Vantagens e aplicações na instrumentação no processamento da cana
de açúcar em açúcar
Tatiana Hitomy Rezende Diniz
Introdução
O artigo tem como objetivo apresentar as
análises e estudos realizados para selecionar
corretamente os instrumentos de campo segundo
os critérios mais importantes, requisitos da
aplicação e condições impostas pelo processo.
Aborda também as vantagens, aplicações e
limitações de alguns dos principais equipamentos.
No setor Sucroenergético há uma ampla
aplicação para todos os tipos de instrumentos de
campo conhecidos na indústria, tais como:
Medidores de vazão tipo Magnético, Coriolis e
Vortex;
Transmissores
de
Pressão
e
Temperatura;
analisadores
de
PH
e
Concentração; e outros tão importantes quanto. O
uso dos mesmos vai desde o processo de
extração do caldo, produção de açúcar, até a
reutilização do bagaço, para biocombustível. Em
cada um desses processos a aquisição dos
dados, através desses equipamentos, deve ser
altamente precisa garantindo um controle
confiável e eficiente dos processos.
O artigo irá focar em soluções em
instrumentação na produção de derivados da
cana de açúcar, principalmente nas soluções no
mercado para aquisição da variável de pressão.
Metodologias
Do ponto de vista de processo de produção,
as tecnologias utilizadas na produção de açúcar,
nas Usinas, são muito parecidas, as diferenças
entre cada uma ocorre nos tipos e qualidades dos
equipamentos utilizados, além dos controles
operacionais e os níveis gerenciais.
As etapas de processamento industrial
podem ser divididas nas seguintes seções:
- Recepção/preparo/moagem;
- Tratamento do caldo;
- Fábrica de açúcar;
- Destilaria de etanol;
- Utilidades;
- Disposição de efluentes;
- Estocagem dos produtos;
Na produção de açúcar, as etapas de
processamento industrial são as seguintes:
- Lavagem da cana
- Preparo para moagem ou difusão;
- Extração do caldo: moagem ou difusão;
-Tratamento do caldo
- Evaporação do caldo;
- Cozimento;
- Cristalização da sacarose;
- Centrifugação: separação entre cristais
e massa cozida;
- Secagem e estocagem do açúcar.
1.1 Recepção/preparo/moagem
Nesta etapa, a cana é lavada para eliminação
de impurezas indesejáveis e em seguida levada
para ser preparada para o processo de moagem.
No preparo, a cana sofre um processo de
picagem e desfibragem que tem como função o
quebramento da estrutura dura e ruptura das
células para moagem.
Após o preparo, a cana é conduzida para o
processo de moagem por esteiras com eletroímãs
para retirarem possíveis objetos metálicos que
possam interferir no processo.
O objetivo desta etapa é aumentar a
capacidade das moendas através da diminuição
do tamanho da cana e rompimento da estrutura
da cana facilitando a extração do caldo e
moagem.
Na extração por moagem, a separação é feita
por pressão mecânica dos rolos da moenda sobre
a cana desfibrada, durante a passagem do
bagaço de uma moenda para outra é realizada a
adição de água para auxiliar na extração da
sacarose. Figura 1 - Moenda
Obtendo-se assim o caldo primário, a partir
da primeira moenda, sem adição de água, e o
secundário com água a partir dos próximos temos
os quais reprocessam o bagaço do primeiro termo
da moenda.
A quantidade de água que se aplica varia de
acordo com a região da usina, com a capacidade
da moenda, e com a característica da cana.
1.1.1 Instrumentação
- Controle da distribuição de caldo
O caldo armazenado nas caixas de caldo
deve ser distribuído para a produção de açúcar
ou para a destilaria. E este controle pode ser
realizado através de medidores de vazão
magnéticos.
A escolha do medidor magnético deve ser
feita analisando os dados de processo, como:
pressão, temperatura e as características físicas,
como presença de sólidos.
No caso do caldo, pode existir a problemática
de presença de “bagaço” no fluido. O que pode
gerar instabilidade (ruído) na medição. O
mercado apresenta soluções para amenizar os
problemas com ruído, e serão apresentados
abaixo:
imunidade a ruídos, precisão e estabilidade sob
variações na vazão.
Com esse método, um campo magnético é
gerado (por excitação), fornecendo uma corrente
com dois componentes, um de alta (AC Power) e
um de baixa frequência (Pulse DC) – Tabela 1 -,
através da bobina do medidor. Tendo ambas as
vantagens da excitação de baixa frequência
(estabilidade) e excitação de alta frequência
(resistência de ruído), esse método oferece maior
precisão e estabilidade que o método de
excitação de frequência única (AC Power ou
Pulse DC).
Tabela 1- Métodos de Excitação
Medidor Magnético
O medidor eletromagnético é um instrumento
que faz a leitura volumétrica de um fluido. O
princípio de medição eletromagnético é baseado
na Lei de Faraday, que afirma que a presença de
um campo magnético em um meio condutor
produz uma força eletromotriz (FEM), e que a
variação dessa FEM é consequência direta da
variação do fluxo do meio condutor. Desta forma,
o mesmo princípio é utilizado em medidores de
fluxo eletromagnéticos, que utilizando bobinas de
excitação
(para
criar
campo
magnético
perpendicular ao fluido) e eletrodos em contato
com o meio condutor, obtêm-se a variação dessa
FEM que é proporcional a velocidade do fluído, e
consequentemente, a vazão.
A dupla frequência de excitação é a
tecnologia mais atual no mercado, desenvolvida a
partir das primeiras tecnologias: Pulse DC e AC
Power. Apresentando diversas vantagens sobre
as tecnologias antigas, conforme já citado
anteriormente, principalmente em aplicações em
que o fluido apresenta grande variação de
condutividade e presença de sólidos que podem
ocasionar ruídos.
Pelas características já citadas anteriormente,
diversas tecnologias foram desenvolvidas para
aumentar o tempo de vida dos medidores
magnéticos e diminuir quantidade de paradas
para manutenção, seguem as principais:
- Material do revestimento do tubo medidor:
O mercado apresenta uma gama de materiais
para revestimento do tubo medidor
Figura 2 - Princípio de medição Eletromagnético
Uma das maiores preocupações em um
medidor magnético é o tipo de excitação das
bobinas, pois o campo magnético criado pelas
bobinas é o responsável pelo sinal (FEM) obtido
nos eletrodos, e esse sinal deve apresentar o
mínimo de ruídos e interferências possíveis, já
que a partir desse sinal a velocidade do fluido é
calculada, e consecutivamente a vazão
volumétrica. Esse princípio segue a lei de
Faraday.
Uma tecnologia disponível no mercado, e que
é indicada em aplicações que podem
proporcionar ruído na leitura é o tipo de excitação
por Dupla Frequência que oferece excelente
Revestimento
interno do Tubo
Figura 3 - Medidor de vazão Tipo Magnético
Em aplicações cujo fluido apresenta grande
quantidade de sólidos, deve se tomar cuidado
com o tipo de revestimento que estará em contato
com o fluido, para aplicações como caldo o PFA é
o mais indicado.
conhecer a pressão da fase gasosa atuante na
superfície do líquido.
Em aplicações com alta pressão estática, o
sensor capacitivo gera grandes erros causado
pela variação da pressão estática e até
deformações permanentes no diafragma, Já a
tecnologia digital tipo silício ressonante, pode
suportar maior variação de pressão estática, até
25MPa. Mantendo uma estabilidade, em seu uso
continuo, por até 10 anos.
-Reforço mecânico no revestimento:
Para
garantir
maior
resistência
ao
revestimento, uma tela metálica pode ser
adicionada ao revestimento, garantindo assim
que o medidor não sofrerá rupturas por sólidos ou
mesmo em caso de vácuo na linha, o
revestimento não sofra deformação vindo a
romper.
Figura 4 - Tela metálica no interior do revestimento
- Controle da vazão da água adicionada aos
termos da moenda:
Neste processo, é necessário o controle da
vazão da água que está sendo adicionada aos
termos, e pode ser feito através de medidores de
vazão magnético.
- Controle do nível das caixas de caldo:
Na caixa de caldo, tanto do caldo primário
como secundário é preciso o controle do nível das
caixas. Estes controles podem ser realizados
através de transmissores de pressão.
Um grande diferencial de tecnologia também é a
possibilidade da detecção e geração de alarmes
(visuais e físicos) quando as tomadas são
obstruídas, por exemplo, com líquido de fácil
incrustação, cristalização ou sujeito à congelamento.
Recursos de caracterização/linearização de sinal
permitem medir massa ou volume do líquido
acumulado, mesmo que os tanques tenham formato
geométrico no qual a relação com a pressão não
seja linear, por exemplo, tanques cilíndricos
horizontais, cônicos, etc. Também, nos casos em
que acontece instalação invertida das tomadas, é
possível fazer a inversão de forma virtual na
configuração do transmissor - não necessariamente
tem-se que invertê-las fisicamente.
Estes recursos são de grande importância para
operação, diagnósticos e manutenção.
Transmissor de nível por pressão de coluna
líquida
É possível medir o nível num tanque ou vaso
medindo-se a pressão exercida pela sua coluna
líquida através do uso de transmissores de
pressão diferencial.
Os transmissores de pressão, dependendo do
fabricante, utilizam tecnologias de sensores do
tipo capacitivo, piezoresistivo, strain gage, piezoelétrico, ou sensor digital de silício ressonante.
1.2 Tratamento do caldo
Figura 5 - Transmissor de pressão com
tecnologia digital
Alguns transmissores de pressão diferencial
permitem conhecer além da pressão diferencial, a
pressão estática individual no lado de alta e/ou
baixa pressão, bem como a temperatura da
cápsula. Quando aplicados à medição de nível,
por exemplo, com tanques fechados, permitem
O tratamento de caldo tem a função de
remover as impurezas grossas. O caldo é
inicialmente peneirado, e posteriormente tratado
com agentes químicos, para coagular parte da
matéria coloidal (ceras, graxas, proteínas, gomas,
pectinas, corantes), precipitar certas impurezas e
modificar o pH.
O caldo dever passar por um processo de
Clarificação simples, que consiste em um
tratamento com cal e calor antes da etapa de
evaporação. Existem cinco métodos utilizados no
processo de clarificação. Eles são os seguintes:
- Sulfitação – Utilização do SO2 auxiliando na
redução do PH, diminuição da viscosidade,
formação de complexos com açúcares redutores
e preservação do caldo contra alguns
microrganismos.
- Fosfatação – Auxilia P2O5 na remoção de
materiais corantes.
- Caleação – Utilizando Cal virgem que reage
com SO2 e P2O5 torna-se insolúvel no PH
neutro, a partir da reação com vapor de água e
alta pressão, as impurezas (lodo) tornam-se mais
consistentes se separando do caldo, podendo
assim, se separar o caldo das impurezas através
da diferença de densidade.
1.2.1 Instrumentação
- Controle da Temperatura do Caldo.
- Controle da vazão de caldo enviado para os
decantadores.
- Controle de dosagem de polímeros.
- Controle da vazão de lodo.
Medição da temperatura na saída dos
aquecedores de caldo pode ser feito por
transmissores de temperatura e na medição de
vazão os medidores de vazão magnética ou ainda
medidores tipo Coriolis (medição mássica)
Medidor de vazão Mássica Tipo Coriolis
É um equipamento altamente robusto e
confiável, com precisão melhor que os medidores
tipo magnético de 0,1% para líquidos e 0,5% para
gases, pode ser utilizado tanto para a medição de
vazão
como
densidade,
temperatura,
e
concentração (BRIX, PLATO, INPM).
Apresenta uma estrutura de reforço nos
tubos do medidor para evitar danos por cargas
externas
e
interferências
por
vibrações
aumentando a performance do medidor e
garantindo seu uso em aplicações e ambientes
severos. Podendo ser utilizado em vazões de
0,04T/h até 600t/h, temperaturas de -200C até
350C,
Figura 7 - Medidor Mássico tipo Coriolis
1.3 Evaporação do Caldo
O caldo é enviado para o processo de
evaporação, a quantidade de água removida
chega a 80% do peso do caldo. A função da
evaporação é para manter a concentração entre
60 o e 70o Brix.
1.3.1 Instrumentação
- Controle da temperatura do caldo na entrada do
evaporador.
- Controle do nível do caldo dentro dos
evaporadores.
- Controle da vazão do caldo enviado aos
evaporadores.
- Controle da quantidade de vapor enviado aos
evaporadores.
Para as aplicações anteriores, podermos
utilizar os mesmos equipamentos citados nos
itens anteriores, inclusive para a medição da
concentração BRIX utilizando o medidor tipo
coriolis.
Na medição de Vapor, pode ser utilizado os
transmissores de pressão, citados anteriormente
em conjunto com placa de orifício e no caso de
maior precisão, existe também os medidores do
tipo Vortex.
Medidor Tipo Vortex
É um medidor de vazão que usa tecnologia
Vortex com alta precisão, disponível também em
versão multivariável com sensor de temperatura
acoplado,
possibilitando
também
medição
mássica com compensação de temperatura.
Estes tipos de medidores podem sofrer
interferências no processo decorrente de alta
vibração e ruídos em condições de processo
severas. Para sanar problemas como esses
existe no mercado uma tecnologia de
processamento de sinal SSP (Special signal
processing) para processamento digital de sinal,
cuja função é amenizar as interferências de
vibrações e ruídos nas medições garantindo
maior precisão. A tecnologia aumenta a eficiência
da planta de processo e reduz os custos de
operação. Tem opcional Multivariável com sensor
de temperatura acoplado. Opcional para
aplicações que exigem reduções de diâmetro da
linha "Reduce Bore" cujo próprio medidor tem
redução interna, evitando o uso de redutores na
linha. Também pode ser utilizado para altas
temperaturas chegando a 450C e Criogenia.
resfriamento. Dependendo da quantidade de
massas, os cristalizadores também, são
empregados em conjunto. Após a cristalização a
massa cozida é centrifugada.
1.6 Centrifugação A centrifugação tem como objetivo a
separação do melaço que envolve os cristais de
açúcar. Através da força centrifuga o melaço sai
através das perfurações e é encaminhado para a
caixa dos méis.
1.7 Secagem do açúcar O
processo
de
secagem
consiste
basicamente das etapas de evaporação e,
resfriamento até a temperatura de ensaque por
uma corrente de ar contraria ao deslocamento do
açúcar, formada por um ventilador.
Discussão e Conclusões
Figura 8 - Medidor de Vazão Tipo Vortex
1.4 Cozimento
O xarope resultante dos Evaporadores da
etapa anterior é enviado para a etapa de
cozimento, que pode também ser chamados de
vasos, estes vasos são alimentados por cargas
de vapor, fazendo com que o xarope chegue a
supersaturação tornando sua consistência como
mel.
Com a formação dos cristais de açúcar, os
mesmos são enviados para os cristalizadores,
completando a etapa de cristalização. O principal
objetivo da etapa de cozimento é produzir a maior
porcentagem possível de cristais e produzir um
açúcar uniforme com cristais do tamanho
desejado.
1.4.1 Instrumentação
- Controle de pressão da calandra do cozedor.
Utilização de transmissores de pressão.
- Controle de nível da caixa de condensado.
Utilização de transmissores de pressão.
1.5 Cristalização Os cristalizadores são todos basicamente
iguais, sendo compostos de elemento que giram
lentamente, fazendo com que o açúcar dissolvido
no mel entre em contato com os cristais,
aumentando o volume enquanto se processa o
Todas as tecnologias citadas no trabalho
provêm de experiências técnicas e estudos
realizados no processamento do caldo de cana
em açúcar.
Os maiores desafios estão principalmente em
encontrar instrumentos adequados para a
medição de um fluido que sofre diversas
alterações químicas e físicas durante várias
etapas. Esses instrumentos devem ser robustos,
precisos e confiáveis, para garantir a eficiência do
processo e o mercado dispõe de instrumentos
que são desenvolvidos para trabalharem muito
bem com as características do processo.
Referências
1. Artigos em Revistas e Anais e Capítulos
de Livros
ANDRADE, S.A.C.; CASTRO. S.B. Engenharia e
tecnologia
açucareira.
Departamento
de
Engenharia Química CTG – UFPE. 2006,
Pernambuco. Anais...
ALCARDE, A.R. Processamento da cana-deaçúcar. Empresa Brasileira de Pesquisa
Agropecuária – Embrapa. 2007, Brasília, DF.
Anais...
PAYNE, J.H. Operações unitárias na produção de
açúcar de cana; tradução Florenal Zarpelon. São
Paulo: Nobel S.A., 1989. 246 páginas
1.1.
Livros e Teses
Contato
Autora:
Tatiana
Hitomy
Rezende
Diniz,
Engenheira de Aplicações na empresa Yokogawa
América do Sul. Endereço: Alameda Rio Negro
585, Bloco C, 2o Andar, Telefone: (11) 3513-1411,
Email: [email protected]