TCC-1€¦ · Title: TCC-1 Author: ROGERIO Created Date: 12/9/2015 11:15:53 PM

Universidade Federal de Alfenas. UNIFAL-MG Campus Avançado de Poços de Caldas (MG)

Instituto de Ciência e Tecnologia- ICT Engenharia Química

Lenin Wagner Acerbi

Rogério Lopes Garcia

Planta de Produção de Suco de Laranja Concentrado

Poços de Caldas / MG

2015

Lenin Wagner Acerbi

Rogério Lopes Garcia

Planta de Produção de Suco de Laranja Concentrado

Poços de Caldas / MG

2015

Projeto apresentado no Instituto de Ciência e Tecnologia da Universidade Federal de Alfenas como parte dos requisitos necessários à aprovação na disciplina Trabalho de Conclusão de Curso II do curso de Engenharia Química.

Orientador: Prof. Dr. Rafael F. Perna. Coorientador: Prof. Dr. Leandro Lodi.

FICHA CATALOGRÁFICA

A173p Acerbi, Lenin Wagner .

Planta de Produção de Suco de Laranja Concentrado / Lenin Wagner Acerbi ; Rogério Lopes Garcia ;

Orientação de Rafael F. Perna . Poços de Caldas: 2015.

77 fls.: il.; 30 cm.

Inclui bibliografias: fls. 35 - 36

Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Química) –

Universidade Federal de Alfenas– Campus de Poços de Caldas, MG.

1. Planta de produção. 2. Método What if 3. suco de laranja concentrado. I. Garcia,

Rogério Lopes. II. Perna, Rafael F.(orient.). III. Lodi, Leandro. (co-orient.).

IV. Universidade Federal de Alfenas – Unifal. V. Título.

CDD 658.5

AGRADECIMENTOS

Expressamos imensa gratidão e respeito aos professores Dr. Rafael Firmani Perna e

Dr. Leandro Lodi pela orientação e apoio constantes, sempre dispostos a sanar nossas

dúvidas e auxiliar no que fosse necessário. Agradecemos, também, pela confiança em

nós depositada ao longo do ano.

Aos nossos colegas Caroline Gaglieri, Mariana Alves de Carvalho e Mauro Fleury de

Toledo Filho pela ajuda essencial com cálculos e cotações do projeto.

Aos professores Dra. Maurielem Dalcin e Dr. Rodrigo Corrêa Basso, agradecemos

pela disposição em ajudar quando requisitados, demonstrando sempre boa vontade e

interesse pelo projeto.

Às empresas consultadas nas pessoas de João Paulo Freitas Souza, Carolina

Albuquerque, Fábio Assis Barros, Daniela Kharfan e Mark McMillan, agradecemos

pelo auxílio esclarecedor e de extrema importância para o desenvolvimento do projeto.

A todos aqueles que, direta ou indiretamente, auxiliaram de alguma forma nas

atividades do grupo, nosso sincero agradecimento.

RESUMO

O presente trabalho visa projetar uma planta para a produção de uma tonelada por

hora de suco de laranja concentrado e congelado, para a venda no mercado nacional e

principalmente exportação. O suco concentrado apresenta elevada resistência a

microrganismos e possibilita a redução de custos com logística. Ao longo do trabalho

foram realizados os balanços de massa e energia, dimensionamento dos equipamentos,

descritivo do funcionamento das malhas de controle e instrumentação presentes,

fluxogramas de processo (PFD e PI&D) e análise de viabilidade econômica com custos

iniciais e fluxo de caixa. Também foi realizada a análise do mercado e de localização

estratégica para implantação do empreendimento, bem como a avaliação de segurança

do projeto pelo método What if.

Palavras-chave: Suco de laranja. Suco concentrado. Planta de produção.

ABSTRACT

This work aims to design a plant for the production of one ton per hour of frozen

concentrated orange juice, for sale in the domestic market and mainly export. The

concentrated juice has a high resistance to microorganisms and enables the reduction

of logistics costs. Throughout the work were carried out mass and energy balances,

sizing of equipment, description of the operation of these control and instrumentation

loops, process flow diagrams (PFD and P&ID) and economic feasibility analysis with

initial costs and cash flow. It also promoted the analysis of the market and strategic

location for implementation of the project as well as the safety assessment of the project

by the method What if.

Keywords: Orange juice. Concentrated juice. Production plant.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Líderes mundiais de produção de suco de laranja concentrado em 2013. ..................13

Figura 2 - Líderes mundiais em exportação de suco de laranja concentrado em 2013. ..............14

Figura 3 - Evolução da exportação anual brasileira de suco de laranja concentrado. .................15

Figura 4 - Rendimento a partir de 100 kg de laranja. ..................................................................17

Figura 5 - Diagrama de Blocos do processo. ...............................................................................23

Figura 6 - Fluxo de caixa. ............................................................................................................32

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Composição aproximada do suco de laranja. ............................................................ .10

Tabela 2 – Análise What if. .........................................................................................................28

Tabela 3 - Custo energético das caldeiras. ..................................................................................30

Tabela 4 - Custo de matéria-prima. .............................................................................................31

Tabela 5 - Custos com mão-de-obra. ...........................................................................................31

LISTA DE SÍMBOLOS

A - Área (m²).

a - Distância entre as placas (m).

BMG - Balanço de massa global.

Brix - porcentagem de sacarose em 100 gramas de solução.

- Calor específico (kJ/kg.ºC).

D - Diâmetro da tubulação (m).

- Diâmetro hidráulico (m).

EPE - Elevação do ponto de ebulição ().

- fator de atrito.

FGTS - Fundo de Garantia por Tempo de Serviço.

- Coeficiente convectivo (W/m².K).

INSS - Instituto Nacional do Seguro Social.

- Condutividade térmica (W/m.K).

- vazão mássica da corrente (ton/h).

- Número de Nusselt

PFD - Fluxograma de Processo.

PI&D - Fluxograma de Processo e Instrumentação.

- número de Prandtl.

- Pressão do sistema ( ).

- Taxa de calor trocado (W).

- Número de Reynolds.

- Temperatura da corrente (C).

TIR - Taxa interna de retorno.

U - Coeficiente térmico global (W/m².K).

µ - Viscosidade Dinâmica (kg/m.s).

- Fração mássica de sacarose na solução.

- Entalpia de redução (kJ/h).

- Variação de entalpia (kJ/h).

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................. 10

2. OBJETIVOS ...................................................................................................................... 11

2.1. Objetivo Geral ............................................................................................................... 11

2.2. Objetivos específicos ..................................................................................................... 11

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ......................................................................................... 13

3.1. História Mundial ........................................................................................................... 13

3.2. Papel do Brasil ............................................................................................................... 14

3.3. Cinturão citrícola .......................................................................................................... 16

3.4. Laranja: composição física e química ......................................................................... 16

3.5. Suco de laranja .............................................................................................................. 17

3.6. Processo de produção do suco de laranja .................................................................... 19

4. DIAGRAMA DE BLOCOS .............................................................................................. 23

5. MÉTODO ........................................................................................................................... 24

6. DESCRIÇÃO DO PROCESSO ....................................................................................... 25

7. ANÁLISE DE SEGURANÇA WHAT IF ........................................................................ 28

8. ANÁLISE DA LOCALIZAÇÃO DO EMPREENDIMENTO ...................................... 29

9. ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA .............................................................. 30

10. CONCLUSÃO ............................................................................................................... 33

11. SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS ......................................................... 34

REFERÊNCIAS ........................................................................................................................ 35

10

1. INTRODUÇÃO

Oriunda da Ásia, a laranjeira é uma árvore frutífera que pode ser cultivada em

diversos climas. Entretanto, necessita de um elevado índice pluviométrico para seu

desenvolvimento. Seu fruto é constituído em maior parte de suco e os subprodutos da

laranja também possuem valor comercial e espaço no mercado. O suco apresenta

elevada concentração de vitamina C e antioxidantes. Apesar do suco fresco de laranja

ser o mais difundido no país devido à facilidade de acesso ao fruto, o suco de laranja

concentrado possui como vantagem o fato de minimizar os custos com transporte e

armazenamento, além de possuir maior estabilidade microbiológica e, portanto, maior

vida-de-prateleira. Tais características fazem com que o suco concentrado se destaque

principalmente na exportação: o Brasil, por exemplo, desde 1980 é líder mundial no

cultivo da laranja para produção de seu suco.

Este cenário, aliado à grande demanda europeia e norte-americana por suco de

laranja, mostra ser satisfatória a implantação de uma indústria do setor de suco de

laranja concentrado para atender este nicho de mercado apto a ser ainda mais explorado.

De maneira geral, o processo de produção de suco de laranja congelado e

concentrado consiste na recepção e seleção das frutas, armazenamento nos silos,

higienização, extração, centrifugação, pasteurização, concentração, homogeneização,

congelamento, armazenamento do suco concentrado e congelado e transporte do

produto final até o comprador. Este processo consegue também separar os subprodutos

podendo ser comercializados para vários fins - como para a produção de ração animal,

por exemplo.

A elaboração de tal empreendimento contemplará os estudos técnicos, econômicos e

mercadológicos envolvidos. Dentre eles se destacam: o projeto da planta; análise do

local para implantação do empreendimento; descrição dos equipamentos e da malha de

controle e instrumentação; análise de mão de obra necessária; custos com água e

energia; estudo de rotas de produção e uma análise de viabilidade econômica do projeto

como um todo, onde serão obtidas informações importantes sobre o capital a ser

investido, custos mensais e lucros do empreendimento.

11

2. OBJETIVOS

2.1. Objetivo Geral

O presente trabalho propõe o desenvolver um projeto de uma planta industrial

voltada à produção de suco de laranja concentrado e congelado, contemplando os

estudos técnicos, econômicos e mercadológicos envolvidos no processo, bem como a

escolha do local de implantação do empreendimento.

2.2. Objetivos específicos

Estudo técnico:

• Levantar as rotas de produção de suco de laranja concentrado; • Selecionar o processo produtivo a ser projetado; • Identificar os equipamentos e acessórios a serem utilizados, as utilidades quentes

e frias envolvidas no processo e as operações unitárias existentes; • Elaborar o diagrama de blocos e os fluxogramas do processo e de

instrumentação; • Aplicar os balanços de massa e energia na planta; • Dimensionar os equipamentos; • Descrever as malhas de controle e instrumentação; • Avaliar a segurança.

Estudo econômico: • Estudar o mercado e identificar o local apropriado para a instalação do

empreendimento; • Analisar os custos de implantação e funcionamento do processo; • Analisar os fornecedores dos equipamentos; • Calcular a taxa de retorno e elaborar o fluxo de caixa.

12

Estudo mercadológico:

• Estudar os locais com disposição da matéria prima;

• Analisar o método de comercialização atual do produto.

13

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1. História Mundial

Em virtude das mudanças climáticas que culminaram em uma grande geada nos anos

60 nos Estados Unidos, o pólo citrícola do Brasil foi impulsionado, apenas 10 anos após

a abertura da primeira fábrica de processamento de suco concentrado congelado, em

Araraquara, SP. Isso fez com que houvesse o incentivo para que mais fábricas do

mesmo setor fossem abertas no país para suprir a demanda do mercado internacional. Já

na década de 80, o Brasil liderava o mercado de produção de laranja para produção de

suco (VENTURINI FILHO, 2005). Atualmente, o Brasil é o maior produtor e

exportador de suco de laranja concentrado, como mostram as Figuras 1 e 2.

Figura 3 - Líderes mundiais de produção de suco de laranja concentrado em 2013.

Fonte: Adaptado de FAO (2015).

14

Figura 4 - Líderes mundiais em exportação de suco de laranja concentrado em 2013.


3.2. Papel do Brasil

Nos últimos anos, o Brasil tem se destacado no cenário internacional como um país

potencial voltado para produção na área da citricultura, sendo a laranja o principal

produto dentre as frutas cítricas cultivadas. Os estados de São Paulo, Minas Gerais,

Bahia e Sergipe lideram o ranking produtivo nacional (EMBRAPA, 2012).

O principal fator que leva o Brasil à posição de destaque nas exportações é a

produção em larga escala permitida pela grande área agricultável, além de uma estrutura

logística e estratégica que permitem sua efetividade, desde a produção em si até a

chegada aos seus principais importadores. Isso garante que a qualidade do suco seja

mantida, independentemente da distância percorrida (CITRUSBR, 2015). O alto padrão

brasileiro de produção, aliado à sua alta produtividade com capacidade de

diversificação, faz com que o país se destaque e possa atender aos mais distintos

mercados, internos e externos (EMBRAPA, 2012). A evolução da exportação brasileira

de suco de laranja concentrado pode ser vista na Figura 3.

15

Figura 3 - Evolução da exportação anual brasileira de suco de laranja concentrado.


De acordo com Estadão Conteúdo (2014), até Outubro de 2014, o volume exportado

de suco de laranja concentrado superou o mesmo período de 2013 em 1,23%, o que

evidencia a tendência à continuidade do crescimento, apesar do decréscimo até 2011.

Nos primeiros dez meses de 2014, foram exportados 1,603 milhões de toneladas de suco

de laranja concentrado.

O ciclo do processamento do suco de laranja concentrado e congelado se inicia no

setor de agronegócio, no qual o Brasil se mostra uma potência. Combinado a isso, há

uma gama de produtos que pode resultar desse processamento de forma a aumentar o

potencial do país nesse mercado (VENTURINI FILHO, 2005).

Devido à grande disponibilidade de laranja no Brasil ao longo do ano, à simplicidade

de obtenção e processamento e ao custo relativamente baixo, o mercado interno está

inclinado ao consumo do suco fresco. A comercialização do suco de laranja na forma

concentrada e congelada é, então, mais voltada para a exportação (VENTURINI

FILHO, 2005).

16

3.3. Cinturão citrícola

Uma vez que a maior produtividade dos pomares de laranjeira se dá em regiões com

clima tropical e subtropical, o Brasil encontra-se em posição de destaque dentre os

maiores produtores por possuir a maior parte de seu território abrangida por esse clima

(VENTURINI FILHO, 2005). Dentro do território brasileiro a região do cinturão

agrícola localizada no estado de São Paulo se destaca pela produção de 80% da laranja

do Brasil (CITRUSBR). A produção de laranja no cinturão teve uma queda de 11% nos

últimos 15 anos, porém é evidente um aumento na parcela destinada a indústria e

consequentemente uma diminuição na produção destinada ao consumo in natura

(CITRUSBR). Segundo Yamanaka (2005) as regiões do estado de São Paulo que estão

tradicionalmente ligadas ao setor de produção de suco de laranja são representadas pelos

municípios de Araraquara, Barretos, Jaboticabal, Limeira e São João do Rio Preto.

Assim a escolha desta região e particularmente de alguma destas cidades mostra-se

satisfatória para a implantação de mais indústrias deste setor.

3.4. Laranja: composição física e química

Segundo Martini (2009), a laranjeira é uma árvore frutífera oriunda da Ásia, de

localização exata desconhecida. Ao longo dos tempos, foi sendo disseminada para todo

o mundo, resultando em uma alta variedade de seus frutos. Pode ser cultivada em

diferentes climas, que permeiam entre semi-árido e tropical úmido, mas necessita

condições específicas para que haja seu desenvolvimento, como a ocorrência de solos

profundos e um índice pluviométrico relativamente alto (VENTURINI FILHO, 2005).

17

A fruta é composta, em suma, por suco, casca (interna e externa), polpa e

membranas, e semente. O suco constitui a maior parte da fruta, de forma que totalize de

45 a 55% de sua massa total. Mas ainda que esteja presente em menor fração mássica, a

casca configura um importante componente da laranja. Além de proteger a parte interna

da fruta, conhecida como endocarpo, nela estão contidos importantes compostos que

interferem na qualidade da fruta, e consequentemente do suco. Dentre eles, estão os

cromoplastos que são responsáveis pela coloração característica do suco, as bolsas de

óleos que incorporam o sabor final, as flavononas que são responsáveis pelo sabor

amargo da laranja e a pectina, que atua como emulsificante no suco (VENTURINI

FILHO, 2005).

Os subprodutos da laranja também possuem valor comercial e espaço no mercado, e

estão presentes em quantidade considerável na fruta. Na Figura 4, segundo Yamanaka

(2005), segue o rendimento para 100 kg de laranja:

Figura 4 - Rendimento a partir de 100 kg de laranja.

Fonte: Adaptado de YAMANAKA (2005).

3.5. Suco de laranja

A composição do suco de laranja é, majoritariamente, de água e açúcares, porém

cada componente apresenta uma função importante na qualidade final do suco, seja por

18

sua necessidade de estarem presentes ou pela quantidade máxima que pode ser aceita

sem que haja prejuízo (VENTURINI FILHO, 2005). A composição do suco de laranja

segue na Tabela 1.

Tabela 2 - Composição aproximada do suco de laranja.

Constituintes Porcentagem (%) Principal constituinte Água 85-90

Açúcares 8-9 Glicose, frutose, sacarose Ácidos 0,5-1,5 Ácido cítrico

Polissacarídeos 0,5-1,5 Pectina Minerais 0,5-0,8 Potássio, nitrogênio

Óleos essenciais 0,2-0,5 Fibra 0,5-1,0

Proteína 0,5-0,8

Lipídios 0,1-0,2 Ácidos graxos

(palmítico, palmitoleico, oléico, linoleico e linolênico) Fonte: Adaptado de Marcer et al (1993) e Venturini Filho (2005).

O principal foco do processamento é que haja a preservação destes compostos, para

que a qualidade original que está presente na fruta seja preservada. Ao longo do

processo, nenhuma característica é melhorada, mas busca-se manter os compostos de

interesse e as características organolépticas da fruta alheios às influências de fatores

físicos, químicos, enzimáticos e microbiológicos. Uma vez que a deterioração do

produto por tais fatores reduz significativamente sua qualidade, inviabilizando seu

processamento, são adotadas práticas que reduzem tais influências (VENTURINI

FILHO, 2005).

A maioria dos fatores químicos que afetam a qualidade do suco de laranja são

reações de oxidação que culminam na perda de seus principais constituintes. Para isso,

são aplicadas medidas para que tais reações não mais exerçam tal influência. O uso do

tratamento térmico adequado – como o processo de pasteurização – se mostra uma

importante medida nesse âmbito, além da presença do oxigênio que deve ser

minimizada para prevenir tais reações, além do escurecimento do suco. A realização

correta do processo de concentração para retirada da água que causa desestabilidade do

produto, cuidados com a embalagem e armazenamento, e o uso de conservantes

químicos permitidos legalmente e dentro das especificações, são medidas que previnem

a degradação química do suco, garantindo que sua ‘vida-de-prateleira’ seja prolongada

(VENTURINI FILHO, 2005).

19

A degradação microbiológica afeta no tempo de deterioração do suco de laranja e,

principalmente, no sabor final. O processo de pasteurização é responsável por destruir

os microrganismos resistentes ao meio ácido do suco (bactérias lácticas, fungos e

leveduras), visto que se tratam, em sua maioria, de organismos que não resistem às

elevadas temperaturas desta etapa. Em casos de micro organismos termo resistentes, há

a necessidade de manter um controle maior acerca das práticas de higienização da linha,

a fim de minimizar a ocorrência de contaminação (VENTURINI FILHO, 2005).

O suco fresco de laranja é o mais difundido, dada sua simplicidade e baixo custo e,

ainda que possua um baixo tempo de vida-de-prateleira, não é afetado por isso uma vez

que seu consumo é praticamente imediato. O suco de laranja pasteurizado é oriundo de

um processo um pouco mais elaborado, na qual o processo de pasteurização inativa

enzimas e destrói microrganismos danosos para a qualidade final do produto, resultando

em maior estabilidade e, consequentemente, maior tempo de vida-de-prateleira


O suco reconstituído, néctar e bebida de laranja são categorias de bebidas que se

assemelham no fato de serem derivados da diluição do suco de laranja concentrado, a

ser tratado posteriormente. O primeiro é oriundo da diluição simples, de forma a obter o

valor final desejado de sólidos em suspensão ou até que atinja a mesma concentração do

suco integral (forma mais natural do suco de laranja, sem adição de açúcar). Os dois

últimos se tratam de uma bebida diluída em água potável e com adição de açúcar, e

diferem somente no teor mínimo de suco de laranja aceito legalmente, sendo de 51 e

30%, respectivamente (VENTURINI FILHO, 2005).

3.6. Processo de produção do suco de laranja

O suco concentrado possui um valor agregado mais elevado dentre as variedades de

suco de laranja comercializadas por empregar mais tecnologia em seu processamento. É

comercializado dessa forma para minimizar custos de transporte e armazenamento, além

20

de garantir sua estabilidade microbiológica. Cada etapa de seu processamento possui

particularidades que são de extrema importância na qualidade do produto final


3.6.1. Recepção e armazenamento

A laranja é recebida por caminhões transportadores, e segue para esteiras

transportadoras para ser estocada. Já nessa etapa, ocorre a pesagem, identificação do

lote e variedade, e são coletadas amostras para análises de acidez e °Brix, que determina

a quantidade de sólidos solúveis na fruta (VENTURINI FILHO, 2005). Assim, é

possível determinar a relação acidez/°Brix para análises futuras (MARTINI, 2009).

O armazenamento é feito em silos, estruturas subdivididas vertical e

horizontalmente, confeccionadas em metal ou madeira, denominadas bins. Os frutos

com características semelhantes vão para os mesmos bins para facilitar as próximas

etapas (MARTINI, 2009). Pelo fato do tempo de permanência dos frutos ser curto (até

48 horas), não há necessidade de refrigeração ou controle de atmosfera, de forma que o

único cuidado nessa etapa seja a facilidade de acesso e identificação dos lotes


3.6.2. Inspeção e lavagem

Nessa etapa, ocorre uma segunda triagem, na qual os frutos saem dos silos e passam

por esteiras transportadoras, onde ocorre a seleção manual para retirada dos frutos

danificados. Segue então para a lavagem, que é realizada pela pulverização de uma

solução que é à base de cloro ou detergente neutro, seguida da pulverização de água

tratada. Ao longo da lavagem, a fruta gira em torno do próprio eixo, garantindo acesso a

todas suas regiões e efetividade do processo, podendo seguir para a extração sem risco

de contaminação (VENTURINI FILHO, 2005).

3.6.3. Extração, finisher e centrifugação

As unidades extratoras são reguladas para operar continuamente com um

determinado tamanho de fruto na íntegra. Além disso, os extratores são projetados de

forma a garantir a extração máxima do suco, sem que os componentes da casca sejam

incorporados a ele. O principal extrator utilizado nas indústrias do Brasil é o “FMC

Citrus Juice Extractor”, que garante que esta última condição seja cumprida, além de

possuir alto rendimento e produza um suco de altíssima qualidade – o que justifica seu

21

elevado custo em relação aos outros tipos de extrator. Nele, dois copos côncavos, onde a

fruta se acomoda, se interpenetram, comprimindo-a como um todo. O suco – que

corresponde a cerca de 50% em massa da laranja – escoa por meio de um tubo de pré-

filtro, onde algumas partes sólidas ficam retidas, e é comprimido para finalizar o

processo de extração (VENTURINI FILHO, 2005).

Após o suco e os sólidos saírem da extratora, seguem para o finisher, que se trata de

uma prensa contínua tipo parafuso sem fim, com peneiras intercambiáveis onde ficam

retidos os sólidos para remoção. É aplicada uma pressão ajustável a esse sistema, que

faz com que o mínimo de suco seja arrastado com os sólidos, e ao mesmo tempo que

não haja a incorporação de componentes contidos na casca que sejam indesejáveis ao

suco. Assim, sua principal finalidade é remover os componentes sólidos que ainda

permanecem, ajustando o teor final de polpa para cerca de 12%. Então, o líquido segue

para uma centrífuga para redução do teor de polpa para um valor entre 1 e 6%, que varia

de acordo com o requerido para o produto final. Esta centrífuga pode operar

continuamente ou em batelada, e o processo deve ser o mais automatizado quanto

possível (VENTURINI FILHO, 2005).

3.6.4. Pasteurização

A importância da pasteurização é, como já dito, na aplicação de calor para inativar

ou destruir os micro-organismos que degradam o suco de laranja, como bactérias,

leveduras e a enzima pectinerase, cuja atividade altera a qualidade do suco (MARTINI,

2009). É realizada de forma a variar a temperatura em um espaço de tempo

relativamente curto. Assim, é realizada na temperatura de 90 a 95°C por 30 a 60

segundos. Isso garante a efetividade do processo, de forma que não haja mais prejuízos

causados por micro-organismos e enzimas (VENTURINI FILHO, 2005).

3.6.5. Concentração

O suco segue então para um conjunto de evaporadores para eliminação da água e

concentração do mesmo, de forma que durante esse processo, o suco passa de 11°Brix

para 65-66°Brix. Para isso, são aplicados evaporadores de até 8 estágios e 7 efeitos,

porém na prática utiliza-se menos, pois consegue-se alcançar a concentração desejada e

os custos são reduzidos. A temperatura do processo varia de 40 e 85°C, devido ao vácuo

aplicado, e o tempo de retenção do suco é de cerca de 5 minutos, podendo ser inferior a

22

isso. Tanto o vapor quanto a água que saem dos evaporadores podem ser

reaproveitados, seja para alimentar o estágio seguinte, seja para outras etapas do

processo, como a lavagem de frutos (VENTURINI FILHO, 2005).

Durante o processo de concentração, pode-se utilizar recuperadores de óleos

essenciais nos evaporadores para futura reincorporação ao suco, ou comercialização dos

mesmos. Isso porque se tratam de produtos com relativo alto valor agregado que

constituem a fase volátil que é perdida durante esse processo (MARTINI, 2009).

3.6.6. Homogeneização e resfriamento, congelamento e armazenagem

Após a saída do último estágio de evaporação, o suco segue para um resfriador do

tipo flash, que reduz sua temperatura para aproximadamente 22°C. Segue então para um

tanque de homogeneização, denominado tanque de blendagem. Nesses tanques, que

possuem sistema de agitação e refrigeração, ocorre a retirada de amostras para análises

de qualidade que envolvem a acidez, determinação de sólidos solúveis e cor, e posterior

correção, se necessária, para atender aos requisitos do cliente. É comum realizar a

adição de óleos essenciais obtidos na etapa de extração e concentração para que o aroma

seja restaurado (VENTURINI FILHO, 2005).

O suco é então bombeado para um sistema de resfriamento constituído de um tanque

encamisado, resfriado com etileno glicol, que por sua vez, é previamente resfriado por

amônia. Após resfriada, a solução concentrada segue para o sistema de armazenamento

a granel, constituído de tanques denominados tank-farms, onde permanece estocado até

seu transporte para o cliente (MARTINI, 2009).

23

4. DIAGRAMA DE BLOCOS

O processo de produção de suco de laranja concentrado pode ser melhor visualizado

na forma de um diagrama de blocos com todas as etapas previamente citadas, o qual

pode ser visto na Figura 5.

Figura 5 - Diagrama de Blocos do processo.

24

5. MÉTODO

Após o levantamento do referencial bibliográfico necessário, o projeto se iniciou pela

descrição do processo com a elaboração de um diagrama de blocos e fluxogramas de

processo (PFD e PI&D), bem como a descrição da malha de controle. Então, com a

produção da planta definida, foram realizados os balanços de massa e energia para o

dimensionamento dos equipamentos, segundo Geankoplis (1993), Incropera (2012),

Koretsky (2007), Santos (2015) e Oliveira (2001).

Definida as dimensões dos equipamentos foram realizadas cotações dos mesmos para

se obter valores de mercado reais e atuais tanto dos equipamentos quanto dos gastos

com o terreno, construção, com água, com energia elétrica e gás, dentre outros.

Posteriormente foi realizada a análise de viabilidade econômica com fluxo de caixa e

taxa de retorno.

Também foram descritas as malhas de controle e instrumentação e realizada uma

avaliação de segurança pelo método What if.

25

6. DESCRIÇÃO DO PROCESSO

O processo de produção de suco de laranja concentrado inicia-se com a recepção de

12,5 ton. de fruta. Este valor foi calculado considerando que a vazão de saída seja de

1 tonelada por hora – pois espera-se que a empresa participará de cerca de 1% do

volume total exportado em 2014 (ESTADÃO CONTEÚDO, 2014) – e que

aproximadamente 2% da matéria-prima recebida chega em más condições (frutas podres

ou danificadas).

Após a recepção, as laranjas são dispostas em uma esteira transportadora e separadas

por tamanho. As frutas ruins são destinadas à produção de ração animal e as boas são

destinadas aos silos de armazenamento bins. Considerando que do total recebido 12,2

ton. de laranja estão aptas para o processo, os silos foram projetados para o

armazenamento de até no máximo 48 h das frutas resultando em um volume útil para

600 toneladas de laranja. Antes de seguirem para a extratora, as frutas são

encaminhadas para a linha de lavagem, localizada logo na entrada da indústria para

evitar contaminação do processo (VENTURINI FILHO, 2005), onde serão

transportadas em esteiras e esfregadas por escovas de nylon para complementar sua

limpeza.

Antes de seguir para a etapa de extração, é importante separar as laranjas por

tamanho, visto que as extratoras são reguladas para trabalharem com um tamanho

padrão da fruta, para que seja extraído apenas e a máxima quantidade possível de suco

(VENTURINI FILHO, 2005). A fração sólida é descartada do processo e encaminhada

para a produção de ração animal. A solução que sai do extrator será encaminhada para

um finisher, onde o restante das partículas sólidas de maior dimensão é espremido e

retido da solução. Esta etapa é importante para o ajuste do teor da polpa, que pode ser

ajustado para se manter dentro da especificação. Todos os resíduos sólidos extraídos são

retirados do processo e serão encaminhados para a produção de ração.

A fração líquida extraída é encaminhada para um tanque de armazenamento e

posteriormente para centrífuga, que reduz a quantidade de sólidos suspensos na solução

de 12 para 2%. Após a centrifugação, o produto é levado para outro tanque de

26

armazenamento. Estes tanques dispostos entre a centrífuga têm a finalidade de manter a

continuidade do processo, visto que a centrífuga opera em um processo descontínuo.

Após este processo a solução irá passar pelo pré-aquecimento, que consiste no

aquecimento até 40° C realizado por um trocador casco tubo. Este processo é necessário

para evitar o choque-térmico da solução, que pode escurecer o suco e prejudicar sua

aparência e qualidade. Posteriormente a solução é levada para o pasteurizador e

aquecida por 30 segundos a temperatura de 92°C. O pasteurizador consistirá em um

trocador de placas de dois efeitos, sendo o primeiro utilizado para aquecer a solução até

a temperatura desejada, 92° C, com vapor superaquecido. O segundo efeito consistirá no

resfriamento da solução para 40° C, utilizando como fluido de arrefecimento água

subresfriada.

Para realizar a concentração, solução passa por um conjunto de 4 evaporadores e um

flash-cooler após o último estágio. A corrente que alimenta o primeiro evaporador

(considerada, para efeitos de cálculo, como uma solução água e sacarose) está à 40°C e

11°Brix. A vazão mássica de saída do último estágio foi fixada no valor 1 , a

uma temperatura de 85°C e e concentração de 66°Brix. Segundo Venturini (2005) e

CitrusBR, a solução sai do último estágio e passa por um flash cooler. Este

equipamento é utilizado para evitar o choque-térmico na solução, solucionar os

problemas de incrustação na superfície de troca térmica devido ao alto °Brix da solução

e evaporar uma pequena quantidade de água, não alterando significativamente o °Brix

da solução. Considerando a corrente de entrada no flash de 1 e com 66°Brix à

temperatura de 85° C e a corrente de saída do equipamento à temperatura de 18° C, tem-

se que esta apresentará uma vazão mássica de 994 e 66,4°Brix.

Posteriormente o suco concentrado é homogeneizado em um taque de blendagem

para que seja acrescido de aditivos e tenha características ajustadas de acordo com

especificações do cliente. Também são realizadas análises para verificar sua qualidade.

Depois, o produto segue para um trocador de calor de placas para que seja resfriado até

-7°C. O fluido de arrefecimento é o etileno glicol, que posteriormente é resfriado em um

trocador de calor de casco e tubo, que possui amônia como fluido de arrefecimento.

O concentrado de laranja é levado para farm-tanks onde é armazenado para o seu

posterior transporte.

27

Todas as partes dos equipamentos em contato com o líquido serão de aço inoxidável

304 ou 316L. Também vale ressaltar que, por indicações da Anvisa para fabricação de

produtos alimentícios, a tubulação deve ser projetada a fim de não possuir cantos com

angulação de 90° para evitar regiões estagnadas e incrustações que a danifiquem e

comprometam a integridade do produto e a higienização da linha. Os equipamentos

também seguem o padrão alimentício possuindo bordas arredondadas e trabalhando

com parâmetros que evitam incrustação.

A higienização da linha será feita a cada 20 dias com uma solução de soda cáustica

quente, de forma a garantir que não haja resíduos ao final do processo. Toda produção

será paralisada para que tal ação seja executada. Após a higienização com soda cáustica

a linha recebe um enxague com água a temperatura ambiente a fim de garantir que toda

a solução seja removida da linha.

Para análise dos cálculos dos valores fornecidos nesta descrição do processo,

consultar o memorial de cálculo, disponível no Apêndice A. O PFD do processo

encontra-se no Apêndice B

O sistema de controle do processo será por controle feedback, contando com sensores

de nível, temperatura, pressão e fluxo e atuadores pneumáticos para as válvulas e

bombas. Um possível sistema de controle feedforward pode se mostrar necessário e ser

adicionado posteriormente conforme o funcionamento do processo. A malha de controle

pode ser visualizada PI&D, que está disponível no Apêndice C.

28

7. ANÁLISE DE SEGURANÇA WHAT IF

Seguindo o método de análise de segurança What if elaborou-se a Tabela 2.

Tabela 2 – Análise What if.

E SE Resposta dos responsáveis Medidas preventivas ou corretivas

Faltar energia elétrica durante a operação

Os equipamentos estão em modo de falha segura. Será apresentado o projeto. Resp:

Engenheiro de Processos.

Faltar água durante a operação

Tanques de água superestimados garantirão a continuidade do processo.

Será apresentado o projeto. Resp: Engenheiro de processos.

Faltar gás durante a operação

As caldeiras são flexíveis com relação ao material de queima.

Ter contato de diferentes fornecedores. Será apresentado o projeto. Resp:

Engenheiro de processos.

Falta laranja durante a operação

Caso a falta seja por um curto período os tanques pulmão garantirão a continuidade do processo, caso seja por um grande período, haverá um

estoque de 24h de matéria prima.

Ter contato de diferentes fornecedores. Será apresentado o projeto. Resp:

Coordenador de produção.

Ocorrer à necessidade de manutenção interna de algum equipamento

A equipe de manutenção está capacitada para realizar manutenções em espaço confinado.

Serão apresentados certificados de treinamento. Todos os equipamentos

recebem manutenção preventiva anualmente. Resp: Operador de

máquina.

Ocorrer incêndio em algum ponto do

processo

Há extintores instalados, saídas de incêndio estão bem sinalizadas e treinamento de brigada de

incêndio. As caldeiras, evaporadores e o tanque de amônia estão localizados na parte de fora do

galpão.

Serão apresentados os certificados dos socorristas. Será apresentado o projeto.

Resp: Coordenador de produção.

Algum objeto travar a esteira

Equipe de manutenção está capacitada para realizar manutenções.

Serão apresentados os certificados de treinamento. Resp: Coordenador de

produção. Ocorrer algum atraso na linha de produção antes da centrífuga

Um tanque pulmão garantirá a continuidade do processo durante a adequação de tempo.

Será apresentado o projeto. Resp: Coordenador de produção.

Houver necessidade de manutenção na

centrífuga

Um tanque pulmão garantirá a continuidade do processo durante a adequação de tempo.

Será apresentado o projeto. Resp: Coordenado de produção.

Ocorrer incrustações na linha de produção

A linha recebe o processo de higienização regularmente

O projeto possui parâmetros de operação que evitam a incrustação.

Resp: Engenheiro de processos. Houver refluxo nas

tubulações Foram instaladas válvulas de retenção


Houver falha em algum sensor

A malha de controle detecta a falha e atua automaticamente


29

8. ANÁLISE DA LOCALIZAÇÃO DO EMPREENDIMENTO

Uma vez que as legislações federais e estaduais se aplicam em todo o estado de São

Paulo, a legislação vigente do munícipio de Limeira – SP mostrou diversos pontos que

facilitam e incentivam a implantação deste tipo de indústria. As leis Nº 4.642

(LIMEIRA, 2010), Nº 4.856 (LIMEIRA, 2011), Nº 4.879 16 (LIMEIRA, 2012), Nº

4957 (LIMEIRA, 2012), Nº 5.359 (LIMEIRA, 2014) e o decreto Nº 443 (LIMEIRA,

2013), por exemplo, que dispõem ressarcimento de investimentos na forma da

devolução parcial da cota parte do ICMS e leis complementares Nº 405 (LIMEIRA,

2007) e Nº 4029 (LIMEIRA, 2008) que dispõe sobre a criação do GEPLAN, que

estabelece incentivos para o funcionamento e para a construção de novas indústrias.

Tal legislação combinada com o fato de ser um município localizado no cinturão

citrícola, ou seja, tem grande disponibilidade de matéria prima, e ficar a uma distância

razoável do porto de santos, cerca de 240 km (o que viabilizaria a exportação de suco),

resultam na consideração de Limeira como a cidade que abrigará o empreendimento em

um fato vantajoso.

30

9. ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA

Para a análise de viabilidade econômica, foram considerados os custos de mão-de-

obra, custos energéticos, de matéria-prima, além daqueles envolvidos na implementação

da fábrica no que diz respeito apenas aos equipamentos envolvidos no processo. Em

relação ao start-up da fábrica, custos de alocação e documentação não foram

considerados, tão pouco os custos envolvidos no envase, que será feito na forma de

transporte direto e terceirizado. Também não foram considerados os custos da

construção da estação de tratamento de água, e de produtos secundários, como aditivos

e fluidos de arrefecimento dos trocadores de calor.

Os custos dos equipamentos, válvulas, tubulações, bombas e sensores utilizados no

processo foram orçados de acordo com as especificações definidas no projeto. O

detalhamento de tais custos encontram-se no Anexo D. Os custos iniciais com o

empreendimento, estimando o valor de R$ 10.000.000,00 para sua instalação mais R$

10.000.000,00 do custo do terreno, somam R$ 28.425.057,69.

Para estimar os custos energéticos, foi considerado somente o consumo das caldeiras,

dada sua demanda elevada de energia em relação aos outros equipamentos. Também se

considerou que seu consumo mensal será de 216.208 m³ de combustível operando com

uma eficiência de 60%, valor estimado para que a necessidade do processo seja suprida

com segurança. O custo do gás natural, combustível utilizado nas caldeiras, de acordo

com informações da ANP, é de R$ 1,88/m³. Sendo assim, segue na Tabela 3, a

estimativa do custo energético das caldeiras:

Tabela 3 - Custo energético das caldeiras.

Consumo (MW) Consumo de gás (m³/mês) Custo do gás natural (R$/m³) Custo energético mensal (R$)

2,2 216.208,4 1,88 406.471,8

Os custos estimados com a matéria-prima envolvem somente a laranja em si e com

seu frete. Seu custo é variável, cotado mensalmente de acordo com a região e a

variedade. De acordo com informações da Agrolink, o preço da laranja baia em

Limeira/SP no mês de junho de 2015 é de R$ 16,75 a caixa de 40,8 kg. Considerando

31

uma demanda de 12,9 toneladas de laranja por hora e um frete de 5% do valor total da

carga, os gastos com matéria prima encontram-se na Tabela 4.

Tabela 4 - Custo de matéria-prima.

Demanda de laranjas (ton/mês) Frete Preço caixa Custo mensal

8.668,8 5% R$ 16,75 R$ 3.736.826,47

Sobre os custos de mão-de-obra, este será baseado em múltiplos do salário mínimo

vigente no ano de 2015, que tem valor de R$ 788,00, segundo informações do Portal do

Trabalho e Emprego (BRASIL). Assim, serão considerados os salários relacionados às

funções de operação da fábrica, serviços administrativos e um custo mensal com

serviços terceirizados que envolvem segurança e limpeza, por exemplo. Na tabela 5,

seguem os custos mensais com salários.

Tabela 5 - Custos com mão-de-obra.

Função Quantidade Salário sem

encargos Salário com encargos (FGTS e

INSS) Custo total da

função Engenheiro de Processos 2 R$ 6.304,00 R$ 7.501,76 R$ 15.003,52

Coordenador de Produção 2 R$ 4.728,00 R$ 5.626,32 R$ 11.252,64

Encarregados de Área 6 R$ 3.152,00 R$ 3.750,88 R$ 22.505,28

Operador de máquina 3 R$ 2.364,00 R$ 2.813,16 R$ 8.439,48

Engenheiro Ambiental 1 R$ 5.516,00 R$ 6.564,04 R$ 6.564,04

Auxiliar de Produção 6 R$ 2.364,00 R$ 2.813,16 R$ 16.878,96

Administração 5 R$ 3.152,00 R$ 3.750,88 R$ 18.754,40

RH 3 R$ 3.152,00 R$ 3.750,88 R$ 11.252,64

Finanças 3 R$ 3.152,00 R$ 3.750,88 R$ 11.252,64

Vendas 2 R$ 3.152,00 R$ 3.750,88 R$ 7.501,76

Marketing 2 R$ 3.152,00 R$ 3.750,88 R$ 7.501,76

Estagiário 2 R$ 1.000,00 R$ 1.000,00 R$ 2.000,00

Serviços Terceirizados - - - R$ 80.000,00

Total 37 R$ 41.188,00 R$ 48.823,72 R$ 218.907,12

Também foram considerados custos com marketing visto que a empresa já possui

identidade visual, apresentada no Apêndice E. Nestes custos (que somam R$

580.000,00 mensais) estão incluídos a manutenção de um site da empresa, comerciais

de 30 segundos seis vezes por semana, uma semana por mês, em canais de assinatura,

32

em horários estratégicos de acordo com o perfil dos funcionários de empresas que são

compradores em potencial. Esse planejamento pode ser alterado futuramente de acordo

com novos estudos e expectativas da empresa.

O preço de venda do produto final será de R$ 10,00 por litro. Uma vez que,

mensalmente, será produzida uma quantidade de 672 toneladas, a receita bruta mensal

da fábrica será de R$ 6.720.000,00.

Com todos os valores de receitas e despesas elencados, é possível realizar uma

análise e verificar o payback da empresa, como ilustrado na Figura 6.

Figura 6 - Fluxo de caixa.

De acordo com a análise preliminar, a empresa terá seu primeiro saldo positivo em

torno do décimo sexto mês de operação e o investimento apresenta uma taxa interna de

retorno de cerca de 5% ao mês. Observa-se um comportamento linear do gráfico por

conta das considerações de que a produção seja fixa e de que não haja despesas

variáveis ao longo do tempo. Ressalta-se que muitos custos relevantes envolvidos no

processo, como o de exportação do produto final e os demais supracitados, ainda que

relevantes, não foram considerados. Sua consideração no projeto pode impactar

significativamente no seu resultado e a consideração de tais custos encontra-se nas

sugestões para trabalhos futuros.

33

10. CONCLUSÃO

O levantamento das variações do processo na indústria se deu de maneira

satisfatória, bem como a decisão da melhor estratégia para a produção do suco de

laranja de acordo com os parâmetros específicos de nosso empreendimento.

O estudo de mercado, a escolha do local apropriado e os cálculos de fluxo de caixa

demonstraram também que o empreendimento é viável. Neste trabalho encontrou-se

muita resistência do setor industrial com relação ao fornecimento de informações reais e

usuais de sistemas similares, tal dificuldade foi superada em partes com pesquisas em

outras cidades, estados e países e ainda, nos casos que não foi possível obter tais

informações, foram realizadas estimativas por proporcionalidade de valores conhecidos.

34

11. SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS

Para futuros estudos sugere-se:

• Projeto da estação de tratamento de efluentes;

• Estudos mais aprofundados dos aspectos políticos e econômicos atuais;

• Consideração dos custos de transporte, perdas de matéria durante o processo,

custos do controlador;

• Elaboração de um relatório HAZOP do empreendimento, além da

complementação da avaliação de segurança What if;

• Projeto da unidade de processamento da ração;

• Estudo de logística;

• Elaboração do sistema de controle.

35

REFERÊNCIAS

AGROLINK. Cotações: Laranja. Disponível em: <http://www.agrolink.com.br/cotacoes/frutas/laranja> Acesso em: 17 jun. 2015. ANP. Síntese dos Preços Praticados – Região. Disponível em: <http://www.anp.gov.br/preco/prc/Resumo_Quatro_Regiao.asp> Acesso em: 17 jun. 2015. BRASIL. Portal do Trabalho e Emprego. Salário Mínimo. Disponível em: <http://portal.in.gov.br/> Acesso em: 17 jun. 2015. CITRUSBR. A indústria brasileira de suco de laranja. S/A. Disponível em: <http://www.citrusbr.com/> Acesso em: 23 mar. 2015. EMBRAPA. Plano estratégico para os Citros (2012-2017). Disponível em: <https://www.embrapa.br/> Acesso em: 23 mar. 2015. ESTADÃO CONTEÚDO. Receita com exportação de suco de laranja cresce 40,4% em outubro. Revista Globo Rural. 3 nov. 2014. Disponível em: <http://revistagloborural.globo.com/Noticias/Agricultura/Laranja/noticia/2014/11/receita-com-exportacao-de-suco-de-laranja-cresce-404-em-outubro.html> Acesso em: 30 abr 2015. FAO. Food and Agriculture Organization of the United Nations. Production, 03 abr., 2015. Disponível em: <http://faostat3.fao.org/browse/Q/QC/E>. Acesso em: 03 abr. 2015. FAO. Food and Agriculture Organization of the United Nations. Trade, 03 abr., 2015. Disponível em: <http://faostat3.fao.org/browse/T/TP/E>. Acesso em: 03 abr. 2015. GEANKOPLIS, C. J.; Transport Process and Unit Operation. 3. ed. Englewood Cliffs: A Simon & Schuster Company, 1993. INCROPERA, F. P. et al. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa. 6ed. Rio de Janeiro. LTC; 2012. KORETSKY, M. D.; Termodinâmica para Engenharia Química. 1 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2007. LIMEIRA. Lei complementar Nº 405 de 19 de Dezembro de 2007.

36

LIMEIRA. Lei complementar Nº 4029 de 13 de Junho de 2008. LIMEIRA. Lei Nº 4.642 de 18 de Novembro de 2010. LIMEIRA. Lei Nº 4.856 de 22 de Dezembro de 2011. LIMEIRA. Lei Nº 4.879 16 de Fevereiro de 2012. LIMEIRA. Lei Nº 4.957 de 22 de Junho de 2012. LIMEIRA. Decreto Nº 443 de 11 de Novembro de 2013. LIMEIRA. Lei Nº 5.359 de 20 de Junho de 2014. MARCER, R.; ROBINSON, R.K; SADLER, M.J. Citrus fruits. Encyclopaedia of food science, food technology, and nutrition. San Diego: Academic Press, 1993 vol. 2, p. 994-1023. MARTINI, P. R. R. Conversão Pirolítica do bagaço residual da indústria de suco de laranja e caracterização química dos produtos. 2009. 103 f. Dissertação de Mestrado – Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, 2009. OLIVEIRA, S.D.; CAMARGO D.; MACHADO P.P.; BORGES, S.V. Condutividade térmica do suco de laranja. Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais. v.3, n.1, p.101-104, 2001 SANTOS, J. P. F.; Solicitações de Informações Alfenas [mensagem pessoal]. Mensagem recebida por [email protected]. Acesso em: 30 abr. 2015. VENTURINI FILHO, W. G. Tecnologia de Bebidas: matéria-prima, processamento, BPF/APCC, legislação e mercado. 1ª Ed. São Paulo: Edgard Blucher, 2005. YAMANAKA, H. T. Sucos cítricos. São Paulo: CETESB, 2005. 45 p. Disponível em: <http://www.cetesb.sp.gov.br>. Acesso em: 11 abr. 2015.

APÊNDICE A: MEMORIAL DE

CÁLCULO

- Recepção, lavagem e extração

Todos os cálculos de vazões durante as etapas do processo foram feitos tendo como

base a vazão de saída no final do processo, que foi fixada em 1 ton.h-1 pelas razões previamente

ditas. Assim, tem-se que a quantidade de laranjas que chega ao processo e entra na unidade de

extração é de 12,2 ton.h-1.

Uma vez que o finisher apresenta-se como uma extensão da unidade de extração e o

mesmo pode ser ajustado, a corrente que deixa a extração e entra nele pode variar. Assim, para

efeitos de cálculo e do processo, a vazão de interesse é aquela que sai do finisher e segue para as

etapas subsequentes, pois ela contém toda a fração líquida extraída do fruto. De acordo com

Venturini Filho (2005), cerca de 50% em massa da laranja é constituída pelo suco. Assim, ao

passar pelo conjunto extratora+finisher, a corrente líquida de suco extraído (m�) corresponde à

metade da massa na entrada. A fração sólida (m�� m��) é direcionada à produção de ração

animal. Assim, tem-se:

m� = 6,1 ��. ℎ�� (1)

m�� = �� = 6,1 ��. ℎ�� (2)

O balanço de massa para o conjunto extratora-finisher resulta, então, em:

�� = 12,25 ��. ℎ�� = 6,12 ��. ℎ��

�� + �� = 6,12 ��. ℎ��

- Clarificação

A corrente líquida que sai do finisher é então direcionada à centrífuga para o processo

de clarificação. Na centrífuga, de acordo com a margem proposta por Venturini Filho (2005)

que varia entre 1 e 6% de polpa no líquido clarificado, considera-se para o processo um teor de

2% de polpa. Assim, a corrente de saída da centrífuga (m�) é de 6 ton.h-1. A corrente m5

passa por um tanque pulmão do qual sai a corrente m6 de mesma massa e composição.

EXTRATORA +

FINISHER

O balanço de massa nessa etapa resulta em:

�� = 6,12 ��. ℎ�� = 6 ��. ℎ��

�� = 0,12 ��. ℎ��

- Pasteurização

Pré-Aquecimento (Trocador Casco Tubo)

O primeiro trocador de calor é um trocador tipo casco-tubo simples, que opera em

contracorrente. Na parte interna da tubulação escoa o suco de laranja proveniente do extrator, e

no casco ocorre à passagem de água subresfriada oriunda de uma das caldeiras de aquecimento.

A vazão mássica de suco que escoa no pré-aquecimento é:

��!"#$ = 6000 %&. ℎ�� (3)

Segundo Geankpolis, (1993), considerando o suco de laranja como uma solução de água

e sacarose, o calor específico, em kJ/kg.ºC, é calculado a partir da Equação 4:

'( = 4,19 − 2,55, (4)

onde: , é a porcentagem mássica (ºBrix) de sacarose na solução.

Na corrente 8, têm-se 11ºBrix de sacarose, então:

'(�!"#$ = 3,935 ./.0º2 (5)

As temperaturas de entrada e saída da solução nesse primeiro evaporador são

demonstradas a seguir:

34�,�!"#$ = 25º5 (6)

3#!6,�!"#$ = 40º5 (7)

∆3�!"# = 15º5 (8)

Sendo assim, Incropera, (2012) afirma que a quantidade de calor necessária para

aquecer a solução:

CENTRÍFUGA

89�$ = ��!"#$. '(�!"#$. ∆3�!"#$ (9)

89�$ = 98375 < (10)

As temperaturas do vapor vivo que escoa no casco estão representadas a seguir:

3á0!�>� = 110º5 (11)

3á0!�>� = 60º5 (12)

Segundo Incropera, (2012):

'(,á0!� = 4,18 ./.0º2 (13)

Sabendo, também, que a quantidade de calor transferida pela água é perdida em 10%,

temos:

0,189�$ = 8á0!�>�,>� (14)

É possível determinar a vazão mássica de água:

�á0!�>� = �,�?@ABCD"EáFAGHI∆JáFAGHK,HI

(15)

�á0!�>� = 1865 %&. ℎ�� (16)

Pelo fato de se conhecer as temperaturas de entrada e saída de ambos os fluidos, fez-se

uso do método da temperatura média logarítmica, demonstrado em Incropera, (2012), para a

obtenção da área de troca térmica. Portanto, temos que:

∆3L� = ∆JM�∆JNOP Q∆RM

∆RNS (17)

em que:

∆3� = 3á0!�>� − 3�!"#$,#!6 (18)

∆3� = 3á0!�>� − 3�!"#$,4� (19)

Substituindo os devidos valores de temperatura, temos:

∆3L� = 50,5 º5 (20)

Outra variável importante responsável por influenciar diretamente a intensidade de

transferência de calor é o coeficiente térmico global T, que depende de todas as resistências

térmicas do sistema. Nesse caso, consideremos apenas as resistências convectivas e

desprezamos a condutiva, haja vista que a camada metálica do tubo é relativamente fina.

Incropera, (2012) expõe que os coeficientes de convecção ℎ4� e ℎ#!6 são encontrados a partir da

Equação 21:

ℎ = .U!VW

(21)

em que: % é a condutividade térmica do fluido, XY é o número de Nusselt relacionado ao tipo

escoamento, Z[ é o diâmetro hidráulico.

O diâmetro hidráulico é calculado pela diferença entre o diâmetro externo e o diâmetro

interno do trocador. A condutividade térmica é determinada em função da temperatura, e o XY é

obtido por meio de correlações registradas empiricamente e variam de acordo com o regime de

escoamento no interior do casco e do tubo. Como o produto apresenta uma quantidade

considerável de sólidos dissolvidos, a fim de se evitar incrustação na tubulação, que aumenta a

resistência ao fluxo de calor, deve existir turbulência no movimento dos fluidos dentro do

equipamento. Sendo assim, o número de Reynolds \�V > 2300. Este adimensional é

encontrado pela Equação 22.

\�V = >L̂_VW` (22)

onde: a é a viscosidade dinâmica.

A correlação para o número de Nusselt em regimes turbulentos, o fator de atrito b no

trocador e o número de Prandtl cd foram assim especificados, segundo Incropera, (2012):

XY = QeDS(fgh��ij�

�k��,�(l/$iN/Mnj�M/o��p (23)

b = (0,79 ln \�V − 1,64i�� (24)

cd = "E`. (25)

Oliveira et al. (2001) determinaram a condutividade térmica do suco por meio da

correlação que envolve a porcentagem mássica de água na solução:

%�!"#$ = −1,181 + 4,641,Á0!�,�!"#$ − 3,008n,Á0!�,�!"#$p� (26)

%�!"#$ = 0,55942 tL.u (27)

A viscosidade dinâmica da solução foi determinada segundo Perry, (1999):

a�!"#$ = 0,0015 .0L.� (28)

Segundo Koretsky, (2007), as propriedades da corrente de água nas condições de

entrada são as seguintes:

%á0!�>� = 0,68 tL.u (29)

aá0!�>� = 0,001 .0L.� (30)

Considerando os seguintes valores de diâmetro do casco-tubo:

Z4� = 0,4 �; (31)

Z#!6 = 0,5 �; (32)

Z[ = 0,1 � (33)

Sendo assim, com essas unidades torna-se possível determinar os adimensionais

fundamentais na transferência de troca térmica. A tabela a seguir traz os valores dessas

grandezas:

Tabela 6 – Adimensionais encontrados para o pré-aquecimento.

wxy��zy��{| zY'�8 á&Y{47

\�V 1,41x104 6,59x103

cd 1,05 x101 0,10x101

b 2,86x10-2 3,55x10-2

XY 1,27x102 2,5x101

Com os adimensionais, encontrou-se o coeficiente convectivo interno e externo de troca

térmica, Equações 34 e 35 respectivamente:

ℎ�!"#$ = 713 tLMu ; (34)

ℎá0!�>� = 172 tLMu (35)

Sendo o coeficiente de troca térmica global T equivalente ao inverso das resistências

térmicas do sistema, têm-se:

T = �N

W@ABCDk N

W}GEC~HI (36)

T9�$ = 138 tLMu (37)

Então, sabendo a taxa de transferência de calor trocada pelos fluidos no interior do

equipamento, temos a Equação 38 para o calculo da área.

8�!"#$ = T9�$w∆3L�9�$ (38)

Substituindo os devidos valores, temos uma área superficial de transferência de energia

equivalente à: w9�$ = 14,07 ��

Pasteurização (Trocador de Placas)

1º Efeito

Nessa etapa do processo, o suco de laranja, ainda não concentrado, escoa por um

trocador de placas de duplo efeito, onde é aquecido e posteriormente resfriado. No primeiro

efeito, temos as seguintes condições de operação e características do suco:

�̂�!"#�� = �̂�!"#$ (39)

34�,�!"#�� = 40º5 (40)

3#!6,�!"#�� = 92º5 (41)

'(,�!"#�� = '(,�!"#$ (42)

Como se tem todos esses valores, a taxa de transferência de calor necessária para

aquecer o líquido, no primeiro efeito, é de:

8�!"#�� = 341033 < (43)

Portanto, a água arrefecida deve fornecer essa potência energética para que o processo

aconteça de maneira eficiente. A água do vaso de aquecimento, à 110ºC, é utilizado como fluido

quente e não muda de fase durante sua passagem dentro das placas. Portanto, considerando

pressão atmosférica de 1 atmosfera, a máxima variação de temperatura e o calor específico são

respectivamente Equações 44 e 45:

∆3á0!�� = 40º5; (44)

'(,á0!�� = 4,18 ./.0º2 (45)

Torna-se necessário, então, uma vazão mássica de água de:

�̂á0!�� = ?@ABCNo"E,áFAGo�∆JáFAGo�

(46)

�̂á0!�� = 6465 %&. ℎ�� (47)

O método da temperatura logarítmica foi aplicado novamente a fim de se obter o

coeficiente de transferência global para esse primeiro efeito. Seguindo o mesmo método de

cálculo que no primeiro trocador, temos:

∆3L� 18,98º5 (48)

Como o trocador é do tipo placas, a distância entre elas, chamada de {, influencia o tipo

de escoamento dos fluidos. Adotamos:

{ 0,04� (49)

E, portanto, um diâmetro hidráulico:

Z[ 2{; (50)

Z[ 0,08� (51)

As mesmas correlações para os adimensionais foram adotadas, considerando regime

turbulento no interior das placas. Os valores das propriedades físicas dos fluidos permanecem as

mesmas, com exceção da viscosidade dinâmica do suco de laranja:

a�!"#�� 0,0013.0

L.� (52)

Da mesma maneira que no pré-aquecimento, encontrou-se os adimensionais disponíveis

na Tabela 7.

Tabela 7 – Adimensionais encontrados para o 1º efeito da pasteurização.

wxy��zy��{| zY'�13 á&Y{35

\�V 2,02x104 2,86x104

cd 0,92 x101 6,11x104

b 2,60x10-2 2,24x10-2

XY 1,67x102 2,17x103

Com esses valores, encontraram-se os coeficientes convectivos do primeiro efeito:

��!"#�� 1167t

LMº2; (53)

��(#�� 18539t

LMº2 (54)

Possibilitando encontrar um valor de coeficiente global dado pela Equação 55:

T9��,�º 1098 tLMº2

; (55)

E de área superficial para o primeiro efeito de:

w9��,�º 16 �� (56)

2º Efeito

A variação de temperatura no segundo efeito é idêntica ao do primeiro, só que aqui, o

suco é resfriado. Logo, se a vazão de suco não muda, e nem mesmo o calor específico da

solução, a quantidade de calor trocada é equivalente a 8�!"#��.

Aqui também, a água subresfriada se movimenta entre as placas para resfriar o suco.

Como a mudança de fase não deve acontecer no interior das placas, temos:

3 á0!�>� = 25º5 (57)

3á0!�� = 80º5 (58)

'(,á0!�>� = 4,18 ./

.0º2 (59)

Considerando 8�!"#��, têm-se uma vazão de água:

�̂á0!�>� = 5933 %&. ℎ�� (60)

Temos o seguinte valor de temperatura média logarítmica:

∆3L� = 13,44º5 (61)

Assumindo a mesma distância de placas do primeiro efeito, as mesmas propriedades

físicas do suco e as seguintes propriedades da água:

%á0!�>� = 0,61 t

Lº2 ; (62)

aá0!�>� = 0,001.0

L.� (63)

Especificaram-se os valores dos adimensionais conforme a tabela 8.

Tabela 8 – Adimensionais encontrados para o 2º efeito da pasteurização.

wxy��zy��{| zY'�13 Á&Y{46

\�V 2,02x104 2,62x104

cd 0,92 x101 6,11x103

b 2,61x10-2 2,44x10-2

XY 1,67x102 2,00x103

Levando-nos a atingir os seguintes valores de coeficiente convectivo:

��!"#�� 1168t

LMº2; (64)

�á0!�>� 17140t

LMº2 (65)

Chegando então na Equação 66:

T9��,�º 1093t

LMº2 (66)

E uma área superficial de:

w9��,�º 23,20�� (67)

Resfriamento do Suco (Trocador Tipo Placas)

Após a saída do trocador flash, o suco é resfriado por outro trocador de placas a partir

da recirculação de etileno-glicol. Temos as seguintes condições e características nessa etapa:

�̂�!"#�� 1000%&. �� (68)

3�!"#�� 18º5 (69)

3�!"#�� +7º5 (70)

'(,�!"#�� 2,51./

.0º2 (71)

A quantidade de calor necessária para isso é:

89�� 17410< (72)

As características do etileno glicol de acordo com as condições de operação são:

3g.0.>� = −10º5 (73)

3g.0.>� = 5º5 (74)

'(,g.0.>� = 2,48 ./.0º2 (75)

Considerando, a partir dessa etapa, uma perda de calor de 20%, temos uma vazão de

etileno glicol (e.g.) de:

�̂g.0.>� = �,�?��N�"E,�.F.H�(J�.F.Ho�J�.F.H�i (76)

�̂g.0.>� = 2100 %&. ℎ�� (77)

Usando o método anterior, têm-se:

∆3L� = 6,82º5 (78)

Levando em conta um perda de calor nesse processo equivalente a 10%, encontramos

uma relação Tw de:

Tw = �,�?��N�∆J��

(79)

Tw = 2552 tL²º2 (80)

Utilizando os mesmos métodos de cálculo, temos a Tabela 9 que relata as propriedades

de operação e dos fluidos.

Tabela 9 – Propriedades de operação dos fluidos no resfriamento do suco.

�d{�x��{ zY'�13 �. &. 49

'((J/kgºC) 2,50x x103 2,48 x103

a(kg/ms) 1,14 x101 7,57 x10-3

%(W/mºC) 4,92 x10-2 2,51x10-1

\�V 2,40x103 4,91x103

cd 5,80 x103 2,44x102

b 1,82x10-1 3,88x10-2

XY 1,45x101 1,34x102

� (W/m²ºC) 4,95 x101 4,43 x102

Tendo uma distância entre cada placa de:

{ 0,01�; (81)

Z[ 0,02� (82)

Temos então:

T9�� 49t

L²º2 (83)

w9�� 52�² (84)

- Concentração

Evaporadores

Segundo Venturini Filho (2005) o suco entra com aproximadamente 11 °Brix no

conjunto de evaporadores e sai com 66 °Brix. A vazão mássica de saída do último evaporador

��̂�$) foi fixada em 1 ��. ��. Para encontrar os valores das correntes de saída de vapor no

topo e das correntes de fundo do suco concentrado, bem como suas respectivas frações mássicas

em cada evaporador, seguiu-se o algoritmo descrito por Geankoplis (1993). Considerações

importantes: todo vapor que sai no topo de um evaporador é utilizado como vapor saturado no

próximo estágio; o sistema é composto por sacarose e água; a corrente de topo no vapor de cada

evaporador é composta apenas por vapor d’água.

Baseando-se em Venturini (2005) as seguintes variáveis foram levadas em

consideração:

x�> = 0,11 (85)

T�> = 40° C (86)

x�� = 0,66 (87)

T�$ = 85° C (88)

Em que x é a fração mássica de sacarose presente em cada corrente e T é a temperatura

da corrente.

A temperatura do vapor saturado do primeiro evaporador (T�� ) foi considerada

como 121° C (GEANKOPLIS 1993). O mesmo autor afirma que as capacidades caloríficas das

correntes líquidas ('() e a elevação do ponto de ebulição (EPE) das soluções dentro dos

evaporadores são dadas por:

'( = 4,19 − 2,35 , (u/

u0.u) (89)

�c� = 1,78, + 6,22,² (° C) (90)

Ainda segundo Geankoplis (1993) o Coeficiente Global de Transferência de Calor (U)

varia entre 1100 e 4000 (<. ��. ° C��) para evaporadores vertticais com circulação natural.

Adotou-se para o primeiro evaporador U= 3600 (<. ��. ° C��) e para os demais os

coeficientes globais de transferência decaem em 10%.

Aplicando-se o BMG (balanço de massa global) obteve-se a vazão mássica de entrada

no primeiro evaporador:

�̂�> = 6 ��. ℎ�� (91)

O algoritmo encontrado na literatura para os balanços de massa e obtendo-se as

entalpias das correntes de vapor foram em Tabelas de Vapor disponíveis no Apêndice B de

Koretsky (2007). O cálculo das demais variáveis foi realizado por interações matemáticas

proporcionadas pela ferramenta Solver. Os valores ótimos encontrados para as mesmas estão

discriminadas abaixo:

Evaporador 1:

T�� = 113,7° C (92)

P�� = 0,16 �c{ (93)

�̂�> = 6,0 ��. ℎ�� (94)

x�> = 0,11 (95)

�̂�� = 1,9 ��. ℎ�� (96)

T�� = 121,0° C (97)

�̂�� = 4,4 ��. ℎ�� (99)

x�� = 0,15 (100)

�̂�> = 1,6 ��. ℎ�� (101)

Evaporador 2:

T�� = 105,82° C (102)

P�� = 0,12 �c{ (103)

�̂�� = 4,4 ��. ℎ�� (104)

x�� = 0, 15 (105)

�̂�> = 1,6 ��. ℎ�� (106)

T�� = 113,7° C (107)

�̂�� = 3,1 ��. ℎ�� (108)

x�� = 0,21 (109)

�̂�� = 1,3 ��. ℎ�� (110)

Evaporador 3:

T�� = 96,9° C (111)

P�� = 91,5 �c{ (112)

�̂�� = 3,1 ��. ℎ�� (113)

x�� = 0,21 (114)

�̂�� = 1,3 ��. ℎ�� (115)

T�� = 105,8° C (116)

�̂�� = 1,9 ��. ℎ�� (117)

x�� = 0,34 (118)

�̂�� = 1,1 ��. ℎ�� (119)

Evaporador 4:

T�� = 85,0° C (120)

P�� = 57,8 �c{ (121)

�̂�� = 1,9 ��. ℎ�� (122)

x�� = 0,34 (123)

�̂�� = 1,1 ��. ℎ�� (124)

T�� = 96,9° C (125)

�̂�$ = 1,0 ��. ℎ�� (126)

x�$ = 0,66 (127)

�̂�� = 0,9 ��. ℎ�� (128)

Pela Equação 129 determinou-se a área de troca térmica necessária para cada

evaporador:

8 = wT∆3, (129)

em que q: calor necessário para evaporar determinada quantidade de massa (KJ);

A: Área de troca térmica -se a área de troca térmica (m²);

U: Coeficiente Global de Transferência de Calor (W/m²° C );

∆3: diferença entre as temperaturas fornecido pelo algoritmo seguido para resolução do

sistema de 4 efeitos.

Os valores encontrados para as áreas foram:

w� = 58,17 �� (130)

w� = 47,96 �² (131)

w� = 40,1 �� (132)

w> = 34,0 �² (133)

Tanque Flash Cooler

A corrente de saída do último evaporador segue para o tanque flash cooler, com vazão

de 1 ton.h-1 e concentração de 66° Brix. A temperatura de entrada é de 85°C e a temperatura de

saída é de 18°C.

Pela definição de calor sensível e levando em consideração as entalpias de entrada e

saída das correntes, calcula-se a entalpia de redução da solução e o vácuo feito no sistema, como

mostrado na Equação 134:

∆�̂ = 8̂. 5. ∆3 (134)

O valor encontrado é de 16002,68 kJ/h.

A quantidade de vapor evaporada no flash é dada pela Equação 135:

8̂��(#� = ∆9̂

∆[��~G�G� ∆[@Gí�G (135)

8̂��(#� = 6,97 %&. ℎ�� (136)

O novo valor do °Brix para a solução é calculado pela Equação 137:

�dy,� = ��4 N∗ ?̂N

?̂N�?̂}GEC~ (137)

Em que os índices 1 e 2 correspondem às correntes de entrada e saída do flash,

respectivamente. O novo valor encontrado para o °Brix é de 66,5.

O balanço total de massa em todo processo de concentração resulta em:

��(#� = 5 ��. ℎ��

��> = 6 ��. ℎ�� $ = 1 ��. ℎ��

- Utilidades

Resfriamento do Etileno Glicol (Casco e Tubo)

EVAPORADORES +

FLASH COOLER

Como o etileno glicol é utilizado continuamente no processo de resfriamento do suco,

torna-se necessário um reciclo desse composto, e então, outro trocador de calor do tipo placas é

empregado, adotando a amônia como fluido refrigerante. Sabendo a temperatura de entrada e

saída do etileno glicol:

∆3g.0.>� = 5º5 (138)

∆3g.0.>� = −10º5 (139)

E que a quantidade de calor trocada nesse trocador é:

8�!"#�� = 89�� (140)

Essa quantidade de energia é responsável por vaporizar a amônia que entra nas placas a

temperatura de 0º5 e permanece nessa mesma temperatura até o fim da residência no

equipamento, já que se considera a mudança de fase do composto ao longo de tal. Considerando

a entalpia de vaporização desse composto e uma perda de 20% na transferência de calor, temos:

�̂�Lô�4�>� = �,�?��N�∆£}GE,G�ô�¤GHM

(141)

�̂�Lô�4�>� = 61 %&. ℎ�� (142)

Adotando a temperatura da superfície constante, temos uma variação de temperatura

entre o casco e o tubo equivalente a:

3� = 7,5º5 (143)

∆39�� = 7,5º5 (144)

Logo, encontramos uma relação Tw de:

Tw = �,�?��N�∆J (145)

Tw = 2322 tL²º2 (146)

Usando os mesmos métodos de cálculos, obtém-se a Tabela 10 que representa as

propriedades fluidodinâmicas de operação:

Tabela 10 – Propriedades de operação dos fluidos no resfriamento do etileno glicol.

�d{�x��{ �. &. 43 {�ô�y{42

'((J/kg.ºC) 2,48 .103 -

∆¥��((J/kg.ºC) - 1,27 .106

a (kg/m.s) 7,57 .10-3 1,41 .10-4

% (W/m.ºC) 2,51 .10-1 4,77 .10-1

\�V 2,01 .103 3,09 .103

cd 7,49 .101 1,48 .10-3

b 5,28 .10-2 4,51 .10-2

XY 2,61 .101 3 .10-1

� (W/m²ºC) 8,65 .102 1,00 .102

Adotando as seguintes características do trocador:

Z#!6 0,5�; (147)

Z4� 0,45�; (148)

Z[ 0,05� (149)

Novamente, pelos mesmos métodos temos:

T9�� 465t

L²º2 (150)

w9�� 5,00�² (151)

Liquefação Amônia (Trocador de Casco Tubo)

A amônia gasosa passa de vapor para líquido num trocador casco e tubo, onde o fluido

utilizado para tal é água. A quantidade de calor necessária nessa etapa é idêntica a anterior,

então:

89��$ 1,289�� (152)

Estimou-se a temperatura de entrada e saída da água de ∆3á0!�� = 25º5 e ∆3á0!�� =50º5, levando a:

∆39��$ = 25º5 (153)

Então, têm-se a quantidade de água necessária para isso:

�̂á0!�� = ?��ND"E,áFAG�N∆J��ND

(154)

�̂á0!�� = 610 %&. ℎ�� (155)

Nesse caso, temos um valor de Tw = 464 </º5.

As propriedades do fluido e do escoamento são encontradas na Tabela 11:

Tabela 11 – Propriedades de operação dos fluidos na liquefação da amônia.

�d{�x��{ {�ô�y{50 Á&Y{51

'((J/kg.ºC) - 4,18 .103

∆¥��( (J/kg.ºC) 1,27 .106 -

a(kg/m.s) 1,41 .10-4 1,00 .10-3

%(W/m.ºC) 4,77 .10-1 6,1 .10-1

\�V 3,09 .103 4,24 .103

cd 0,14 .101 0,68 .101

b 4,51 .10-2 4,07 .10-2

XY 1,34 .101 3,36 .101

ℎ (W/m²ºC) 1,27 .102 4,10 .102

Com relação as propriedades mecânicas do trocador, temos:

Z#!6 = 0,5 �; (156)

Z4� = 0,45 �; (157)

Z[ = 0,05 � (158)

Sendo assim, encontramos:

T9��$ = 100 t

L²º2 (159)

w9��$ = 5 �² (160)

Vaso de aquecimento

A quantidade de água que entra no vaso de aquecimento é resultado da somatória das

correntes reaproveitadas no próprio processo com a água oriunda de algum sistema de

abastecimento. As correntes reutilizáveis são provenientes da purga do segundo, terceiro e

quarto evaporador, da água saindo do trocador de pré-aquecimento e pasteurização e também da

quantidade proveniente do último trocador do processo. Sendo assim:

�̂�_4�,9�� = �̂á0!�� (161)

�̂�_4�,9�� = 5610 %&. ℎ�� (162)

A vazão mássica que sai da caldeira deve atender a demanda de água nos trocadores de

pré-aquecimento e do primeiro efeito do pasteurizador e por isso é assim determinada:

�̂#!6,9�� = �̂á0!�>� + �̂á0!�� (163)

�̂#!6,9�� = 8330 %&. ℎ�� (164)

A diferença entre as duas correntes acima corresponde a quantidade de água oriunda de

algum sistema de abastecimento natural:

�̂�_4�,9�� = �̂#!6,9�� − �̂�_4�,9�� (165)

�̂�_4�,9�� = 2720 %&. ℎ�� (166)

Para se aquecer a água que entra de 25º5 até 110º5 torna-se necessário uma

transferência de energia de:

8á0!�,9�� = 975,756 %< (167)

Para se aquecer a corrente 33 à temperatura de 110ºC, é necessário uma transferência de

energia de:

8á0!� = 44,61 %< (168)

Portanto, a transferência energética do gás natural pra caldeira deve ser:

86#6�� = 8á0!�,9�� + 8á0!� (169)

86#6�� = 1,02 �< (170)

Cálculo da taxa interna de retorno

Para o cálculo da taxa interna de retorno (TIR), temos a Equação 171:

∑f$ �.��.��>,��

(�kJ©f)� = \$ 28.425.057,69 (171)

Que é verdadeira para o valor de TIR de 0,053 para um prazo t de 36 meses.

APÊNDICE B: DIAGRAMA PFD

NT

T-7

E-3

T-1

E-1

E-7

E-6

4

E-5

ÁGUA PARA TRATAMENTO

RESÍDUO SÓLIDO

E-2

T-2

B-1

T-3

T-6

T-545

5

7

12

LEGENDA

Nº DA CORRENTE

E-9E-8

T-4

13

B-440

38

46

41

47

11

56

2

MATÉRIA PRIMA

CORRENTE 33 33

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALFENAS

INSTITUTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA

1/2

E-11

CORRENTE 48 48

N

N

N

NN

TPP T

T

P

N

MEDIÇÃO DE PRESSÃO

CONTROLE DE NÍVEL

MEDIÇÃO DE TEMPERATURA

V-1

V-2

V-3

I-1

6

V-4

I-2

8

T

3

10

E-10 E-1851

V-10 V-11

B-5

T

V-12

B-2

ÁGUA 54

V-13

V-6

V-7

I-3 I-4

V-8

V-8

55

V-5

1

9

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

FLUXOGRAMA DO PROCESSO

LENIN ACERBI E ROGÉRIO GARCIAAU TO R:

FO LH A:

37

39

35

T-12

N

V-9B-3

14

PTP T

E-15T-10 T-11

B-7

E-17

B-14

B-9

B-8 B-12 B-10

B-15

T-9

B-13

14

22

23

24

15

16

27

17

25

26

18

19 34 20

49

32

T-8

T-5

2930

E-10

POLPAPASTEURIZADA

P

N


CONTROLE DE NÍVEL


N

T

LEGENDA

Nº DA CORRENTE

N

P T

N

21

T

N

T P

T P

T P

T P

V-21

V-28

I-5

I-6

36

B-11

42

50

E-18

52

CORRENTE 51 51

E-16

43

V-29

V-30

28

31

V-31

48

E-19

V-15

V-14

V-20

V-19

V-17

V-18

V-16

33




FLUXOGRAMA DO PROCESSO


FO LH A:

2/2

V-22

V-23

V-24

V-25

V-26V-27

APÊNDICE C: DIAGRAMA P&ID

T-7

E-3

T-1

E-1

E-7

E-6

4

E-5

ÁGUA PARA TRATAMENTO

RESÍDUO SÓLIDO

E-2

T-2B-1

T-3

T-6

T-545

7

12

LEGENDA

Nº DA CORRENTE

MATÉRIA PRIMA

CORRENTE 48 48

N

N

N

NN

P

N


CONTROLE DE NÍVEL


V-1 V-2

V-3

I-1

T

T

V-13

I-3 I-4

11

56

2

E-88

10

CONTROLADOR

CORRENTE 41

3

41

V-8

55



1/3


P&ID


FO LH A:

1

T

5

V-4

V-5

9

6

16

15

E-17

B-14

22

23

B-9

B-8

E-10

N


CONTROLE DE NÍVEL


LEGENDA

Nº DA CORRENTE

T P

T P

T P

V-29

E-8

35

B-4

N

T

P

I-2

8 V-10

V-11

B-5

V-12

B-3

V-8

E-9

37

T

T-4

40

ÁGUA

CORRENTE 33

13

V-7

T

T-6

V-15 E-14

E-14T-3

V-20

51

25

CONTROLADOR

26

E-18

24

V-14

47

E-10

V-6

39

46

32

30

31



2/3



FO LH A:

T

41

P&ID

P

B-2 T-12

14

V-9

N

V-22

V-23

17V-24

P

TP T

E-15T-10

B-7

B-12 B-10

B-15

T-9

B-13

27

17

26

18

19 34 20

T-8

T-5

29

E-10

E-13

P

N


CONTROLE DE NÍVEL


N

T

LEGENDA

Nº DA CORRENTE

N

T

P

N

T

N

T P

V-28

I-5

I-6

B-11E-18

CORRENTE 51

E-1643V-30

V-31

48

E-19

V-18

E-13

V-19

V-21

V-16

51V-17

42

50

E-10

T-11

CONTROLADOR

52



3/3



FO LH A:

P&ID

28

V-25

V-26

21V-27

36

49

APÊNDICE D: DESCRIÇÃO DOS

EQUIPAMENTOS E ORÇAMENTOS

Tanques

Todos os tanques utilizados, com exceção do T-9 (tanque de aditivo), serão

compostos por aço inoxidável 304, cilíndricos, com as bordas arredondadas e

apresentando as seguintes dimensões: (2,25 x 2,65) m, diâmetro e altura

respectivamente. Totalizando uma capacidade de 10,5 m³. Estes tanques serão utilizados

com as seguintes finalidades:

Silos de armazenamento (T-1): Serão utilizados dois tanques para o

armazenamento da matéria-prima recebida: 12,5 ��. ℎ��, totalizando 585 ton de laranja

armazenanda até no máximo 48 h.

Tanque de estocagem de detergente (T-7): Será utilizado para armazenar o

detergente utilizado na desinfecção das laranjas que será realizada nas esteiras de

lavagam.

Tanques de armazenamento (T-2 e T-3)s: Estes tanques serão utilizados para

armazenar as frutas entre a extratora/finisher e a centrífuga (T2) e centrífuga e trocador

de calor (T3).

Tanques de armazenamento (T-12): Este tanque será utilizado para armazenar

o suco entre a pasteurização e a concentração.

Tanque de NaOH (T-5): Este tanque será utilizado para armazenar o hidróxido

de sódio utilizado na higienização CIP (clean in place).

Reservatórios de água (T-4 e T-6): O tanque T-4 irá armazenar toda água que

será utilizada no processo de resfriamento dentro do pasteurizador. O tanque T-6

receberá toda água proveniente do pasteurizador.

Tanque de blendagem (T-10): Neste tanque o concentrado proveniente do

flash-cooler receberá os aditivos, será homogeneizado e serão retiradas as amostras para

verificação da qualidade do suco.

Tanque de armazenamento (tank farm) (T-11): Após resfriado o suco

concentrado, produto final, será armazenado neste tanque para posterior distribuição.

Tanque de neutralização (T-8): Este tanque receberá o NaOH, para

neutralização, proveniente da higienização CIP da linha.

O tanque utilizado para armazenamento dos aditivos, não apresenta as mesmas

dimensões dos anteriores:

Tanque de aditivo (T-9): Será utilizado para armazenar o aditivo que será

acrescido ao concentrado no tanque de blendagem. Constituído também de aço

inoxidável 304, e possui o volume de 2 m³.

Extratora FMC Juice Extractor + Finisher (E-5 e E-6)

Este equipamento será utilizado para receber as frutas consideradas em boa

condição provenientes da lavagem (12,2 ��. ℎ��). Será da marca GENEMCO, modelo

FMC 75B, sanitário e com as seguintes dimensões: (2,3x 1,2 x 1,3) m, sendo estas

associadas à comprimento, largura e altura respectivamente.

Centrífuga (E-7)

A centrífuga utilizada na clarificação do processo será o modelo contínuo SCP-

C5 da marca PIERALISI, que possui capacidade para até 35 ��. ℎ��, com velocidade

de rotação do tambor de 1200 rpm e material de contato com o fluido constituído de aço

inoxidável.

Trocador de calor (E-8)

Esse trocador de calor será do tipo casco e tubo, de aço INOX 304, com

diâmetro externo de 0,5 m; diâmetro interno de 0,4 m; área de troca térmica de 10 m² e

comprimento de 6,5 m. No tubo interno, têm-se uma vazão de 6 ��. ℎ�� e a

temperatura interna varia de 25 ºC até 40 ºC. No tubo externo, têm-se uma vazão de

2,35 ��. ℎ��de água com a temperatura variando de 110 ºC até 60 ºC.

Pasteurizador (E-9)

O pasteurizador consiste num trocador de fluxo contracorrente do tipo placas

com duplo efeito, necessitando de uma área de troca térmica equivalente à 40 m²,

distância entre cada placa de 4 cm, sendo o número de placas igual a 192 e o

comprimento de cada placa sendo 50 cm. No primeiro efeito, a capacidade das placas

que comportam o suco de laranja é de 6 ��. ℎ�� e a temperatura varia de 40 ºC até 92

ºC, enquanto que, as placas por onde escoa a água devem ter capacidade para 6,46 ton.h-

1 e suportar variações de temperatura de 60 ºC até 110 ºC. No segundo efeito, as placas

devem suportar vazão mássica de suco semelhante ao do primeiro efeito, uma variação

de temperatura de 92 ºC até 40 ºC e também, uma taxa mássica de água equivalente a

5,93 ton.h-1 com variação de temperatura de 25 ºC até 80 ºC.

Caldeira (E-17)

A caldeira E-17 será utilizada para gerar a corrente 23, composta pelo vapor

utilizada no primeiro efeito do conjunto de evaporadores. Da mesma maneira a corrente

de condensado do mesmo efeito retorna ao equipamento, mantendo a mesma vazão

mássica (1,96 ��. ℎ��), alterando-se apenas o estado físico.

Vaso de aquecimento (E-10)

O vaso de aquecimento E-10 estará posicionad0 de tal modo a receber as

correntes 33, 40 e 39, que representam todo o vapor condensado proveniente de todos

os evaporadores (5,61 ��. ℎ��); os condensado provenientes do trocadores de calor E-

8 (2,35 ��. ℎ��) e E-9 (2,55 ��. ℎ��) respectivamente. Simultaneamente duas

correntes sairão deste equipamento: 47 e 35, sendo esta utillzada no E-9 (6,46

��. ℎ��) e aquela no E-8 (1,86 ��. ℎ��).

Ambos os equipamentos (caldeira e vaso de aquecimento) serão da marca

Steammaster, modelo VM, que apresenta uma capacidade entre 300 e 3000 Kg de

vapor/hora.

Conjunto Evaporadores + flash-cooler (E-11 à E-15)

Este conjunto de equipamentos será utilizado para a concentração do suco

proveniente do pasteurizador. O produto entrará no primeiro estágio a temperatura de 40

ºC a concentração de 11º Brix e sairá no último evaporador à temperatura de 85 ºC e 65

º Brix. Após isso passará para a flash-cooler onde sofrerá uma queda de pressão e

reduzirá a temperatura do concentrado de 85 ºC para 18 ºC e 66,5 ºBrix. O conjunto

evaporador + flash-cooler utilizado será o Evaporador T.A.S.T.E. modelo 3314 da

marca JBT, que apresenta uma eficiência de até 3,3 Kg de água evaporada por Kg de

vapor utilizado.

Trocador de Calor (E-16)

Esse equipamento é um trocador do tipo placas de fluxo contracorrente, feito de

aço INOX 304, necessitando de uma área de troca térmica equivalente à 52 m²,

distância entre cada placa de 1 cm, e número de placas equivalente a 210 placas, sendo

que o comprimento das placas deve ser de 50 cm. As placas que transportam o suco

devem suportar uma vazão de 1 ton.h-1, uma variação de temperatura de 18 ºC até -7 ºC

e uma pressão de 1 atm. As placas por onde escoam o etileno glicol devem ter

capacidade de 2,10 ton.h-1, suportar uma variação de temperatura de -10 ºC até 5 ºC e

uma pressão de operação de 1 atm.

Trocador de calor (E-18)

O trocador é do tipo casco e tubo com fluxo em contracorrente, composto por

aço INOX 304, e diâmetro externo de 0,5 m, diâmetro interno de 0,43 m, área de troca

térmica de 10 m² e comprimento de 6,37 m. No tubo interno, têm-se uma vazão de 0,61

ton.h-1 e a temperatura interna varia de 25 ºC até 50 ºC. No tubo externo, têm-se uma

vazão de 0,061 ton. h-1 de amônia com a temperatura de 0 ºC permanecendo constante.

No casco, as paredes devem suportar uma pressão de operação de 4 atm e o tubo, uma

de 1 atm.

Trocador de Calor (E-19)

O trocador é do tipo casco e tubo com fluxo em contracorrente, composto por

aço INOX 304, e diâmetro externo de 0,5 m, diâmetro interno de 0,45 m, área de troca

térmica de 5 m² e comprimento de 3,2 m. No tubo interno, têm-se uma vazão de 2,10

ton.h-1 e a temperatura interna varia de 5 ºC até -10 ºC. No casco, têm-se uma vazão de

0,061 ton. h-1 de amônia com a temperatura de 0 ºC permanecendo constante. O casco

deve suportar uma pressão de 4 atm enquanto que, o tubo deve suportar uma pressão de

operação de 1 atm.

Medidores

Temperatura: A temperatura será medida em 18 pontos do processo, sendo

duas redundâncias, através do instrumento de modelo Maverick Pt-100 Protemp

Thermocouple, com controle automatizado e monitor de controle para sensor de

temperatura modelo TR8430 da marca IFM.

Nível: A medição de nível em 11 pontos será realizada continuamente com um

transmissor de pressão submersível da marca IFM e modelo PS308A, com a presença

de um sensor óptico de nível modelo 01D300 nos pontos de nível máximo.

Pressão: A pressão será medida em 11 pontos, sendo todos com redundância. O

instrumento utilizado para tal será da marca IFM e modelo Py9954.

Vazão: Ocorrerá a medição de vazão em 6 pontos do processo, todas realizadas

através do medidor de fluxo da marca IFM e modelo SBY446.

Válvulas: As válvulas ao longo do processo serão do tipo borboleta sanitária

Total INOX AISI 304 com atuador pneumático, sendo as válvulas de retenção do tipo

disco, modelo AI 16 de aço inox 316.

Bombas

As bombas nos pontos em que há contato direto com o produto serão do tipo

deslocamento positivo da marca WATSON MARLOW em dois modelos distintos,

MASOSINE SPS 250 com capacidade de 7 ³. ℎ��. e MASOSINE SPS 100 com

capacidade de 1 ³. ℎ��. Serão utilizadas bombas peristálticas em tubulações que não

há contato direto com o produto.

Tabela 12 – Lista de equipamentos.

Código Tipo de Equipamento Operação Capacidade Preço

T-5 Tanque de NaOH Descontínua 10 m³ R$ 25.000,00

T-1 Silo de armazenamento Contínua 20 m³ R$ 140.000,00

T-6 Tanque de armazenamento de

água Contínua 10 m³ R$ 25.000,00

T-8 Tanque de armazenamento Contínua 10 m³ R$ 25.000,00



solução Contínua 10 m³ R$ 25.000,00

E-3

Esteira transportadora (pré-lavagem)

Contínua 13 ton/h R$ 10.000,00

Esteira transportadora (lavagem)

Contínua 13 ton/h R$ 10.000,00

E-1; E-2 Pulverizadores Contínua 2,2 m³/h R$ 1.000,00

E-5; E-6 Extratora FMC + Finisher Contínua 13 ton/h R$ 75.000,00


E-7 Centrífuga Contínua 7 ton/h R$ 400.000,00

T-3 Tanque de armazenamento Contínua 10 m ³ R$ 25.000,00

E-8 Trocador de calor casco e tubo Contínua 7 ton/h R$ 565.500,00

E-9 Trocador de calor de placas de

dois efeitos Contínua 7 ton/h R$ 735.150,00


água fria Contínua 10 m³ R$ 25.000,00

E-10 Vaso de aquecimento Contínua 1,5 MW R$ 800.000,00

E-17 Caldeira Contínua 1,2 MW R$ 800.000,00

E-11 Evaporador 1 Contínua 6 ton/h -


E-13 Evaporador 3 Contínua 4 ton/h R$ 1.950.000,00


E-15 Tanque Flash Cooler Contínua 1 ton/h -

T-10 Tanque de blendagem Contínua 1 ton/h R$ 179.829,00


aditivo Contínua 2 m³ R$ 8.000,00

E-16 Trocador de calor de placas Contínua 1 ton/h R$ 735.150,00

E-19 Trocador de calor casco e tubo Contínua

R$ 452.400,00

E-18 Trocador de calor casco e tubo Contínua

R$ 450.000,00

T-11 Tanque de Armazenamento Contínua 1 ton/h R$ 25.000,00

Tabela 13 – Lista de bombas.

Código Tipo de Bomba Corrente Vazão Preço

B-1 Deslocamento Positivo 5 6,12 ton/h R$ 31.135,04

B-2 Deslocamento Positivo 7 6 ton/h R$ 31.135,04



B-4 Peristáltica 35 7 ton/h R$ 16.000,00

B-5 Peristáltica 40 1,9 ton/h R$ 16.000,00









APÊNDICE E: IDENTIDADE

VISUAL

ITROSH W

APÊNDICE F: LAYOUT

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