Evaporadores para caldo de cana

Recebemos recentemente de um Cliente uma solicitação inusitada, pelo menos para nós. Este cliente precisava instalar um novo conjunto de pré-evaporadores e queria saber com quais tipos de evaporadores nós elaboramos projetos de fabricação e de instalação desde o ano de 2005, quando se acelerou a instalação de projetos greenfield no Brasil, até o ano de 2018. O Cliente queria analisar os seguintes quatro tipos de evaporadores, em ordem alfabética: filme descendente (FD), múltiplas calandras (MC), placas (P) e Roberts (R). Decidimos assim aproveitar a oportunidade para discutir os resultados do nosso levantamento e as vantagens e desvantagens de cada tecnologia.

O resultado do levantamento dos nossos projetos encontra-se na tabela resumida abaixo. Não estão incluídos evaporadores P porque não instalamos nenhum desde 2005.

É possível verificar que o R representa quase a metade (47,2%) e que o MC representa mais de um terço (36,6%). Já o FD foi o menos utilizado (16,2%), embora uma capacidade significativa tenha sido instalada no ano de 2015, indicando que há clientes que ainda preferem esta tecnologia.

Porém é importante mencionar que um dos vetores que impulsionou a instalação de MC foi a NR-33 que regulamentou o trabalho em espaços confinados e passou a vigorar a partir de 2006. É possível notar que a partir de 2007 as capacidades instaladas de evaporadores R e MC são praticamente iguais. Há casos de clientes cujos projetos antes de 2007 utilizaram evaporadores R e após a vigência da NR-33 utilizaram evaporadores MC para um mesmo padrão de projeto greenfield.

Como sempre cada alternativa tecnológica apresenta vantagens e desvantagens. Quando uma dada tecnologia só apresenta vantagens, a desvantagem geralmente é o preço.

Naturalmente não desenvolvemos projetos de fabricação de evaporadores a placas (P), cuja fabricação depende de processos muito sofisticados para a moldagem das placas. Mas desenvolvemos projetos de fabricação de FD, MC e R que podem ser construídos em caldeirarias existentes no nosso mercado.

Desta maneira queremos discutir qualitativamente os prós e os contras de cada tecnologia quando desenvolvemos os nossos projetos, não deixando de incluir uma alternativa que não foi aventada pelo nosso Cliente, os evaporadores de filme ascendente (FA).

Qualquer que seja a tecnologia adotada há aspectos fundamentais do projeto que valem para todas elas.

Estes fundamentos são basicamente o coeficiente de troca térmica, as opções e as dificuldades para limpeza (já que o coeficiente médio de troca térmica depende muito das condições médias de limpeza), o tempo de residência do caldo no equipamento, a eficácia do sistema de separação de arraste, a remoção eficaz dos gases incondensáveis, as necessidades de espaço físico com possibilidades de expansão de capacidade e o consumo de energia elétrica.

O coeficiente médio de troca térmica é naturalmente um parâmetro muito relevante. Importante mencionar que estamos falando de valores médios, já que equipamentos limpos costumam operar bem. Os evaporadores P apresentam naturalmente o maior coeficiente quando limpos, mas paradoxalmente é muito mais difícil mantê-los limpos na prática, já que são muito suscetíveis às incrustações e ao alto índice de material em suspensão no caldo de cana quando comparado com caldo de beterraba, onde são mais utilizados. Em seguida temos o coeficiente do FD, que é favorecido pela inexistência do fator relativo á elevação do ponto de ebulição do caldo. E finalmente os demais FA, MC e R que apresentam coeficientes médios de troca térmica muito similares.

As opções (química e/ou mecânica) e as dificuldades para limpeza variam para cada tecnologia. Os P podem receber apenas limpeza química, já que a limpeza mecânica implica praticamente na desmontagem do equipamento com as consequentes dificuldades de montagem e de garantia de estanqueidade dos vedadores. Os FD podem receber facilmente a limpeza química, já que o sistema de recirculação de caldo também funciona bem para esta finalidade, mas apresentam maior dificuldade para limpeza mecânica em função do grande comprimento dos tubos. Os demais FA, MC e R podem receber limpeza química ou mecânica, sendo que o MC é mais indicado com relação às exigências da NR-33.

O tempo de residência do caldo no equipamento é relevante para evitar a degradação da sacarose com as altas temperaturas no primeiro efeito da evaporação. Os P convencionais apresentam o mais baixo tempo de residência, os FD e os R convencionais apresentam o maior tempo de residência. Os FD porque tem o sistema de recirculação e os R convencionais porque tem um volume grande de caldo que é removido pelo tubo central, apresentando assim também certo grau de recirculação. Tempos de residência intermediários podem ser obtidos com evaporadores que chamamos de “passe único”, visando evitar recirculação, mas que por outro lado necessitam de automação adequada para garantir uma mínima taxa de molhamento nos tubos. Este é o caso dos FA, MC e R de passe único, que é a nossa recomendação quando instalamos um evaporador R.

A eficácia do sistema de separação de arraste é importante para minimizar as perdas indeterminadas do processo, com o objetivo de obter no máximo 20 ppm de açúcar no condensado do vapor vegetal produzido e amostrado com um dispositivo adequado. Geralmente o FD e o R tem separador de arraste interno, mas o projeto do separador no FD é mais crítico porque caldo e vapor vegetal saem na parte inferior do equipamento com pouco espaço vertical disponível e num equipamento que tem pequeno diâmetro, apenas com a vantagem de fazer a direção da velocidade do vapor vegetal mudar bruscamente de baixo para cima, quando a maior parte das gotas de caldo é capturada. O FA, o P e o MC tem sempre separador externo que pode ser corretamente dimensionado para evitar arraste, a menos que exista alguma restrição de espaço de instalação.

A remoção eficaz dos gases incondensáveis é indispensável para garantir um bom coeficiente de troca e para evitar perda desnecessária de vapor na retirada dos mesmos. Diversos sistemas podem ser usados no caso de evaporadores tubulares, sendo que os nossos projetos sempre utilizam calandras com feixes tubulares excêntricos, permitindo sempre uma entrada única do vapor de aquecimento, o qual percorre todo o perímetro da calandra e em seguida se dirige ao centro da mesma, de onde todos os gases incondensáveis são retirados sem dificuldades e sem a necessidade de defletores cuja manutenção é imprevisível. No caso dos P a remoção dos gases vai depender das características de cada equipamento específico.

As necessidades de espaço físico com possibilidades de expansão de capacidade são critérios a serem analisados para cada projeto específico. Os P são sem dúvida os equipamentos mais compactos, mas necessitam de separador externo. Os FD ocupam o menor espaço horizontal por superfície de troca térmica instalada. Os MC ocupam maior espaço horizontal, mas em função da sua melhor adequação para expansões futuras. Os FA ocupam menos espaço do que os R para uma mesma superfície, mas como o FA utiliza separador externo é preciso avaliar caso a caso.

O consumo de energia elétrica pode ser relevante e deve ser avaliado caso a caso. O FD consome mais energia em função da recirculação e o R convencional consome menos porque não utiliza bombas. O FA, o MC e o P apresentam valores intermediários de consumo.

Apresentados os fundamentos podemos agora discorrer mais especificamente sobre cada um dos tipos de evaporador mencionados no início.

Os evaporadores de filme ascendente (FA) ou “rising film” são também conhecidos como evaporadores tipo Kestner. São evaporadores de passe único com tubos de médio comprimento. O principal motivo da sua escolha é a utilização de evaporadores de grande capacidade para operar principalmente como primeiro efeito condensando todo o vapor de escape da usina, embora possa ser utilizado também como segundo efeito. O FA é autoportante (não necessita estrutura metálica), geralmente é instalado ao tempo. A limpeza com hidro jato (HJ) é um pouco mais difícil em função do comprimento dos tubos que varia de 6 m a 8 m. O FA necessita de um separador de arraste externo, numa configuração similar à do MC. O volume de caldo no evaporador é menor proporcionando um tempo de residência mais baixo.

Os evaporadores de filme descendente (FD) ou “falling film” são muito utilizados nas usinas de açúcar de beterraba. O principal motivo da sua escolha é a possibilidade de trabalhar com um baixo diferencial de temperatura entre o vapor de aquecimento e o caldo a evaporar. Esta possibilidade é decorrência da não existência da elevação do ponto de ebulição do caldo (EPE) neste tipo de evaporador, pois não existe coluna hidrostática de caldo no interior dos tubos, mas apenas uma fina película de caldo que escorre de cima para baixo junto com o vapor produzido. Como nas usinas de beterraba não existe um combustível barato como o bagaço de cana, para economizar combustível o consumo de vapor de processo é reduzido pelo uso de evaporação de caldo com sete ou até oito efeitos em casos extremos. Desta maneira é indispensável operar com baixo diferencial de temperatura nos efeitos. O FD é autoportante, geralmente é instalado ao tempo e necessita do menor espaço horizontal por superfície de troca térmica instalada. O seu sistema de recirculação do caldo é ao mesmo tempo um sistema para limpeza química, sendo necessário apenas transferir os produtos de limpeza para o seu interior e depois drena-lo. A limpeza com hidro jato (HJ) é mais difícil em função do comprimento dos tubos que varia de 10 m a 15 m e em função do espaço relativamente restrito na sua parte superior, em decorrência do sistema de distribuição do caldo que está instalado sobre o feixe tubular. O FD necessita de um sistema de separação de arraste muito eficiente, já que o caldo e o vapor saem juntos pela parte inferior do equipamento. Normalmente é indispensável combinar um sistema de separação inercial com outro sistema de separação com “demister”. Como não existe EPE neste evaporador, a sua taxa de evaporação é mais elevada principalmente quando se compara com os últimos efeitos que trabalham com brix mais alto e por consequência maior carga hidrostática.

Os evaporadores de múltiplas calandras (MC) são muito utilizados nas usinas de açúcar do Brasil, sendo evaporadores de filme ascendente com passe único. O principal motivo da sua escolha é a possibilidade de trabalhar, por exemplo, com um conjunto de seis evaporadores limpando cada um de segunda a sábado e perdendo apenas 17% da capacidade instalada, e assim mantendo uma ótima taxa média de evaporação em função da baixa incrustação. Outro motivo relevante para a sua escolha é decorrente da legislação brasileira, pois a partir de 2006 foi emitida a NR-33 que impõe restrições severas para trabalho em espaços confinados, já que no caso de evaporador MC a limpeza com HJ pode ser realizada sem estas restrições. O MC também é autoportante e geralmente é instalado ao tempo, mas necessita do maior espaço horizontal por superfície de troca térmica instalada, já que os tubos tem menor comprimento e o sistema de separação de arraste encontra-se no corpo central do sistema de evaporação. Em compensação a sua instalação pode ser modulada, instalando-se capacidade adicional em módulos de 17% aproximadamente. A limpeza com hidro jato (HJ) é mais fácil em função do comprimento dos tubos que varia de 4 m a 5 m e em função do espaço relativamente livre na sua parte superior.

Os evaporadores Roberts (R), nas suas mais diversas configurações, são os equipamentos mais tradicionais e são largamente utilizados nas usinas de açúcar do Brasil e do exterior. O principal motivo da sua escolha é a possibilidade de trabalhar com uma tecnologia consolidada e eventualmente evitar a instalação de bombas para a transferência de caldo para os efeitos posteriores. Mas por outro lado, a sua eventual substituição por outras tecnologias é decorrente da legislação brasileira que impões restrições severas para trabalho em espaços confinados, já que no caso de evaporador R a limpeza com HJ deve ser realizada em espaço confinado e com tubulações vivas de vapor conectadas ao mesmo. Normalmente necessita de estrutura metálica e geralmente é instalado ao tempo, e necessita de um espaço horizontal intermediário entre o FD e o MC por superfície de troca térmica instalada. Sem levar em conta o aspecto do espaço confiando, a limpeza com HJ é mais fácil em função do comprimento dos tubos que varia de 3 m a 4 m e em função do espaço relativamente livre disponível. Como existe EPE neste evaporador, a sua taxa de evaporação é mais baixa quando comparada com o FD, sendo equivalente aos valores do evaporador MC.

Naturalmente se um projeto permite a instalação de diferentes tecnologias os custos de instalação (Capex) e os custos de operação (Opex) podem eventualmente definir a decisão final. A comparação de custos deve ser feita na base de R$ / t de água evaporada por hora. Ou eventualmente na base de R$ / m² instalado se os coeficientes de troca térmica forem similares. Esta comparação deve levar em conta também a capacidade instalada como reserva para limpeza. Geralmente o MC tem a menor capacidade instalada para limpeza. Com eventual capacidade parcial o seu Capex será inicialmente mais elevado, ficando mais barato quando a instalação estiver completa.