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Seminário Nacional Cristalização “Alois Schaeffer”ESALQ / USP Piracicaba – SP – Brasil
16 de Novembro 2011
Evaporação e Circulação no Processo de Cristalização
Pedro Avram & Helgo Ackermann
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Conteúdo
1. Sobre nós (IPRO e IPROSUCAR)
2. Conceitos básicos : velocidade de cristalização
3. Evaporação e circulação no processo de cristalizaçã o3.1 Forças impulsoras: diferença de temperatura, evaporação,
circulação da massa
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circulação da massa3.2 Resistências ao fluxo de calor3.3 Efeito da temperatura na cristalização e na circulação3.4 Circulação natural / circulação mecânica3.5 Desenho, características de um tacho de cozimento
batelada 3.6 Desenho, características de um tacho contínuo
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Conteúdo
4. Cristalização por resfriamento
4.1 Finalidade: esgotamento adicional
4.2 Projeto de Cristalizadores
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4.2 Projeto de Cristalizadores4.3 Tempo de permanência4.4 Temperatura final da massa4.5 Reaquecimento
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IPRO é uma companhia de engenharia neutra e independen te paraprojetos de açúcar, álcool, energia, alimentos e biote cnologia.
Localizada em:
Braunschweig, Alemanha (1963) Varsóvia, Polonia (1999)
1. Sobre nós
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Piracicaba, Brazil (2005) Chandigarh, India (2007)
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1963 Fundação da IPRO Industrieprojekt GmbH emBraunschweig, Rep. Fed. de Alemanha
2005 É a junção com a IPRO, que se instalou no Brasil com
ativa ajuda do Eng. Alois Schaeffer em associação com a
1. Sobre nós
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ativa ajuda do Eng. Alois Schaeffer em associação com a
PROSUCAR de Piracicaba, dando origem à IPROSUCAR.
Estamos contribuindo para a melhoria da qualidade do
açúcar e redução do consumo do vapor de processo,
assim como projetos detalhados de usinas modernas de
açúcar e álcool.
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Diretores responsáveis da IPROSUCAR:
Eng. Helgo Ackermann Antonio Roberto Bertolini
Engenharia Química USP - 1964 Projetos Açúcar e Álcool - 1983
CTC-Copersucar - 17 anos Sucral - 7 anos
Prosucar - 6 anos CTC-Copersucar - 19 anos
IPROSUCAR- 6 anos Prosucar - 1 ano
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IPROSUCAR- 6 anos Prosucar - 1 ano
IPROSUCAR - 6 anos
Dipl.-Ing. Pedro Avram
Engenharia Mecânica Universidade da Costa Rica - 1971
Pós-graduação Tecnologia Açucareira – TU Berlin - 1975
Usinas cana de açúcar América Central - 4 anos
Fletcher & Stewart, Inglaterra - 3 anos
IPRO, Alemanha - 30 anos
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• IPROSUCAR pode oferecer a seus Clientes em toda América� Consultoria� Ante-projetos� Projetos� Planejamento� Acompanhamento de obra
• IPROSUCAR constituida atualmente de 12 colaboradores, entre engenheiros, projetistas e desenhistas e nossa matriz
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entre engenheiros, projetistas e desenhistas e nossa matrizIPRO na Alemanha e outros paises ~ 70 colaboradores
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1. Sobre nós
Referências no Brasil
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COSAN
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1. Sobre nós
Referências na Alemanha
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1. Sobre nósReferências Internacionais
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Cristais
Sólidos – cristalinos: arranjo regular das moléculas
– amorfos: arranjo desordenado das moléculas
Cristais – tem locação rígida das moléculas – específica para
2. Conceitos básicos
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Cristais – tem locação rígida das moléculas – específica para
cada substância
Sacarose – pode apresentar formas diferentes de cristais
dependendo de: velocidade de cristalização,
presença de impurezas, agitação e muitos outros fatores
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Diferentes formaçõesde cristais de sacarose
Morfologia da sacarose
2. Conceitos básicos
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de cristais de sacarose
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Cristais compostos
Muitos cristais produzidos industrialmente podem exibir
várias formas de agregação – conglomerados.
2. Conceitos básicos
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Na indústria açucareira os conglomerados podem acarretar
dificuldades de fluidez, e no processo de fabricação
problemas como centrifugação e secagem, além de reter
impurezas – portanto são extremamente indesejáveis.
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Morfologia da sacarose
a Cristal unitáriob Duplo ou germinadoc Quádruplod Conglomerado
2. Conceitos básicos
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d Conglomeradoe Conglomerado com
inclusão de cristaisamorfos
d e
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2. Conceitos básicos
Velocidade de cristalização em função da pureza e supersaturação
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2. Conceitos básicos
Velocidade de cristalização em função da pureza e supersaturação
--- limite prático de supersaturação (formação do grão falso a
valores maiores)
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2. Conceitos básicos
Velocidade de cristalização à supersaturação constan te em função da pureza e temperatura
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3. Evaporação e Circulação
3.1 Forças impulsoras: diferença de temperatura, evaporação, circulação da massa
3.2 Resistências ao fluxo de calor3.3 Efeito da temperatura na cristalização e na circulação3.4 Circulação natural / circulação mecânica
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3. Evaporação e Circulação
Balanço entálpico de um tacho
1 = Calandra2 = CorpoHFS = Entalpia xarope entrandoPStir = Potencia agitadorHV = Entalpia vapor vegetal
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HV = Entalpia vapor vegetalmMa = Vazão de massa cozidaΦ = Fluxo de calorΦL = Perdas de calor HCo = Entalpia condensadoHSt = Entalpia vapor aquecimento
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3. Evaporação e Circulação
Definição do Coeficiente k*
k* = mwev · r ⁄ A · (tco – tv)
k* = coeficiente aparente de transferencia de calor (W/m2K)
mw = massa de água evaporada = massa de condensado (kg/s)
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mwev = massa de água evaporada = massa de condensado (kg/s)
r = calor de evaporação da água na pressão do corpo (Ws/kg)
A = superficie de troca térmica (m²)
tco = temperatura do condensado (°C)
tv = temperatura do vapor vegetal (°C)
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3. Evaporação e Circulação
Comportamento da Temperatura da massa e supersatura ção no início da fase de crescimento dos cristais em um ta cho de batelada
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3. Evaporação e Circulação
Formação de bolhas vs. Delta T aparente a 25 0 K e 180 K
Constant vapor space pressure: pV = 0.15 bar
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3. Evaporação e Circulação
Formação de bolhas vs. Pressão do Vapor Vegetal de 0,20 e de 0,10 bar(abs)
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3. Evaporação e Circulação
Coeficiente k* vs. pressão hidrostática (h = altura da massa acima do espelho da calandra)
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3. Evaporação e Circulação
Evaporação vs. Pressão na Calandra em Tachos para Açúcar Refinado
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3. Evaporação e Circulação
Taxa de evaporação em tachos batelada(Valores típicos na África do Sul)
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3. Evaporação e Circulação
Aumento do coeficiente “k”com agitador
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3. Evaporação e Circulação
Efeito do agitador com massa e Brix elevado
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3. Evaporação e Circulação
Características do Agitador tipo Kaplan
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1 = Alimentação Xarope2 = Fluxo turbulento3 = Paletas radiais fixas4 = Espaço em agitação5 = Agitador
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3. Evaporação e Circulação
Demanda de potência - agitador tacho batelada
Pinst ~ 1.0 a 1.7 kW/m³ dependendo da classe da massa
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3. Evaporação e Circulação
Coeficiente “k” vs. Rotação do Agitador e °Brix
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3. Evaporação e Circulação
3.5 Projeto, características de um tacho de cozimento por batelada moderno:
� Volume de granagem baixo (aprox. 30 a 35% do volume útil)� Tubos de 100 mm dia x 900-1100 mm comprimento� Altura final da massa cozida de 1.6 a 2 m acima calandra� Altura livre aprox. 2 a 2.4 m acima da massa cocida até o
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� Altura livre aprox. 2 a 2.4 m acima da massa cocida até o separador de arraste
� Diâmetro do tubo circulação central > 0.4 vezes dia calandra� Ausência de “pontos mortos” ou de baixa circulação� Alimentação do xarope abaixo da calandra, na periferia � Ajustar taxa de evaporação para manter sobresaturacao ótima� Boa posição dos sensores para obter medições confiáveis
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3. Evaporação e Circulação
Tipos de Calandras em Tachos batelada
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3. Evaporação e Circulação
Tacho cozimento batelada(capacidade 300-500 hl)
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3. Evaporação e Circulação
Tacho cozimento batelada(capacidade > 500 hl)
• Configuração compacta• Agitador com acionamento
acima do corpo
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3. Evaporação e Circulação
Tacho cozimento batelada(capacidade > 500 hl)
• Separador de arraste em posição elevada
• Agitador con acionamento abaixo da calandria
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3. Evaporação e Circulação
3.6 Projeto, características dos tachos contínuos
� Cozimento contínuo é simulado por uma série de tanques com agitação: quanto maior o número de tanques mais uniforme é o fluxo da massa e mais uniforme o tamanho dos cristais
� Tachos contínuos horizontais: são tanques com 8 a 16 compartimentos que possibilitam um fluxo uniforme da massa
� Tachos contínuos em cascata: entre 4 y 5 tachos batelada
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� Tachos contínuos em cascata: entre 4 y 5 tachos batelada conectados em cascata vertical ou horizontal, possibilitam trabalhar com vapores de aquecimento a baixas temperaturas
� Baixo nivel da massa cozida acima da calandra (300 a 500 mm) possibilita boa circulação con delta T abaixo de 200 K
� Todos os tipos de tachos contínuos necessitam de elevados volumes de “seed magma” (30 a 35% na massa A e até 50% na massa C)
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3. Evaporação e Circulação
Taxas de evaporação em tachos contínuos
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3. Evaporação e Circulação
Coeficiente k* em tachos contínuos horizontais(Valores típicos na África do Sul)
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Nota: Unidade do Coeficiente k* em W/m²K
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3. Evaporação e Circulação
Características de tachos contínuos horizontais
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3. Evaporação e Circulação
Conexões típicas de um Tacho contínuo horizontal
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3. Evaporação e Circulação
Tacho contínuo „FCB“
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3. Evaporação e Circulação
Circulação de vapor em tacho contínuo “FCB”
A-B-C-D-E = Caminho do vapor de aquecimento 1 = Saída de gases
incondensáveis2 = Saída de condensados
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3. Evaporação e Circulação
Tacho continuo „Tongaat-Hulett“ com condensador integ rado
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3. Evaporação e Circulação
Superfície de troca térmica vs. Temperatura do vapo r em tachos contínuos „Tongaat Hulett“
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3. Evaporação e Circulação
Tacho contínuo horizontaltipo „Bosch“
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3. Evaporação e Circulação
Tacho contínuo tipo „Langreney“
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3. Evaporação e Circulação
BMA: VKT (1980)
Tachos contínuos verticais
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SED: SCP (2007)
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3. Evaporação e Circulação
Dupla utilização de vapores vegetais com tachos cont ínuos verticais
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3. Evaporação e Circulação
Sistema tacho contínuo em cascata
Boiling Run-off Recirculation of Cleaning Solution
Vapours toCondensation
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SeedingMagmaSteam
Massecuite to Crystallizersor Centrifugation
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3. Evaporação e Circulação
Alimentação contínua Alimentação por bateladaProdução e descarga contínuas Produção em bateladasLimpeza em intervalos longos Limpeza ao final de cada cicloTempo de retenção variável Tempo de retenção definidoMelhor aproveitamento do Aprovechamento do volumevolume instalado é 1.8 vezes menor
Tachos contínuos vs. Tachos batelada
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Valores Delta T entre 100 e 250K Valores Delta T entre 250 y 400KDemanda de vapor uniforme Picos de demanda de vaporTachos contínuos não são flexíveis Tachos batelada são flexíveisquanto ao tipo de produto quanto ao tipo e produto
Menos supervisão Mais supervisãoMaiores capacidades (2000 hl) Capacidade máxima 1000 hlpor unidade por unidade
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4. Cristalização por resfriamento
4.1 Finalidade: esgotamento adicional
4.2 Projetos de Cristalizadores4.3 Tempo de residência4.4 Temperatura final da massa4.5 Reaquecimento
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4.5 Reaquecimento
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4. Cristalização por resfriamento
Coeficiente “k” nos Cristalizadores Horizontais e Verticais
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4. Cristalização por resfriamento
Coeficiente „k“ em Cristalizadores por resfriamient o(horizontais e verticais)
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4. Cristalização por resfriamento
Distribuição do Tempo de residência
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Cristalizador vertical, comparado com um modelo de 36 tanques em série
Cristalizador horizontal
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4. Cristalização por resfriamento
Faixas de viscosidades de méis e massas
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4. Cristalização por resfriamento
Cristalizador de recebimento de massa(leve resfriamento em contato com o ar)
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4. Cristalização por resfriamento
Cristalizador horizontal „Werkspoor“(resfriamento por água em contracorrente)
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4. Cristalização por resfriamento
Cristalizador horizontal „Blanchard “(resfriamento por água em contracorrente)
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4. Cristalização por resfriamento
Cristalizadorvertical tipo „BMA“(resfriamento por pacotes de tubos em movimento por oscilação na vertical)
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4. Cristalização por resfriamento
Cristalizador vertical „Fletcher-Smith“
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Distribuição de velocidade (A) da massa no sentido descendente e da temperatura (B) na vizinhança dos tubos de resfriamento fixos em um cristalizador vertical
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4. Cristalização por resfriamento
cooling circuit
heat removalmassecuite distributing tube
cooling crystallizer (OVC)
C-centrifugals
M
Resfriamento e reaquecimento com um cristalizador v ertical BMA
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molassesC massecuite
hydraulic system C-sugar
heated molasses
molasses massecuite mixer (MMM)strike receiver
massecuite pump massecuite pump
MM
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Referências Bibliográficas
1. „SUGAR TECHNOLOGY“ (1998) de Schiweck, Van der Poel & Schwartz (Editors), Verlag Alb. Bartens, Berlin
2. „CANE SUGAR ENGINEERING“ (2007) de Peter Rein e.al., Verlag Alb. Bartens, Berlin
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3. Apresentações variadas do Dr. Boris Morgenroth, Helgo Ackermann e Pedro Avram, IPRO
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Agradecemos suapresença e sua paciência !
Seu dedicado consultor em usinasde açúcar e álcool
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presença e sua paciência !
Pedro Avram & Helgo Ackermann
E-mail: [email protected]