AVALIAÇÃO DA INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA PARA ECONÔMIA DE VAPOR NO SISTEMA DE AQUECIMENTO DE CALDO UTILIZANDO ÁGUA CONDENSADA E VINHAÇA

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1 AVALIAÇÃO DA INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA PARA ECONÔMIA DE VAPOR NO SISTEMA DE AQUECIMENTO DE CALDO UTILIZANDO ÁGUA CONDENSADA E VINHAÇA EVALUATION OF ENERGY INTEGRATION FOR STEAM ECONOMY IN SYRUP HEATING USING CONDENSATE WATER AND VINASSE Adriano Assis Afonso (1) Marlon Menezes Maciel Bindes (2) Moilton Ribeiro Franco Júnior (3) Resumo Esse estudo objetivou a análise das condições viáveis de integração energética e economia de vapor no aquecimento do caldo de cana em um processo industrial. Foram identificadas alternativas de melhoria no setor de aquecimento do caldo, sendo o mais adequado o uso da vinhaça e água condensada como fonte de energia quente para redução do uso de utilidades quentes posteriormente nos estágios finais do aquecimento, gerando uma economia de 13,70% nas utilidades quentes. Palavras-chave: Caldo de cana. Integração energética. Vinhaça. Água condensada. Abstract This study aimed at analyzing the feasible conditions of energy integration and steam economy in the heating of cane juice in an industrial process. Improvement alternatives were identified in the broth-heating sector. The use of condensed water and vinasse as a source of hot energy was the most appropriate to reduce the use of hot utilities in the final stages of heating, generating a saving of 13.70% in hot utilities. Keywords: Cane juice, Energy integration. Vinasse, Condensed water. 1 Engenheiro Químico pela Universidade Federal de Uberlândia. Endereço eletrônico: adrianoaafonso@gmail.com. 2 Mestre em Engenharia química pela Universidade Federal de Uberlândia. Endereço eletrônico: marlonbindes@hotmail.com. 3 Doutor em Engenharia química pela Universidade Estadual de Campinas. Docente da Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia. Endereço eletrônico: moilton@ufu.br.

2 1 Introdução A melhor utilização da fonte de combustível, o bagaço da cana, está associado aos sistemas de cogeração que atualmente cada vez mais vem ganhando espaço na indústria brasileira de açúcar e álcool. Os sistemas de cogeração trazem vantagens do ponto de vista ambiental, uma vez que a geração de energia através do bagaço gera pequenas quantidades de poluentes quando comparados a combustíveis fósseis, assim como, traz um atrativo financeiro ao setor. A utilização da ferramenta de integração energética sendo a mais conhecida e empregada a metodologia de estrangulamento térmico ou análise pinch, pode ser útil ao setor sucroalcooleiro no que se trata ao desempenho econômico do setor, uma vez que o uso correto do mesmo pode determinar cenários possíveis para o aumento da eficiência no uso da energia. O setor energético tornou-se foco de pesquisas que visam o melhor aproveitamento do potencial térmico das cadeias produtivas, propondo modificações que buscam minimizar o custo total anual da estrutura de processo utilizada, selecionando a melhor relação entre o custo operacional e o custo fixo, na busca de um ponto ótimo, tais como o consumo mínimo de utilidades, área global mínima de troca térmica e número mínimo de unidades de troca térmica (Queiroz e Pessoa, 2005). Além disso, a integração energética combinada com ferramentas de simulação de processos, é uma importante aproximação que permite ao corpo técnico de engenharia a analisar o processo e suas interações com os outros setores (Pinch Analysis, 2003). O processo de eficiência energética indicadores positivos ao meio ambiente, uma vez que o melhor uso da energia reduz a emissão de poluentes e/ou consumo de recursos naturais não renováveis (Queiroz e Pessoa, 2005). Tais investimentos em melhorias na área de eficiência energética podem estar associados a alguns cenários (Pinch Analysis, 2003). Para a resolução de tais problemas é necessário planejamento estratégico de forma a minimizar os custos operacionais, capital de investimento, tempo e esforço de engenharia. Esse trabalho apresenta uma importante interface a universidade e a indústria. Para tal, foi levantamento dos possíveis cenários de integração energética no setor de tratamento do caldo em uma fábrica com capacidade de TCD localizada no estado de São Paulo visando a economia de vapor utilizado como utilidade quente para o aquecimento do caldo misto, minimização dos custos pelo reaproveitamento de recursos e estabilidade do processo produtivo. Os resultados e discussões propostas nesse estudo são úteis na perpectiva de propor melhorias para tornar a indústria nacional mais otimizada e competitiva no cenário internacional.

3 2 Material e Métodos Neste trabalho foi utilizado o método do ponto de estrangulamento para o estudo dos possíveis cenários de aproveitamento de fontes de energia para o aquecimento do caldo. Sendo assim o primeiro passo do método do ponto de estrangulamento consistiu em avaliar as diversas etapas do processo de aquecimento do caldo e segundo indicar quais fontes de energia quentes poderiam ser utilizadas e/ou reutilizadas para suprir a necessidade da fonte de energia fria que deveria ser aquecida à uma temperatura final de 102ᵒC e por fim produzir um conjunto de recomendações direcionadas ao aumento da eficiência no setor de aquecimento do caldo citando as alternativas de curto e longo prazo de instalação e investimento. 3 Resultados e Discussão O presente trabalho estudou as opções contendo as correntes de processo como alternativas complementares ao aquecimento do caldo misto. No cenário atual das redes de trocadores de calor, temos disponíveis cinco aquecedores e três regeneradores de caldo. Sendo que a operação apenas utiliza duas correntes líquidas quentes para trocar calor com o caldo misto nos estágios iniciais. As característica de cada corrente são apresentadas na Tabela 1. Tabela 1 Correntes Frias e Quentes utilizadas nas rede de trocadores atuais. Correntes atualmente utilizadas Caldo Misto - Fria Caldo Clarificado - Quente Condensado V2 - Quente Mássico: 570,317 ton/h Mássico: 167,004 ton/h Mássico: 121,14 ton/h Temperatura 63,6 ᵒC Temperatura 94 ᵒC Temperatura 102 ᵒC Sólidos: 12,36% ᵒBrix Sólidos: 12,29% ᵒBrix Sólidos: 0,00% ᵒBrix A temperatura inicial do caldo misto referenciada no estudo está em 63,70ᵒC e o mesmo deverá ser aquecido até a temperatura mínima de 102 ᵒC para que o mesmo possa ser utilizado nos processos subsequentes de decantação do caldo de cana. Para o aquecimento até este ponto, o processo busca utilizar as fontes que calor provenientes das correntes de condensado de vapor vegetal 02 e caldo clarificado respectivamente, ambos nas temperaturas de 102ᵒC e 94ᵒC respectivamente. Com o objetivo de reduzir ao máximo o uso de vapor como utilidade quente, temos a troca térmica das correntes quentes com a corrente fria, água condensada, caldo clarificado e caldo misto respectivamente. O sistema de utilidades necessita ceder ,16 KJ/h de energia ao caldo misto para que o mesmo saia de 63,6ᵒC até 102ᵒC. Na configuração inicial, a rede de trocadores de calor cede a fonte fria

4 (caldo misto) ,00 KJ/h de energia. Sendo assim necessário para a utilidade quente (vapores V2 e V1) ceder o saldo remanescente de ,16 KJ/h, conforme mostra a Tabela 2. Tabela 2 Correntes quentes possíveis de serem utilizadas para integração energética. Correntes Possíveis de serem utilizadas ou reutilizadas Vinhaça Condensado V2 Após Aquecedor Mássico: 228 ton/h Mássico: 167,004 ton/h Temperatura 91,64 ᵒC Temperatura 86 ᵒC Sólidos: 2,00% ᵒBrix Sólidos: 0,00% ᵒBrix Foi observado a possibilidade de se utilizar a água condensada que já havia trocado calor com a fonte fria para ceder calor nos estágios iniciais do aquecimento ao invés de se utilizar caldo clarificado, como tal fonte de energia descrita na figura anterior, conforme a Figura 1. Figura 1 - Rede de trocadores de calor opção alternativa 01 Como podemos observar, para este caso, ao se empregar água para ser utilizada como fonte quente de calor no estágio inicial de aquecimento tivemos uma energia cedida total de ,00 KJ/h representando um ganho de reaproveitamento de ,00 KJ/h de energia representando uma economia de utilidades de 3,43% comparado com o cenário inicial. Como última opção estudada, considerou-se empregar o uso de vinhaça, resíduo líquido proveniente da destilação fracionada do etanol rica em energia térmica, para ceder calor aos estágios iniciais do aquecimento do caldo misto, para tal seria necessário o investimento de mais um trocador de calor no sistema que é mostrado pela Figura 2.

5 Figura 2 - Rede de trocadores de calor opção alternativa 02 Para este caso (Figura 2), ao se empregar vinhaça e água para ser utilizada como fonte quente de calor no estágio inicial de aquecimento tivemos uma energia cedida total de ,00 KJ/h representando um ganho de reaproveitamento de KJ/h de energia representando uma economia de utilidades de 13,70% comparado com o cenário inicial. 4 Conclusões Foram observadas opções de melhoria no setor de aquecimento do caldo, o uso da vinhaça pode gerar uma economia atrativa de 13,70% nas utilidades quentes, sendo que a sua viabilidade econômica deverá ser estudada, uma vez que requer a aquisição de novos equipamentos especiais, projetos de bombeamentos e tubulações que devem ser considerados. 5 Agradecimentos/ Apoio financeiro Agradecimentos à UFU, aos engenheiros Porfírio Guerra Lopes, Manuel Antonio Ramos e Sergio Guzman e ao Grupo Pantaleon S/A Guatemala. Referências QUEIROZ, Eduardo Mach; PESSOA, Fernando Luiz Pelegrini. Integração de Processos: Uma Ferramenta para Minimizar o Consumo Energético e o Impacto Ambiental. In: MELO JUNIOR, Príamo Albuquerque. Fronteiras da engenharia química 1. Rio de Janeiro: E-papers Serviços Editoriais, cap. 8 KEMP, I. C. Pinch analysis and process integration: a user guide on process integration for the efficient use of energy. 2a ed. Oxford: Elsevier Ltd., p.