Flotação - Flot

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Flotação - Clarificação Introdução: Desde que Williamson criou o sistema que combinava fosfatação e flotação em 1919, chamado "Fosflotação" por Saranin, alguns avanços aconteceram e novos processos de flotação - clarificação foram desenvolvidos pela indústria açucareira. Estes processos melhoraram a qualidade do açúcar produzido e em alguns casos aumentaram a capacidade da fábrica. Um importante avanço foi a aplicação intensiva de floculante poliacrilamida que mostrou se altamente eficiente, incrementando a velocidade de flotação e a estabilidade dos processos de separação. Também obtiveram-se melhoras significativas mediante a utilização do surfactante catiônico especial chamado "Talofloc" ou cloreto de dioctadecyl dimethil amônio, o qual se combina com os corantes de cargas negativas (a maioria dos corantes) e com outras impurezas aniônicas, precipitando logo todos juntos. Por estes motivos a eficiência na remoção dos corantes e na clarificação aumentou a níveis elevados. Porém estes insumos químicos ainda são de alto custo para algumas fábricas, especialmente quando o preço internacional do açúcar esta baixo. Na China a maioria das fábricas de açúcar produzem açúcar branco (white sugar) usando processos de dupla carbonatação ou dupla sulfitação. Após a safra algumas delas tornam-se refinarias e produzem açúcar branco (white sugar) a partir de açúcar demerara. Desde os anos 70, o autor e seus colegas fizeram pesquisas intensas dos processos de flotação - clarificação e fosflotação. Baseados nestas pesquisas, um novo sistema de elevada eficiência e baixo custo foi desenvolvido e posto em prática em várias fábricas da província de Guangdong, na China. Este processo permite combinar fosflotação com carbonatação ou com sulfitação removendo todos os precipitados do licor por flotação. Comparando-o com o sistema de fosflotação simples que remove perto de 30 % da cor, este novo sistema remove de 50 a 70 %, dependendo das combinações adotadas e das condições de trabalho do processo, as quais tem flexibilidade suficiente para serem modificadas em função da qualidade do açúcar demerara processado e os níveis de eficiência da clarificação desejados. Há um problema específico neste novo sistema devido ao fato de que os precipitados de CaSO3 e CaCO3 que são mais pesados e difíceis de flotar que os precipitados de fosfato, e como a quantidade destes precipitados é muito maior que a formada no processo de fosfatação, fica bastante difícil fazer uma rápida e firme flotação do precipitado formado. Para resolver este problema, foram projetados pelo autor alguns novos equipamentos para aeramento do licor que permitem obter melhor floculação e flotação. Com estes equipamentos consegue-se resultados satisfatórios e um processo capaz de ser operado sem problemas. No começo da utilização do processo de fosflotação para clarificação de caldas de açúcar demerara, nossas fábricas não utilizavam SO2 . Porém foi provado na prática que a qualidade do açúcar produzido pode ser melhorada pela adição de pequenas quantias de SO2 dentro da calda (licor) clarificada após fosflotação e o efeito é até maior quando o SO2 é adicionado antes da fosflotação. No caso do último método, o CaSO3 precipitado na calda pode ser removido junto ao fosfato de cálcio por flotação, e ambos funcionam como descolorantes: SO2 (Desco-loração baseada principalmente em reações químicas) e CaSO3 ( Descoloração baseada principalmente na adsorção). Com este método pode se obter uma alta descolorizacão da ordem de 50 a 65 %, dependendo do nível de SO2 adicionado. O fluxograma deste processo combinado é mostrado a seguir: Fluxograma 1 As principais condições de operação são as seguintes: Calda ( Licor) 61 a 63º Bx, 60 a 65º C pH do pré-caleado 8,2 a 8,8 Dosagem de SO2 0,4 a 1,4 g/l Dosagem a ácido fosfórico 300 a 500 ppm nos sólidos açucarados Temperatura de aquecimento 75 a 80º C Dosagem de floculante 10 a 15 ppm sobre sólidos pH da calda ( Licor clarificado) 6,6 a 6,8 A eficiência de remoção da cor por este processo é incrementada em função da quantidade de SO2 dosado, permitindo ajustar a dosagem segundo a cor desejada. Quando o açúcar dissolvido é de boa qualidade, por exemplo, com cor menor que 4.000 M.A.U, a adição de 0,4 s 0,8 g/l de SO2 é suficiente para produzir açúcar branco cristal de qualidade aceitável (90 a 120 M.A.U). Se aumentar a dosagem para 1,0 ou 1,4 g/l de SO2 pode-se obter açúcar com valores inferiores a 80 até 60 M.A.U. Por outro lado se o açúcar a ser processado for de baixa qualidade com valores de cor acima de 8000 M.A.U, podem ocorrer muitos problemas no processo de refinação, então um nível elevado de sulfitação será necessário para que o processo corra normalmente. Por exemplo, em 1987 a fábrica de açúcar MEI - SAN, localizada na província de Guangdong (Com uma capacidade de moagem de 6.000 TCD) recebeu açúcar demerara importado de cor marrom escuro. Durante um período de 2 meses de refinação manteve-se o nível de SO2 de 1,2 a 1,4 g/l, obtendo-se açúcar cristal normalmente. Alguns dados de cor atingidos neste período foram os seguintes: Açúcar Demerara 7200 a 8500 M.A.U Calda ( Licor ) fundida 2200 a 3200 M.A.U Calda Clarificada 900 a 1300 M.A.U Descoloração 56 a 63 % Açúcar branco (white sugar) 100 a 120 M.A.U Durante a safra o processo de fosflotação é usado também para clarificação de xarope combinado com a clarificação do caldo onde 1,2 a 1,4 g/l de SO2 são adicionados. Ainda foi verificado que quando o xarope clarificado absorve uma pequena quantidade de SO2 (perto de 0,2 g/l) o efeito é ainda melhor. Por este processo foram atingidos os seguintes índices de qualidade na Usina ZHONG - SAN Pol 99,8 Açúcares Redutores 0,016 % Umidade 0,036 % Cinzas 0,022 % Cor 64 M.A.U Material Insolúvel 10,2 mg/Kg SO2 Residual 7,5 mg/Kg Além do mais o açúcar obtido mantém seus parâmetros de qualidade com o tempo. Algumas amostras feitas em 1983 foram estocadas em frascos brancos de vidro sem tampas hermeticamente fechados que impedissem a entrada de ar. Cinco anos depois, embora as amostras tenham absorvido umidade do ar e tenham-se tornado úmidas e meladas, não houve amarelamento ou escurecimento do açúcar. Neste processo a sulfitação do caldo e do xarope são necessárias. De acordo com nossa experiência, após um longo período de tempo, cada um dos processos, sulfitação e fosfatação, tem sua própria função na remoção dos corantes e das impurezas. Eles se complementam, porém nenhum deles pode substituir totalmente o outro. Isto aplica-se tanto a clarificação do caldo, como a clarificação de xarope. A efetividade da fosfatação foi estudada detalhadamente por muitos pesquisadores. É aceita comumente na indústria açucareira. Porém no referente a sulfitação existem diferentes pontos de vista: Em 1984 baseado numa série de pesquisas SHORE diz: " O SO2 é inibidor das reações formadoras de cor que acontecem durante a estocagem do açúcar, assim também como durante os estágios do processo produtivo" e " O principal papel do SO2 utilizado na industria açucareira é inibir as reações não enzimáticas de amarelamento" (browning reactions). Também disse " O SO2 inibe a formação de cor devido as reações enzimáticas". Estas conclusões também são confirmadas pela nossa experiência. Vale a pena mencionar o fato de que na maioria das usinas da província de Guangdong a sulfitação do caldo e do xarope são empregadas utilizando-se reatores tubulares que trabalham sob regime de ligeiro vácuo proporcionado pela injeção do caldo e/ou xarope. Este equipamento é de construção simples e atinge uma elevada eficiência de absorção, superior a 92 %, durante um período de retenção curto, de poucos minutos. Combinação de Fosflotação e Carbonatação O processo de carbonatação é bem conhecido por ser mais eficiente que a sulfitação na remoção de corantes e outras impurezas. De qualquer maneira requer altos investimentos e gera grandes quantidades de lodo residual alcalino. O despejo destes efluentes começa a aumentar os problemas de poluição. Usar as vantagens da carbonatação evitando seus pontos negativos, é um logro do novo sistema que opera com baixos níveis de carbonatação e fosflotação. Foi desenvolvido em Guangdong e posto em marcha com resultados satisfatórios. Este processo engloba dois passos, de tratamento e flotação como observamos a seguir : Fluxograma Nº 2 As condições operacionais principais são: 1 - Calda Fundida 61 a 63º Bx / 60 a 65º C 2- Caleagem 0,4 a 0,5 % CaO 3- pH final de saturação 8,0 a 8,5 4- Temperatura de Aquecimento 78 a 82º C 5- Dosagem de floculante (Primário) 20 ppm sobre sólidos 6- Dosagem de floculante (Secundário) 10 ppm sobre sólidos 7- Dosagem de Ácido Fosfórico 200 ppm de P2O5 sobre sólidos 8- Nível de Sulfitação 0,2 / 0,4 g SO2 / l 9- pH final da calda 6,6 a 6,8 Por este processo é possível obter elevados níveis de eficiência na remoção da cor. Alguns resultados práticos obtidos são os seguintes: Licor inicial (Calda Fundida) 3200 a 3800 M.A.U Licor Clarificado 1000 a 1200 M.A.U % remoção de cor 66 a 70 % Cor do açúcar (white sugar) 60 a 80 M.A.U Embora o açúcar demerara tenha cor muito escura, este processo obtém açúcar de baixa coloração e aparência brilhante. Neste processo a quantidade de cal adicionada é reduzida consideravelmente e portanto o lodo produzido é muito menor que o produzido no processo tradicional de carbonatação. Como o lodo contém fosfatos e apresenta ligeira alcalinidade, pode ser utilizado como fertilizante para solos ácidos, minimizando os problemas de contaminação ambiental. O CO2 empregado neste sistema tanto pode ser obtido da fermentação alcoólica como também dos gases de combustão, porém o primeiro é muito melhor para esta aplicação. Quando o gás de fermentação é usado o equipamento deste sistema pode ser consideravelmente simplificado devido ao fato de que este gás é quase CO2 puro. O reator tubular projetado pelo autor apresentou excelente performance e alta eficiência de absorção. O gás entra no reator misturando-se ao licor por poucos segundos, durante os quais perto de 70 % do CO2 é absorvido. Logo a mistura entra num pequeno tanque onde o CO2 continua sendo absorvido até atingir aproximadamente 90 % de absorção em 10 minutos. Este processo é de fácil controle, o equipamento e a bomba de gás são de pequeno porte e muito simples e o consumo de energia é baixo. O benefício máximo pode ser obtido por fábricas anexas a destilarias de álcool. Os investimentos são muito mais baixos do que nos processos tradicionais de carbonatação. Por outro lado se for usado gás de combustão como fonte de CO2, o saturador, o equipamento de lavagem e a bomba de gás são muito mais complicados e consomem muito mais energia que quando se utiliza o gás da fermentação. O CaCO3 formado no licor atinge uma concentração aproximada de 10 g/l, e forma um precipitado de partículas pesadas de difícil flotação. É muito importante resolver este problema. Com relação a este problema algumas medidas foram aplicadas na aeração e na floculação e serão descritas logo. Este sistema compreende duas etapas de flotação, e a primeira etapa necessita mais floculante e bolhas de ar para flotar maior quantidade de precipitado. Para atender as duas etapas de tratamento foi projetado um novo clarificador do tipo raso (Baixa altura) de dupla camada. O tempo de retenção de cada camada é de 14 a 18 minutos, dependendo da quantia de licor a ser tratada. Usualmente uma floculação completa e de boa qualidade pode ser obtida em ambos passos do processo. Quando tudo corre normalmente sobre condições normais, ambos os clarificados são transparentes. Porém se as condições de trabalho da carbonatação são instáveis ou não adequadas, o primeiro estágio de clarificação piora e o caldo clarificado primário torna-se turvo. De qualquer modo o resíduo suspenso pode ser removido na flotação secundária, que trabalha em condições mais favoráveis, com menor quantidade de precipitados constituídos principalmente por fosfato de cálcio, mais fácil para flocular e flotar. Desta maneira o produto final é claro e brilhante. Aparentemente este processo pode ainda ser mais simplificado até um passo só de flotação, pela pré-aplicação de ácido fosfórico, controlando o pH ao redor de 8 e operando com o sistema automatizado para manter temperatura, pH e dosagem de produtos químicos sempre disponíveis e estáveis. Concluindo, este sistema pode ser mais econômico e benéfico que os outros sistemas atualmente em uso. Este artigo foi extraído do Int. Sugar Journal Vol. 91. Nº 1088 de 1989 O Mecanismo Principal da Aeração e Flotação O processo moderno de flotação é uma tecnologia de elevada eficiência para separação de partículas sólidas contidas dentro de um líquido pela adição de bolhas de ar e floculantes. Comparado aos métodos tradicionais de sedimentação, os quais são ainda largamente utilizados na indústria açucareira e outras áreas, a flotação apresenta velocidades muito maiores de separação com equipamentos de volumes menores. A maioria das partículas sólidas dos caldos de cana sedimentam a baixa velocidade , por este motivo as usinas tem instalados decantadores que ocupam grandes volumes. Uma das principais vantagens obtidas pela indústria açucareira com o incremento da velocidade de separação, consiste na diminuição dos tempos de retenção e consequentemente a redução das perdas por inversão. A flotação funciona segundo o princípio da formação de aglomerados de baixa densidade constituídos por partículas e bolhas que flutuam com maior ou menor facilidade em função da densidade obtida. Fica evidente então que o fator mais importante do processo consiste em ligar firmemente todas as partículas sólidas as bolhas de ar . Esta união depende de vários fatores físico-químicos e de parâmetros hidrodinâmicos. Pelas propriedades físico-químicas de suas superfícies, as partículas sólidas podem ser classificadas como hidrofóbicas ou hidrófilas. As partículas com superfícies de características hidrofóbicas repelem a água e tem tendência para aderir-se as bolhas de ar e subir espontaneamente com elas. Por outra parte as partículas com características hidrofílicas, cujas superfícies tem afinidade pela água, não aderem rapidamente as bolhas de ar e são mais problemáticas para flutuar. Como assinalou Gochin: "Quase todos os sólidos naturais dos caldos e as partículas inorgânicas precipitadas quimicamente possuem superfícies com forte afinidade pela água, são hidrofílicas, e portanto não flutuam". Isto também se aplica tanto ao xarope como as caldas açucaradas: A maior parte do material insolúvel está constituída por coágulos de colóides orgânicos hidrófilos e sais de cálcio dotados de superfícies tipicamente hidrófilas. A experiência mostra o quanto é difícil fazer estas partículas flotarem. Atentando para estas dificuldades e para a necessidade de compreender os mecanismos da flotação, uma série de pesquisas e estudos foram conduzidos pelo autor. O primeiro passo consiste em descobrir as propriedades do fosfato de cálcio, principal constituinte químico do processo de flotação. Um teste foi realizado da seguinte maneira: Soluções de fosfato de sódio e cloreto de cálcio foram diluídas convenientemente nas concentrações de 300 ppm de P2O5 e 400 ppm de CaO. O fosfato de cálcio foi precipitado na forma de muitas partículas minúsculas, e decantadas lentamente. Seguidamente o líquido foi aerado pela adição de água previamente gaseificada com ar. A água aerada foi dosada com ar comprimido a uma pressão de 6 Kg/cm2 e mantida durante 3 minutos a esta pressão para permitir a dissolução do ar na água. Esta água gaseificada, ou água com ar dissolvido, libera uma grande quantidade de bolhas microscópicas de ar ao ser despressurizada, devido ao fato de que a solubilidade do ar na água diminui quando diminui a pressão. Quando esta água com ar dissolvido foi misturada a solução contendo partículas de fosfato como descrito no teste antes mencionado, não houve aderência das partículas sólidas as bolhas, nem mesmo apesar de ter sido liberada uma grande quantidade de bolhas microscópicas. Nenhuma das partículas flotou e todas continuaram assentando gradualmente. Isto demonstra que o precipitado de fosfato tem superfície hidrofílica. Testes posteriores mostraram que, se alguns agentes surfactantes são adicionados ao líquido, antes da aeração, as bolhas de ar se juntam as partículas sólidas produzindo a flotação de ambas. Isto se deve ao fato de que as moléculas adsorventes do surfactante se dispõem sobre a superfície das partículas, pelo que as cadeias de hidro carbonos do surfactante tornam as partículas hidrofóbicas. É impossível utilizar este método na indústria açucareira. O fosfato de cálcio tem uma característica que lhe permite flocular espontaneamente formando partículas amorfas, porosas e cheias de cavidades internas. Durante a formação destes flóculos, algumas outras partículas tais como impurezas contidas no licor açucarado, ou xarope podem ser retidas no interior destas cavidades. Este é o motivo pelo qual o fosfato é eficiente na remoção de material suspenso, inclusive partículas quimicamente inertes. Simultaneamente o fosfato de cálcio precipitado pode ocluir (Penetração de uma substância nos poros interiores de outra) bolhas de ar durante o processo formando flóculos que possuem densidade mais baixa que o líquido. Isto pode ser verificado num teste como o que foi descrito anteriormente, porém mudando a seqüência das operações como explicamos a seguir: Água contendo o ar dissolvido é adicionada continuamente e simultaneamente com a solução de fosfato de sódio a uma outra solução contendo cloreto de cálcio. O carbonato de cálcio vai precipitando e formando flóculos, os quais contém ar ocluído no seu interior e na sua superfície, o que pode ser visualizado claramente. As partículas flutuam e sobem a diferentes velocidades em função do tamanho dos flóculos e da quantidade de ar ocluído . Este tipo de flotação está baseado na floculação das partículas sólidas e possui características diferentes as das partículas hidrofóbicas. Quando as bolhas de ar sobem no líquido, as bolhas maiores ascendem com maior velocidade e as menores lentamente. No processo de floculação - flotação somente as bolhas pequenas podem penetrar nos flóculos contribuindo efetivamente ao processo. As bolhas grandes não são aproveitadas e podem até ser prejudiciais. Os fatores mais importantes que influenciam no sistema e determinam o seu sucesso e eficiência na flotação - separação são os parâmetros das bolhas e a formação dos flóculos. Parâmetros das Bolhas As bolhas de ar proporcionam a força necessária para sustentar a flotação das partículas sólidas. O tamanho e a quantidade de bolhas tem grande influência na estabilidade e velocidade de flotação. Uma análise física - matemática básica deve ser feita a partir do qual algumas normas fundamentais podem ser elaboradas. A força F1 que leva um corpo a flutuar é: F1 = V * ( d2 - d1 ) (1) Onde: V = Volume do corpo d1 = Densidade do corpo d2 = Densidade do líquido A resistência que se opõe a um corpo em movimento, F2 , é dada por: Cd2 * AV2 F2 = (2) 2g Onde: C = Coeficiente de resistência ao movimento do corpo A = Área da seção do corpo V = Velocidade de ascensão do corpo g = Força da gravidade O coeficiente de resistência ( C ) varia em função de alguns outros fatores. Nas condições do teste podemos expressá-lo como: 24 C = (3) Re Onde: Re = Número de Reynolds A velocidade de ascensão de uma bolha de ar em um líquido depende do seu tamanho e das propriedades do líquido, e pode ser calculada segundo a fórmula antes exposta e segundo os parâmetros relativos. Algumas curvas da velocidade das de ar bolhas de vários diâmetros em água e soluções a 60º Bx e várias temperaturas são mostradas na Fig. 1. Estes dados coincidem com os dados encontrados experimentalmente. Fig. 1 Verificamos na Fig. 1 que a velocidade das bolhas de ar aumenta rapidamente com o tamanho sendo aproximadamente proporcional ao quadrado do diâmetro, mantendo ao outras condições iguais. Partindo desta relação o tamanho das partículas pode ser estimado grosseiramente a partir da velocidade de ascensão. Para os processos açucareiros são aconselháveis tamanhos de bolhas menores a 50 micrômetros. Estas bolhas flotam nos xaropes a 60º Bx e 60 a 80º C de temperatura, com uma velocidade menor a 2 cm/min. Também podemos dizer que uma flotação será satisfatória se o xarope ou a calda são mantidos durante 2 minutos completamente cheios de bolhas. Em soluções muito concentradas de açúcar, a velocidade de ascensão das bolhas pequenas é baixa. Porém em uma flotação bem conduzida os flóculos podem subir a alta velocidade. Isto pode ser visto naqueles processos onde após a maior parte dos flóculos terem subido, sobram ainda umas poucas bolhas que saem no clarificado dando-lhes aspecto ligeiramente turvo. Os flóculos tem densidade muito maior que as bolhas, porém devido a serem maiores que as mesmas sofrem oclusão delas no seu interior e adquirem densidade menor que a do líquido. Nestas condições os flóculos adquirem maior velocidade que as bolhas individuais. Isto também pode ser demonstrado utilizando as fórmulas descritas anteriormente para cálculo de velocidade de ascensão das partículas de diferentes tamanhos e densidades. Os resultados dos cálculos são mostrados na Fig. 2, onde observamos a velocidade de ascensão de corpos esféricos possuindo densidade de 0,9 1,0 até 1,1 respectivamente e possuindo diâmetros de 0,1 até 0,8 mm, flutuando em soluções açucaradas com as seguintes características: Concentração 60º Bx Temperatura 60º C Densidade 1,264 Viscosidade 9,69 Centipoises Fig. 2 Isto mostra que a velocidade de ascensão dos corpos aumenta rapidamente com seu tamanho. Este comportamento é similar ao processo de sedimentação (mudando somente ascensão por decantação). Partículas maiores que 0,5 mm e com densidades menores que 1,1 podem subir a mais que 10 cm/min. Ou seja, muito mais rápido que as bolhas mais pequenas de ar. A Fig. 2 foi calculada para corpos esféricos, ao passo que, na prática os flóculos tem formas diferentes e variadas. Isto afeta o coeficiente de resistência ao movimento e a velocidade de ascensão , porém a correlação assinalada entre os parâmetros relativos pode ser aplicada ao conjunto de flóculos. A velocidade de ascensão dos flóculos em um dado líquido depende principalmente do tamanho e da densidade do flóculo. Isto pode ser verificado na Fig. 2, onde observamos que para cada decréscimo de 0,1 pontos na densidade corresponde um incremento de 40 a 70 % na velocidade de ascensão. Se por um lado a densidade do líquido e dos sólidos apresentam variações pequenas, a densidade dos flocos depende principalmente da quantidade de bolhas de ar ocluídas. Este trabalho mostra o importante papel que possuem as técnicas modernas de floculação no incremento das velocidades de flotação - separação devido a formação de flóculos de grande tamanho e pouca densidade graças as bolhas de ar ocluídas. Os trabalhos de pesquisa mostraram que os seguintes fatores são essenciais para atingirmos bons resultados: 1) As bolhas de ar devem ser microscópicas como foi apontado por Saranin: "As bolhas devem ser suficientemente pequenas para ocluir-se facilmente dentro dos flóculos do precipitado". O tamanho ideal não deve ser maior que 30 mícrons, podendo ser considerado aceitável até 50 mícrons. Bolhas de tamanho grande são indesejáveis porque o processo não as aproveita, são perdidas, aumentam a turbulência no equipamento e interferem na flotação dos flóculos. 2) A quantidade de bolhas deve ser suficiente para a quantidade de flóculos formados, e não deve haver grandes quantidades excedentes, pois tornam-se desnecessárias e prejudiciais. Um sistema bem projetado, que utilize floculantes de excelente qualidade e onde as bolhas sejam efetivamente utilizadas não requere grandes quantidades das mesmas. As bolhas injetadas devem ser da ordem de 0,5 a 1 % do volume do licor. Se a quantidade de sólidos insolúveis no licor, inclusive os precipitados formados pelo tratamento químico, são aproximadamente de 1 a 3 g / litro, o volume de bolhas necessárias será de 3 a 5 ml por grama de sólidos, respeitando a dosagem percentual mencionada no parágrafo anterior. Se a mistura bolhas - sólidos for efetiva possuirá uma baixa densidade de 0,2 a 0,3. Isto significa que o fator principal para conseguirmos uma flotação ótima é utilizar as bolhas efetivamente misturadas aos flóculos, sem sobras excessivas das mesmas. Por outro lado isto significa que dosagens excessivas de ar aumentam a espuma produzida e consequentemente diminui o efeito de certa quantidade do floculante nos flóculos e na espuma. 3) Boa floculação é necessária para ajudar a oclusão das bolhas nos flóculos. Durante a floculação do fosfato de cálcio, chamada "Floculação primária" podem ocluir - se algumas bolhas. Com base nesta função, o processo de fosflotação foi aplicado em muitas refinarias de açúcar, em algumas até durante 50 anos. De qualquer modo o efeito é limitado, porque o processo não é muito estável, e os resultados práticos não são muito bons. A aplicação de poliacrilamidas na etapa chamada "floculação secundária" propiciou grande melhoria da floculação com a obtenção de flocos de grande tamanho, alguns atingindo até vários milímetros, e ocluindo maior quantidade de bolhas de ar. Isto transformou a flotação em uma operação mais estável e de muito maior eficiência. Desta maneira, o processo de aeração no tempo certo, junto a uma boa coordenação entre as duas floculações (primária e secundária) são fatores importantes para obtenção do melhor resultado. Método de aeração Muitos métodos de aeração tem sido usados no processo de flotação na indústria açucareira e outras. Nos últimos anos a aeração do licor foi feita pela injeção de ar no mesmo, ou bombeando tudo ou parte do licor através de um injetor para sugar ar dentro do mesmo. Porém este método forma muitas bolhas de ar gigantes. Na década de 50, o método chamado de "ar dissolvido" foi introduzido por algumas refinarias. Este método de bolhas de ar minúsculas e uniformes foi utilizado intensivamente em outras indústrias. Sua aplicação na indústria açucareira foi estudada em detalhes por Saranin. Este sistema, de qualquer modo é um pouco complicado. Outro método utiliza-se de uma bomba de aeração, usualmente uma bomba centrífuga modificada, com alguns câmbios na sua construção para aumentar a fragmentação das bolhas. A qualidade destas bolhas não é tão boa quanto as bolhas produzidas pelo método de "ar dissolvido". O autor projetou um novo sistema baseado no mecanismo antes descrito. O aerador, de estilo multi-facas, consiste em um rotor contendo 20 lâminas cortantes girando em alta velocidade (perto de 2000 rpm), montadas em uma carcaça cilíndrica. As facas são usinadas para ter seus gumes duplos bem afiados e tortuosos para permitir a maior fragmentação possível das bolhas de ar. A carcaça na sua parte interna é provida de centenas de pequenos buracos com bordas afiadas. A abertura anular entre o rotor e a carcaça é muito pequena. O licor tratado ou o xarope com ar fluem através da passagem anular mencionada onde são fragmentados pelas facas e empurrados contra a carcaça produzindo grande quantidade de bolhas minúsculas. Todas as bolhas gigantes são quebradas e eliminadas. Observações microscópicas mostram que as bolhas formadas são de 10 a 30 mícrons de diâmetro, tão boas quanto as produzidas pelo método do "ar dissolvido", e muito mais adequadas que aquelas produzidas por outros métodos. O aerador é acionado por um motor elétrico de 75 KW, suficiente para uma refinaria com capacidade de 1000 ton. de açúcar a ser processado (Raw sugar) dia. O licor ou xarope aerado forma uma emulsão amarelada com 10 a 20 % do seu volume constituído por minúsculas bolhas. A porcentagem de bolhas contidas depende da composição do licor. Aceita-se geralmente que licores de açúcar demerara afinado contém poucas substâncias surfactantes e a duração das bolhas é relativamente pouca. Tem curta ação. Por outro lado durante a safra o xarope da cana contém mais substancias surfactantes, como por exemplo compostos nitrogenados, e forma bolhas estáveis de longo tempo de duração. Algumas amostras de xarope foram capazes de formar emulsões aeradas contendo até 40 % em volume de bolhas microscópicas estáveis. Desde que o xarope contenha um grande número de bolhas não é necessário fazê-lo circular totalmente pelo aerador. Se parte do xarope é tratado no aerador e logo misturado ao resto do produto, procurando a proporção certa de cada um, o nível adequado de bolhas pode ser conseguido. Usualmente recomendamos usar de 15 a 25 % de bolhas no xarope e 25 a 40 % no licor de açúcar demerara. Devido ao fato de que alguma parte das bolhas desaparece por perdas ou quebra das mesmas no transcurso do processo antes de chegar ao clarificador, a proporção certa de ar deve ser controlada em função da qualidade da flotação obtida no equipamento.. Floculação e uso de floculantes A eficiência dos processos modernos de flotação tem sido intensamente melhorada em função da poliacrilamida. A composição química, os parâmetros relativos, assim como os métodos de preparo e aplicação da poliacrilamida tem grande influência sobre o efeito da flotação. A maioria dos floculantes usados na indústria açucareira são copolímeros da acrilamida e do ácido acrílico, este último componente usualmente entra na proporção de 20 a 30 %. Alguns floculantes possuem componentes contendo grupos quimicamente ativos diferentes. Uma fábrica de produtos químicos em Guangzhou formulou vários tipos de floculantes atendendo as nossas necessidades e após vários testes e comparações , consegui-se selecionar alguns produtos de alta eficiência para aplicação na indústria açucareira. Geralmente poliacrilamidas de alto peso molecular são altamente eficientes. O floculante que nós estamos usando atualmente tem um peso molecular acima de 10 milhões e contém também alguns outros grupos ativos. Eles são dissolvidos cuidadosamente em água ligeiramente morna usando um agitador de baixa rotação para preparar soluções de 0,1 % de concentração. A quantidade de floculante dosada tem grande influencia na velocidade de flotação dos flóculos. Na Fig. 3 podemos observar este efeito sobre a velocidade de ascensão dos flóculos em xarope de cana tratado por fosflotação. Fig. 3 Podemos ver também que a velocidade de ascensão dos flóculos aumenta com o aumento das dosagens de floculante. Isto acontece porque os flóculos de tamanho maior contém maior quantidade de bolhas de ar. A quantidade de floculante necessária para o processo não depende somente do tipo e das propriedades do floculante, depende também da forma como estiver arranjado o processo. Por exemplo na fosflotação de xarope podemos colocar aeração antes da fosflotação, então a floculação primária do fosfato terá a missão de ocluir as bolhas de ar. Esta disposição diminui a densidade dos flóculos e a quantidade de floculante a ser dosada cai . Desta maneira uma boa operação acompanhada de dosagens de 3 ppm de floculante em laboratório ou 5 ppm de floculante na fábrica serão suficientes para obtermos uma flotação rápida e satisfatória. Por outro lado quando flotamos licor proveniente da diluição do açúcar, se injetarmos ar antes da fosfatação, algumas das bolhas vão desaparecer no transcurso do tratamento. Neste caso uma boa aeração depende principalmente da ação da floculação secundária durante a adição do floculante, portanto maior quantidade de floculante será necessária. Normalmente as dosagens necessárias são as seguintes: Fosflotação Simples 8 a 10 ppm Sulfitação - Fosflotação 10 a 15 ppm Carbonatação - Flotação 20 ppm A mistura perfeita e completa do floculante com o licor, é um aspecto da maior importância, porém é negligenciado muitas vezes na prática. Devido a viscosidade da solução de floculante não é fácil misturá-la para que fique uniformemente dispersa no licor, o qual também é viscoso. A mistura incompleta freqüentemente conduz a uma distribuição irregular e a uma evidente diminuição do efeito do floculante. Em alguns sistemas a solução do floculante é adicionada dentro do encanamento do licor antes da entrada do clarificador. Como o cano é curto, apesar de não ter agitação o floculante se dispersa por todo o licor. Em outro sistema o licor é depositado antes do clarificador em um tanque pulmão situado a certa altura do mesmo. O floculante é injetado no ladrão de onde transborda o licor. Devido ao comprimento do encanamento (alguns metros) e a grande diferença de nível se produz uma forte turbulência e boa mistura do floculante. Porém freqüentemente este método cria um problema de sugamento de ar através da tubulação de descida do licor gerando muitas bolhas de grande diâmetro e causando distúrbios no processo de flotação dentro do clarificador. O novo sistema proposto pelo autor possui um misturador especial montado do lado do clarificador. Este equipamento mistura primeiramente o licor aerado com o licor não aerado e depois todo o licor com o floculante. Cada passo deve ser efetivamente completado. O licor fica retido por um minuto no misturador para melhorar a mistura e propiciar a retenção das bolhas de ar durante a pré-floculação, no interior dos flóculos. A mistura flui desde o fundo do misturador o que permite que o licor carregue somente bolhas minúsculas de ar. As bolhas gigantes abandonam o licor pela superfície do misturador. Esta medida elimina o efeito da turbulência produzido pelas bolhas gigantes, se fossem introduzidas no clarificador. O Clarificador Este é o principal equipamento do processo de flotação e muitos desenhos diferentes dos mesmos estão sendo utilizados na industria açucareira. Os clarificadores mais conhecidos são: Willianson's, Jacobb's, Bulkley - Dunton's, Saranins e Talo. Alguns equipamentos são circulares, outros retangulares. A maioria são de camada simples e um só é de multi- camadas de flotação. Apesar das diferenças estruturais, os princípios básicos são similares. O objetivo principal da flotação consiste em obter um licor clarificado de alta qualidade, com elevada taxa de separação e pouco tempo de retenção junto a um pequeno volume de espuma. Conseguir isso depende principalmente do tratamento prévio, porém também depende do trabalho do flotador e dos detalhes construtivos. Um novo estilo de clarificador projetado pelo autor obteve resultados satisfatórios nos anos recentes, graças as melhorias com que foi projetado. Possui duas camadas rasas, de baixa altura e grande área na seção transversal, as quais servem para realizar a flotação em duas etapas. A baixa altura das camadas de flotação permite encurtar o caminho dos flóculos ao atravessar o clarificador e deste modo diminui o tempo de retenção, entretanto o incremento de área melhora a concentração da espuma. Os detalhes deste clarificador podem ser observados na Fig. 4. A camada superior é utilizada para carbonatação - fosfatação e a camada inferior para fosflotação - sulfitação. O espaço vazio entre as duas camadas é aproveitado para disposição de encanamentos e acessórios. O desenho das duas camadas é similar, porém a camada superior é ligeiramente mais larga para facilitar a montagem (Ease the construction). Algumas das dimensões principais são as seguintes: Superior Inferior Diâmetro (m) 4,7 4,4 Área de Flotação (m2) 17,3 15,2 Volume útil 15,1 13,4 A profundidade útil de cada camada é de 0,8 m ou seja aproximadamente uma quinta parte do seu diâmetro. Esta relação é bem menor que a utilizada em outros clarificadores. Neste tipo de aparelho de camadas rasas o movimento principal do licor é feito na direção horizontal produzindo desta maneira pouca interferência no movimento de ascensão dos flóculos. Esta característica o faz muito diferente dos outros flotadores cujas células ou camadas de flotação são profundas, e sofrem o efeito prejudicial do fluxo na vertical do licor sobre os flóculos formados. Se a velocidade de descida do licor for maior que a velocidade de ascensão dos flóculos, algumas partículas pequenas serão carregadas no licor clarificado aumentando a sua turbidez. O flotador de camadas rasas terá uma flotação eficiente e uma ascensão rápida dos flóculos se sua instalação estiver dotada de um sistema adequado de aeração e floculação. Além disso a alimentação do licor deve ser suave e contínua sem borbotagem. Dentro do clarificador o licor deve distribuir-se homogeneamente sobre toda a área do mesmo e fluir suavemente sem produzir turbulências. Por estes motivos a alimentação do flotador e a saída do clarificador devem ser projetados cuidadosamente respeitando os princípios hidrodinamicos, e modificados ou redesenhados em função de testes práticos. No clarificador desenhado pelo autor, Fig. 4, o licor entra pelo fundo e flui para o centro após atravessar a câmara de preparação a qual cumpre o papel de assegurar uma boa floculação facilitando a penetração das bolhas nos flóculos e eliminando a turbulência do licor entrando, o qual logo é uniformemente distribuído por toda a área de flotação. Os flocos se elevam até a superfície e gradualmente concentram-se formando espuma a qual é empurrada por um raspador de baixa velocidade de rotação até uma calha lateral de descarga de espuma. O licor clarificado é colhido no fundo do equipamento através de orifícios dispostos num encanamento circular por onde é descarregado até o tanque de controle de nível. Este controle de nível é ligeiramente menor que a superfície da espuma e serve para regular a saída da espuma pela calha lateral superior sem perda de licor. Neste processo de camada dupla. A parte superior descarrega espuma contendo uma grande concentração de CaCO3. Esta espuma desce até a calha de espuma da camada inferior, misturam-se as duas e são conduzidas a estação de filtração. Este método melhora e simplifica o tratamento das espumas. A experiência mostrou que este flotador tem capacidade para processar de 800 a 1000 ton/dia de açúcar demerara, variando conforme a qualidade do açúcar demerara e as condições de trabalho do processo. O tempo de retenção em cada camada é de 14 a 18 minutos. Este duplo clarificador também apresenta a vantagem de reduzir a área requerida pelo equipamento, centralizando as operações e o controle reduzindo as perdas de calor. Fok Hon Jun (P.O Box 801) Guangzhou, China Extraído do Internacional Sugar Journal, 1990, Vol. 92, nº 1087 Tradução: Eduardo H. Ardiles Digitação/Desenhos: Edelcio Louis Iha Usina Nova América S/A 08/03/96 ----------------------- Açúcar Demerara Afinação Refundidor Calda ( Licor ) Pré - Caleagem Reator Aquecimento Pré - Floculação Misturador Clarificador Calda Clarificada Cozimento CaO CaO CaO CaO CaO CaO CaO CaO SO2 H3PO4 Floculante Aerador Espuma Diluição Filtro Filtrado Açúcar Demerara Caleagem Carbonatação Aquecimento Misturador Clarificador Primário Calda Clarificada Primária Reator Misturador Clarificador Secundário Calda Clarificada Sulfitação CO2 H3PO4 Floculante Aerador Espuma Misturador Filtro Filtrado CaO2 Sulfitação Cozimento SO2 Espuma Aerador Floculante Sulfitação Diâmetro das Bolhas (mm) Diâmetro do Corpo (mm) Dose de Floculante (ppm) (1) Câmara de preparação (2) Câmara de flotação (3) Cano de descarga (4) Tanque de controle (5) Motor e transmissão (6) Raspador (7) Calha de espuma