Água de Resfriamento em Usinas de Álcool e Etanol: Impacto na Produtividade e Melhores Práticas de Tratamento

Pedro H. B. Moreira
Solenis Especialidades Químicas LTDA

Água de resfriamento é um insumo fundamental para a operação eficiente de usinas sucroalcooleiras, uma vez que ela é a responsável por controlar a temperatura de diversas partes importantes do processo produtivo, tais como: dornas de fermentação e condensadores de etanol; condensadores do vapor das turbinas para geração de energia; e evaporadores da fábrica de açúcar.

O resfriamento em cada operação ocorre em trocadores de calor, com sentido de transferência de energia do lado processo ao lado água. Após ser aquecida, visando a otimização de recursos hídricos e redução do custo operacional da usina, a água é enviada para torres de resfriamento, onde há a dissipação de calor da água pela sua evaporação, por conta do contato direto entre a água aquecida e o ar atmosférico.

A eficiência das etapas de transferência de calor nos permutadores e dissipação de energia na torre de resfriamento é dependente da condição de limpeza da superfície dos equipamentos de troca térmica e do recheio das torres. Quanto maior for a presença de material depositado no sistema, pior será a eficiência destes processos, impactando decisivamente na produtividade de usinas.

De forma resumida, o coeficiente geral de troca térmica em permutadores de calor será impactado pela existência de depósitos pelo lado água e pelo lado processo, os quais atuam como materiais isolantes à transferência de calor e reduzem a eficiência da operação de resfriamento.

Olhando apenas pela parte do lado água, os principais depósitos que podem ser formados e os seus impactos à transferência de calor estão apresentados no gráfico ao lado. Este gráfico indica que qualquer material presente na superfície de troca térmica reduz a eficiência de resfriamento, principalmente quando este depósito é composto por orgânicos, sendo que praticamente há o impedimento de qualquer transferência de calor quando tais depósitos alcançam espessura de apenas 0,10 mm.

Com relação à dissipação de calor na torre de resfriamento, tal processo ocorre devido à evaporação de parte da água quente quando em contato direto com o ar atmosférico, onde, quanto mais eficiente for este contato, maior será a evaporação da água e maior será a redução da sua temperatura.

Em teoria, a mínima temperatura que água poderia alcançar em uma torre de resfriamento corresponde à temperatura de bulbo úmido do ambiente. Na prática, a temperatura de bulbo úmido nunca é alcançada, sendo que a diferença entre a temperatura da água na saída da torre e a temperatura de bulbo úmido é chamada de “Approach”, enquanto que se chama de “Range” o diferencial de temperatura entre a água quente que retorna do processo e a água fria que sai da torre.

A eficiência de resfriamento em uma torre é definida pela divisão entre “Range” e a somatória de “Range” e “Approach”. Essa eficiência de resfriamento é superior a 70% em torres limpas e pode ser próxima a zero em torres com recheios sujos.

Como cada processo a ser resfriado deve atingir uma temperatura específica, a perda de transferência de calor nos equipamentos ou a utilização de água de resfriamento mais quente saindo das torres pode levar ao não atingimento da temperatura ideal pelo lado processo, resultando na queda de produtividade tanto na produção de álcool quanto na produção de açúcar.

Melhores Práticas

Os depósitos formados em sistemas de resfriamento podem ter características orgânicas e/ou inorgânicas. Portanto é imprescindível um adequado controle físico-químico da água de reposição, da água das torres e da presença de contaminantes.

Quanto mais crítica for a operação do sistema, maior será a necessidade de aplicação de produtos químicos para o correto controle microbiológico e de incrustações, resultando em aumento expressivo dos gastos com tratamento de água.

Considera-se como melhor prática para a água de reposição de sistemas de resfriamento a utilização de poços ou realização de tratamento em águas superficiais com oxidação e coagulação de matéria orgânica e metais, seguida de filtração, resultando em água com baixo residual de orgânicos (DQO < 10 ppm), metais (Fe < 0,1 ppm), turbidez (< 1 NTU) e sólidos suspensos (< 1 ppm).

Água bruta também pode ser utilizada, porém tal fonte hídrica normalmente possui alta concentração de orgânicos, metais e sólidos suspensos, demandando produtos químicos para alto stress e redução do ciclo de concentração da torre para a adequação dos níveis de contaminantes no circuito.

O ciclo de concentração das torres deve ser baseado nos índices de solubilidade de sais, os quais podem ser simulados em softwares dedicados. A operação com controle de pH abaixo e 8,0 na torre minimiza a ocorrência da maior parte das incrustações, diminuindo a necessidade de produtos químicos e reduzindo o custo do tratamento químico. A operação com pH próximo a 9,0 é possível, porém exige a aplicação de altas concentrações de dispersantes de última geração, o que encarece o tratamento.

Em relação a crescimento microbiológico, que normalmente é ponto mais crítico em sistemas de resfriamento de usinas sucroalcooleiras, uma combinação de biocidas oxidantes, não oxidantes e biodispersantes resultam em controle otimizado.

Biocidas oxidantes são os principais produtos para controle microbiológico, sendo que os biocidas base cloro são recomendados quando se utiliza água de reposição de alta qualidade e pH abaixo de 8,0, enquanto biocidas base bromo devem ser preferidos em pH acima de 8,0. Nos dois casos, o controle microbiológico é alcançado apenas se o poder de oxidação da água (ORP) for mantido elevado (acima de 500 mV), caso contrário tais biocidas serão insuficientes para oxidar os microrganismos.

Nos casos onde a água de reposição das torres não possui alta qualidade ou existe elevada contaminação orgânica proveniente do processo, a recomendação é aplicar cloraminas ou dióxido de cloro como biocida principal, já que estes ativos não se combinam com compostos orgânicos e, portanto, são mais eficientes que cloro e bromo em águas contaminadas.

Biocidas não oxidantes, como quaternário de amônio, isotiazolina, glutaraldeído e bronopol são usualmente aplicados como agentes secundários no controle microbiológico, sendo que a combinação de dois ou mais ativos potencializa os resultados obtidos devido à sinergia entre os biocidas.

Finalmente, os biodispersantes são ativos formulados com propriedades tensoativos e atuam como verdadeiros detergentes para matéria orgânica. A sua aplicação em concentração elevada possibilita a desestabilização dos compostos orgânicos, aumentando a sua remoção pela turbulência do fluxo de água e facilitando a penetração dos ativos biocidas no biofilme formado, o que melhora o controle microbiológico geral do circuito.

A empresa Solenis é patrocinadora do Webmeeting Fermentec 2021/22 Reunião Início de Safra

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