Cristalização por Resfriamento

A cristalização da sacarose por meio de resfriamento é uma operação pouco utilizada nas plantas do Brasil em função da grande produção de etanol combustível. Como o mel final é matéria prima para a fermentação geralmente não compensa investir em equipamentos para cristalização por resfriamento para se atingir o máximo esgotamento deste mel.

Entretanto, quando ocorrem situações de mercado nas quais o preço do açúcar fica mais vantajoso do que o preço do etanol, é recomendável verificar se é interessante investir em cristalização por resfriamento.

O esgotamento do mel final pode ser avaliado em função da queda de pureza entre a massa cozida e o mel resultante da centrifugação, sendo que a grande maioria das plantas no Brasil opera o setor de cozimento com duas massas cozidas. Já a queda de pureza é conseqüência da eficiência de cristalização durante o processo de cozimento. Para maiores detalhes sobre a eficiência de cristalização e a queda de pureza sugerimos a leitura do texto da edição de Janeiro/Fevereiro de 2003 da Revista STAB (este texto pode ser encontrado no nosso site na internet).

Tipicamente a massa cozida B tem uma pureza de 75% e se a operação de cozimento for bem conduzida podemos esperar uma queda de pureza de 20 pontos. O mel final teria, portanto, uma pureza da ordem de 55%. Estamos tomando a massa B como exemplo, mas naturalmente todas as considerações abaixo também valem para os casos em que há massa C.

A questão relevante aqui é a seguinte: compensa investir para aumentar esta queda de pureza?

É possível aumentar esta queda de pureza reduzindo lentamente a temperatura da massa cozida de 65-60 C para 45-40 C. Nesta operação o fator tempo é muito relevante por se tratar de um meio com alta viscosidade que dificulta a migração da sacarose dissolvida no licor mãe para a superfície dos cristais já existentes na massa cozida. A cristalização por resfriamento ocorre porque a redução da temperatura faz com que o licor mãe atinja uma condição de supersaturação para a sua pureza específica.

Até há cerca de 30 ou 40 anos atrás esta operação de resfriamento da massa cozida era conduzida em equipamentos horizontais montados sobre estruturas metálicas. Com o desenvolvimento de bombas especiais para trabalhar com massas cozidas de alta viscosidade, com a necessidade de redução de espaço horizontal nas plantas e com a necessidade de redução dos custos de estruturas metálicas e suas fundações, passaram a ser usados os cristalizadores verticais (CV).

Além de ocupar menor espaço horizontal e de dispensar estruturas metálicas custosas, o CV pode ser instalado ao tempo, não apresenta o risco de vazamento de massa cozida nas vedações e permite projetos com melhores relações entre a superfície de resfriamento e o volume útil de massa cozida (S/V).

Os primeiros modelos de CV tinham capacidade na faixa de 50 a 200 m³, mas atualmente esta faixa de capacidade já atingiu valores entre 300 e 500 m³.

Os aspectos mais importantes na avaliação do projeto de um CV são basicamente os seguintes:

• Relação diâmetro/altura;
• Relação S/V;
• Eficácia do sistema de agitação;
• Seleção do sistema de acionamento;
• Distribuição da superfície de resfriamento no percurso da massa cozida.

Um CV com diâmetro relativamente pequeno favoreceria um fluxo tipo “plug-flow” da massa cozida, minimizando caminhos preferenciais e pontos mortos da massa cozida, mas poderia ter uma altura proibitiva para o bombeamento da massa. Já um CV com grande diâmetro implicaria em um alto torque para agitar a massa cozida viscosa, encarecendo o projeto mecânico do agitador e do seu acionamento. Desta maneira uma solução de compromisso deve ser adotada, sendo que na prática os diâmetros variam de 4 a 6 m e as alturas variam de 12 a 25 m.

A relação S/V deve levar em conta a velocidade de redução da temperatura da massa cozida entre 0,5 a 1,0 C/h e o coeficiente de troca térmica entre a massa cozida e os tubos com a água de resfriamento. Naturalmente este coeficiente de troca térmica depende do grau de agitação da massa cozida no interior do equipamento, mas os valores médios estão entre 15 e 30 W/m².C. Estas duas premissas conduzem a valores médios de relação S/V situados na faixa entre 1,0 e 1,6 m²/m³. A velocidade de resfriamento da massa cozida na prática determina o tempo de residência da massa cozida no CV, o qual normalmente está entre 30 e 40h. Todos estes parâmetros são interdependentes entre si e cabe ao projetista do CV determinar a melhor combinação visando alta performance e baixo custo.

A adequada configuração do agitador determina um bom coeficiente de troca térmica do equipamento. Como trata-se de um meio com alta viscosidade a rotação do agitador costuma ser baixa, na faixa entre 0,25 e 0,50 rpm. Normalmente o agitador é formado por braços que operam entre linhas fixas de tubos dentro dos quais circula a água para resfriamento.

O acionamento do agitador originalmente era composto por cilindros hidráulicos reciprocativos. Hoje em dia, com o uso cada vez mais freqüente de redutores de velocidade planetários, estes últimos têm sido a melhor alternativa. Os sistemas hidráulicos apresentam maior risco de vazamento de óleo e necessitam de mais manutenção. O consumo de energia elétrica no acionamento está entre 0,05 e 0,10 kW.h/t de cana utilizada para a produção de açúcar.

A distribuição da superfície de resfriamento ao longo do percurso da massa cozida está relacionada com o aumento da viscosidade do meio. Quando a massa cozida é resfriada ocorre um aumento significativo da viscosidade, dificultando a troca térmica. Equipamentos bem projetados devem levar em conta esta particularidade.

O aumento da viscosidade com menor temperatura recomenda que o fluxo da massa cozida no CV seja de baixo para cima, evitando assim a necessidade de bombeamento da massa cozida resfriada. É melhor bombearmos a massa cozida quente, passando pela bomba um fluido com menor viscosidade, e após o resfriamento usar tão somente o efeito da gravidade para levar a massa cozida para o aquecedor e a centrifugação. Desta maneira a massa resfriada sai por cima do CV, passa no aquecedor e chega ao distribuidor das centrífugas por gravidade.

O aquecimento da massa cozida antes da centrifugação é necessário porque a alta viscosidade reduz drasticamente a capacidade das centrífugas. É necessário assim aquecer rapidamente a massa cozida até cerca de 55 C usando geralmente como fonte de calor condensados diversos. Nesta fase o aquecimento dever ser rápido visando reduzir a viscosidade do licor mãe sem permitir dissolução da sacarose dos cristais.

Voltando à nossa questão relevante, é preciso saber em quanto tempo eventualmente retorna o investimento em CV, bombas de massa, aquecedor e as respectivas interligações.

Uma regra empírica para uma conta rápida é considerar um ponto adicional na queda de pureza para cada 5 C de redução de temperatura da massa cozida. Por exemplo, teríamos 4 pontos adicionais na queda de pureza de uma massa B passando de 65 C para 45 C. Estes valores valem normalmente para a massa C e devem ser confirmados com o projetista do CV em questão para o caso de massa B. Normalmente em massa C a queda de pureza após o CV varia entre 4 e 6 pontos.

Com maior queda de pureza vamos aumentar a recuperação de açúcar no setor de cozimento, ou seja, vamos embarcar mais açúcar por tonelada de cana processada. O eventual aumento de receita, caso o preço do açúcar esteja mais compensador do que o preço do etanol hidratado, por exemplo, vai determinar se é mais interessante investir em CV ou em desidratação do etanol