Taxa de Evaporação

Era uma vez um gerente industrial de uma usina de açúcar que deveria especificar um pré evaporador para ser instalado na safra seguinte. Iria haver um aumento de moagem de cerca de 40% e a capacidade instalada não seria suficiente.

O evaporador existente proporcionava taxas de evaporação normais, na faixa de 25 kg/h.m². A pressão do vapor vegetal é que não era lá essas coisas, e só atingia realmente valores adequados quando um dos tachos de grande capacidade estava fora de operação.

O nosso gerente ouviu dos fabricantes as taxas de evaporação previstas para o novo equipamento, que iam desde 30 a 45 kg/h.m², chegando até a 60 kg/h.m² em alguns casos.

Ele instalou um evaporador de mesma capacidade com taxa prevista de 30 kg/h.m² e o colocou em operação. O equipamento foi testado isoladamente e atingiu a performance prevista pelo fabricante, porém a sua taxa de evaporação, assim como a do evaporador antigo, caia muito quando o mesmo operava em paralelo com este último, embora a pressão do vapor vegetal ficasse muito estável nesta condição.

Houve muitos questionamentos junto ao fabricante pela baixa taxa de evaporação média obtida. Mas teria o nosso gerente razão em reclamar?

A taxa de evaporação que usamos normalmente é uma ferramenta grosseira de avaliação da performance dos evaporadores. Isto porque esta taxa depende muito da diferença de temperatura entre o vapor de aquecimento e o vapor gerado, bem como da temperatura com que o caldo é introduzido no equipamento.

Um pré evaporador que recebe caldo com temperatura muito abaixo da sua temperatura de ebulição, usa uma parte significativa da sua superfície de troca térmica para aquecer este caldo. E normalmente este aquecimento é feito com eficiência muito baixa, principalmente em evaporadores de filme descendente.

Um evaporador gerando vapor vegetal de baixa pressão, desde que a pressão do vapor de escape esteja correta, tende a ter taxas de evaporação melhores porque existe uma maior diferença de temperaturas entre o vapor fora dos tubos e o caldo dentro dos tubos. E se o evaporador estiver em boas condições operacionais, o motivo da baixa pressão do vapor vegetal provavelmente será um consumo excessivo do mesmo no processo.

Por outro lado, se um evaporador apresenta baixa taxa de evaporação, mas ao mesmo tempo garante boa pressão de vapor vegetal e boa curva de brix do caldo, a conclusão simples é de que o mesmo está superdimensionado para a necessidade de produção de vapor vegetal. Se a pressão de vapor vegetal está adequada e todos os consumidores estão sendo atendidos, a única maneira de se aumentar a taxa de evaporação seria jogar parte do vapor gerado para a atmosfera, o que é um contra-senso.

Nós precisamos nos habituar a avaliar a performance de nossos evaporadores procurando medir com mais precisão o coeficiente de troca térmica do equipamento. Este coeficiente tem que levar em conta a diferença de temperatura e a quantidade de calor trocada. Um evaporador que esteja condensando por exemplo 30 kg/h.m² de vapor de escape com uma diferença de temperatura típica de 10 C, está com um coeficiente de troca térmica na faixa de 1.800 W/C.m², o qual é um valor muito bom para este tipo de equipamento.

Para se avaliar este coeficiente é preciso registrar com precisão a temperatura na calandra e no espaço do vapor vegetal. No caso do evaporadores tipo Roberts, existe uma complicação adicional nesta medição, pois além do aumento da temperatura de ebulição devido ao valor do brix, a pressão hidrostática da coluna de caldo dentro dos tubos faz aumentar mais a temperatura de ebulição na parte inferior dos tubos. Uma avaliação mais "industrial" poderia levar em conta apenas a temperatura do vapor vegetal que está sendo gerado, muito mais fácil de medir.

A medição da quantidade de calor trocado normalmente procuramos fazer avaliando a vazão de caldo e medindo o seu brix na entrada e na saída do equipamento. Trata-se de um procedimento teoricamente correto, mas de difícil obtenção de boa precisão nas medições. É preciso conhecer a temperatura do caldo na entrada, além do que as amostragens para se ter valores representativos de brix são difíceis.

A maneira mais precisa de se avaliar o calor trocado é pela medição do condensado da calandra. Medindo-se a vazão de condensado, é possível determinar o calor trocado independentemente das vazões e das temperaturas do caldo. Os medidores de vazão tipo magnético para o condensado são menores do que aqueles para caldo, e portanto mais baratos, necessitando apenas de cuidados na sua instalação para evitar a presença de bolhas de vapor, que podem mascarar as medições.

A medição constante dos condensados em algumas correntes principais da usina daria informações valiosas para o gerenciamento energético da planta.

Uma análise da evaporação que ocorre em um tacho de massa A aquecido com vapor V1 pode dar uma idéia de como o valor da taxa de evaporação pode ser enganoso. Quando transferimos o pé de cozimento e iniciamos a alimentação do tacho, podemos ter taxas de evaporação da ordem de 40 kg/h.m². Este valor alto poderia nos induzir a pensar que este aparelho tem melhores condições de troca térmica do que o evaporador. Na realidade temos um vapor V1 com temperatura ao redor de 115 C e dentro dos tubos o espaço vapor sob vácuo com temperatura ao redor de 65 C. Mesmo com a elevação média do ponto de ebulição na massa cozida, neste caso próximo de 20 C, ainda temos uma diferença de temperatura de 30 C entre o vapor de aquecimento e a massa cozida. Na evaporação a diferença normal de temperatura é de 10 C, podendo diminuir se usamos cinco efeitos para economizar vapor. Portanto, a "alta" taxa de evaporação do tacho na verdade máscara um coeficiente de troca térmica cerca de três vezes mais baixo do que o valor mencionado anteriormente de 1.800 W/C.m². E este valor tende a diminuir progressivamente à medida que o cozimento prossegue e o nível da massa cozida aumenta, pois teremos maior aumento de ponto de ebulição devido ao aumento da pressão hidrostática e do brix.

Mandar portanto xarope com baixo brix para o setor de cozimento é mau negócio sob todos os aspectos. Vamos gastar mais vapor no processo e vamos evaporar a água sob condições de troca térmica mais desfavoráveis.

Uma das maneiras importantes para se reduzir o consumo de vapor de processo é procurar elevar o brix do xarope no setor de evaporação, de preferencia com cinco efeitos. Valores na faixa de 70 a 72% de brix são necessários em plantas que pretendem ter sobra de bagaço para cogeração de energia elétrica com turbinas de condensação.

Nossas usinas tem modernizado muito o setor de geração de vapor, introduzindo caldeiras muito eficientes e com níveis de pressão e de temperatura cada vez maiores. Está chegando o tempo em que atenção especial deverá ser dada ao sistema de evaporação e às sangrias de vapor. O bom aproveitamento da evaporação vai definir o grau de eficiência energética de uma planta.

Para conhecer a eficiência da planta de evaporação será preciso medir e avaliar os parâmetros corretamente. Temos que deixar de pensar exclusivamente na velha taxa de evaporação, que muitas vezes nos dá uma falsa idéia do que está realmente ocorrendo.