Evaporação

Introdução

A evaporação é considerada a operação unitária mais crítica na fabricação de açúcar, sendo responsável pela remoção de aproximadamente 75% da água contida no caldo clarificado. Este processo transforma o caldo diluído (12-16°Brix) em xarope concentrado (60-65°Brix), preparando-o para a etapa de cristalização. A eficiência energética da evaporação impacta diretamente o balanço térmico e a rentabilidade da usina, tornando o entendimento dos princípios termodinâmicos fundamental para engenheiros e operadores do setor sucroenergético.

[Image blocked: Evaporador Quíntuplo Efeito] Figura 1: Diagrama de evaporador quíntuplo efeito mostrando o fluxo de caldo e vapor em contra-corrente

Histórico e Evolução

A evaporação de caldo de cana evoluiu significativamente desde os primitivos tachos abertos aquecidos a fogo direto, utilizados nos engenhos coloniais. Estes sistemas apresentavam baixíssima eficiência energética (consumo de 1:1 - uma tonelada de vapor para evaporar uma tonelada de água) e operavam a altas temperaturas, causando degradação da sacarose e formação de cor.

A grande revolução veio com Norbert Rillieux, que entre 1845 e 1855 desenvolveu os princípios fundamentais da evaporação de múltiplo efeito, permitindo economia dramática de vapor e operação em temperaturas mais baixas.

A evolução continuou com:

• 1880-1900: Introdução de evaporadores de múltiplo efeito (3-4 vasos)
• 1920-1950: Desenvolvimento de evaporadores de filme descendente
• 1960-1980: Otimização para quíntuplo efeito (5 vasos)
• 1990-presente: Evaporadores de placas e sistemas de alta eficiência

Atualmente, usinas modernas operam com evaporadores de quádruplo ou quíntuplo efeito, alcançando economia de vapor de 4:1 a 5:1, ou seja, cada quilograma de vapor de escape evapora 4 a 5 quilogramas de água.

Princípios Termodinâmicos

Princípios de Rillieux

Os três princípios fundamentais desenvolvidos por Norbert Rillieux e aprimorados por George Meade constituem a base teórica da evaporação de múltiplo efeito.

Primeiro Princípio - Economia de Vapor

"Em um evaporador de múltiplo-efeito, cada quilograma de vapor usado no primeiro vaso evaporará tantos quilogramas de água quantos forem os vasos."

Eficiência teórica:

Limitações práticas:

A eficiência real é sempre inferior à teórica devido a:

• Caldo entra abaixo do ponto de ebulição (requer aquecimento sensível)
• Perdas térmicas para o ambiente
• Elevação do ponto de ebulição (EPE) devido aos sólidos dissolvidos
• Gases incondensáveis que reduzem coeficiente de transferência de calor

Eficiência prática:

• Quádruplo efeito: 3,5-3,8 kg água/kg vapor
• Quíntuplo efeito: 4,2-4,5 kg água/kg vapor

Segundo Princípio - Sangria de Vapor

"A extração de vapor de qualquer unidade de um evaporador de múltiplo-efeito para ser usado em outro setor da fábrica conduz a uma economia que será igual ao número de quilogramas de vapor assim extraído, dividido pelo número de vasos do conjunto e multiplicado pelo número de ordem que o vaso ocupa."

Fórmula da economia:

E = (W × N) / M

Onde:

• E = economia de vapor (kg)
• W = peso de vapor extraído (kg)
• N = número de ordem do vaso (1, 2, 3...)
• M = número total de vasos

Exemplo prático:

Considere um evaporador quádruplo efeito (M=4) onde se extrai 1.000 kg/h de vapor do segundo vaso (N=2) para aquecimento de caldo:

E = (1.000 × 2) / 4 = 500 kg/h

Ou seja, a extração de 1.000 kg/h do 2º vaso equivale a uma economia de 500 kg/h de vapor de escape na caldeira.

Aplicações práticas:

• Aquecimento de caldo antes da evaporação
• Aquecimento de massas cozidas
• Aquecimento de água de embebição
• Destilaria (aquecimento de vinho)

Terceiro Princípio - Gases Incondensáveis

"Em todo aparelho no qual se condensa vapor, é necessário extrair continuamente a acumulação de gases incondensáveis que, por via de regra, ficam, internamente, próximo à superfície superior da calandra."

Os gases incondensáveis (ar, CO₂, NH₃) formam uma película isolante sobre a superfície de aquecimento, reduzindo drasticamente o coeficiente de transferência de calor. A remoção contínua é essencial para manter a eficiência.

Impacto dos gases incondensáveis:

• Redução de 20-40% no coeficiente de transferência de calor
• Aumento da temperatura de condensação do vapor
• Redução da capacidade de evaporação

[Image blocked: Princípio de Funcionamento] Figura 2: Princípio de funcionamento mostrando perfil de temperatura e concentração

Configuração do Sistema

Evaporador de Múltiplo Efeito

Um conjunto típico de evaporação em usinas brasileiras possui 4 ou 5 vasos (efeitos) dispostos em série, operando em pressões e temperaturas decrescentes.

Configuração quádruplo efeito típica:

Tipos de Evaporadores

Robert (Calandria)

Evaporador clássico com tubos verticais curtos (1,0-1,5 m) dispostos em feixe circular. O caldo circula por convecção natural dentro dos tubos, sendo aquecido externamente pelo vapor.

Características:

• Diâmetro dos tubos: 50-75 mm
• Área de aquecimento: 200-600 m²
• Capacidade: 10-30 t água/h por vaso
• Vantagens: Robusto, fácil manutenção
• Desvantagens: Baixo coeficiente de transferência, incrustação

Filme Descendente

Evaporador de tubos longos (4-8 m) onde o caldo forma um filme fino que desce pela parede interna dos tubos, sendo aquecido externamente pelo vapor.

Características:

• Diâmetro dos tubos: 38-50 mm
• Comprimento: 4-8 m
• Área de aquecimento: 400-1.200 m²
• Capacidade: 20-60 t água/h por vaso
• Vantagens: Alto coeficiente de transferência, baixa incrustação
• Desvantagens: Maior custo, distribuição crítica

Placas

Evaporador composto por placas corrugadas em aço inoxidável, montadas em quadros. Caldo e vapor fluem em canais alternados.

Características:

• Espessura das placas: 0,5-0,8 mm
• Área de aquecimento: 100-500 m² por módulo
• Capacidade: 5-25 t água/h por módulo
• Vantagens: Compacto, alta eficiência, fácil limpeza
• Desvantagens: Alto custo inicial, limitação de pressão

Arranjo dos Vasos

Co-corrente:

• Caldo e vapor fluem na mesma direção (1º→4º vaso)
• Mais simples, menor consumo de bombeamento
• Menor eficiência térmica

Contra-corrente:

• Caldo flui em direção oposta ao vapor (4º→1º vaso)
• Maior eficiência térmica (caldo mais frio encontra vapor mais frio)
• Requer bombas de maior potência

Misto:

• Combinação de co-corrente e contra-corrente
• Otimiza eficiência e custos operacionais
• Mais utilizado em usinas modernas

[Image blocked: Diagrama de Múltiplo Efeito] Figura 3: Diagrama industrial de evaporador de múltiplo efeito

Balanço de Massa e Energia

Balanço de Massa

Para um evaporador de múltiplo efeito, o balanço de massa global é:

Entrada = Saída

F = C + E

Onde:

• F = vazão de caldo de alimentação (kg/h)
• C = vazão de xarope concentrado (kg/h)
• E = vazão total de água evaporada (kg/h)

Balanço de sólidos:

F × Bf = C × Bc

Onde:

• Bf = Brix do caldo de alimentação (%)
• Bc = Brix do xarope concentrado (%)

Exemplo prático:

Dados:

• Moagem: 500 t cana/h
• Caldo: 140% sobre cana = 700 t/h
• Brix do caldo: 15%
• Brix do xarope desejado: 65%

Cálculos:

Sólidos totais = 700 × 0,15 = 105 t/h

Xarope produzido = 105 / 0,65 = 161,5 t/h

Água evaporada = 700 - 161,5 = 538,5 t/h

Percentual evaporado = (538,5 / 700) × 100 = 76,9%

Balanço de Energia

O balanço de energia em cada vaso considera:

• Calor fornecido pelo vapor de aquecimento
• Calor sensível do caldo de entrada
• Calor latente de evaporação
• Calor sensível do vapor vegetal produzido
• Perdas térmicas

Equação geral para o vaso i:

Mv(i-1) × λv(i-1) + Fc(i-1) × Cp × Tc(i-1) = (Mvi + Msi) × hvi + Fci × Cp × Tci + Qperda

Onde:

• Mv = vazão de vapor de aquecimento (kg/h)
• λv = calor latente do vapor (kJ/kg)
• Fc = vazão de caldo (kg/h)
• Cp = calor específico do caldo (kJ/kg·°C)
• Tc = temperatura do caldo (°C)
• Mvi = vazão de vapor vegetal (kg/h)
• Msi = vazão de sangria de vapor (kg/h)
• hvi = entalpia do vapor vegetal (kJ/kg)
• Qperda = perdas térmicas (kJ/h)

Exemplo de Balanço - Quádruplo Efeito

Dados de entrada:

• Caldo: 700 t/h a 15°Brix e 95°C
• Vapor de escape: 2,5 bar abs (127°C), λ = 2.185 kJ/kg
• Xarope: 65°Brix a 65°C

Tabela de Balanço de Massa:

Tabela de Balanço de Energia:

Economia de vapor:

Economia = Água evaporada / Vapor de escape = 538,5 / 142,0 = 3,79

Ou seja, cada kg de vapor de escape evapora 3,79 kg de água (próximo do teórico 4:1).

Elevação do Ponto de Ebulição (EPE)

A presença de sólidos dissolvidos (principalmente sacarose) eleva o ponto de ebulição do caldo acima do ponto de ebulição da água pura na mesma pressão. Este fenômeno, conhecido como EPE, reduz a diferença de temperatura disponível para transferência de calor.

Fórmula empírica de Dühring:

EPE = K × Brix

Onde K é um coeficiente que varia com a pressão:

• 1 bar: K ≈ 0,06
• 0,5 bar: K ≈ 0,08
• 0,2 bar: K ≈ 0,10

Exemplo:

Caldo a 50°Brix sob pressão de 0,2 bar abs:

• Ponto de ebulição da água: 60°C
• EPE = 0,10 × 50 = 5°C
• Ponto de ebulição do caldo: 60 + 5 = 65°C

Transferência de Calor

A taxa de transferência de calor em cada vaso é governada pela equação fundamental:

Q = U × A × ΔTml

Onde:

• Q = taxa de transferência de calor (kJ/h)
• U = coeficiente global de transferência de calor (kJ/h·m²·°C)
• A = área de aquecimento (m²)
• ΔTml = diferença de temperatura média logarítmica (°C)

Coeficientes típicos de transferência de calor:

A incrustação (deposição de sólidos nas superfícies de aquecimento) é o principal fator de redução de eficiência ao longo da safra, podendo reduzir U em 40-60%.

Controle e Instrumentação

Variáveis Controladas

Pressão:

• Cada vaso opera em pressão específica
• Controlada por válvulas de vapor e vácuo
• Setpoint típico: ±0,05 bar

Nível:

• Nível de caldo em cada vaso
• Controlado por válvulas de descarga
• Setpoint: 40-60% da altura do vaso

Brix:

• Concentração do xarope final
• Controlado por vazão de alimentação
• Setpoint: 60-65°Brix

Temperatura:

• Temperatura em cada vaso
• Indicativo de pressão e EPE
• Monitoramento contínuo

Instrumentação Típica

• Transmissores de pressão: Faixa 0-2 bar abs, precisão ±0,5%
• Transmissores de nível: Ultrassônico ou radar, precisão ±5 mm
• Refratômetros online: Medição de Brix, precisão ±0,2°Brix
• Termopares tipo K: Faixa 0-200°C, precisão ±1°C
• Medidores de vazão: Magnético ou Coriolis, precisão ±0,5%

Operação e Manutenção

Partida do Sistema

1. Preparação:

   • Verificar nível de água em cada vaso
   • Abrir drenos de condensado
   • Verificar vácuo no último vaso

2. Aquecimento:

   • Admitir vapor gradualmente no 1º vaso
   • Estabelecer pressões de operação
   • Aguardar estabilização de temperaturas

3. Alimentação:

   • Iniciar alimentação de caldo lentamente
   • Ajustar vazão para Brix desejado
   • Estabelecer níveis de operação

Limpeza (CIP - Cleaning in Place)

A incrustação acumula-se durante a safra, reduzindo eficiência. Limpezas químicas periódicas são essenciais.

Frequência:

• Limpeza leve: Semanal (ácido diluído)
• Limpeza pesada: Mensal (ácido + soda)
• Limpeza completa: Entressafra (desmontagem)

Procedimento típico:

1. Circulação de água quente (80°C) - 30 min
2. Circulação de ácido nítrico 2% (70°C) - 60 min
3. Enxágue com água - 20 min
4. Circulação de soda cáustica 2% (80°C) - 60 min
5. Enxágue final com água - 30 min

Indicadores de necessidade de limpeza:

• Redução de 20% na capacidade de evaporação
• Aumento de 10% no consumo de vapor
• Aumento de temperatura do vapor vegetal

Problemas Operacionais Comuns

Inovações Tecnológicas

Evaporadores de Alta Eficiência

Evaporadores de placas:

• Redução de 30-40% no consumo de vapor vs. Robert
• Área de aquecimento 50% menor
• Tempo de residência reduzido (menor degradação)
• Investimento 40-60% maior

Evaporadores de filme descendente otimizados:

• Distribuição uniforme de caldo por spray
• Tubos com ranhuras internas (maior área)
• Redução de 20-30% no consumo de vapor vs. Robert convencional

Integração Térmica

Pré-aquecimento de caldo:

• Uso de vapor vegetal do 1º ou 2º vaso
• Redução de 5-10% no consumo de vapor de escape
• Aumento da capacidade de evaporação

Recompressão de vapor (MVR - Mechanical Vapor Recompression):

• Compressor eleva pressão do vapor vegetal
• Vapor recomprimido aquece o mesmo vaso
• Redução de 50-70% no consumo de vapor de escape
• Investimento muito alto (viável apenas em grandes usinas)

Automação Avançada

Controle preditivo (MPC):

• Otimização multivariável em tempo real
• Redução de 3-5% no consumo de vapor
• Maior estabilidade operacional

Monitoramento de incrustação:

• Sensores de fouling online
• Programação otimizada de limpezas
• Aumento de 5-10% no tempo entre limpezas

Comparação de Tecnologias

Aspectos Ambientais

Emissões

A evaporação produz grandes volumes de vapor vegetal que devem ser condensados. O condensador barom étrico é o mais utilizado, consumindo água de resfriamento.

Consumo de água de resfriamento:

• 20-30 m³/t água evaporada (torre de resfriamento)
• 40-60 m³/t água evaporada (sem recirculação)

Temperatura de descarga:

• 35-45°C (deve resfriar antes de descarte)

Efluentes

A água de condensação (condensado vegetal) contém:

• Compostos voláteis (álcoois, aldeídos)
• Açúcares arrastados
• pH ácido (4,5-5,5)

Tratamento:

• Uso como água de embebição (após ajuste de pH)
• Tratamento biológico antes de descarte
• DBO típica: 200-500 mg/L

Conclusão

A evaporação de caldo de cana é um processo termodinâmico complexo que exige compreensão profunda dos princípios de transferência de calor e balanço de massa e energia. A configuração de múltiplo efeito, desenvolvida há mais de 170 anos por Norbert Rillieux, continua sendo a tecnologia dominante, com melhorias contínuas em eficiência energética e automação. Usinas modernas alcançam economias de vapor de 4-5:1, evaporando mais de 500 toneladas de água por hora com consumo relativamente baixo de energia térmica. A manutenção adequada, controle de incrustação e operação otimizada são essenciais para maximizar a eficiência e minimizar custos operacionais.

Referências

1. Embrapa - Fabricação do Açúcar - Princípios de evaporação e múltiplo efeito

2. Revista Opiniões - Sistema de Evaporação do Caldo - Aspectos operacionais e tecnológicos

3. Hugot, E. (1986). Handbook of Cane Sugar Engineering. 3rd Edition. Elsevier Science Publishers. Capítulo sobre evaporação.

4. Rein, P. (2007). Cane Sugar Engineering. Verlag Dr. Albert Bartens KG, Berlin. Seção de evaporação e balanço térmico.

5. Jorge, L.M.M. et al. (2010). "Simulation and analysis of a sugarcane juice evaporation system". Journal of Food Engineering, 99(3), 351-359.

6. LearnChemE - Multiple-Effect Evaporation - Simulações interativas de evaporação

7. STAB - Sociedade dos Técnicos Açucareiros e Alcooleiros do Brasil - Manuais técnicos de evaporação