UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO

RELATÓRIO DE ESTÁGIO CURRICULAR

BALANÇO TÉRMICO DA FABRICAÇÃO DO AÇÚCAR

CLÁUDIO FRANCISCO DE ALBUQUERQUE JÚNIOR

ORIENTADORA: SAMARA ALVACHIAN C. DE ANDRADE

FOTOS

FOTOS

OBJETIVO

Determinar o equilíbrio térmico para o sistema de purificação do caldo,

concentração e cozimento

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

• PROCESSOS DE TRANSMISSÃO DE CALOR:

- Condução;- Convecção;- Radiação.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

• CONDUÇÃO:Pode-se determinar o fluxo de calor transportado por condução pela Lei de Fourier.

xTk

Aqq

∂∂

−==′′

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

• CONVECÇÃO: Descrevemos a transmissão de calor por convecção como sendo a forma de energia que ocorre no interior de um fluido devido à combinação dos efeitos de condução e do movimento global do fluido.

)( ∞−×=′′ TThq sEssa expressão é conhecida como lei do resfriamento de Newton

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Convecção Forçada

Convecção

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Convecção Natural

Convecção

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Processo de ebulição

Convecção

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Condensação

Convecção

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

• RADIAÇÃO: Enquanto as transferências de calor por condução e por convecção necessitam de um meio material para se propagarem, a radiação não necessita de um meio, e a transferência por radiação ocorre com mais eficiência no vácuo.

)(.. 44vizinhaçasr TTAq −= σε

A radiação é dada pela equação:

BALANÇO TÉRMICO DO PROCESSO

DE FABRICAÇÃO DO AÇUCAR

BALANÇO TÉRMICO

• NECESSIDADE ENERGÉTICA:

- Preparo da cana;- Moagem;- Aquecimento do caldo caleado;- Aquecimento do caldo decantado;- Evaporação;- Cozimento.

BALANÇO TÉRMICO

• APLICAÇÃO DO BALANÇO TÉRMICO:

Os dados necessários para elaborar o balanço térmico são os seguintes:

- Moagem para açúcar 2.762,588 TCD- Moagem para álcool 386,477 TCD- Produção de açúcar dia 5.880 Sacos- Produção Álcool dia 63.333,33 Litros

BALANÇO TÉRMICO

• APLICAÇÃO DO BALANÇO TÉRMICO:

- Extração em caldo moído 100 %- Umidade do bagaço 49 %- Consumo de cal (Kg/h) 130,556- Retorno do caldo filtrado 20 %- Temperatura do caldo ao entrar no aquecedor 35ºC- Consumo de enxofre (Kg/h) 32,5- Assepsia das Moendas e Parol 5%

BALANÇO TÉRMICO

• AQUECIMENTO DO CALDO:

- Primeiros estágios Vapor vegetal V-2- Último estágio Vapor Servido- Temp. de saída do ultimo estagio 105ºC a 110ºC

BALANÇO TÉRMICO

• EVAPORAÇÃO:

Brix do caldo decantado 13,34ºCBrix do xarope 62,30ºCVapor primeiro efeito Vapor servidoSistema de evaporação Quádruplo Sangria pressão positiva no corpo

BALANÇO TÉRMICO

• COZIMENTO:- Sistema de duas massas cozidas, A e B.- Produção de massa cozida por tonelada de cana

M.C.A = 2,2 Hl/TC; Brix = 93 e Peso Específico = 1502 kg/m3

M.C.B = 0,46 Hl/TC; Brix = 95 e Peso Específico = 1516 kg/m2

Semente moagem: Brix = 88 e Peso Específico = 1467 kg/m2

Semente virgem: Brix = 88 e Peso Específico = 1467 kg/m2

Volume do pé de Cozimento: 38% volume tacho.

BALANÇO TÉRMICO

• CICLO COZIMENTO PARA AS MASSAS:

MCA 4 horasMCB 6 horasVolume dos tachos a vácuo: 500 HL, 290 HL, 280 HL,

300 HL e 130 HL.Volume total de massa cozida A: 1500 HL.Volume total de massa cozida B: 500 HL.Volume dos cristalizadores: 400 HL.

BALANÇO TÉRMICO

• USO DO VAPOR:

Vapor direto: Turbinas a vapor, complemento para o processo, reduzindo a pressão do vapor usado no processo.

BALANÇO TÉRMICO

• VAPOR SERVIDO:- Aquecedores de caldo no ultimo estágio de aquecimento.- Evaporação, no primeiro efeito e no pré-evporador.- Tachos a vácuo.- Destilaria.

• VAPOR VEGETAL 1:- Aquecedores de caldo.- Evaporação no 2º, 3º e 4º Efeito.- Tachos a vácuo

BALANÇO TÉRMICO

• VAPOR VEGETAL 2:

- Aquecedores de caldo, nos (n — 1) estágios de aquecimento.

- Tachos a vácuo, para cristalizar e nas massas de terceira.

Temperatura do vapor direto 306,00°C λ = 339,80 kcal/kgTemperatura do vapor servido 128,00ºC λ = 520,30 kcal/kgTemperatura do vapor vegetal 1 118,51ºC λ = 529,33 kcal/kgTemperatura do vapor vegetal 2 106,78ºC λ = 534,52 kcal/kg

BALANÇO TÉRMICO

• COZIMENTO:BALANÇO MASSASVolume massa cozida por dia = fator x TCDQuantidade de cozimento dia = volume massa cozida dia

volume do tachoQuantidade de cozimentos com um tacho = horas dia operação

ciclo cozimento Quantidade de tachos para cada tipo massa = quantidade de cozimento dia

quantidade cozimento tachoPeso massa cozida = PMC = HL = m3 x peso específico massa

BALANÇO TÉRMICO

• SEMENTE:Mis . Cis = Mfs . CfsMis = Massa inicial semente = volume x peso específicoCis = Brix inicial sementeMfs = Massa final semente = volume x peso específicoCfs = Concentração final semente.Mfs = Mis . Cis

CfsEvaporado da semente = Es = Mis - Mfs

BALANÇO TÉRMICO

• ALIMENTAÇÃO:Mia . Cia = Mfa . CfaMia = Massa Inicial AlimentaçãoCia = Brix inicial alimentaçãoCfa = Massa final alimentaçãoCfa = Brix final alimentação.Mfa = PMC - MfsMia = Mfa.Cfa

CiaEvaporado da alimentação = EA = Mia - MfaEvaporado total = ET = EA + ESEvaporado por hora = Eh = ET x quantidade cozimento dia

24Vapor alimentação = Vo = Eh x calor latente evaporado

Calor latente vapor alimentação

BALANÇO TÉRMICO

AQUECEDORES DE CALDO:

• Peso do caldo misto 115.107,858 Kg/h• Cal 130,556 Kg/h• Água 3.263,889 Kg/h• Enxofre 32,500 Kg/h• Caldo filtrado (20%) 23.021,572 Kg/h• Assepsia das moendas e Parol (5%) 5.755,393 Kg/h

BALANÇO TÉRMICO• Peso do caldo sulfo-caleado a aquecer: 147.311,768 Kg/h• Velocidade do caldo na tubulação adotada: 1,8 m/s• Equações para os aquecedores de caldo:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

−−= cPSK

EVVS eTTTT ..

).(

f

v

TK V .

075,01,0 ⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

+=

λTcPQ Δ

=..

Brixc .006,01−=

)...(.. mNnLDS iπ=

BALANÇO TÉRMICO• Vapor vegetal 2

• Vapor vegetal 1

C.h.Kcal/m 108.1 47,1.

8,1075,01,0

78,106 222 °=∴

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

+= VV KK

C.h.Kcal/m 230.1 47,1.

8,1075,01,0

51,118 211 °=∴

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

+= VV KK

BALANÇO TÉRMICO

( )

( )

( )CT

eT

CTeT

CTeT

S

S

S

S

S

S

°=−−=

°=−−=

°=−−=

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛−

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ −

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ −

72,108.52,9351,11851,118

1 talVapor vege

52,93.93,7578,10678,106

93,75.0,3578,10678,106

2 talVapor vege

3

92,0.768,1473113,103.1230

3

2

92,0.768,1473113,103.1108

2

1

92,0.768,1473113,103.1108

1

BALANÇO TÉRMICOPré-aquecimento do caldo decantado

( )CT

eT

SP

SP°=

−−=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

30,108.00,9851,11851,118

1 talVapor vege

1

92,0.768,14731140,85.1108

1

( )CT

eT

KK

S

S

VVS

°=−−=

°=∴⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

+=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−

50,123.30,10800,12800,128

C.h.Kcal/m 20,328.1 47,1.

8,1075,01,0

00,128

servidoVapor

3

92,0.768,14731100,150.20,1328

3

21

BALANÇO TÉRMICO

Kg/h 73,389133,529

93,52)-,72.0,92.(108147311,768Q

3aquecedor no 1 etal vapor vegde Cosumo

Kg/h 92,445952,534

75,93)-52.0,92.(93,147311,768Q

2.2 etal vapor vegde Consumo

Kg/h 75,1037752,534

35,00)-93.0,92.(75,147311,768Q

2.1etal vapor vegde Consumo

==

==

==

BALANÇO TÉRMICO

Kg/h 38,800.330,520

109,06)-,65.0,92.(123147311,768Q

aquecedor-pré segundo no servidovapor

Kg/h 74,831.233,529

98,00)-,06.0,92.(109147311,768Q

1 talvapor vegeaquecedor-préprimeirono vapor de Consumo

==

==

BALANÇO TÉRMICO

BALANÇO TÉRMICO

• EVAPORAÇÃO:Quedas de pressão entre efeitos = Δ E = é dado pela seguinte

relação:ΔE = 11 - 9

n - 1Δ E = quedas ou diferenças entre as frações acima.Para o Quádruplo EfeitoΔ E = 11 - 9 = 2 = 0,66 ou 0,67

4 - 1 311 + 10,33 + 9,67 + 9 = 140 40 40 40

BALANÇO TÉRMICO

• QUEDA DA PRESSÃO TOTAL:

As pressões de vapor, na primeira calandra Po, e no ultimo corpo Pf, de um conjunto evaporador, são valores conhecidos e bem definidos. ΔP = Po – Pf.

BALANÇO TÉRMICO

BALANÇO TÉRMICO

BALANÇO TÉRMICO

BALANÇO TÉRMICO

• COZIMENTO:Total evaporado:Servido 40% = 15.907,90 x 0,4 = 6.363,16 Kg/hVegetal 60% = 15.907,90 x 0,6 = 9.544,74 Kg/hVapor servido = 6.363,16 x 564,4 = 6.902,49 Kg/h

520,3Vapor vegetal:A = 12.914,12 x 564,4 = 13.769,73 Kg/h

529,33B = 2.993,78 x 564,4 =3.192,13 Kg/h

529,33

BALANÇO TÉRMICO

BALANÇO TÉRMICO

BALANÇO TÉRMICO

RESULTADOS E DISCUSSÃO

• PARA CADA ETAPA:- AQUECEDOR DE CALDO: Vs=3.800,38Kg/h

- TACHO A VÁCUO: Vs=6.902,495Kg/h

- EVAPORADOR: Vs=55.064,344Kg/h

- ΣVs=65.767,219Kg/h

RESULTADOS E DISCUSSÃO

- Caldeiras: 110.000kg/h vapor direto.- Produção de bagaço: 39.363,32Kg/h- Vapor gerado: 82.662,97kg/h “O vapor direto

que segue para as moendas é recuperado quase totalmente sob forma de vapor servido. Então, a uma economia de 20,15% de vapor direto, um total aproximado de 8 toneladas de bagaço por hora.”

CONCLUSÃO

• O processo estudado não leva em consideração a eficiência da moagem que eleva a quantidade de bagaço e vapor gerado, também desprezamos as perdas térmicas nas tubulações, porém os resultados obtidos foram satisfatórios, pois mostra que uma usina de açúcar que opera nessas condições o sistema é viável e esta termicamente balanceada.