Vantagens e aplicações na instrumentação no processamento da cana de açúcar em açúcar

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1 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.

2 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: 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. 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 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.

3 -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. 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. 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. 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. 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. 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

4 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 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 70 o Brix 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

5 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 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., páginas 1.1. Livros e Teses Contato

6 Autora: Tatiana Hitomy Rezende Diniz, Engenheira de Aplicações na empresa Yokogawa América do Sul. Endereço: Alameda Rio Negro 585, Bloco C, 2 o Andar, Telefone: (11) , tatiana.diniz@br.yokogawa.com