Trata a presente solicitação de Patente de Invenção de um inédito

"PROCESSO PARA REDUÇÃO VOLUMÉTRICA DE VINHAÇA A PARTIR DO APROVEITAMENTO DO POTENCIAL ENERGÉTICO DE GASES DE COMBUSTÃO ORIUNDOS DA QUEIMA DE BIOMASSA EM CALDEIRAS", especialmente de um processo que permite simultaneamente ou alternativamente a redução volumétrica da vinhaça e o tratamento dos gases de combustão provenientes de caldeiras que utilizam biomassa como combustível. Como resultado, obtêm-se dois produtos de alto valor agregado para o setor sucroalcooleiro: uma corrente de vapor d 'água, que depois de condensada pode ser reutilizada na indústria ou descartada como efluente, e uma corrente composta de vinhaça concentrada total ou parcialmente, rica em minerais e também em cinzas e fuligem coletados da combustão da biomassa na caldeira, podendo esse composto ser utilizado como biofertilizante.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

O processo de fabricação de álcool etílico a partir da fermentação de matérias-primas amiláceas e/ ou celulósicas, como qualquer outro processo industrial, gera subprodutos, resíduos, efluentes e emissões gasosas. Dentre tais resíduos destaca-se a vinhaça que sempre foi encarada como problema importante, não só pelo seu elevado potencial poluidor, mas também pelo grande volume gerado (10 a 15 litros de vinhaça para cada litro de álcool produzido). Segundo a União da Indústria de Cana-de-açúcar (ÚNICA), a produção de etano no Brasil na safra 2008/ 2009 foi de 27.512.962 m ³ , o que explicaria a enorme dificuldade e alto custo no seu tratamento.

A vinhaça é o resíduo gerado durante a destilação do vinho proveniente da fermentação no processo de produção de álcool etílico a partir da cana-de-açúcar, beterraba, milho, mandioca e outros caldos vegetais ricos em açúcares fermentescíveis.

A composição da vinhaça depende de inúmeros parâmetros de processamento, como a composição da matéria-prima, a linhagem de levedura utilizada, os aditivos químicos utilizados para a preparação do caldo, do tempo de fermentação e qualidade do vinho e das características do equipamento de destilação, dentre outros parâmetros.

Tabela 1 - características típicas da vinhaça proveniente da cana-de-açúcar

Caracterização da vinhaça Mínimo Médio Máximo

PH (-) 3,50 4,15 4,90

Temperatura (°C) 65 89 111

DBO (mg/L) 6680 16950 75330

DQO (mg/L) 9200 28450 97400

Sólidos Totais (mg/L) 10780 25155 38680

Sólidos Suspensos Totais (mg/L) 260 3967 9500

Sólidos Suspensos Fixos (mg/L) 40 294 1500

Sólidos Suspensos Voláteis (mg/L) 40 3632 9070

Sólidos Dissolvidos Totais (mg/L) 1509 18420 33680

Sólidos Dissolvidos Voláteis (mg/L) 588 6580 15000

Sólidos Dissolvidos Fixos (mg/L) 921 1 1872 24020

Resíduos Sedimentáveis (mg/L) 0,20 2,29 20,00

Nitrogénio (mg/L) 90 357 885

Nitrogénio amoniacal (mg/L) 1 11 65

Fósforo Total (mg/L) 18 60 188

Potássio Total (mg/L) 814 2035 3852

Cálcio (mg/L) 71 515 1096

Magnésio (mg/L) 1 5 12

Ferro (mg/L) 2 25 200

Sódio (mg/L) 8 52 220

Cloreto (mg/L) 480 1210 2300

Sulfato (mg/L) 790 1538 2800

Sulfito (mg/L) 5 36 153 Etanol (% v/v) 0,1 0,09 1 ,19

Levedura (% v/v) 0,38 1 ,35 5,00

Glicerol (% v/v) 0,26 0,59 2A-

Em relação ao processo que utiliza a cana-de-açúcar como matéria- prima, a vinhaça pode resultar da fermentação de três mostos de origens distintas:

> Mosto de melaço - o mosto é produzido a partir de um subproduto da produção do açúcar, chamado melaço ou mel final;

> Mosto de caldo - o mosto é produzido quando da utilização do caldo de cana, geralmente caldo misto, proveniente da extração do segundo ao último terno da moenda, como também o caldo filtrado, oriundo da filtração de lodo do tratamento de caldo;

> Mosto misto - o mosto é produzido com mistura de caldo e melaço. Em uma mesma safra, a vinhaça pode se apresentar em diversas categorias, resultante do uso de caldo, melaço ou com mistura de caldo mais melaço, dependendo do mix de produção da planta. Normalmente, as indústrias que têm perfil mais açucareiro produzem álcool etílico somente com o melaço para maior aproveitamento do açúcar presente no caldo, uma vez que o melaço ou mel final é o esgotamento da centrifugação para a produção do açúcar. De acordo com o mercado, a produção pode se inverter e a mistura de caldo com o melaço se torna frequente.

O poder poluente da vinhaça é devido ao alto teor de matéria orgânica, baixo pH, elevada corrosividade, presença de cátions alcalinos e alcalino terrosos e altos índices de demanda bioquímica de oxigênios (DBO), além de elevada temperatura na saída da etapa de destilação (= 85 a 95°C). Por essa razão, a vinhaça é considerada altamente nociva à fauna, flora, microfauna e microflora das águas doces. A elevada carga orgânica da vinhaça (DBO entre 7.000 e 75.000 mg/L) comparada ao esgoto doméstico (DBO menor que 1.000 mg/L), impede que esse efluente líquido industrial possa ser alimentado in natura para tratamento em Estações de Tratamento de Efluentes (ETE), principalmente pela grande vazão volumétrica.

A principal destinação da vinhaça, com ou sem tratamento, é a disposição no solo por meio da fertirrigação, substituindo em grande parte o uso de fertilizantes. No Estado de São Paulo, a Companhia Ambiental do Estado de São Paulo apresenta a Norma CETESB P4 231/06 que estipula os critérios e procedimentos para o armazenamento, transporte e aplicação de vinhaça no solo. A concentração máxima de potássio no solo não deve exceder 5% da Capacidade de Troca Catiônica (CTC). Quando este limite é atingido, a aplicação da vinhaça fica restrita à reposição desse nutriente em função da extração média pela cultura, que é de 185 Kg de K ₂ 0 por hectare por corte.

Apesar do poder poluente, de 92 a 96% da composição mássica da vinhaça in natura é água. O uso rotineiro da fertirrigação da vinhaça in natura no solo esbarra, portanto, nos altos custos de transporte e bombeamento até as áreas de plantação, situadas cada vez mais distantes do ponto de geração da vinhaça.

É de interesse cientifico e tecnológico no Brasil, grande produtor de etanol, o desenvolvimento de técnicas de tratamento, fracionamento e/ ou redução volumétrica da vinhaça que possibilitem:

> Separação da fração sólida da vinhaça para reduzir o volume dos nutrientes minerais a ser transportados para a fertirrigação do solo, reduzindo custos de transporte e insumos agrícolas; > Degradação da matéria orgânica da vinhaça, para que seu poder poluente seja reduzido;

> Recuperação da água contida na vinhaça para seu reuso na indústria sucroalcooleira, preservando assim os recursos hídricos com uma menor captação de água para o processo industrial.

Quando a vinhaça é concentrada até cerca de 60% dos sólidos totais, ela pode ser utilizada como fertilizante e ração animal. Após a concentração, a vinhaça pode ser seca por atomização, sendo o pó obtido usado como complemento de ração ou incinerada em caldeiras para a geração de vapor e obtenção de cinzas potássicas para uso como fertilizante.

DO ESTADO DA TÉCNICA

A separação da fração mineral da vinhaça por técnicas de precipitação, eletrocoagulação, evaporação, secagem, incineração e/ ou filtração tem sido abordada por diferentes autores na literatura bem como documentos de patentes.

O documento PI 0809055-6 trata da concentração da vinhaça através da sua pulverização em queimador torsionai. Pelo fato da vinhaça apresentar baixo poder calorífico, a técnica declara a necessidade de uso de combustível auxiliar, como palha em pó e outros, para suprir a energia necessária para a evaporação da água contida na vinhaça. O processo de incineração da vinhaça gera vapor, água, energia térmica e cinzas com alto teor de potássio para uso como fertilizante.

O documento PI 0805597-1 trata do uso de elementos de prensagem e filtração por osmose reversa para a retirada dos particulados sólidos da vinhaça, reaproveitamento da água recuperada e reutilização da torta formada como adubo orgânico ou ração animal. Declara-se como vantagem a não necessidade de consumo térmico no processo e nem o consumo ou geração de vapor. O documento PI 08006547-7 propõe a degradação da fração orgânica da vinhaça pela ação fermentativa de microorganismos simbiontes denominados Kefir. Os benefícios da técnica incluem a redução drástica da DQO da vinhaça em pouco tempo, a geração de gases a formação do precipitado rico em minerais e em biomassa do microrganismo, que depois de separado do processo pode ser destinado à alimentação animal ou adubação do solo. A técnica relatada não inclui qualquer etapa térmica de evaporação, secagem ou incineração, e tampouco atuação concomitante de tratamento dos gases de combustão emitido pelas caldeiras.

O documento PI 0706144-7 trata de processo biológico para reciclagem da vinhaça e sequestro do gás carbónico gerado durante a queima do bagaço de cana em caldeiras através do cultivo de algas e/ ou cianobactérias em tanques e/ ou biorreatores. As principais vantagens da técnica incluem a captura do CO2, gás do efeito estufa, a redução de DBQ e/ ou DQO presente na vinhaça e concomitante produção de biomassa algal rica em lipídios, útil para a produção de óleos ou biodiesel.

O documento PI 0705520-0 relata um processo integrado para a produção concomitante de lipídeos e biodiesel por algas que utilizam a vinhaça e CO2 de destilarias de álcool como substrato para o seu crescimento.

O documento PI 0603286-9 propõe a redução volumétrica da vinhaça através de sucessivas etapas de evaporação e destilação. Não há menção neste pedido ao reaproveitamento térmico ou concomitante tratamento dos gases de combustão efluentes da caldeira.

O documento M U 8502073-7 trata de processo para a geração e comercialização de créditos de carbono pela queima de metano oriundo da biogestão da vinhaça. Não é mencionada etapa de evaporação da vinhaça ou de tratamento de gases de queima de biomassa em caldeira.

O documento PI 9304915-3 trata de processo para obtenção de calcário de vinhaça, a ser utilizado como corretivo de solo, sendo esse calcário composto de mistura de vinhaça, cal hidratada, fosso gesso e restos de animais e vegetais.

O documento de patente US 5.851.405 propõe um tratamento físico na vinhaça, por meio de uma centrifugação altamente eficiente na qual a vinhaça é concentrada e os sais de potássio são removidos. Não é proposta a etapa de evaporação da vinhaça ou de tratamento de gases de combustão.

O documento US 6.022.394 relara a clarificação da vinhaça através da correção de pH, com precipitação e separação de componentes inorgânicos do seio da solução. Não é proposta etapa de evaporação da vinhaça ou de tratamentos de gases de combustão.

O documento US 5.760.078 relata a recuperação de componentes valiosos da vinhaça através da adição de sulfato de amónio, seguido de filtração e microfiltração para a concentração da vinhaça. Não é proposta etapa de evaporação da vinhaça ou de tratamento de gases de combustão

O documento US 6.770.757 relata método de recuperar betaína, eritritol, inositol, sacarose, manitol, glicerol e aminoácidos de soluções residuais e caldos de cana-de-açúcar e de frutas através de resina de troca catiônica em coluna cromatográfica. Não é proposta etapa de evaporação da vinhaça ou de tratamentos de gases de combustão.

Outra fonte impactante do meio ambiente em um complexo sucroalcooleiro é a queima do bagaço de cana nas caldeiras que gera como principais poluentes: material particulado (MP), monóxido e dióxido de carbono e óxidos de nitrogénio. A utilização do bagaço como combustível nas usinas e destilarias já é tradicional em todo o setor, sendo responsável por auto-suficiência nas demandas de energia térmica e eletromecânica. A palha retirada da cana no momento da colheita também vem sendo utilizada como combustível juntamente com o bagaço. Ela pode ser recolhida diretamente no campo ou separada da indústria através de sistema de limpeza a seco e posteriormente triturada para a obtenção de uma granulometria próxima a do bagaço, desse modo não interferindo no projeto das caldeiras. O bagaço e a palha são queimados diretamente na caldeira, sem nenhum tratamento prévio.

A emissão de poluentes gasosos durante a queima de biomassa é menor quando comparada ao uso de combustíveis fósseis. A emissão de óxidos de enxofre é muito baixa devido à reduzida concentração de enxofre na análise elementar do combustível. Portanto, pode-se afirmar que durante a operação de caldeiras e fornalhas que usam biomassa como combustível, o controle de emissão é geralmente limitado às instalações de equipamentos de coleta de particulado.

Na queima do bagaço de cana nas caldeiras, a parte mais leve dos sólidos residuais é arrastada junto aos gases de exaustão, requerendo a instalação de sistemas de remoção dos sólidos desses gases, para que os mesmos se enquadrem aos parâmetros de emissão exigidos pela legislação ambiental brasileira, como estabelecidos pela resolução CONAMA 382 de 2006. Os sólidos não arrastados pelos gases se depositam nos cinzeiros das caldeiras e também precisam ser removidos para evitar a obstrução do equipamento e a perda de eficiência.

Para o controle da poluição gerada são atualmente utilizados lavadores de gases que removem o material particulado presente nos gases de combustão através do contato direto com um líquido atomizado, geralmente água tratada. Estes equipamentos apresentam alta eficiência para controle da poluição do ar e utilizam em média uma vazão de água correspondente a 1 ,0 a 1 ,5 m ³ de água por tonelada de vapor gerado na caldeira, além de contar com uma taxa de reposição devido à evaporação, perdas e arraste de 5,0 a 7,5% do total da água de entrada no lavador de gases.

Os sistemas de limpeza dos gases efluentes das caldeiras que utilizam a via úmida (lavadores de gases) são os de concepção mais simples, de menor investimento e de grande eficiência. Nestes sistemas, a limpeza dos gases dos cinzeiros deve ser realizada com água limpa. No caso de uma operação em circuito fechado, a água de lavagem, após passar pelos lavadores de gases, deve seguir para um sistema de tratamento para a separação do material sólido que foi removido dos gases e dos cinzeiros, a fim de permitir o seu reciclo e evitar problemas de entupimentos de linhas, além de desgastes em tubulações e em equipamentos. Os sólidos coletados no lavador e sedimentadores são dispostos na lavoura como fontes de minerais.

Há uma grande variedade de geometrias de lavadores no mercado, a maioria pode ser agrupada de acordo com o mecanismo de coleta na qual o gás contendo o material particulado entra em contato com uma aspersão de gotas com as quais as partículas se chocam e depositam por difusão. Dentre os tipos de lavadores, destacam-se os lavadores Venturi, lavadores torre de aspersão ou de nebulização (spray tower scrubber) e os lavadores de torre de recheio {packed bed scrubbθή.

Nas torres de nebulização, o tratamento dos gases é realizado apenas pela aspersão de água no topo da torre enquanto o gás quente proveniente da caldeira sobre através da torre. Quando a água não evaporada chega ao fundo da torre, esta é recirculada por meio de bombeamento para o topo. Em torno de 7,5% da água de entrada é evaporada durante o contato com os gases quentes, e por isso a reposição desta água deve ser constantemente realizada. A velocidade ótima dos gases no lavador tipo torre de borrifo situa-se entre 0,6 e 2,0 m/s, enquanto o tamanho das gotas está entre 0,5 e 1 ,5 mm. Já no lavador tipo Venturi, a velocidade dos gases na garganta situa-se entre 40 e 130 m/s.

O documento PI 0711726-4 trata de sistema antipoluente por lavagem que promove resfriamento dos gases, remoção de fuligem e ácidos emitidos por fontes poluidoras. Não se reivindica o uso ou tratamento concomitante de vinhaça neste pedido.

O documento PI 0705526-1 relata uma combinação de sistema lavador de gases com tratamento biológico em circuito fechado de água de lavagem. O sistema proposto caracteriza-se pela lavagem dos gases contaminados em torre verticalizada, onde a aeração por nebulização seriada, a formação de múltiplas quedas de água e formação de um leito fluidizado removem os contaminantes, enquanto provocam oxigenação do fluido, compreendendo absorção, condensação e interceptação, com adsorção e biodegradação dos contaminantes, em circuito fechado de água. de lavagem e efluentes gerados. Não se reivindica o uso da técnica para a redução volumétrica da vinhaça por ação térmica de evaporação.

O documento M U 8402530-1 relata o uso de lavador tipo Venturi otimizado para ser acrescentado ao sistema convencional de lavagem de gases de caldeiras a bagaço. O sistema proposto maximiza a eficiência de coleta dos particulados. Não se reivindica o uso da técnica para a concomitante redução volumétrica da vinhaça por ação térmica de evaporação.

O documento US 2009/0183632 relata como invento um lavador baseado na combinação de múltiplos Venturis e que remove material particulado, gases ou líquidos de correntes gasosas. Não se reivindica o uso da técnica para a concomitante redução volumétrica da vinhaça por ação térmica de evaporação.

Torna-se claro que no estado da arte não existe técnica antecipada que permita a redução volumétrica da vinhaça por evaporação com simultânea ação desse resíduo líquido na coleta de material particulado em lavadores de gases em caldeiras de biomassa.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Basicamente, o presente pedido de patente trata do reaproveitamento térmico dos gases de combustão de caldeiras a bagaço para realizar a evaporação da água contida na vinhaça, ao mesmo tempo em que a vinhaça líquida pulverizada é utilizada como elemento de coleta do material particulado arrastado pelos gases da caldeira. Do contato entre a vinhaça pulverizada, in natura ou previamente tratada física, química ou biologicamente, e dos gases de combustão de biomassa emitidos pela caldeira em temperaturas de até 290°C, obtêm-se duas correntes com características peculiares. Uma é a corrente constituída de vinhaça líquida concentrada ou seca, com elevado teor de sólidos minerais, sejam eles oriundos da própria composição química da vinhaça ou da fuligem arrastada da caldeira. A outra corrente corresponde ao vapor d 'água gerado pela evaporação da vinhaça em contato com os gases quentes da combustão. Esse vapor é isento de partículas e depois de condensado pode ser reutilizado no processo sucroalcooleiro.

Assim, o presente pedido provê uma técnica de redução volumétrica da vinhaça por ação térmica de evaporação, tendo como fonte de calor os gases quentes de combustão exauridos da caldeira de biomassa. Como resultado tem-se uma vinhaça concentrada com elevado teor de sólidos totais.

O presente pedido também provê um processo auto-sustentável de tratamento económico da vinhaça, uma vez que toda a energia térmica necessária para a evaporação da água contida na vinhaça é oriunda de gases quentes emitidos pela caldeira de biomassa e que seriam liberados sem recuperação térmica para a atmosfera.

O presente pedido provê ainda uma técnica que realiza a coleta de material sólido particulado, em particular fuligem e cinzas, arrastado pela corrente de gases de combustão oriundos da caldeira, tendo como elemento coletor a vinhaça pulverizada em gotículas no equipamento.

O presente pedido provê igualmente uma técnica de controle de poluição, atmosférica para caldeiras de biomassa do setor sucroalcooleiro, tendo como líquido de lavagem a vinhaça, resíduo da etapa de destilação do vinho.

O presente pedido provê igualmente uma técnica de controle de poluição atmosférica para caldeiras de biomassa do setor sucroalcooleiro que não necessita de água tratada como líquido de lavagem, e tampouco de etapas de pré ou pós-tratamento da água tratada para reuso no processo ou descarte em ETE.

O presente pedido provê igualmente uma técnica de recuperação da água contida na vinhaça in natura ou previamente tratada, por meio de etapas sucessivas de evaporação, pelo contato com os gases de combustão da caldeira.

O presente pedido também provê uma técnica que possibilita a produção contínua ou descontínua da vinhaça em pó, por meio da remoção total da água contida na vinhaça, bastando para isso à adequação do balanço térmico do calor fornecido pela corrente de gases de exaustão da caldeira e o calor necessário para a evaporação da água na corrente de vinhaça. O produto denominado de vinhaça em pó é constituído pela fração de sólidos minerais e orgânicos, solúveis ou suspensos, presentes na vinhaça líquida in natura ou previamente tratada e que é abordada pela técnica anterior.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

A Figura 1 ilustra um diagrama esquemático de uma modalidade da invenção em que um lavador de gases tipo torre de borrifo ou torre de aspersão é utilizado para promover o contato direto entre a vinhaça e os gases de combustão da biomassa;

A Figura 2 ilustra um diagrama esquemático de outra modalidade da invenção . em que uma torre de nebulização por disco rotativo é alimentada continuamente com vinhaça e com os gases de combustão de biomassa, com retirada simultânea de corrente de vinhaça concentrada e corrente de vapor de água condensado;

A Figura 3 ilustra um diagrama esquemático de outra modalidade da invenção em que um lavador de gases tipo Venturi é alimentado continuamente com vinhaça e com os gases de combustão de biomassa, com retirada simultânea de corrente de vinhaça concentrada e corrente de vapor de água condensado;

A Figura 4 ilustra um diagrama esquemático de outra modalidade da invenção para a produção de vinhaça em pó em que uma torre de nebulização por disco rotativo é alimentado continuamente com vinhaça e com os gases de combustão de biomassa.

A Figura 5 ilustra um diagrama esquemático de outra modalidade da invenção para a concentração de vinhaça em uma torre de nebulização por disco rotativo ou por bico atomizador seguido de uma torre de borrifo que atua simultaneamente como resfriador (ηυβηοηβή e condensador do vapor de água e também como coletor secundário de partículas de fuligem e fumaça.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

O presente pedido refere-se a um processo de redução volumétrica da vinhaça de diferentes origens e composições químicas, resíduo da indústria sucroalcooleira, por meio de etapas de evaporação e secagem cuja fonte térmica são os gases quentes oriundos da combustão da biomassa em caldeira.

O processo também permite a remoção do material particulado sólido orgânico e inorgânico arrastado nos gases emitidos da caldeira gerado pela combustão da biomassa, por meio do contato direto das partículas com a vinhaça pulverizada na forma de gotículas no equipamento.

O princípio utilizado para a redução volumétrica da vinhaça baseia-se no fato que a corrente de gases efluente da caldeira contém energia térmica suficiente para causar a evaporação de parte ou todo da água contida na vinhaça. Por outro lado, o princípio desse pedido para o tratamento dos gases da caldeira baseia-se no fato que lavadores de gases em usinas de açúcar e álcool promovem o contato direto de gotículas de um líquido, geralmente água tratada, com o sólido arrastado no aerossol. O presente pedido possibilita a substituição da água tratada por vinhaça na forma líquida, in natura ou previamente tratada, promovendo a limpeza dos gases de exaustão antes da sua emissão para a atmosfera.

O princípio deste pedido baseia-se no fato de que para vaporizar em pressão atmosférica 1 kg de água contida na vinhaça são necessários entre 2250 e 2450 kJ de energia térmica. Por outro lado, o calor sensível removido de 1 kg de gases de combustão no seu abaixamento de temperatura em 1 °C é da ordem de 0,95 a 1 ,20 kJ. Assim, em média, cada 15 kg de gases de combustão resfriados em 150°C podem resultar na vaporização de 1 kg de água da vinhaça na temperatura de 100°C.

Mais particularmente, o processo pleiteado será descrito tomando como referência às figuras anexas que ilustram, mas não limitam a invenção.

A Figura 1 ilustra esquematicamente uma modalidade da invenção, com redução volumétrica da vinhaça e concomitante tratamento dos gases de exaustão da caldeira com uso de lavador tipo torre de borrifo. Operacionalmente, a corrente de vinhaça in natura ou previamente tratada (L1 ) é alimentada, em temperatura ambiente ou superior, em uma torre cilíndrica metálica (T) dotada de uma ou mais seções contendo bicos de atomização (D1) que pulverizam a vinhaça em fina névoa, com gotículas variando entre 0,5 e 1 ,5 mm. Os gases de exaustão da caldeira de biomassa são alimentados continuamente pela linha (L2) e fluem de modo ascendente e em contracorrente à névoa de vinhaça. Durante a queda na torre (T), as gotículas de vinhaça aderem-se às partículas sólidas presentes no gás de exaustão, sendo estas coletadas e arrastadas para a base da torre (T). Ao mesmo tempo, o calor contido nos gases é transferido para as gotículas que têm parte ou todo de sua água evaporada. A linha (L3) refere-se assim à saída de corrente com vinhaça concentrada, com maior conteúdo de sólidos e menor conteúdo de água do que a corrente (L1). A linha (L4) corresponde à corrente de vapor de água evaporado na torre (T) e condensada no condensador (C).

A Figura 2 ilustra esquematicamente outra modalidade da invenção, de operação similar àquela da Figura 1 , porém sendo a torre (T) dotada de dispositivo de pulverização das gotículas de vinhaça por disco atomizador (D2), comum na operação de secadores do tipo pulverizador (spray dryers).

A Figura 3 ilustra esquematicamente outra modalidade da invenção, na qual o contato direto necessário para a troca térmica e para a coleta de material particulado entre a linha de vinhaça in natura ou previamente tratada (L1 ) e a linha de alimentação de gases quentes e exaustão (L2) é realizado em um dispositivo tipo Venturi (D3). Neste caso, a torre cilíndrica vertical (T) é utilizada como separador de névoa, para a coleta das gotículas de vinhaça concentrada. As linhas (L3) e (L4) referem-se respectivamente às correntes de vinhaça concentrada e ao valor d'água condensado no condensador (C).

A Figura 4 ilustra esquematicamente outra modalidade da invenção, para a produção da vinhaça em pó. A linha de vinhaça in natura ou previamente tratada (L1) é pulverizada continuamente na torre vertical (T) por meio de um dispositivo tipo disco ou bico atomizador (D2). A linha de alimentação dos gases quentes de exaustão contendo ou não o material particulado (L2) é realizada na forma concorrente na torre (T) o tempo de residência das gotículas e do gás permite a evaporação total da água da vinhaça. A linha (L3) refere-se à corrente de saída de vinhaça em pó, contendo partículas sólidas secas ricas em compostos minerais e orgânicos contidos na vinhaça e de cinzas, fuligem e materiais minerais ou carbonáceos arrastados pelos gases de combustão. A linha (L7) corresponde à saída de vapor de água evaporado da vinhaça. As partículas sólidas eventualmente arrastadas na linha (L7) são coletadas em um separador tipo ciclone (S), saindo pela linha (L5). O vapor d'água isento de partículas (L6) é condensado em um condensador (C) e retirado pela linha (L4). O presente pedido será ilustrado pelos seguintes exemplos, os quais não devem ser considerados limitativos ao mesmo.

EXEMPLO 1

Ilustra a aplicabilidade do equipamento tipo torre de borrifo para promover a troca térmica e coleta de partículas entre correntes de vinhaça e de gases provenientes da queima de biomassa, conforme ilustrado na Figura 1 . Uma corrente de 40 m ³ / h de vinhaça in natura, efluente do processo sucroalcooleiro e previamente resfriada em trocador de calor e/ ou torre de resfriamento deve ser concentrada de acordo com o processo aqui pleiteado. A vinhaça in natura apresenta características físico-químicas dentro das faixas estipuladas na tabela 1 , contendo 2,5% em base mássica de sólidos totais e temperatura de 30°C que corresponde à temperatura da vinhaça já nas bacias de sedimentação. O calor específico da vinhaça nessas condições situa-se entre 4180 e 4200 J/kg.°C, enquanto o seu calor latente de vaporização na pressão atmosférica de 760 mmHg é comparável ao da água, na faixa entre 2270 e 2450 kJ/kg. A vinhaça é alimentada, conforme Figura 1 , através da linha (L1 ) e do dispositivo de pulverização (D1 ), na forma de gotículas com de 0,5 e 2,0 mm de diâmetro. Uma corrente de 300.000 m ³ /h de gases de combustão, na temperatura de 290°C, com densidade de 0,58 kg/m ³ e contendo 2.000 mg/m ³ de sólidos em suspensão é alimentada na torre (T) através da linha (L2). A velocidade de ascensão dos gases na torre situa-se entre 0,5 e 5,0 m/s. Os sólidos do aerossol apresentam densidade entre 1.200 e 2.700 kg/m ³ e tamanho de partículas variando entre 1 e 500 μιη, conforme distribuição normal. O calor específico médio dos gases de combustão varia entre 950 e 1200 J/kg.°C. Pelo contato direto entre gases quentes e vinhaça líquida pulverizada, ocorre a transferência térmica entre as correntes, de modo que os gases de combustão são resfriados de 290°C para 105°C e saem pela linha (L4). A perda de calor sensível durante o resfriamento da corrente de gases de combustão equivale no presente exemplo a uma carga térmica de 8,6 MW, suficiente para aquecer toda a corrente de vinhaça que entra em (L1 ) de 30°C para 100°C e para evaporar 8,6 m ³ /h dessa corrente. Dessa forma, tem-se uma redução volumétrica de vinhaça de 40 para 31 ,4 m ³ /h (=21 ,5%), com a recuperação de vapor d'água condensado em vazão de 8,6 m ³ /h na linha (L4). O teor de sólidos da vinhaça concentrada que sai pela linha (L3) é de 5,4% em massa.

EXEMPLO 2

Uma corrente de 40 m ³ /h de vinhaça in natura, com características físico-químicas idênticas ao do exemplo 1 , porém em temperatura de 95°C, normalmente obtida na saída da coluna de destilação é alimentada no sistema esquematicamente ilustrado na Figura 1 , através da linha (L1) e do dispositivo (D1 ), na forma de gotículas com diâmetro entre 0,5 e 2,0 mm. A corrente de gases de exaustão da linha (L2) apresenta todos os parâmetros idênticos aos da corrente do exemplo 1. Nesta condição, a mesma carga térmica de 8,6 MW cedida pela corrente gasosa no resfriamento de 290°C para 105°C é suficiente para a evaporação de 13,4 m ³ /h de água, coletados após passagem pelo condensador (C) na linha (L4). A redução volumétrica da vinhaça neste exemplo é de 34%. A vinhaça concentrada efluente da linha (L3) apresenta teor de sólidos de 6,3% em massa.

EXEMPLO 3

Este exemplo ilustra a aplicabilidade do tipo garganta Venturi para promover a troca térmica e a coleta de partículas entre correntes de vinhaça e de gases provenientes da queima de biomassa. Uma corrente de 40m ³ /h de vinhaça in natura, com características físico-químicas idênticas às dos exemplos 1 e 2, em temperatura de 95°C é alimentada no sistema esquematicamente ilustrado na Figura 3, através da linha (L1) e do dispositivo (D3), na forma de gotículas com diâmetros entre 0,5 e 2,0 mm. A corrente de gases de exaustão na linha (L2) apresenta todos os parâmetros idênticos aos da corrente do exemplo 1. Nesta condição, a mesma carga térmica de 8,6 MW cedida pela corrente gasosa no resfriamento de 290°C para 105°C é suficiente para a evaporação de 13,4 m ³ /h de água, coletados após a passagem pelo condensador (C) na linha (L4). A redução volumétrica da vinhaça neste exemplo é de 34%. A vinhaça concentrada efluente da linha (L3) apresenta teor de sólidos de 6,3% em massa.

EXEMPLO 4

Uma corrente de 13,4 m ³ /h de vinhaça in natura é previamente tratada pela adição de 200 kg/h de hidróxido de cálcio, de modo que seu pH é elevado de 3,5 para 11 ,9. O teor de sólidos dessa vinhaça passa de 2,5% para 4,0% em base mássica úmida. Tal vinhaça é alimentada em sistema de tratamento conforme ilustrado na Figura 4 através da linha (L1) e do dispositivo (D2), na forma de gotículas com diâmetro entre 0,05 e 0,50 mm. Uma corrente de gases de exaustão da caldeira de biomassa, com vazão de 300.000 m ³ /h e temperatura de 290°C é alimentada no sistema pela linha (L2). Nesta condição, uma carga térmica de 8,6 MW é cedida pela corrente gasosa no resfriamento de 290°C para 105°C, suficiente para evaporação de toda a água contida na vinhaça. Como resultado tem-se a formação de 563 kg/h de sólidos secos da vinhaça, coletados na base da torre (T) de atomização pela linha (L3) e na base do separador tipo ciclone (S) pela linha (L5). O vapor d'água removido da vinhaça é recuperado em fase líquida em vazão de 13,4 m ³ /h na linha (L4) após passagem pelo condensador (C).

EXEMPLO 5

Uma corrente de 600 m ³ /h de vinhaça in natura, efluente do processo de destilação do vinho e previamente resfriada em trocador de calor deve ser concentrada de acordo com o processo proposto. A vinhaça apresenta características físico-químicas típicas dentro das faixas estipuladas na tabela 1 , contendo 2,5% em base mássica de sólidos totais e temperatura de 30°C. O calor específico da vinhaça nessas condições situa-se entre 4.180 e 4.200 J/kg.°C, enquanto seu calor latente de vaporização na pressão atmosférica de 760 mmHg é comparável ao da água, na faixa entre 2.270 e 2.450 kJ/kg. A vinhaça é alimentada no sistema esquematicamente conforme ilustrado na Figura 1 , através da linha (L1) e do dispositivo (D2), na forma de gotículas com diâmetro entre 0,5 e 2,0 mm. Uma corrente de 300.000 m ³ /h de gases de combustão, na temperatura de 290°C, com densidade de 0,58 kg/m ³ e contendo 2.000 mg/m ³ de sólidos em suspensão é alimentada na torre (T) através da linha (L2) . A velocidade de ascensão dos gases na torre situa-se entre 0,5 e 3,0 m/s. Os sólidos do aerossol apresentam densidade entre 1.200 e 2.700 kg/m ³ e tamanho de partículas variando entre 5 e 500 μ, conforme uma distribuição normal. O calor específico médio dos gases de combustão varia entre 950 e 1.200 J/kg.°C. A perda de calor sensível durante o resfriamento da corrente de gases de combustão de 290°C para 105°C equivale a uma carga térmica de 8,6 MW, neste caso suficiente apenas para elevar a temperatura da vinhaça líquida de 30°C para 42°C, sem formação significativa de vapor de água. A torre (T) operará nesta situação com uma razão líquido-gás de 2 L de vinhaça por m ³ de gás de combustão operando dentro da faixa típica de lavadores de gases do tipo torre de borrifo, com eficiência superior a 90% na coleta do material particulado arrastado da caldeira. A corrente (L3) é composta de vinhaça em vazão próxima de 600 m ³ /h, temperatura de 42°C contendo 2,6% de sólidos em base mássica, devido à coleta de 650 kg/h de material particulado à base de fuligem, cinzas e areia. A corrente (L4) será constituída de gás de combustão em temperatura de 105°C, sem qualidade apreciável de vapor de água ou de material particulado, podendo ser emitido para a atmosfera após passagem no condensador (C).

EXEMPLO 6

Este exemplo ilustra a aplicabilidade de sequência de torres de pulverização que dispensa o uso de condensadores convencionais para recuperar o vapor de água removido da vinhaça. Uma corrente de 10 m ³ /h de vinhaça in natura, com características físico-químicas típicas da Tabela 1, em temperatura de 95°C, é alimentada na torre de nebulização (T1) esquematicamente ilustrada na Figura 5, através da linha (l_1) e do dispositivo de pulverização (D1 ), na forma de gotículas com diâmetro entre 0,1 e 2,0 mm. A corrente de gases de combustão alimentada na linha (L2) apresenta vazão de 150.000 m ³ /h, temperatura de 290°C, calor específico de 1.100 J/kg.°C e aerossol com os parâmetros físicos idênticos aos do exemplo 1. Nesta condição, uma carga térmica de 4,3 MW cedida pela corrente gasosa no resfriamento de 290°C para 105°C é suficiente para aquecer toda a corrente líquida de 95 para 100°C e para promover a evaporação de 7,8 m ³ /h de água, ou seja, de 78% do conteúdo volumétrico da vinhaça in natura alimentada no sistema. A corrente (L3) é assim composta de vinhaça concentrada em vazão de 2,2 m ³ /h, contendo ainda sólidos suspensos e parte das partículas de fuligem ou fumaça coletados na torre (T1). A corrente L7, composta de gases de combustão parcialmente lavados e vapor de água evaporada na torre (T1), é alimentada em uma segunda torre de borrifo (T2) em sentido ascendente. A torre (T2) tem a função de resfriar os gases da linha (L7) e condensar o vapor arrastado. Para isso, uma corrente de água (L5) é alimentada através de bicos atomizadores no topo da torre (T2) e o contato térmico promove uma redução de temperatura de 105°C para 50°C. A corrente (L4) corresponde aos gases já lavados e com parte da umidade condensada. A corrente (L6) corresponde ao líquido de lavagem composto de água, vapor de água condensado e material particulado coletado na torre (T2). Essa corrente é envidada a sedimentador, no qual é separada a lama de sólidos (L9). Parte da água clarificada é retornada ao lavador (T2) e parte é descartada ou reutilizada na planta (L8).