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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO – USP ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA – EEL Rafael Prudenciato Consumo energético no processo de destilação de etanol e análise de suas variáveis de impacto: estudo de caso em uma usina Lorena – SP 2011
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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO – USP
ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA – EEL
Rafael Prudenciato
Consumo energético no processo de destilação de etanol e análise de suas
variáveis de impacto: estudo de caso em uma usina
Lorena – SP
2011
RAFAEL PRUDENCIATO
Consumo energético no processo de destilação de etanol e análise de suas variáveis de
impacto: estudo de caso em uma usina
Trabalho de Conclusão de Curso da Universidade de São
Paulo para obtenção de título de Engenheiro Químico
Área de Concentração: Processos de Separação (Operações
Unitárias)
Orientador: Prof. MSc. Antônio Carlos da Silva
Lorena – SP
2011
RESUMO
PRUDENCIATO, R. Consumo energético no processo de destilação de etanol e análise
de suas variáveis de impacto: estudo de caso em uma usina, 2011. Trabalho de
Conclusão de Curso – Universidade de São Paulo.
Uma das operações mais utilizadas na Indústria Química é a destilação e esta se
apresenta como o método de separação de maior consumo energético. Além da produção
de álcool etílico hidratado, o setor sucroalcooleiro brasileiro se caracteriza como um
cogerador de energia, onde também obtém energia térmica e elétrica a partir da cana-de-
açúcar. Desta forma é importante o estudo de sistemas de destilação para atingir processos
mais eficientes de produção de álcool hidratado, com menos perdas energéticas e que
causem menor impacto ao meio ambiente. A análise deste trabalho se processou em uma
usina sucroalcooleira onde foram realizadas as coletas de dados, cálculos de balanço de
massa e energia. Foi determinado o consumo de vapor vegetal por litro de álcool hidratado
produzido. As variáveis críticas de operação foram analisadas, onde foi possível identificar
os parâmetros a serem otimizados, assim como determinar do potencial de redução
energética.
Palavras-chave: Destilação. Consumo de vapor.
ABSTRACT
PRUDENCIATO, R. Energy consumption in the distillation process of ethanol and
analysis of their impact variables: a case study in plant. 2011. Trabalho de Conclusão
de Curso – Universidade de São Paulo.
One of the operation most used in the chemical industry is the distillation and this is
presented as the method of separation of higher energy consumption. Besides the
production of hydrated ethanol, the brazilian sugar-ethanol sector is characterized as a
cogenerator of energy, which also receives thermal energy and electricity from sugar cane.
Thus it is important to the study of distillation systems to achieve efficient processes for
the production of hydrated alcohol, with less energy losses and causes less impact on the
environment. Analysis of this work was done in a sugar-ethanol plant where they were
carried out data collection, calculation of mass and energy balance. It was determined the
plant steam consumption per liter of hydrated ethanol produced. The critical operating
variables were analyzed, it was possible to identify the parameters to be optimized, as well
as determining the potential for reducing energy.
Keywords: Distillation. Steam Consumption.
SUMÁRIO
1 - INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 1
1.1 - O Cenário Sucroalcooleiro do Brasil ............................................................................. 1
1.2 – O Setor Sucroalcooleiro como Cogerador de Energia .................................................. 2
1.3 – Potencial da expansão da cogeração de excedentes pelo setor sucroalcooleiro ........... 3
1.4 – Justificativa ................................................................................................................... 4
2 – OBJETIVOS ................................................................................................................... 6
2.1 - Objetivo Geral ............................................................................................................... 6
2.2 - Objetivos Específicos .................................................................................................... 6
3 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ..................................................................................... 7
3.1 – Destilação ...................................................................................................................... 7
3.2 – Coluna de Destilação .................................................................................................... 7
3.3 – Transferência de Calor e Massa .................................................................................... 8
3.4 – Usos da Energia na Destilação ...................................................................................... 9
3.4.1 - Calor Sensível ........................................................................................................... 10
3.4.2 - Calor de Vaporização ............................................................................................... 10
3.4.3 - Calor de Condensação .............................................................................................. 11
3.5 – Sistema de Geração de Vapor ..................................................................................... 12
4 – LEVANTAMENTO DE DADOS: ESTUDO DE CASO - GRUPO UNIALCO
(GUARARAPES-SP) ......................................................................................................... 14
4.1 – Coleta de Dados .......................................................................................................... 14
4.2 – Fluxograma da Destilaria ............................................................................................ 15
4.3 – Balanço de Massa das Colunas de Destilação e Retificação ...................................... 16
4.3.1 – Balanço de Massa da Coluna de Destilação “A” ..................................................... 16
4.3.2 – Parâmetros de Operação das Colunas de Retificação “B1” e “B2” ......................... 20
4.3.2.1 – Balanço de Massa da Coluna de Retificação “B1” ............................................... 21
4.3.2.2 – Balanço de Massa da Coluna de Retificação “B2” ............................................... 22
4.4 – Balanço de Energia das Colunas de Destilação e Retificação .................................... 23
4.4.1 – Balanço de Energia da Coluna de Destilação “A” ................................................... 23
4.4.2 – Balanço de Energia da Coluna de Retificação “B1” ................................................ 26
4.4.3 – Balanço de Energia da Coluna de Retificação “B2” ................................................ 27
4.5 – Consumo de Vapor nas Colunas de Destilação e Retificação .................................... 29
4.5.1 – Consumo de Vapor na Coluna de Destilação “A” ................................................... 29
4.5.2 – Consumo de Vapor na Coluna de Retificação “B1” ................................................ 29
4.5.3 – Consumo de Vapor na Coluna de Retificação “B2” ................................................ 29
4.5.4 – Consumo de Vapor Total ......................................................................................... 30
5- ANÁLISE DOS RESULTADOS .................................................................................. 31
5.1 – Consolidação dos dados .............................................................................................. 31
5.2 – Estratificação do Consumo de Vapor ......................................................................... 32
6 – ANÁLISE DAS VARIÁVEIS CRÍTICAS DE OPERAÇÃO ................................. 35
6.1 – Influência da Temperatura do Vinho .......................................................................... 35
6.2 – Influência do Grau Alcoólico do Vinho ..................................................................... 36
6.3 – Influência do Tipo de Vapor ....................................................................................... 37
6.4 – Potencial de Redução de Consumo de Vapor ............................................................. 38
7 – CONSIDERAÇÕES FINAIS ...................................................................................... 40
REFERÊNCIAS ................................................................................................................. 42
1
1 - INTRODUÇÃO
1.1 - O Cenário Sucroalcooleiro do Brasil
A utilização do álcool combustível automotivo no Brasil ganhou importância na
década de 70 com o lançamento do Programa Nacional do Álcool – PROÁLCOOL, criado
pelo Decreto 76.593/75. Esse programa possuía uma finalidade estratégica: substituir parte
da gasolina consumida no mercado interno, reduzindo, assim, as importações de petróleo.
A primeira fase do programa, período entre 1975-1979, foi marcada pela utilização da
mistura álcool anidro-gasolina. Na segunda fase, período entre 1979-1985, foram lançados
os carros a álcool (SOUZA, 2006). A década de 90 foi marcada pelo processo de
desregulamentação ocorrido no setor sucroalcooleiro, provocando mudanças institucionais
e organizacionais (MORAES, 1999). O fim da intervenção estatal estimulou a busca por
técnicas produtivas mais eficientes que contribuíram para a redução dos custos e,
consequentemente, aumento da competitividade dos produtos no ambiente livre de
mercado (SOUZA, 2006).
O Brasil é o maior produtor mundial de etanol de cana de açúcar e também o maior
exportador. O cenário atual demonstra um mercado aquecido, principalmente pelo
crescimento da frota de veículos flexfuel, porém, a produção não é suficiente para atender a
demanda interna. Segundo Rodrigues (2011, apud ALVARENGA, 2011), a capacidade de
produção de etanol em 2011 tem condições de garantir o abastecimento de apenas 45% da
frota de veículos bicombustíveis e este valor poderá ser inferior a 37% em 2020, caso não
haja investimentos no setor. No início da década, a produção nacional chegou a atender
90% de sua frota.
Tendo em vista que o setor não vem conseguindo acompanhar o crescimento da
demanda nos últimos anos, este cenário demonstra a urgente necessidade de
desenvolvimento de um planejamento estratégico consistente entre os produtores, usineiros
e governo, visando investimentos em infra-estrutura nas destilarias, no cultivo da cana-de-
açúcar e na especialização de mão de obra.
Esta oportunidade se torna mais evidente quando analisamos o perfil internacional
também crescente por esta fonte energética. De acordo com a EMBRAPA (2010), o Brasil
não aumenta sua capacidade de exportação devido à insuficiência de sua produção para
2
abastecer o mercado internacional. O cenário atual é extremamente promissor para o
aumento da produção e do consumo mundial de álcool hidratado, devido, sobretudo, a
preocupações climáticas e econômicas, já que o combustível é substituto direto da
gasolina, derivada do petróleo.
1.2 – O Setor Sucroalcooleiro como Cogerador de Energia
A cogeração é uma prática cada vez mais tradicional do setor sucroalcooleiro,
sendo aplicada em várias partes do mundo. No Brasil, desde a instituição do Proálcool,
parte significativa das usinas sucroalcooleiras tornou-se auto-suficiente em termos
energéticos. Elas passaram a gerar toda a energia necessária para suprir sua demanda
utilizando cada vez mais o bagaço da cana-de-açúcar, que responde por 30% do conteúdo
energético da cana moída, chegando a render excedentes que podem ser vendidos à rede
(BRIGHENTI, 2003).
Para a COGEN1 (2008 apud DANTAS FILHO, 2009), o cultivo da cana-de-açúcar
ligado ao uso da biomassa dela proveniente para fins energéticos permitem ao Brasil
ocupar posição estratégica privilegiada no cenário nacional. A biomassa residual resultante
do processo industrial das usinas sucroalcooleiras, em grande quantidade, integra-se
favoravelmente ao processo de cogeração, que se constitui da produção simultânea e
consequenciada de duas ou mais formas de energia a partir de um único combustível.
Apesar de há muito tempo disponível, observa-se que esta fonte tem sido
subutilizada para a geração comercial de energia elétrica. A reformulação do Programa de
Incentivo às Fontes Alternativas de Energia (PROINFA), instituído pelo Governo Federal
em 2002, e o surgimento do mercado de créditos de carbono, impulsionado pelo Protocolo
de Kyoto, reverteram este quadro, fazendo com que a biomassa da cana-de-açúcar fosse
utilizada de forma mais intensa, tornando-se um importante componente na matriz
energética brasileira (DANTAS FILHO, 2009).
Ainda segundo Dantas Filho (2009), a tecnologia de cogeração consagrada no setor
sucroalcooleiro brasileiro é a tradicional, do ciclo topping (superior) a vapor, em
contrapressão, em que a produção de energia mecânica e/ou elétrica ocorre antes da etapa
do processo produtivo que utiliza energia térmica. O sistema possui uso final de energia na
forma mecânica e térmica.
1 COGEN – Associação Paulista de Cogeração de Energia, 2008. <www.cogen.com.br>
3
Walter (1994) completa afirmando que em sistemas com turbinas de contrapressão
utilizados basicamente visando à auto-suficiência de potência eletromecânica, a geração de
energia elétrica segue as variações da demanda de vapor de processo determinada pelo
ritmo de operação das usinas e destilarias, o que pode ser considerada uma barreira
importante à comercialização de eventuais excedentes de eletricidade pelo setor.
1.3 – Potencial da expansão da cogeração de excedentes pelo setor sucroalcooleiro
Dantas Filho (2008) entrevistou profissionais, pesquisadores e empreendedores
ligados às principais instituições do setor sucroalcooleiro: Carlos Roberto Silvestrin
(Associação Paulista de Cogeração de Energia – COGEN) e Paulo Sério Javorski
(Companhia Paulista de Força e Luz – CPFL).
Silvestrin, da Associação Paulista de Cogeração (COGEN), afirma que a
expansão da cogeração foi intensificada em 2008 e estará consolidada entre os
anos de 2010 e 2015. Acredita que uma expansão maior poderá ocorrer com a
introdução de novas tecnologias (gaseificação de biomassa, maior utilização de
palha etc.). Aproximadamente 11.000 MW poderão ser disponibilizados pelo
setor até 2015, em negócios impulsionados principalmente pelos leilões de
energia que deverão ser promovidos pelo governo nos próximos anos.
Silvestrin afirma, ainda, que a expansão em São Paulo tem se concentrado na
região oeste do estado. Nas regiões tradicionais, nordestes e noroeste, que já
dispõem de um parque canavieiro, se observarão a tendência de troca de
equipamentos e o consequente aumento da eficiência dos processos produtivos e
agrícolas (produção de maior volume tonelada por hectare), além da
intensificação de mecanização da colheita, o que possibilitará maior
aproveitamento da palha na geração energética. Por fim, ressalta que os preços
da energia poderão estimular e viabilizar o uso da palha como combustível
adicional.
Segundo Javorki, da Companhia Paulista de Força e Luz (CPFL), empresa
pioneira em contratar eletricidade do setor sucroalcooleiro, o setor elétrico
apresenta um déficit entre a demanda e a oferta de energia no estado de São
Paulo, com tendências de déficits crescentes para os próximos anos. Diante dessa
perspectiva, sugere que um maior incentivo deverá ser dado a outras fontes,
como a cogeração a partir do bagaço. Para Javorki, deve-se considerar também
que a oferta futura para cobrir esse déficit terá origem em fontes hidráulicas, já
4
mapeadas, principalmente na região Amazônica, fator que quebrará o paradigma
de menor custo de produção deste tipo de energia, já que o custo de transporte
para as regiões consumidoras será elevado. Com isto, as fontes alternativas
passarão a ser mais competitivas.
Ademais, a geração de eletricidade pelo setor sucroalcooleiro apresenta, desde
2008, algumas vantagens, entre as quais se destacam: (a) envolve
empreendimentos de pequeno porte; (b) situa-se nas proximidades dos centros de
consumo; e (c) utiliza tecnologia produzida no Brasil. A respeito dessa última
vantagem, ressalte-se que ela representa mais do que apenas um incentivo à
indústria nacional: além dos benefícios econômicos, já que o investimento em
tecnologia nacional é menor, há os benefícios sociais da criação de empregos.
1.4 – Justificativa
A destilação constitui uma das operações unitárias de separação industrial mais
difundidas e usadas. Estima-se que há cerca de 40.000 colunas de destilação em plantas
químicas industriais, somente nos Estados Unidos da América, consumindo em torno de
3% da energia total usada no país. Apesar dos grandes avanços tecnológicos nos últimos
anos, a busca da melhoria das condições operacionais em uma unidade de destilação ainda
é muito frequente, principalmente em termos de integração energética, devido ao elevado
custo envolvido, bem como para atender a rigorosa legislação ambiental (HUMPHREY et
al.,1991 apud WERLE, 2007).
Como abordado por Werle, um percentual considerável da energia consumida nas
indústrias químicas é usado nas operações de destilação, que de longe a mais importante
técnica de separação da indústria em todo mundo. Devido ao grande consumo energético
atribuído às operações de destilação, o aumento da eficiência térmica das colunas de
destilação pode resultar numa redução importante no consumo energético (2007).
Em função disto, diversos autores têm estudado diferentes configurações para a
operação de destilação, visando economia de energia e minimização de custos. Em
conjunto com os esforços para otimizar a coluna isoladamente, o que envolve estudar a
melhor combinação entre número de estágios, razão de refluxo, condição térmica e estágio
de alimentação, entre outros parâmetros, uma proposta que tem sido muito estudada é a de
promover melhor integração energética entre a coluna e o processo (FARIA, 2003).
5
Para o setor sucroalcooleiro, no período de safra tem-se a plena produção onde se
pode constatar um maior potencial energético. Os excedentes dependem das instalações de
cada usina em particular, porém, fica evidente sua importância no balanço financeiro do
setor. Com o melhor controle, se a usina não for autossuficiente, ela pode reduzir a compra
de eletricidade, no caso de autossuficiência, ela pode aumentar suas vendas à companhia
elétrica local.
Apesar de o setor produzir total ou parcialmente a energia necessária para seus
processos internos, o bom aproveitamento de sua utilização impacta de forma direta nos
custos de processamento. O uso de calor na coluna de destilação tem influência nas
variações de composição dos produtos finais, na composição de resíduos e na efetividade
de separação do produto de interesse. A falta de controle de suas variáveis de
processamento como vazão, temperatura e pressão podem acarretar em muitos problemas
de operação e necessidade de reprocessamento de álcool residual.
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2 – OBJETIVOS
2.1 - Objetivo Geral
Realizar um estudo de caso em uma usina sucroalcooleira visando analisar o
consumo de vapor e as perdas energéticas envolvidas processo de destilação.
2.2 - Objetivos Específicos
- Avaliar o consumo de vapor na operação de destilação;
- Estratificar a necessidade energética das colunas de destilação e retificação;
- Estratificar o gasto energético para cada etapa de transferência de calor;
- Avaliar oportunidades de otimização no processo;
- Avaliar a influência dos parâmetros de processo no consumo de vapor total;
7
3 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 – Destilação
O processo de separação mais amplamente usado na indústria química e a
destilação. Esta etapa unitária é também denominada fracionamento ou destilação
fracionada. A separação dos constituintes está baseada nas diferenças de volatilidade. Na
destilação, uma fase vapor entra em contato com uma fase líquida, e há transferência de
massa do líquido para o vapor e desta para aquele. O líquido e o vapor contêm, em geral,
os mesmos componentes, mas em quantidades relativas diferentes. O líquido está no seu
ponto de bolha e o vapor em equilíbrio, no seu ponto de orvalho. Há transferência
simultânea de massa do líquido pela vaporização, e do vapor pela condensação. O efeito
final é o aumento da concentração do componente mais volátil no vapor e do componente
menos volátil no líquido (FOUST, et al. 1982).
3.2 – Coluna de Destilação
A coluna de destilação com pratos que representa o equipamento mais comum para
realizar a separação dos componentes de uma mistura, consiste de uma sequência vertical
de estágios onde ocorre o contato entre vapor e o líquido. A alimentação é feita na parte
intermediária da coluna, com possibilidade de múltiplas alimentações ao longo desta
(SOARES, 2000). A representação esquemática é mostrada na Figura 3.1.O líquido
percorre a coluna de um prato para outro através de canais de descida em direção à base da
coluna, enquanto que o vapor sobe borbulhando através do líquido. O vapor flui prato a
prato pelo fato da pressão ser menor na parte superior da coluna. O líquido deve fluir
contra esse gradiente de pressão positiva, uma vez que é o mais denso que a fase vapor. O
escoamento das fases do prato é cruzado quando este contém vertedores de descida do
líquido, mas também há colunas com pratos sem canais de descida e, neste caso, as fases
escoam em contracorrente pela coluna. O vapor passa através das perfurações ou
campânulas existentes nos pratos e entra em contato com o líquido fluindo sobre o mesmo.
O condensador condensa os vapores que chegam ao topo da coluna, que seguem para o
acumulador; deste, parte retorna para o topo da coluna como refluxo e o restante é retirado
como produto de topo. O refluxo é responsável pela corrente de líquido acima da
alimentação (WERLE, 2007).
8
3.3 – Transferência de Calor e Massa
Segundo Moura (2003), a destilação é uma operação de separação pela diferença de
volatilidade que envolve uma grande quantidade de energia. Werle (2007) conclui que se
trata de uma operação de transferência de calor e massa. As operações de transferência de
calor e massa são um conjunto de técnicas e de equipamentos destinados à separação de
um ou mais componentes de uma mistura ou solução.
O processo de transferência de massa em colunas de destilação é muito complexo.
Para que haja uma transferência de massa efetiva entre as fases, o contato líquido/vapor
deve ocorrer sob o regime turbulento, uma vez que a turbulência aumenta a taxa de
transferência de massa por unidade de área, pois ajuda a dispersar um fluido em outro e
aumenta a área interfacial (SOARES, 2000).
Em um prato de destilação convencional, o contato entre as fases ocorre por meio do fluxo
cruzado no qual o líquido escoa paralelamente ao prato, no percurso entre os vertedores de
Figura 3.1 - Esquema de uma coluna de destilação simples com uma alimentação, condensador e refervedor.
(Fonte: Marangoni, 2005)
9
entrada e saída, enquanto o vapor o atravessa, sendo distribuído no prato através de
perfurações, borbulhadores ou válvulas (Walter, 1941 apud WERLE, 2007).
O transporte de massa entre as fases, no caso de um prato perfurado ocorre pela
interação entre as bolhas do vapor formadas nos furos e o líquido circunvizinho, entre o
líquido e o vapor misturados na massa aerada e entre o líquido borrifado no espaço entre
pratos e o vapor ascendente (PERRY et al., 1973).
Para distinguir entre a transferência de energia como trabalho sobre ou a partir de
um sistema, nós devemos adotar a convenção que o trabalho exercido por um sistema num
ambiente externo ao mesmo é positivo, e o trabalho exercido pelo ambiente externo sobre
o sistema é negativo (GRANET, 1995).
Ainda segundo Granet (1995), ao levantarmos a questão de se trabalhar com um
sistema em regime permanente, o autor afirma que tanto a massa quanto a energia podem
cruzar as fronteiras do sistema, mas ao denominar os processos como permanentes, limita-
se aqueles sistemas que não sejam dependentes do tempo. Desta forma, pode-se expressar
o princípio da conservação de massa para estes sistemas estabelecendo que a massa dentro
do volume de controle a qualquer instante seja constante. Em decorrência, torna-se
necessário que a massa total escoando para o interior do volume de controle seja igual ao
total da massa que escoa para fora do volume de controle em qualquer instante
considerado.
3.4 – Usos da Energia na Destilação
Ao se trabalhar em operações de destilação, há a ocorrência de uma série de
transferências de calor entre os fluidos gasosos ou líquidos e também através das
superfícies de contato das diversas instalações físicas de uma destilaria. Ao engenheiro de
projetos cabe a tarefa de relacionar essas trocas térmicas adequadamente, fazendo com que
a planta industrial aproveite ao máximo os recursos energéticos de seu próprio
processamento, a fim de se utilizar o mínimo possível de fontes externas de energia.
Na operação de destilação, as transformações são exclusivamente físico-químicas.
Essas transformações passam por alguns estágios intermediários até a obtenção do produto
final, que se definem como mudança de temperatura (aquecimento ou resfriamento),
vaporização e condensação.
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3.4.1 - Calor Sensível
Durante os processos de troca térmica, os fluidos de operação sofrem alterações em
suas temperaturas. Quando esta mudança de temperatura não gera alteração de estado
físico, ele é chamado de Calor Sensível. Segundo Araújo (1982), essa variável pode ser
calculada segundo a expressão:
(3.1)
Onde:
Q – quantidade de calor (kcal)
m – massa do fluido (kg)
Cp – calor específico do fluido (kcal/kg°C)
dT – diferença entre a temperatura final e inicial (°C)
3.4.2 - Calor de Vaporização
A transferência de calor para líquido em ebulição é um processo de convecção que
envolve uma mudança de fase de líquido para vapor. Na ebulição, os fenômenos de
transferência de calor são consideravelmente mais complexos que os da convecção sem
mudança de fase. Na transferência de calor de ebulição, as características da superfície, a
tensão superficial, o calor latente de vaporização, a pressão, a densidade e, possivelmente,
outros propriedades do vapor desempenham papel importante. Em razão do grande número
de variáveis envolvidas, não há equações gerais que descrevam o processo de ebulição,
nem correlações gerais dos dados de transferência de calor de ebulição (KREITH e BOHN,
2003).
A absorção ou o desprendimento de calor sem variação de temperatura é
característico de uma mudança no estado de agregação de uma substância. A quantidade de
calor absorvida na transformação de líquido para vapor é calor de vaporização. A energia
necessária é medida quantitativamente pelo calor de vaporização (CASTELLAN, 2008).
11
Partindo desta premissa e partindo da equação (3.1), tem-se que o calor de
vaporização é dado por:
(3.2)
Onde:
– calor de vaporização (kcal/kg)
3.4.3 - Calor de Condensação
O calor de condensação é de suma importância para o balanço térmico em questão,
pois a mistura vaporizada ao passar pelos condensadores com água de resfriamento em
contracorrente e contato indireto gera uma troca térmica onde ela é condensada e retorna
na forma líquida à operação. Essa mudança de fase física libera calor ao líquido
refrigerante. De forma semelhante, o mesmo processo ocorre quando o flegma em fase
vapor alimenta a coluna de retificação e, ao entrar em contato com a mistura líquida
descendente sofre o processo de condensação. Para este último, o calor é liberado
diretamente na coluna.
Segundo Kreith e Bohn (2003), quando um vapor saturado entra em contato com
uma superfície a uma temperatura mais baixa, ocorre a condensação. Sob condições
normais, um escoamento contínuo de líquido é formado sobre a superfície e o condensado
escoa na direção descendente sob a influência da gravidade. O calor é transferido da
interface vapor-líquido para a superfície, simplesmente por condução. A taxa de fluxo de
calor, portanto, depende basicamente da espessura do filme de condensado que, por sua
vez, depende da taxa na qual o vapor é condensado e da taxa na qual o condensado é
removido.
Desta forma, de forma análoga à equação (3.2), o calor de condensação pode ser
expressado como:
(3.3)
Onde:
– calor de condensação (kcal/kg)
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3.5 – Sistema de Geração de Vapor
Sinteticamente, o sistema de atendimento energético das usinas sucroalcooleiras,
também chamado de ciclo vapor, é composto por caldeira de geração de vapor d’água, que
queima bagaço de cana-de-açúcar, e uma rede interna que distribui este vapor como
insumo energético para diversos usos finais. O vapor de alta pressão produzido na caldeira
é primeiramente utilizado nas turbinas de acionamento mecânico dos equipamentos de
grande potência, tais como moendas, facas rotativas, desfibradores, niveladores, bombas,
ventiladores e outros, além do gerador de energia elétrica. Estas turbinas operam em um
ciclo termodinâmico chamado de contrapressão, pois o vapor sai da turbina após realizar
trabalho com uma pressão ainda expressiva, contendo ainda um potencial energético
considerável. O vapor que sai das turbinas de contrapressão é conduzido por uma rede de
distribuição de vapor de baixa pressão a diferentes equipamentos onde realizará trabalho
térmico, fornecendo calor para diversos fins. A energia elétrica gerada, bem como a
parcela eventualmente comprada, é utilizada em diferentes usos cativos e em alguns
acionamentos mecânicos de pequena e média potência (NETO e RAMON, 2002).
Caso o consumo de vapor no processo de produção seja maior do que o consumo
das turbinas na geração de potência, o vapor de alta pressão pode passar através de uma
válvula redutora de pressão para atingir a temperatura de operação desejada na produção
de açúcar e álcool (Figura 3.2). Entretanto, esta medida é uma opção indesejada do ponto
de vista termodinâmico, pois este vapor perde exergia, que é a capacidade deste fluido
realizar trabalho (HIGA e LUIZ, 2010).
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Figura 3.2 - Esquema de cogeração em usina de álcool e açúcar
Fonte adaptada: HIGA e LUIZ, 2010.
De forma geral, cada unidade de massa de vapor vegetal gerada na concentração de
caldo demanda a mesma quantidade de vapor de processo (escape) como de fonte de calor.
Assim, para cada unidade de massa de vapor vegetal aproveitado como fonte calor, ocorre
praticamente a redução da mesma quantidade de consumo de vapor de escape (HIGA e
LUIZ, 2010).
Ainda segundo Higa e Luiz (2010), as maiores demandas de energia estão nas
operações de aquecimento e concentração do caldo para a formação do xarope utilizado no
cozimento do açúcar durante a evaporação e cozimento e na destilação para obtenção de
álcool. No caso da evaporação, além de consumir a maior quantidade de energia do
processo, a operação ocorre em um sistema de Evaporador de Múltiplos Efeitos (EME) que
possibilita a extração (sangria) e o aproveitamento de vapor vegetal (VV) gerado durante a
concentração do caldo como fonte de calor em outras operações.
(ESCAPE)
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4 – LEVANTAMENTO DE DADOS: ESTUDO DE CASO - GRUPO UNIALCO
(GUARARAPES-SP)
Neste capítulo são realizadas as análises dos dados coletados na pesquisa de campo
com os responsáveis da Destilaria da usina. Nele as variáveis de entrada e saída são
identificadas. Temperatura, composição, vazão e pressão são analisadas e há o
processamento de cálculos de Balanço de Massa e Energia.
4.1 – Coleta de Dados
Para a realização do trabalho, foram realizadas duas visitas técnicas durante os
meses de Julho e Agosto de 2011 na Usina do Grupo Unialco S/A, localizada na cidade de
Guararapes, Estado de São Paulo.
A Unialco foi fundada em 21 de Setembro de 1980, com recursos do
PROÁLCOOL e a produção de álcool hidratado teve início em 1982. Atualmente, no
período de safra, gera cerca de 4.700 empregos, sendo 2.400 empregos diretos, 500
terceirizados e 1.800 indiretos, gerando arrecadação de impostos de R$ 7.500.000,00 por
ano. Possui capacidade de moagem de 11.500 toneladas de cana por dia, onde é produzido
Álcool Anidro, Álcool Hidratado Carburante e Açúcar VHP. Aproximadamente 60% de
cana é própria e 40% cana são de acionistas. Por questões de instalação e disponibilidade
de linhas de transmissão, a usina atualmente produz energia elétrica apenas para consumo
próprio.
As coletas de dados inerentes ao processo foram coletadas juntamente com o chefe
e operadores da destilaria, assim como os detalhes de funcionando das colunas de
destilação, retificação, trocadores de calor, tubulações, controle de qualidade,
instrumentação e sistema de controle de processo.
As informações foram obtidas diretamente da sala de controle em funcionamento,
visando captar o cenário real de produção. Para maior confiabilidade perante as variações
de processo, os dados foram coletados em três dias distintos e se constatou variações
discretas entre eles. Desta forma, para efeito de cálculo, os valores adotados possuem
referência da tomada da coleta de um dia, escolhido de forma aleatória.
15
4.2 – Fluxograma da Destilaria
A Figura 4.1 ilustra um fluxograma da destilaria da Unialco.
Figura 4.1 – Fluxograma da Destilaria
Fonte: elaboração própria
A destilaria consta com uma coluna de destilação A e duas colunas de
retificação, de diferentes capacidades de operação. Condensadores de vapores de topo,
aquecimento múltiplo do vinho no condensador “E” e no trocador de calor “K”. As colunas
são aquecidas indiretamente com vapor vegetal (V1), oriundo do primeiro estágio de
vaporização do caldo no processo de produção de açúcar. Eventualmente também se utiliza
vapor de escape das turbinas. Embora não ilustrado e não abordado neste trabalho, a usina
ainda possui um sistema de desidratação do álcool hidratado para produção de álcool
anidro.
16
4.3 – Balanço de Massa das Colunas de Destilação e Retificação
Neste tópico são realizados os cálculos de balanço de massa da coluna de
Destilação “A” e das colunas de Retificação “B1” e “B2”.
Para o desenvolvimento, são levados em consideração os dados obtidos com os
responsáveis pelo processo, com as informações da sala de controle e as relações destes
valores com a tabela de constantes de Mariller (1951).
Para todo o processo, o vapor saturado é fornecido de forma indireta e, portanto,
não participa do balanço de massa.
A destilaria toda possui apenas um único medidor de vazão, que indica a taxa de
volume de saída de vinhaça na base da coluna de destilação. As demais vazões como
entrada de vinho, saída de álcool secundário, geração de flegma, saída de flegmaça e
produção total de álcool hidratado são obtidas através dos cálculos deste capítulo. A
consolidação da produção dos turnos e fechamento diário é realizada através de marcação
visual nos tanques de armazenamento.
Para efeitos de cálculo, a produção de óleo fúsel foi desconsiderada em função de
sua baixíssima produtividade frente ao balanço de massa global. Tem-se que para cada
1000 litros de álcool hidratado, produz-se cerca de 1 a 2 litros de óleo fúsel.
4.3.1 – Balanço de Massa da Coluna de Destilação “A”
Dados:
a) Vinho
Graduação Alcoólica: 8,0 °GL = 6,42% em peso
Mássica Específica: 0,9891 kg/l (MARILLER, 1951)
b) Vinhaça
Vazão volumétrica: 123,09 m³/h
Graduação Alcoólica: 0,0 °GL
Massa específica: 1,0 kg/l
17
Vazão mássica: 123090,0 kg/h
c) Álcool Secundário (Álcool de 2ª)
Graduação Alcoólica: 92,0 °GL = 88,44% em peso
Massa específica: 0,8273 kg/l (MARILLER, 1951)
1% da vazão de álcool do vinho
d) Flegma
Graduação Alcoólica: 50,0 °GL = 42,50% em peso
Massa específica: 0,9348kg/l (MARILLER, 1951)
Desta forma, será preciso calcular:
1) Vazão mássica de Vinho
2) Vazão mássica de Flegma
3) Vazão mássica de Álcool Hidratado (96 °GL)
4) Vazão volumétrica de Alcool Hidratado (96 °GL)
Aplicando a Lei de Convervação de Massa, tem-se:
(4.1)
Onde:
: vazão mássica de vinho
: vazão mássica de álcool secundário
: vazão mássica de flegma
: vazão mássica de vinhaça
Cálculo da vazão mássica do vinho
Cálculo de vazão mássica do álcool total presente no vinho (
(4.2)
18
Cálculo de vazão mássica de Álcool Secundário Puro presente no Álcool do Vinho
(
(4.3)
Substituindo (4.2) em (4.3), tem-se:
(4.4)
Vazão mássica de Álcool Secundário ( :
Cálculo da vazão de Etanol contido no Flegma ( :
(4.6)
Substituindo as equações (4.2) e (4.4) em (4.6), tem-se:
(4.7)
Relacionando o Flegma com seu respectivo peso de Etanol, tem-se:
42,5% em peso
Por fim, retornando à equação (4.1), e substituindo por (4.5) e (4.8), tem-se
19
Cálculo da vazão mássica do Flegma
Tomando-se da equação (4.8) e substituindo pela vazão mássica de vinho encontrada, tem-
se:
Cálculo da vazão mássica do Álcool Hidratado 96 °GL
Tomando-se a equação (4.7) e substituindo pela vazão mássica de vinho encontrada, tem-
se:
A partir do etanol presente no flegma, calcula-se a vazão mássica correspondente de álcool
hidratado
20
Cálculo da vazão volumétrica do Álcool Hidratado 96 °GL
Para o cálculo da vazão volumétrica ( ) relacionamos a vazão mássica com sua respectiva
densidade:
4.3.2 – Parâmetros de Operação das Colunas de Retificação “B1” e “B2”
As colunas de Retificação possuem três fluxos mássicos de entrada e saída. O
Flegma é responsável pela alimentação da coluna, se produz o Flegmaça na base da coluna
e o Álcool Hidratado como produto de topo. Para tal, o Flegma é concentrado até o ponto
azeotrópico da mistura etanol e água, correspondente a 93,89% em peso de etanol.
Para o processo em questão, a vazão de Flegma oriunda da coluna de destilação
“A” é dividida em duas colunas de retificação, onde a primeira (B1) recebe 85% e a
segunda (B2), os 15% restantes. Sendo assim, deve-se calcular para o balanço de massa em
ambas as colunas:
1) Vazão mássica de Flegma
2) Vazão mássica de Álcool Hidratado 96 °GL
3) Vazão mássica de Flegmaça
Para as colunas, tem-se os seguintes dados:
a) Flegma
Graduação Alcoólica: 50 °GL = 42,50% em peso de etanol
Densidade: 0,9348 kg/l ³ (MARILLER, 1951)
b) Álcool Hidratado B1
Graduação Alcoólica: 95,92 °GL = 93,78% em peso de etanol
Densidade: 0,81275 kg/l (MARILLER, 1951)
21
c) Álcool Hidratado B2
Graduação Alcoólica: 92,91 °GL = 93,77% em peso de etanol
Densidade: 0,81278 kg/l (MARILLER, 1951)
d) Flegmaça
Graduação Alcoólica: 0 °GL
Densidade : 1,0 kg/l
4.3.2.1 – Balanço de Massa da Coluna de Retificação “B1”
Cálculo de Vazão Mássica de Flegma
Cálculo de Vazão Mássica de Álcool Hidratado 95,92 °GL
A partir do flegma com graduação alcoólica de 50 °GL, correspondendo a 42,50%
em peso de etanol, calcula-se sua vazão mássica de etanol ( ) e seu equivalente
álcool hidratado para graduação alcoólica de 95,92 °GL.
Cálculo de Vazão Mássica de Flegmaça
A vazão mássica de flegmaça é obtida através da subtração do flegma de
alimentação com o álcool hidratado como produto de topo.
22
4.3.2.2 – Balanço de Massa da Coluna de Retificação “B2”
Cálculo de Vazão Mássica de Flegma
Cálculo de Vazão Mássica de Álcool Hidratado 95,91 °GL
Cálculo de Vazão Mássica de Flegmaça
A vazão mássica de flegmaça é obtida através da subtração do flegma de
alimentação com o álcool hidratado como produto de topo.
23
4.4 – Balanço de Energia das Colunas de Destilação e Retificação
Neste tópico, são realizados os cálculos para a determinação da energia consumida
em cada etapa da operação de destilação, assim como o consumo total de vapor.
4.4.1 – Balanço de Energia da Coluna de Destilação “A”
Dados:
a) Vinho
Vazão mássica: 144858,5 kg/h
Temperatura de entrada na coluna: 83,62°C
Temperatura de ebulição: 93,80°C (MARILLER, 1951)
b) Álcool Secundário
Vazão mássica: 105,2 kg/h
Calor latente de vaporização: 246,84 kcal/kg.°C (MARILLER, 1951)
Taxa de Refluxo ( : 3 (segundo chefe de fabricação)
c) Flegma
Vazão mássica: 21663,3 kg/h
Temperatura de ebulição: 82,81°C (MARILLER, 1951)
Calor latente de vaporização: 397,25 kcal/kg.°C (MARILLER, 1951)
d) Vinhaça
Vazão mássica: 123090,0 kg/h
Temperatura de saída: 107,1°C
Aplicando a lei da conservação de energia, tem-se que a taxa de calor fornecido à
coluna de destilação “A” é a soma:
1) de aquecimento do vinho à sua temperatura de ebulição – calor sensível
( )
24
2) de formação do álcool secundário – calor de vaporização (
3) de formação do flegma – calor de vaporização (
4) de calor para levar a vinhaça da temperatura de ebulição do vinho à temperatura da
base da coluna - calor sensível
Assim:
(4.9)
Calor Sensível do Vinho
O calor sensível pode ser calculado como:
(4.10)
Onde Cp é o calor específico da mistura etanol-água. Segundo Mariller (1951),
segue-se a seguinte equação:
C = A + B*t (4.11)
Para a mistura com composição a 8°GL, têm-se as constantes A e B definidas e t é
expresso como a média entre a temperatura final e inicial da mistura.
Retomando à equação (4.10), tem-se:
Calor de Vaporização do Álcool Secundário
25
Calor de Vaporização do Flegma
Calor Sensível da Vinhaça
Para a vinhaça com grau alcoólico nulo:
Portanto:
Calor Total da Coluna de Destilação “A”
Retomando à equação (4.9), tem-se:
26
4.4.2 – Balanço de Energia da Coluna de Retificação “B1”
Para o desenvolvimento dos cálculos, considera-se que o flegma entra na coluna de
retificação na forma de vapor e sofre condensação, liberando calor latente à coluna.
Aplicando a lei da conservação de energia, tem-se que o calor consumido pela
coluna de retificação “B1” é dado pela relação entre:
1) a condensação do flegma - calor de condensação ( )
2) a formação de álcool hidratado – calor de vaporização (
3) elevação da temperatura do flegmaça - calor sensível
Assim:
(4.12)
Calor de Condensação do Flegma
De acordo com a equação (3.3), adicionada o parâmetro tempo, tem-se a taxa de
transferência de calor, dado em kcal/h.
Onde:
: calor de condensação do Flegma a 50°GL
(MARILLER, 1951)
27
Calor de Vaporização do Álcool Hidratado 95,92 °GL
Calor Sensível da Flegmaça
Calor Total da Coluna de Retificação “B1”
Retomando à equação (4.12), tem-se:
4.4.3 – Balanço de Energia da Coluna de Retificação “B2”
Para a coluna de retificação “B2”, os cálculos se procedem da mesma forma como
no tópico 4.4.2.
Calor de Condensação do Flegma
28
Calor de Vaporização do Álcool Hidratado 95,91 °GL
Calor Sensível da Flegmaça
Calor Total da Coluna de Retificação “B2”
29
4.5 – Consumo de Vapor nas Colunas de Destilação e Retificação
O vapor vegetal, oriundo do processo de evaporação do caldo clarificado para a
produção de açúcar é destinado à destilaria da usina. Este vapor chega às colunas com 0,6
kgf/cm² de pressão e temperatura em torno de 115°C. De acordo com a tabela de vapor
saturado de Araújo (1982), este vapor possui Calor Latende de 530,6 kcal/kg.
Desta forma, pode-se calcular a taxa de consumo de vapor por hora e por litro de
álcool hidratado produzido.
4.5.1 – Consumo de Vapor na Coluna de Destilação “A”
4.5.2 – Consumo de Vapor na Coluna de Retificação “B1”
4.5.3 – Consumo de Vapor na Coluna de Retificação “B2”
30
4.5.4 – Consumo de Vapor Total
A taxa de consumo de vapor global na destilaria é dado pela soma dos vapores das
três colunas, sendo:
Finalmente, pode-se relacionar a taxa de consumo global de vapor com a produção
de álcool hidratado, onde:
31
5- ANÁLISE DOS RESULTADOS
As análises apresentadas neste capítulo incluem a consolidação dos resultados
apurados no capítulo 4 quanto ao balanço de massa e energia da destilaria. É realizada uma
estratificação do consumo energético global e são apontadas as etapas de maior impacto no
consumo de vapor.
5.1 – Consolidação dos dados
Para observar de forma comparativa as vazões mássicas de entrada e saída das
colunas de destilação e retificação, se faz necessário compilá-las conforme a Tabela 5.1.
As vazões são dadas em kg/h.
Destilação
"A"
Retificação
"B1"
Retificação
"B2"
Entrada 144858 18414 3249
Saída Fundo 123090 10069 1777
Saída Topo 1 21663 8345 1473
Saída Topo 2 105 - -
Tabela 5. 1 - Balanço de massa comparativo entre as colunas
Pode-se verificar o grande fluxo que ocorre na coluna de Destilação
“A”, tanto em sua alimentação, quanto em seu produto de descarte. De certa forma, apenas
15% de sua vazão de entrada tem como destino as demais colunas da operação. Segundo
dados do Controle de Qualidade da usina, a destilaria tem eficiência de pouco mais de
99,5%, indicando que, embora não calculados, ainda há uma perda de 0,5% de álcool que
possivelmente está contido na vinhaça e flegmaça. Como parâmetro de controle, análises
laboratoriais são realizadas a fim de identificar perdas de eficiência na produção, onde
teores alcoólicos maiores que 0,03°GL nos produtos de fundo é um alerta de que o
processo está com alguma anomalia. Normalmente isso ocorre quando a pressão de
trabalho das caldeiras é reduzida, o que acarreta menor disponibilidade de vapor à
destilaria, menor aquecimento das colunas e consequentemente, maior teor alcoólico nos
produtos de fundo.
Analisando a produção de álcool hidratado com a geração de vinhaça durante o
processo, tem-se que a destilaria produz 10,2 litros de vinhaça por litro de álcool hidratado.
32
Este resultado condiz com a literatura, onde SOUZA (2002, apud SOUZA, 2006) afirma
esta operação em destilarias gera de 10-15 litros de vinhaça por litro de álcool hidratado,
dependendo das características da cana e de seu processamento. Neto (2008) é mais
específico ao relacionar o teor alcoólico do vinho com sua respectiva produção de vinhaça.
Segundo o autor, para a graduação de 8°GL, tem-se 10,08 , o que deixa o
resultado deste estudo ainda mais próximo de constatações anteriores.
A produção de Álcool Hidratado 96°GL da usina Unialco Guararapes é de 12,07
m³/hora ou aproximadamente 290 m³/dia. Segundo os responsáveis pelo processo, a usina
possui capacidade máxima de 380 m³/dia, o que confere a ela a utilização de 76% de seu
potencial. Porém, esta utilização depende de vários fatores como a moagem da cana, caldo
e mel destinados à fermentação, viabilidade de vapor das caldeiras, entre outros.
O consumo de vapor saturado apurado foi de 31,6 ton/h, indicando um consumo
específico por litro de álcool de 2,62 . Resultado próximo, porém um pouco
superior ao comentado por Neto (2008), onde aponta que a necessidade de vapor se entre 2
a 2,5 . Desse fato pode-se concluir que a destilaria apresenta pontos onde há
a necessidade de se realizar melhorias. E essa análise será realizada nos capítulos
seguintes.
5.2 – Estratificação do Consumo de Vapor
Partindo da premissa de que todo processo pode ser de alguma forma melhorado, é
de vital importância ao Engenheiro identificar áreas ou etapas onde se devem concentrar
esforços. Ao se atacar os pontos de maior impacto, as ações ali tomadas possivelmente
apresentarão resultados mais significativos. Desta forma, os dados globais anteriormente
apurados devem ser estratificados de forma mais detalhada.
Segmentando o consumo de vapor para cada coluna de processo, tem-se o resultado
ilustrado na Gráfico 5.1.
33
Gráfico 5.1 - Necessidade Energética
A coluna de Destilação é responsável por 72% da necessidade energética da
destilaria, os 28% restantes se concentram nas colunas de retificação. Resultado coerente
com Zarpelon (2011), que afirma que a destilação representa cerca de 75% desse consumo.
Logo, seria a primeira a se pensar em melhorar.
Quanto ao consumo nas etapas internas de aquecimento e vaporização, descartando
a condensação, pois libera energia à coluna, pode-se realizar a estratificação por este nível
considerando as três colunas em processo.
Gráfico 5.2 - Estratificação Energética por Etapa
72%
24%
4%
Distribuição da Necessidade Energética
Coluna Destilação "A"
Coluna Retificação "B1"
Coluna Retificação "B2"
47.6%
36.4%
7.6%
7.0%
1.0%
Estratificação Energética por Etapa
Vaporização Álc. Hidratado
Vaporização do Flegma
Sensível do Vinho
Sensível daVinhaça
Sensível daFlegmaça
34
Somados os consumos de vaporização do álcool hidratado e flegma, há 84% do
consumo nessas etapas. À primeira vista, seria a primeira frente a estudar melhorias.
Porém, de acordo com a equação (3.2), as variáveis que regem a vaporização estão
diretamente ligadas à massa de vaporização e composição da mistura. Como se deseja
obter a maior massa possível destes componentes no processo e suas composições não
podem ser alteradas por questões de projeto e propriedades da mistura azeotrópica,
descarta-se a possibilidade de otimizar este consumo.
O segundo ponto a se analisar se diz respeito ao consumo por aquecimento de
misturas, ou calor sensível. De acordo com a equação (3.1), têm-se três variáveis de
interesse a serem analisadas: o calor específico da mistura (C), que está relacionado com
sua respectiva composição, a massa (m) e diferença de temperatura de entrada e saída
(ΔT). Dentre elas, as relações entre temperaturas representam maior impacto e, portanto,
devem ser analisadas de forma direta.
35
6 – ANÁLISE DAS VARIÁVEIS CRÍTICAS DE OPERAÇÃO
Uma vez identificada a necessidade de se melhorar um processo, cabe ao
Engenheiro a tarefa de analisar as variáveis de influência e detectar os possíveis pontos
onde há falhas, subutilizações, ineficiências, enfim, toda e qualquer forma de perda a ser
reduzida. Neste capítulo serão analisadas as condições de temperaturas de operação, a
influência do teor alcoólico do vinho, o consumo teórico para cada tipo de vapor presente
na usina e as respostas do processo perante alterações nestas variáveis. Todos os cálculos
apresentados no Capítulo 4 foram modelados em planilhas eletrônicas, onde foi possível
simular o consumo de vapor para diferentes condições de entrada.
6.1 – Influência da Temperatura do Vinho
O vinho que tem origem na dorna volante ainda passa por dois trocadores de calor
antes de alimentar a coluna de destilação. É primeiramente aquecido através do
condensador “E”, também chamado “esquenta-vinho”, onde entra como líquido
refrigerante dos vapores gerados na coluna de Retificação “B1”. Posteriormente passa pelo
Trocador de Calor K, onde recebe calor da vinhaça que sai da coluna de destilação.
Zarpelon (2011) afirma que o vinho deve ser aquecido a pelo menos 70°C no condensador
“E” para que o aquecimento final seja superior a 90°C.
A Tabela 6.1 ilustra as temperaturas do vinho após a passagem nos trocadores de
calor.
Condensador
"E"
Trocador de
Calor K
Temp. Real (°C) 58,2 83,6
Temp. Ideal (°C) 70,0 90,0
Tabela 6. 1 – Temperatura do vinho após passagem nos trocadores de calor
Ambas as temperaturas se apresentam abaixo do mínimo recomendado para o
processo e como consequência, a coluna necessita de mais vapor para realizar o
aquecimento do vinho até sua temperatura de ebulição.
36
A Tabela 6.2 demonstra a simulação de consumo de vapor para cada temperatura de
entrada.
Temperatura
(°C)
Consumo de
Vapor (kg/l) Redução (kg/l)
Redução
(%)
83,62 2,62 - -
84,0 2,61 0,01 0,5
85,0 2,58 0,04 1,6
86,0 2,55 0,07 2,6
87,0 2,52 0,10 3,7
88,0 2,50 0,12 4,7
89,0 2,47 0,15 5,8
90,0 2,44 0,18 6,9
Tabela 6.2 – Consumo de vapor para cada temperatura de vinho
Resultados são condizentes com Zarpelon (2011) que afirma que a cada 5°C de
aumento da temperatura do vinho há uma redução de vapor de 0,1kg por litro de álcool.
A simulação demonstra que para a temperatura mínima recomendada existe um
potencial de redução de 6,9% no consumo total. Para este caso, o aumento da temperatura
do vinho não representa necessariamente um maior consumo de energia por outra vertente,
uma vez que esse aquecimento é realizado apenas por trocadores de calor. Essa
oportunidade pode ser atingida com melhorias no condensador “esquenta-vinho” ou na
utilização do vinho como líquido refrigerante também no condensador “E1”, substituindo a
água. Ainda pode realizar melhorias no Trocador de Calor K para o atingimento da
temperatura adequada e consequentemente, redução do consumo de vapor.
6.2 – Influência do Grau Alcoólico do Vinho
Por se tratar de uma operação de separação, a destilação depende diretamente do
quanto será preciso concentrar da substância de interesse. Quanto maior for o teor
alcoólico do vinho, maior será a facilidade de concentrá-lo até seu ponto azeotrópico.
37
A Tabela 6.3 demonstra a simulação de consumo de vapor para diferentes
graduações alcoólicas do vinho e seu impacto na proporção de vinhaça gerada por litro de
álcool produzido.
Vinho (°GL) Consumo de
Vapor (kg/l)
Geração de
Vinhaça
(l/l)
Variação de
Consumo de
Vapor (%)
7 2,71 11,92 3,44
8 2,62 10,20 -
9 2,55 8,85 -2,67
10 2,49 7,77 -4,96
11 2,45 6,88 -6,49
Tabela 6.3 – Consumo de vapor para cada graduação alcoólica de vinho
Processos fermentativos mais eficientes influenciam diretamente na geração de
resíduos, visto que a vazão relativa de saída de vinhaça tende a diminuir com o aumento da
graduação alcoólica. Teores mais elevados de álcool também propiciam menor consumo
energético ao processo.
6.3 – Influência do Tipo de Vapor
A usina trabalha com basicamente com três tipos de vapor: segundo Neto e Ramon
(2002), o vapor produzido na caldeira, chamado vapor primário ou de alta, é empregado
diretamente em turbinas a vapor, normalmente de simples estágio e contrapressão, para o
acionamento de equipamentos, entre eles as facas rotativas, os desfibradores, os
niveladores, os ternos da moenda, a bomba de água de alimentação da caldeira, os
ventiladores de ar de combustão e de gases de exaustão das caldeiras e os geradores de
energia elétrica. O vapor de contrapressão proveniente das turbinas, chamado de vapor de
escape é utilizado no processo produtivo propriamente dito, fornecendo o calor necessário.
Um outro tipo de vapor, oriundo das etapas de evaporação da água contida no caldo,
chamado vapor vegetal, é também utilizado como insumo energético no processo.
De acordo com suas respectivas pressões e temperaturas, cada tipo de vapor
apresenta seu calor latente e dependendo de questões operacionais de disponibilidade
podem ser empregados de diferentes maneiras.
38
Vapor Pressão
(kgf/cm²)
Calor Latente
(kcal/kg)
Consumo de
Vapor (kg/l)
Primário 21,6 443,35 3,13
Escape 1,4 522,10 2,66
Vegetal 0,6 530,60 2,62
Tabela 6.4 – Consumo para cada tipo de vapor
A Tabela 6.4 demonstra o consumo teórico de vapor para a aplicação dos três
vapores disponíveis em operação na destilaria. Embora o vapor primário e de escape
apresentem condições de temperatura e pressão mais elevadas, não significa
necessariamente que serão mais efetivos na transferência de calor para o processo, uma vez
que a variável de interesse real para a destilaria é o calor latente do vapor.
O vapor vegetal é a alimentação mais utilizada nas colunas da destilaria em estudo,
porém, sua utilização depende diretamente da produção de açúcar, uma vez que o vapor
vegetal é gerado pela primeira evaporação do caldo (V1). Quando este não é suficiente, se
utiliza o vapor de escape gerado pelas turbinas, sem aumentar consideravelmente o
consumo global da destilação.
6.4 – Potencial de Redução de Consumo de Vapor
Analisando criticamente as variáveis que influenciam no consumo de vapor da
destilaria, pôde-se concluir que há oportunidades de ganhos interessantes com melhorias na
eficiência de troca térmica de condensadores e trocadores de calor, assim como no
aumento do teor alcoólico do vinho.
A título de avaliação potencial e considerando condições otimizadas de operação,
pode-se calcular os impactos no consumo global de energia e também na geração de
vinhaça. Considerando que a vazão mássica de vinho se mantenha constante, com
graduação alcoólica de 10°GL e sua temperatura de entrada na coluna de destilação seja de
90°C, temos os seguintes resultados ilustrados na Tabela 6.5.
39
Álcool
Hidratado
(m³/h)
Geração
Relativa de
Vinhaça (l/l)
Consumo
Total de
Vapor (ton/h)
Consumo
Relativo de
Vapor (kg/l)
15,1 7,77 35,6 2,35
Tabela 6.5 – Condições ótimas de operação
Em função do aumento do teor alcoólico, há aumento da produtividade de álcool
hidratado e redução da geração relativa de vinhaça . Impacta
também no consumo total de vapor, pois há maior volume de álcool em processo de
separação. Conjuntamente, o aumento da temperatura de entrada de vinho reduz a energia
necessária no processo. Sob estas condições, consegue-se diminuir o consumo relativo de
vapor em 10,3% frente ao consumo atual da destilaria.
40
7 – CONSIDERAÇÕES FINAIS
Este trabalho se propôs a verificar o consumo energético global na operação de
destilação sob as condições presentes da usina estudada. Através da coleta e análise de
dados foi possível identificar pontos específicos da operação que influenciam no consumo
onde melhorias são criticamente necessárias e outros onde dependem de demais etapas de
processamento da usina.
No capítulo quatro foi realizada a análise dos dados coletados na pesquisa de
campo e se desenvolveu todos os cálculos para o balanço de massa e energia da planta.
No capítulo cinco, os resultados foram quantificados e o consumo foi estratificado
por cada coluna, onde se constatou que a necessidade energética predominante se passa na
coluna de destilação “A”, representando 72% do consumo total de calorias necessárias.
Também se estratificou os resultados pelas etapas internas de troca térmica no interior das
colunas, onde se constatou que a etapa de vaporização representa 84% do calor recebido,
porém, não sendo possível reduzir o seu valor nominal.
Já no capítulo seis, as variáveis críticas de operação foram analisadas e foi possível
concluir que a temperatura de entrada de vinho na coluna estava abaixo do mínimo
recomendado, acarretando em um consumo 7,4% superior por este motivo. Analisou-se, a
influência do grau alcoólico do vinho e constatou-se que quanto maior seu teor, menor será
o consumo de vapor e geração de vinhaça por litro de álcool. Por fim, foi demonstrado que
o uso de diferentes vapores disponíveis interfere no consumo de vapor, sendo o vapor
primário o que mostrou maior consumo. Já o vapor de escape e vegetal apresentaram
consumos próximos, indicando que a usina pode trabalhar com os dois, de acordo com a
disponibilidade de cada um, sendo o vapor vegetal o mais eficiente na destilação. Por fim,
foi proposto um modelo ajustado de operação, com as variáveis citadas de forma
otimizada, onde foi possível constatar que há uma oportunidade potencial de 10,3% na
redução do consumo global da destilaria.
Embora a redução do consumo de vapor na destilaria não proporcione diretamente
um aumento na geração de energia elétrica, é de suma importância para a usina otimizar o
uso de suas fontes energéticas, uma vez que elas estão totalmente interligadas. O uso do
vapor nas turbinas gera um novo vapor que é utilizado na produção de açúcar, que por sua
vez gera um terceiro vapor que tem destino a destilação do etanol. Como abordado na
41
revisão bibliográfica, a diminuição do uso de vapor vegetal acarreta praticamente na
mesma redução de vapor de escape, no qual é a principal fonte energética na produção de
açúcar.
Há no setor sucroalcooleiro uma tendência cada vez maior de utilizar a energia
elétrica como terceiro produto, tornando-o atrativo para investimentos nos seus processos
de obtenção e aperfeiçoamento, alinhado com a redução do balanço global da usina. Ainda
existem grande avanços a se realizar, que vai desde a simples otimização de processo à
modificação das instalações para processos de destilação sob condições subatmosféricas.
Porém, como investimentos estão diretamente atrelados ao seu retorno financeiro, estes
avanços irão depender de questões mercadológicas para a cotação do MW gerado pelo
bagaço de cana-de-açúcar.
Por fim, é de vital importância que o Engenheiro conheça o processo como um
todo, sabendo analisar as variáveis que influenciam positivamente e negativamente nos
resultados das operações, além de poder detectar os pontos onde é possível ou essencial se
realizar melhorias, analisando sempre seus impactos globais. É de interesse para o
profissional, para as empresas e para a sociedade que os processos sejam os menos
custosos possíveis, mais seguros e otimizados e que é incontestável a utilização das fontes
energéticas de forma correta e eficiente.
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