempo. Já o termo eficiência de extração refere-se à quantidade de sacarose extraída da cana pelas moendas. Alguns fatores que que afetam a capacidade de de moagem são:
Preparo da cana;
Eficiência de alimentação da moenda;
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Tamanho e tipo dos cilindros da moenda;
Regulagem da bagaceira. b agaceira.
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4. TRATAMENTO DO CALDO 4.1 REGENERAÇÃO / FLASHEAMENTO / DECANTAÇÃO A Figura 12 mostrada abaixo representa uma parte do setor de tratamento:
Figura 12 - Regeneração / Flasheamento / Decantação
O caldo, após passar pela etapa de calagem, é enviado para o aquecimento, onde sua temperatura é elevada para 102 – 105 ºC, com o propósito de promover a floculação dos colóides com maior rapidez e facilidade, devido à redução da densidade e viscosidade do caldo. O aquecimento é realizado em trocadores de calor (horizontais ou verticais), constituídos por um feixe tubular, no qual passa o caldo a alta velocidade, localizado no interior de um cilindro por onde circula vapor saturado (com pressão de 0,7 Kgf/cm² e temperatura de 115 °C). Temperaturas insuficientes de aquecimento podem causar:
Formação de flocos deficientes devido à reações químicas que não se
completam;
Coagulação incompleta, não permitindo a total remoção das impurezas;
Incompleta eliminação dos gases, ar e vapor do caldo
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Em caso de temperatura alta, podem ocorrer:
Destruição e perda de açúcar;
Formação de cor no caldo devido à decomposição de substâncias;
Caramelização do açúcar, causando aumento de substâncias;
Consumo excessivo e desnecessário de vapor. O aquecimento do caldo pode ser prejudicado pela presença de
incrustação nos tubos dos aquecedores. Para isso são realizadas limpezas periódicas nos mesmos. A remoção dos gases não condensáveis e a descarga dos condensadores também são necessária para uma boa transferência do calor do vapor para o caldo em um aquecedor, por isso esses equipamentos possuem válvulas no seu corpo para retirada dos mesmos. O aquecimento em si pouco reduz a contaminação microbiana devido ao baixo tempo de residência à elevada temperatura. O caldo após o aquecimento é enviado a um balão de flash, onde uma diminuição brusca de pressão provoca uma ebulição espontânea do caldo eliminando assim o ar nele dissolvido que, quando presente, dificulta a decantação das impurezas mais leves. Nesta operação denominada Flasheamento, a temperatura cai abruptamente para cerca de 100 °C e o caldo é encaminhado ao sistema de decantação. A decantação é a etapa de purificação do caldo, e consiste na remoção das impurezas floculadas ou flotadas nos tratamentos anteriores. Os principais objetivos da decantação são: precipitação e coagulação tão completa quanto possível dos colóides, rápida velocidade de assentamento, formação de lodos densos e produção de caldo o mais claro possível. A decantação é realizada de forma contínua em um equipamento denominado clarificador ou decantador, que possui vários compartimentos, com a finalidade de aumentar a superfície de decantação. O caldo entra nos decantadores, onde na câmara aquecedora, na entrada do decantador é aquecido e recebe o polímero. A adição de polímeros acelera a velocidade de decantação, compacta e reduz o volume de lodo, favorece a obtenção de um caldo de melhor qualidade e acarreta em menores perdas de sacarose na torta.
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Figura 13 - Decantadores contínuos
O caldo decantado, ou sobrenadante, é retirado da parte superior de cada compartimento e enviado ao processo. O caldo clarificado provindo dos decantadores decantadores para a produção de açúcar é enviado para o setor de evaporação para concentração do mesmo. As impurezas sedimentadas, com uma concentração de sólidos de aproximadamente 10 ºBrix constituem o lodo que normalmente é retirado do decantador pelo fundo e enviado ao setor de filtração (tanque de lodo) para recuperação r ecuperação do açúcar nele contido. 4.2 FILTRAÇÃO O setor de filtros filt ros é apresentado pela Figura 14 abaixo:
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Figura 14 – Filtração
A operação de tratamento do caldo de cana após a decantação é a filtração. Juntamente com o lodo provindo da decantação, é arrastada uma quantidade significativa de caldo, que pode ser recuperada através de uma filtração a vácuo. Antes de ocorrer a filtração, o lodo retirado do decantador recebe a adição, em um tanque de lodo, de uma porção de bagacilho remanescente do setor de moagem, que irão agir como auxiliar de filtração, proporcionando consistência e porosidade ao lodo, uma vez que este quando retirado do decantador apresenta caráter gelatinoso e não pode ser submetido diretamente à filtração. Esta operação é realizada por filtros prensa à vácuo, onde a mistura de lodo e bagacilho bagacilho é submetida a aspiração, aspiração, lavagem e secagem. A lavagem do lodo no filtro é feita com água à temperaturas elevadas, pois isso tem efeito positivo sobre a filtração, acelerando o processo. Este fato ocorre porque a viscosidade do caldo decresce à medida que a temperatura se eleva. Assim sendo, é preferível filtrar a temperaturas elevadas, acima de 80º C. A filtração objetiva recuperar o açúcar contido no lodo, l odo, fazendo com que este retorne ao tanque de caldo misto (setor de moagem), na forma de caldos filtrados. O material retido no filtro recebe o nome de torta e é enviado à
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lavoura para ser utilizado como adubo, pois é rica em sais minerais. É importantíssimo controlar a perda de açúcar na torta. 4.3 EVAPORAÇÃO Os evaporadores correspondem a 4 ou 5 corpos de evaporação de funcionamento contínuo com a finalidade principal de remoção da maior parte da água existente no caldo clarificado, que saído dos decantadores é enviado para um reservatório e através de bombeamento chega ao primeiro efeito, o pré-evaporador, cujo objetivo é auxiliar na evaporação da água contida no caldo e gerar maior quantidade possível de de vapor vegetal, resultando resultando um caldo clarificado na primeira caixa de evaporação mais concentrado. Esse tipo de evaporação, em múltiplo-efeito, é usada devido à menor necessidade de um estrito controle das condições da ebulição e maior economia de vapor. Um evaporador é do tipo múltiplo-efeito, quando o caldo em um vaso é fervido em virtude da condensação dos vapores derivados do caldo em ebulição no vaso anterior, de acordo com as figuras abaixo.
Figura 15 - Representação dos evaporadores de Múltiplos Efeitos.
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Figura 16 - Evaporadores de Múltiplos Efeitos
O princípio de funcionamento de um evaporador de múltiplo-efeito é o seguinte: o caldo que está no primeiro vaso é aquecido por meio de vapor direto da caldeira ou de escape, injetado na câmara de aquecimento ou calandra; o calor do vapor é transferido para o caldo através da parede dos tubos e então, os gases desprendidos do caldo em ebulição no primeiro vaso, são levados por meio de tubos à calandra do segundo vaso, fazendo ferver o caldo nele nele existente, sem, porém porém entrar em contato contato como o mesmo: mesmo: os gases desprendidos do caldo em ebulição no segundo vaso são
conduzidos à
calandra do terceiro vaso e, assim, assim, o processo é repetido repetido em todos os vasos vasos subseqüentes que formam o evaporador de múltiplo-efeito; no último vaso, os gases desprendidos do caldo em ebulição seguem para um condensador barométrico onde se condensam.
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Figura 17 - Transferência de calor
A temperatura do caldo clarificado tem uma relação direta com a superfície necessária neste primeiro efeito (pré-evaporador). Normalmente a temperatura do caldo clarificado que entra no pré-evaporador é de aproximadamente de 115 °C (após pré-aquecimento) que entrará em ebulição dentro do corpo. Se a temperatura de alimentação for inferior a 115 ºC parte da superfície disponível no pré-evaporador será destinada, exclusivamente a aquecer o caldo até 115 °C e posteriormente evaporar. Após o pré-evaporador, o caldo pré-concentrado passar para os evaporadores de múltiplos estágios (4 a 5) os quais tem a função concentrar o caldo inicialmente a 20º Brix até 65º Brix (xarope). Para que o vapor vegetal fornecido para cada corpo de evaporação possa aquecer o caldo da caixa seguinte é necessário trabalhar-se com pressão reduzida (vácuo) a fim de que o ponto de ebulição do líquido seja mais baixo, assim por exemplo, o último efeito reduz o ponto de ebulição do líquido até 52º C. A figura e a tabela a seguir mostram um exemplo das condições de operação de cada efeito.
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Figura 18 - Dados de um sistema de evaporação
Os vapores que saem da câmara de caldo do último vaso vão ao condensador. Esses vapores vêm acompanhados de gases incondensáveis e, como há necessidade de condensação intensa e de retirada dos mesmos, o condensador deve ser de grande potência e dotado de dispositivos que permitam sua retirada. Há vários tipos de condensadores:
Condensadores Condensadores de superfície;
Condensadores Condensadores barométricos que que se dividem em condensadores condensadores de contra-corrente, contra-corrente, de corrente paralela paralela e de injetores múltiplo ou multijato.
Os condensadores de superfície, atualmente, são pouco usados. Os barométricos são condensadores nos quais a água é aspergida em grande quantidade sobre os vapores. Nesses condensadores, ocorre a entrada de água pela superior que na sequência entre em contato com os gases e utilizam uma bomba para criar o vácuo v ácuo necessário para a condesação.
Figura 19 - Condensador barométrico
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5. FÁBRICAÇÃO DO AÇÚCAR 5.1 COZIMENTO E CENTRIFUGAÇÃO Seguinte ao processo de evaporação do caldo, esta etapa consiste nas operações desenvolvidas na fábrica de açúcar para obtenção do cristal de sacarose com valor comercial. O cozimento propriamente dito é feito em cozedores à vácuo de funcionamento idêntico ao evaporadores apresentados na secção anterior (evaporação). Como o próprio nome sugere, o cozimento é feito sobre vácuo de 22-25 pol Hg, por evaporação e a baixa temperatura (65-70°C), para que não ocorra prejuízo na qualidade do açúcar ou até degradação térmica da sacarose. Um esquema geral do setor de cozimento é apresentado na Figura 20.
Figura 20 - Esquema geral do setor de cozimento.
Operando em batelada o processo se inicia com a alimentação dos cozedores com o xarope proveniente do setor de evaporação do caldo e mel. Os cozedores 1, 2 e 3 são alimentados com uma mistura de mel pobre e mel rico e terão a finalidade de produzir o mel final para a destilaria, mais precisamente para o setor de fermentação alcoólica.
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Os cozedores 4, 5 e 6 alimentados com mel rico e xarope irão concentrar a solução até 92° Brix, ponto final do cozimento. Porém, para promover a formação dos cristais de açúcar é preciso introduzir durante o cozimento sementes do mesmo.
Figura 21 - Cozedor à vácuo
Estas sementes são produzidas laboratorialmente com uma mistura de 2 litros de álcool álcool anidro para 1 Kg de açúcar. Os cristais utilizados tem cerca de 5 a 12 µm, tamanho adquirido após 8-10 horas de moagem em moinho de bolas. O ponto de semeamento do cozedor (84° Brix) é obtido quando se forma um fio estável entre os dedos afastados de 1 a 2 cm, ou então analisando-se o comportamento do mel escorrendo em uma lâmina seca de vidro. A proporção utilizada é de 1 a 2 ml de semente para 1 L de massa cozida final. A massa cozida final (92° Brix) é então alimentada nos cristalizadores onde se junta com a “massa A” proveniente da centrifuga dos cozedores 1, 2 e
3 que separou-a do mel final para a destilaria. Os cristalizadores providos de agitadores auxiliam a cristalização e impedem a formação de um bloco, além de servirem como pulmão para as centrífugas. A centrifugação tem a finalidade de separar o mel que envolve os cristais de açúcar de uma u ma massa cozida.
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Figura 22 - Cristalizador
As centrífugas contínuas, mostrada na Figura 23, são utilizadas para “lavagem” da massa B, provinda dos cozedores 1, 2 e 3. A massa B é lavada
com água em centrífugas do tipo cônico vertical, operando com descarga contínua de sólidos. A separação centrífuga ocorre no cesto cônico, sobre as telas para filtração. Com a subida da massa sobre a tela, o mel é separado dos cristais de açúcar.
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Figura 23 - Centrífugas contínuas (Kont 14)
Já as centrífugas batelada/automática, apresentada na Figura 24, promovem a separação da massa A, provinda dos cozedores 4, 5 e 6. Na primeira lavagem, com água, saí o mel pobre e na segunda, com vapor, saí o mel rico.
Figura 24 - Centrífugas automáticas (MAC 1800)
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Os méis, pobre e rico, retirados da centrifuga descontinua são retornados aos tanques pulmão. Já o açúcar transportadores vibratórios, helicoidais e elevadores de caneca para o setor de secagem de açúcar.
Figura 25 - Transportador vibratório para açúcar
5.2 SECAGEM E ARMAZENAMENTO Esta etapa tem a finalidade de secar, resfriar e finalizar o açúcar para a venda. A secagem é realizada através de um secador rotativo.
Figura 26 - Secador rotativo de açúcar
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O açúcar é secado através da troca de calor com um ar quente. Esse ar é previamente aquecido em um radiador através da troca de calor com vapor direto. No final do secador, há injeção de ar quente para resfriamento do produto.
Figura 27 - Secador rotativo
Em uma relação açúcar:ar 1:2, o açúcar é enviado para o secador e é seco até atingir uma umidade final de no máximo 0,10-0,15% dependendo do tipo de açúcar pretendido. A seguir, a Figura 28 representa representa o setor de secagem e armazenamento
Figura 28 - Esquema geral do setor de secagem e ensaque de açúcar
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Após a secagem o açúcar está pronto. Ele é transportado a partir do secador através de esteiras até um elevador de canecas. No topo desse elevador, o açúcar pode ser destinado à um silo que destinará açúcar para os caminhões ou para um armazém.
Figura 29 - Sistema de armazenamento e silo
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6. FABRICAÇÃO DO ÁLCOOL 6.1 FERMENTAÇÃO Esta etapa é responsável por transformar o mosto com baixo teor de açúcar em vinho com alto teor alcoólico através de fermentação alcoólica realizada pela levedura do gênero Saccharomyces por meio da seguinte reação: Uma representação da fermentação é mostrada na Figura 30 abaixo:
Figura 30 - Etapas primárias do Setor de Fermentação.
6.2 PREPARO DO MOSTO Mosto é o material fermentescível previamente preparado. Ele é composto de caldo clarificado e/ou mel final (proveniente do cozimento do mel pobre) e água. Tal mistura é resfriada até 30ºC em trocadores de calor tipo placas, e enviado às dornas de fermentação. No preparo do mosto define-se as condições gerais de trabalho para a condução da fermentação como, regulagem da vazão, teor de açúcares e temperatura (fatores que dependem da capacidade de processamento da planta e da qualidade do mosto).
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Densímetros, medidores de vazão e controlador de Brix monitoram este processo. 6.3 TRATAMENTO DO FERMENTO A levedura após passar pelo processo de fermentação se "desgasta", por ficar exposta a teores alcoólicos elevados. Após a separação do fermento do vinho, o fermento a 60% é diluído a 25% com adição de água. Regula-se o pH em torno de 2,8 a 3,0 adicionando-se ácido sulfúrico que também tem efeito desfloculante e bacteriostático. O tratamento é contínuo e tem um tempo de retenção de aproximadamente uma hora. O fermento tratado volta ao primeiro estágio para começar um novo ciclo fermentativo; eventualmente é usado bactericida para controle da população contaminante.
Figura 31 - Cubas
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O mosto pronto e o fermento em condições ideais são misturados e alimentados nas dornas de fermentação orientados pelo distribuidor de mosto, com isso, dá-se inicio ao processo de fermentação propriamente dito. As atividades seguintes desse desse setor estão representadas pela Figura 32.
Figura 32 - Etapas secundarias do Setor de Fermentação.
6.4 FERMENTAÇÃO É na fermentação que ocorre a transformação dos açúcares em etanol, ou seja, do açúcar em álcool. Utiliza-se uma levedura especial para fermentação alcoólica, geralmente do gênero Saccharomyces . No
processo
de
transformação
dos
açúcares
em
etanol
há
desprendimento desprendimento de gás carbônico e calor, c alor, portanto, é necessário que as dornas sejam fechadas para recuperar o álcool arrastado pelo gás carbônico e o uso de trocadores de calor (serpentinas ou placas) para manter a temperatura nas condições ideais para as leveduras. A fermentação é regulada para 28 a 30ºC.
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Figura 33 - Trocador de calor para fermentação
O mosto fermentado é chamado de vinho. Esse vinho contém cerca de 9,5% de álcool. O tempo de fermentação é de 6 a 8 horas. A fermentação pode ser contínua ou descontínua. Na fermentação descontínua ou batelada utilizam-se várias dornas geralmente com capacidade menor que as do processo continuo, pode-se dizer que neste tipo de processo pr ocesso trabalha-se fazendo várias pequenas fermentações, pois as dornas são cheias, fermentadas e processadas uma a uma. São características desse processo:
Alto custo de instalação e automação;
Alto custo de manutenção;
Facilidade no controle microbiológico;
Limpeza das dornas com maior freqüência.
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Figura 34 - Dornas
Figura 35 - Representação do funcionamento da fermentação descontínua
6.5 CENTRIFUGAÇÃO Após a fermentação a levedura é recuperada do processo por centrifugação, em separadores que separam o fermento do vinho. O vinho irá para os aparelhos de destilação onde o álcool é separado, concentrado e
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purificado. O fermento, com uma concentração de aproximadamente 60%, é enviado às cubas de tratamento do fermento.
Figura 36 - Secção transversal e funcionamento da centrífuga de fermento.
6.6 RECUPERAÇÃO DE ETANOL Durante a formação do etanol, há liberação de CO 2. Devido aos efeitos de temperatura e sua alta volatilidade, frações do etanol acabam passando para fase gasosa e se desprendem junto ao gás carbônico do vinho fermentado. Para evitar perdas, todo o gás liberado durante a fermentação passa por uma coluna de absorção em água, esta coluna retida o etanol da corrente gasosa e absorve-o na corrente líquida de água.
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Figura 37 - Torre de absorção de CO2
A mistura etanol água é então retornada ao processo através do distribuidor de mosto. Ainda o CO 2 liberado no processo pode ser vendido para industrias que necessitem do processo de carbonatação como indústrias de refrigerantes, espumantes e cervejarias.
Figura 38 - Esquema de operação da coluna de absorção etanol/água.
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6.7 DESTILAÇÃO O vinho que vem da fermentação possui, em sua composição, 7 ºGL a 10 °GL (% em volume) de álcool, além de outros componentes de natureza líquida, sólida e gasosa. O álcool presente neste vinho é recuperado por destilação, processo este que se utiliza dos diferentes pontos de ebulição das diversas substâncias voláteis presentes, separando-as. Em geral, os compostos envolvidos na destilação alcoólica são apresentados à seguir.
Classe Química Água
Álcoois
Aldeídos Ácidos Cetona Ésteres Éter Hidrocarboneto
Composto
Peso Molecular (kg/kmol)
Temperatura de Ebulição (°C)
Água Metanol Etanol Propanol Isopropanol Butanol Issobutanol Amílico Isoamílico Acetaldeído Butiraldeido Crotonaldeido Acético Propiônico Crapílico Acetona Acetato de Etila Caprilato de Etila Acetal
18,02 32,04 46,07 60,10 60,10 74,12 74,12 88,15 88,15 44,05 72,11 70,09 60,05 74,08 144,21 58,08 88,11 172,26 118,17
100 64,7 78,4 97,2 82,4 117,5 107,7 137,9 130,9 20,8 74,9 104,6 118,1 140,9 236,9 56,2 77,1 207,1 102,9
Pressão de Vapor a 100°C (mmHg) 760 2610 1697 846 1484 389 565 185 237 7047 1539 427 182 1,7 2806 1533 -
Ciclohexano
84,16
-
1303
Nos últimos anos este tipo de álcool vem sendo produzido em escala crescente visando atender o consumo de combustíveis alternativos aos derivados de petróleo. A obtenção deste produto é normalmente feita em duas colunas de destilação, conforme a Figura 39, nos quais são indicadas as correntes do processo
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Figura 39 - Planta de álcool hidratado
A destilação é processada em três colunas superpostas: A, A1 e D. O vinho (inicialmente com 7º a 10°GL) após pré-aquecimento no condensador E, por isso o mesmo é denominado de “esquenta-vinho”, passa pelo trocador K,
atingindo sua máxima temperatura antes de entrar na secção intermediária da primeira coluna, chamada de coluna epuradora A 1, cuja função é a de esgotar do vinho os produtos leves (de ponto de ebulição menor que o etanol), principalmente ésteres e aldeídos.
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Figura 40 - Trocador de calor K
A maior parte destes produtos, juntamente com certa quantidade de álcool e água, passam para a seção secção de concentração (concentradoras de cabeças, D) e retirados no seu topo, sendo condensados em dois condensadores R e R 1, onde uma fração deste líquido (90% a 95%) retorna ao topo da coluna D e a outra é retirada como álcool de 2ª, com graduação de aproximadamente 92 °GL, ou retornado à dorna volante. Os dois condensadores dessa coluna são usualmente verticais, sendo que a tendência atual vem sendo a substituição do primeiro deles (R) por condensadores horizontais de menor área, devido a maior eficiência de troca térmica; o condensador R é de condensação parcial enquanto que R 1, de condensação total.
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Figura 41 - Condensador R
Figura 42 - Condensador R1
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O produto de fundo da coluna D, flegma no estado líquido, constituído essencialmente por água, álcool etílico, alcoóis superiores (N-propanol, Nbutanol, isobutanol e amílicos) e pequenas quantidades de aldeídos e ésteres não eliminados pela epuração, é então enviado para a coluna retificadora B/B 1 entrando na altura da última bandeija da secção de esgotamento dessa coluna.
Figura 43 - Coluna D
Por outro lado, o vinho é alimentado no topo da coluna A 1, descendo pelas bandejas e sofrendo a epuração, sendo a flegma (vapores com 40º a 50°GL) retirada no fundo desta e enviada à coluna B.
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Figura 44 - Colunas de destilação e acessórios
Essa primeira coluna A/A 1/D tem por finalidade esgotar a maior quantidade possível de álcool do seu produto de fundo, que é denominado vinhaça. A vinhaça, retirada em uma proporção aproximada de 13 litros para cada litro de álcool produzido, é constituída principalmente de água, sais sólidos em suspensão e solúveis e é utilizada na lavoura como fertilizante, sendo seu calor parcialmente recuperado pelo vinho em um trocador de calor. A sua graduação graduação alcoólica não deve ser ser superior a 0,03°GL. O aquecimento das colunas A/A 1/D é realizado pela injeção de vapor (escape ou vegetal) no fundo, ou indiretamente através do trocadorevaporador. A finalidade da coluna B é concentrar a flegma a uma graduação de aproximadamente 93,3 ºINPM (álcool hidratado carburante) e proceder a sua purificação com a retirada das impurezas que a acompanham, como álcoois
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homólogos superiores, aldeídos, ésteres, aminas, ácidos e bases. A flegma é alimentada nessa coluna (duas bandejas acima da base da coluna), onde é concentrada e purificada, sendo retirada, sob a forma de álcool hidratado, duas bandejas abaixo do topo da coluna. Os voláteis retirados no topo da segunda coluna passam por uma seqüência de condensadores onde parte do calor é recuperado pelo vinho, uma fração do condensado é reciclada e outra retirada como álcool de 2ª. Valem para os três condensadores desta coluna (E, E 1, E2) as mesmas observações feitas para o R e R 1 da primeira coluna, ou seja, os dois primeiros são condensadores parciais (E e E 1), enquanto o último tem funções de condensação condensação total.
Figura 45 - Condensadores E e E1
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Figura 46 - Condensador E2
Do fundo da coluna B é retirada uma solução aquosa chamada flegmaça, que foi esgotada e que pode ser reciclada no processo ou eliminada. 6.8 ARMAZENAMENTO O álcool produzido é quantificado através de medidores de vazão e são previamente armazenados armazenados em tanques medidores. A partir de amostras desses tanques, o álcool é analisado e se aprovado segue para tanques de armazenamento
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Figura 47 - Tanque medidores
Figura 48 - Tanques de armazenamento
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7. PRODUÇÃO DE ENERGIA Co-geração é definida como o processo de transformação de uma forma de energia em mais de uma forma de energia útil. Uma vez que as formas de energias úteis mais freqüentes são a energia mecânica (movimentar máquinas, equipamentos e turbinas de geração de energia elétrica) e a térmica (geração de vapor, frio ou calor). A co-geração apresenta alta eficiência energética, pois não há o desperdício de energia térmica (como ocorre nas termoelétricas puras), pois essa energia é utilizada em processos industriais, como secagem, evaporação, aquecimento, aquecimento, cozimento, destilação, etc.
Figura 49 - Representação da geração de energia
Co-geração é definida como o processo de transformação de uma forma de energia em mais de uma forma de energia útil. Uma vez que as formas de energias úteis mais freqüentes são a energia mecânica (movimentar máquinas, equipamentos e turbinas de geração de energia elétrica) e a térmica (geração de vapor, frio ou calor). A co-geração apresenta alta eficiência energética, pois não há o desperdício de energia térmica (como ocorre nas termoelétricas
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puras), pois essa energia é utilizada em processos industriais, como secagem, evaporação, aquecimento, aquecimento, cozimento, destilação, etc. Esses conceitos aplicam-se didaticamente à cadeia sucroalcooleira. No processamento da cana-de-açúcar, há alta demanda de energia térmica, mecânica e elétrica. Após a extração do caldo, é possível queimar o bagaço obtido em caldeiras, produzindo vapor que é utilizado para obter as três fontes de energia. 7.1 CALDEIRAS Caldeira é o nome popular dado aos equipamentos geradores de vapor, cuja aplicação tem sido ampla no meio industrial e também na geração de energia elétrica nas chamadas centrais termelétricas. A primeira tentativa do homem em produzir vapor na evolução da historia da humanidade foi no século II a.C., quando Heron de Alexandria concebeu um aparelho que vaporizava água e movimentava uma esfera em torno de seu eixo. Esse foi o aparelho precursor das caldeiras e das turbinas a vapor. As primeiras aplicações práticas ou de caráter industrial de vapor surgiram por volta do século 17. O inglês Thomas Savery patenteou em 1698 um sistema de bombeamento de água utilizando vapor como força motriz. Nos finais do século 18 e inicio do século 19 houve os primeiros desenvolvimentos da caldeira com tubos de água. Vapor de água é usado como meio de geração, transporte e utilização de energia desde os primórdios do desenvolvimento industrial. São inúmeras as razões que colaboram para a geração de energia através do vapor d’água:
A água, na forma de vapor, tem grande quantidade de energia por unidade de massa e volume. (entálpico);
Pouco corrosivo;
Substância abundante na Terra;
Não é tóxico nem corrosivo;
Vapor saturado tem a grande vantagem de manter a temperatura constante durante a condensação a pressão constante. A pressão de condensação do vapor saturado controla indiretamente a temperatura dos
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processos. processos. O controle de pressão, por ser um controle mecânico de ação direta é conseguido mais facilmente que o controle direto da temperatura. Em utilização industrial, poderíamos arbitrar uma classificação de geradores de vapor em relação a pressão de trabalho:
baixa pressão: até 10 kgf/cm²;
média pressão: de 11 a 40 kgf/cm²;
alta pressão: maior que 40 kgf/cm²; kgf/ cm²;
Existem diversos tipos de caldeiras, as quais podem ser classificadas, de um modo genérico, em e m elétricas, flamotubulares e aquatubulares.
Figura 50 - Caldeira aquatubular
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Figura 51 - Lavador de gases e exaustor
Será dado maior ênfase nas caldeiras aquatubulares, as quais são utilizadas no processo de produção de álcool e açúcar. As caldeiras aquatubulares se caracterizam pela circulação externa dos gases de combustão e os tubos conduzem massa de água e vapor. Elas são de utilização mais ampla, pois possuem vasos pressurizados internamente e de menores dimensões relativas. Isso viabiliza tecnicamente o emprego de maiores espessuras e, portanto, a operação em pressões mais elevadas.
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Outra característica importante, e de grande importância na indústria de álcool e açúcar, desse tipo de caldeira é a possibilidade de adaptação de acessórios, como o superaquecedor, que permite o fornecimento de vapor superaquecido, superaquecido, necessário ao funcionamento das turbinas.
Figura 52 - Caldeira aquatubular
As caldeiras aquatubulares têm a produção de vapor dentro de tubos que interligam dois ou mais reservatórios cilíndricos horizontais:
tubulão superior, onde se dá a separação da fase liquida e do vapor;
tubulão inferior, onde é feita a decantação e purga dos sólidos em suspensão;
7.1.1 Tubulão superior O tubulão superior, ou tambor de vapor é o elemento da caldeira onde é injetada a água de alimentação e de onde é retirado o vapor. No interior dele estão dispostos vários componentes, componentes, conforme mostra a figura a seguir.
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Figura 53 - Tubulão superior
1. Área dos tubos de descida da água do feixe tubular. 2. Área de tubos vaporizantes, que descarregam a mistura de vapor e água contra a chicana (6). Esta forma uma caixa fechada no fundo e dos lados, com abertura na parte superior, que projeta o vapor e a água contra a chicana (8). 3. Área dos tubos t ubos do superaquecedor, mandrilados no tambor. 4. Filtro de tela ou chevron. 5. Tubo de drenagem da água retirada no filtro. f iltro. 6. Tubo distribuidor da água de alimentação; observa-se a posição dos furos. 7. Tubo coletor de amostras de água e da descarga contínua. 8. Chicana Os tubos são mandrilados nos tubulões e se dividem em tubos de descida d’água e tubos de geração de vapor, que descarregam a mistura
água/vapor no tubulão. Na descarga dos tubos de geração de vapor é instalada uma chicana (chapa defletora) que é uma caixa fechada no fundo e nos lados, destinada a
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separar a água contida no tubulão e amenizar as variações do nível de água, ocorridas no tubulão de vapor. v apor. Existe ainda no tubulão superior um conjunto constituído de chapas corrugadas, denominado chevron ou filtro, cuja finalidade é reter a maior quantidade possível de partículas sólidas ou líquidas arrastadas pelo vapor, antes de o vapor sair para o superaquecedor. superaquecedor. O tubo de alimentação de água é por onde a água entra no tubulão. A posição deste tubo deve ser posicionada de modo a que o jato d’água não se dirija contra a chapa do tubulão. É essencial que o tubo de alimentação esteja sempre bem fixado para não causar vibração e nem se soltar dentro do tubulão. O tubo de descarga contínua ou coletor é o responsável pela captação constante de água de drenagem que elimina sólidos em suspensão prejudiciais à caldeira, normalmente 1% do volume da água de alimentação. 7.1.2 Tubulão inferior O tubulão inferior, ou tambor de lama, também é construído em chapas de aço carbono. Nele, estão mandrilados tanto os tubos de água que descem do tubulão superior quanto os tubos de vaporização que sobem para o tubulão superior. No tubulão inferior estão instaladas tomadas para purga ou descarga de fundo, utilizadas para remover parte da lama e resíduos sólidos originários do processo e que podem causar corrosão, obstrução e superaquecimento. A qualidade do tratamento de água de alimentação da caldeira e os tratamentos e análises do processo determinam a periodicidade das descargas a serem efetuadas. 7.1.3 Circulação da água A água pode circular por convecção natural pelos tubos, devido a diferença de densidade entre o líquido e vapor formado pelo aquecimento conforme esquematizado na Figura 54.
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Figura 54 - Esquema da circulação natural
7.1.4 Câmara de combustão A câmara de combustão, também t ambém chamada de fornalha, é o local onde se processa a queima de combustível. De acordo com o tipo de combustível a ser queimado, a câmara pode ser dividida em: Câmara para queima de combustível sólido: são as que possuem suportes e grelhas; podem ser planas, inclinadas ou dispostas em formas de degraus que ainda podem ser fixos ou móveis. Estas fornalhas destinam-se principalmente à queima de: lenha, carvão, sobras de produtos, casca de cacau, bagaço de cana, casca de castanha, etc.
Figura 55 - Câmara de combustão
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A alimentação do combustível pode ser feita de maneira manual ou automatizada. Apresenta como desvantagens o decaimento de temperatura que pode ocorrer próximo à entrada de combustível, a grande geração de resíduos e ter seu uso limitado em caldeiras de pequena capacidade. Normalmente, elas trabalham com grande excesso de ar, para melhorar as condições de fumaça da chaminé. Câmara com grelhas basculantes: é um tipo de fornalha muito usada para a queima de bagaço como combustível sólido e é dividida em vários setores. Cada setor possui elementos de grelha denominado barrotes. Estes barrotes se inclinam sob a ação de um acionamento externo, que pode ser de ar comprimido ou de vapor. Com a inclinação dos barrotes, a cinza escoa-se para baixo da grelha, limpando-a. A redução de ar da combustão e a melhor distribuição do bagaço sobre a grelha aumentam consideravelmente o rendimento da caldeira.
Figura 56 - Câmara de combustão da caldeira
Na figura 56, pode-se observar a câmara de combustão em funcionamento, onde ocorre à queima do bagaço da cana de açúcar, fonte de combustível nas caldeiras.
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7.1.5 Paredes de água As paredes de água da câmara de combustão podem ser totalmente integrais, ou seja, cada tubo tangente ao próximo formando uma parede impermeável aos gases, ou ainda pode ser construído com tubos interligados por aletas de chapa soldadas. Há ainda paredes de água com tubos espaçados e parede refratária. O calor que não atinge diretamente os tubos é reirradiado pelo revestimento refratário (Figura 57).
Figura 57 - Tipos de paredes de água
7.1.6 Superaquecedor Superaquecedor Vapor saturado é extraído do tubulão superior e entra em um trocador de calor instalado dentro da própria caldeira. Os superaquecedores podem ser de natureza apenas convectiva, ou seja, recebe calor somente por convecção térmica, ou de irradiação, e neste caso, estão localizados dentro da própria câmara de combustão, ou na saída desta, de maneira que receba calor por radiação da chama ou da grelha. A temperatura de superaquecimento varia com a carga da caldeira, já que a troca de calor não é acompanhada de mudança de fase como na vaporização. A troca de calor dentro do superaquecedor é função da velocidade do vapor dentro dos tubos e da
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velocidade dos gases na zona de convecção. Quando instalados dentro das caldeiras, podem estar localizados, dependendo da concepção de projeto da caldeira. Equipamentos
de
convecção
aumentam
a
temperatura
de
superaquecimento superaquecimento com o aumento da carga da caldeira, pois os coeficientes de troca de calor tendem a aumentar com as maiores velocidades dos gases e também do vapor dentro dos tubos. Superaquecedores de irradiação tem a temperatura de saída diminuída com o aumento da produção de vapor. A irradiação de calor varia pouco com a carga de produção de vapor. Em baixa carga a velocidade do vapor é mais baixa e conseqüentemente os coeficientes de troca de calor também. O controle fino da temperatura de superaquecimento pode ser feito de diversas maneiras: - desvio de gases passando pelo superaquecedor : através de uma válvula de desvio regulável automaticamente. - utilização de dessuperaquecedor (ou atemperador): na saída do superquecedor, o qual através da injeção direta de água líquida controla a temperatura de saída do vapor superaquecido. Neste caso o superquecedor tem que ser projetado para temperatura de saída maior que o necessário, a fim de permitir margem de controle. A temperatura de saída do atemperador é então controlada pela vazão de água injetada. Um esquema do atemperador é mostrado na figura 68 abaixo.
Figura 58 - Dessuperaquecedor ou atemperador
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7.1.7 Economizador Economizador Os economizadores se destinam a aquecer a água de alimentação antes de ser introduzida no interior da caldeira. O pré-aquecimento é feito através da troca de calor com os gases de combustão saindo da caldeira. O aproveitamento do calor sensível dos gases de combustão traz um aumento de eficiência térmica do equipamento. Economizadores são trocadores de calor gás-líquido. Devido ao baixo coeficiente de troca de calor por convecção no lado dos gases, geralmente os economizadores são compostos por tubos aletados. Em relação á suas instalações devem estar localizados após a última superfície de convecção do gerador de vapor. Podem ser fabricados integralmente à caldeira, ou podem ser adicionados na parte exterior da mesma, logo após a saída dos gases. Economizadores são praticamente usados em médias e grandes instalações. O custo adicional comparado com o ganho de rendimento térmico não viabiliza a utilização em pequenas caldeiras, e que geralmente se utilizam de alimentação intermitente de água, impossibilitando, i mpossibilitando, portanto, a operação em uso contínuo e simultâneo dos fluxos de água e produtos de combustão. 7.1.8 Pré-aquecedores Pré-aquecedores Os pré-aquecedores de ar elevam a temperatura do ar de combustão antes de sua entrada na fornalha ou câmara de combustão, através da troca de calor com os produtos de combustão saindo da caldeira. Além da vantagem de aumento de rendimento térmico por diminuição das perdas nos gases de exaustão, o ar pré-aquecido melhora o funcionamento e rendimento dos da câmara de combustão. Ar pré-aquecido aumenta a estabilidade de chama, a temperatura interna da câmara de combustão, aumentando, portanto, a troca de calor por radiação, permitindo a utilização de menor excesso de ar. O fato de se utilizar também o calor sensível dos gases de combustão não impede seu uso conjunto com o economizador, o qual quando usado, deve vir antes do pré-aquecedor, já que existem limitações quanto à temperatura máxima do ar de combustão conforme o tipo de fornalha f ornalha e combustível utilizado
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7.2 DESAERADOR O desaerador tem a função de retirar os gases não condensáveis da água de alimentação de modo a não danificar as caldeiras. É utilizado vapor de extração de 5 bar para retirar o ar da água por arraste de vapor, ou seja, o vapor, em contra-corrente com a água, carrega os não condensáveis, que são liberados para a atmosfera.
Figura 59 – Desaerador
Além de retirar não condensáveis, o desaerador promove aquecimento aquecimento da água e funciona, também, como um reservatório que possibilita a sucção das bombas de alimentação da caldeira.
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Figura 60 - Esquema de funcionamento de um desaerador
7.3 TURBINAS A VAPOR As turbinas de vapor são máquinas rotativas que aproveitam a variação de entalpia de um fluido, regra geral a água, para produzir trabalho através da rotação de um órgão móvel: o rotor. São máquinas de ponta, pont a, sujeitas a grandes esforços, que operam a grandes velocidades, pressões e temperaturas que conseguem aproveitar a quase totalidade da energia contida no vapor antes deste começar a condensar. Num modo muito simplista, podese dizer que as turbinas t urbinas são hélices que ffuncionam uncionam inversamente, aproveitando o fluxo de um fluido para realizar trabalho. Além das turbinas de vapor, existem também turbinas de gás, de vento e hidráulicas.
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Figura 61 - Turbina a vapor
7.3.1 Constituintes das turbinas turbinas a vapor A turbina a vapor utiliza o vapor a alta pressão produzido por uma caldeira para colocar em movimento as pás do rotor. Como qualquer máquina, a turbina a vapor possui reguladores, mecânicos ou eletrônicos, que regulam a quantidade de vapor que entra conforme a velocidade de rotação do rotor. As turbinas na n a generalidade são constituídas por dois ou mais andares de diferentes pressões, sendo cada um desses andares constituído por conjuntos de rodas de turbina e coroas ou distribuidores, conforme são turbinas de reação, turbinas de ação ou impulso. A existência destes vários andares deve-se ao aproveitamento da energia contida no vapor, que à medida que se expande vai decrescendo, assim como a sua pressão. Assim, o vapor ao sair de um andar regressa à caldeira onde é re-aquecido antes de voltar a entrar na turbina num andar de menor pressão.
Rotor O rotor é o órgão móvel da turbina. É constituído pelo veio [ou eixo] e
pelas rodas de turbina e se apóia no estator através de chumaceiras. chumaceiras.
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Figura 62 – Rotor
Estator É o invólucro que envolve o rotor da turbina e lhe serve de apoio. Pode
também ser chamada de carcaça ou caixa. Qualquer dilatação da turbina é referenciada em relação ao indicador que não sofre os efeitos da temperatura. Este indicador é importante na medida que valores anormais são indicativos de problemas funcionais da turbina, que se não fossem perceptíveis poderiam levar à sua inutilização. A vedação do eixo é feita a través de uma série de estrias que se comportam como um longo e torduoso labirinto para quaisquer fugas de vapor. O seu objetivo não é anular as fugas de vapor mas sim diminuí-las. Nas turbinas de alta pressão, o vapor que consegue passar através da vedação é recolhido e canalizado para uma parte da instalação de menor pressão. Nas turbinas de baixa pressão é perdido.
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Figura 63 - Estator
