PENTAGRO SOLUÇÕES TECNOLÓGICAS

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1 Relatório técnico publicado pela PENTAGRO SOLUÇÕES TECNOLÓGICAS 1. Resumo Este relatório apresenta, de forma resumida, toda a rota produtiva para obtenção do açúcar, etanol e bioeletricidade. As usinas de cana-de-açúcar, atualmente chamadas de usinas sucroenergéticas, cumprem uma função tática e operacional de suma importância para o negócio, pois frente a todos os distúrbios encontrados durante uma safra, devem garantir a qualidade dos produtos, o rendimento e a eficiência dos processos. Neste trabalho, é apresentada também boa parte das nuances operacionais de uma usina sucroenergética, seus desafios e dificuldades. Por fim, é mostrada e justificada, na forma de estudos de caso, a importância da simulação de processos aplicada às usinas, tanto no nível tático/operacional como no nível estratégico, utilizando o software de simulação BdME. 2. Introdução Uma das principais matérias-primas para a fabricação de açúcar e etanol no mundo é a cana-de-açúcar. Planta de origem asiática da mesma família do milho, sorgo e arroz, a canade-açúcar foi, no início, a cultura predominante na colonização do Brasil, pelo sistema de Capitanias Hereditárias. A base da economia colonial era o engenho de açúcar, na figura do senhor de engenho que era um fazendeiro proprietário da unidade de produção, utilizando mão-de-obra escrava e tinha como principal objetivo a comercialização do açúcar para o mercado europeu. As pequenas e ineficientes indústrias de extração da época do Brasil Colônia deram lugar às atuais usinas sucroenergéticas, que, como o próprio nome remete, começaram a participar também do setor de energia, por meio da produção do etanol e bioeletricidade. Estas usinas têm atraído capital de grandes grupos nacionais e internacionais, tanto na área de combustíveis, como na área de energia elétrica. Atualmente o Brasil é líder mundial na produção de cana de açúcar e açúcar, e o segundo maior produtor de etanol. Esta evolução da cadeia produtiva da cana-de-açúcar (Figura 1) está apenas no início, pois, já se tem investido na pesquisa para produção de novos produtos, como biodiesel, biogás, butanol e glicerol, bem como no desenvolvimento de novas tecnologias, como a produção de etanol a partir de material celulósico e de energia elétrica utilizando-se o ciclo combinado. 2.1 O Processo Uma vez na usina, a cana-de-açúcar, em geral, é lavada (somente a cana inteira) e segue para o sistema de preparo e extração, que no Brasil é normalmente realizado por moendas. A extração do caldo dá-se pelo efeito da pressão dos rolos, montados em conjuntos de quatro a sete ternos, sobre a cana. Na moenda, o caldo, que contém a sacarose, é separado da fibra (bagaço), que segue para a planta de energia da usina, na qual é usada como combustível nas caldeiras. Em algumas unidades implantadas no Brasil, tem sido adotada a extração por difusão, com expectativas de vantagens do ponto de vista energético. Nos difusores, a cana picada e desfibrada passa por sucessivas lavagens com água quente, cedendo por lixiviação seus açúcares, e, ao final, passa por um rolo de secagem, de onde sai o bagaço a ser utilizado nas caldeiras (BNDES, 2008). Para a produção de açúcar, o caldo é inicialmente peneirado e tratado quimicamente, para coagulação, floculação e precipitação das impurezas, que são eliminadas por decantação. A torta de filtro, utilizada como adubo, resulta da recuperação do açúcar do lodo do decantador através de filtros, geralmente do tipo rotativos a vácuo. O caldo tratado é, então, concentrado em evaporadores de múltiplo efeito e cozedores para cristalização da sacarose. Nesse processo, nem toda a sacarose disponível na cana é cristalizada e a solução residual rica em açúcar (mel) pode retornar mais de uma vez ao processo com o propósito de recuperar mais açúcar (BNDES, 2008). O mel final, também chamado de melaço e que não retorna ao processo de fabricação de açúcar, contém ainda sacarose e um elevado teor de açúcares redutores (glicose e frutose), podendo ser utilizado como matéria-prima para 1

2 a produção do etanol (Figura 1) através da fermentação. Desse modo, a produção de etanol a partir da cana-de-açúcar pode ser feita pela fermentação tanto do caldo da cana direto quanto de misturas de caldo e melaço, como é mais freqüentemente praticada no Brasil. No caso de etanol de caldo direto, as primeiras etapas do processo de fabricação, da recepção da cana ao tratamento inicial do caldo, são semelhantes ao processo de fabricação do açúcar. Em um tratamento mais completo, o caldo passa pela calagem, aquecimento e decantação, assim como no processo do açúcar. Uma vez tratado, o caldo é evaporado para ajustar sua concentração de açúcares e, eventualmente, é misturado com o melaço, dando origem ao mosto, uma solução açucarada e pronta para ser fermentada (BNDES, 2008). O mosto segue para as dornas (reatores bioquímicos), onde são adicionadas leveduras (Saccharomyces cerevisiae) e ocorre a fermentação por um período de aproximadamente 9 horas, dando origem ao vinho (mosto fermentado, com uma concentração de 7% a 11% de álcool). O processo de fermentação que mais se popularizou nas destilarias do Brasil é o Melle- Boinot, também conhecido como batelada alimentada, cuja característica principal é a recuperação das leveduras do vinho mediante sua centrifugação. Assim, após a fermentação, as leveduras são recuperadas e tratadas para novo uso, enquanto o vinho é enviado para as colunas de destilação. Na destilação, o etanol é recuperado inicialmente na forma hidratada, com aproximadamente 96 GL (porcentagem em volume). Nesse processo, outras frações líquidas também são separadas, dando origem aos alcoóis de segunda e ao óleo fúsel. O etanol hidratado pode ser estocado como produto final ou pode ser enviado para a coluna de desidratação para produção de etanol anidro. A mistura etanol-água forma um azeótropo, assim, seus componentes não podem ser separados por uma simples destilação. A tecnologia mais utilizada para separação deste azeótropo e produção do etanol anidro no Brasil é a desidratação. Neste processo adiciona-se cicloexano, formando uma mistura azeotrópica ternária, com ponto de ebulição inferior ao do etanol anidro. Na coluna de desidratação, o cicloexano é adicionado no topo, e o etanol anidro é retirado no fundo, com aproximadamente 99,7 GL ou 0,4% de água em peso. A mistura ternária retirada do topo é condensada e decantada, enquanto a parte rica em água é enviada à coluna de recuperação de cicloexano (BNDES, 2008). A desidratação do etanol ainda pode ser feita pela adsorção com peneiras moleculares ou pela destilação extrativa com monoetilenoglicol (MEG), estas tecnologias se destacam pelos custos mais elevados e menores consumo de energia. Devido as crescentes exigências do mercado externo, diversos produtores de etanol no Brasil e em outros países estão optando pelas peneiras moleculares, por serem capazes de produzir etanol anidro livre de contaminantes (BNDES, 2008). A possibilidade de utilizar os açúcares da cana total ou parcialmente para produção de etanol se configura como uma importante flexibilidade para as usinas, que, em função das condições de preço, demanda existente e perspectivas de mercado, pode arbitrar, dentro de limites, um programa de otimização do mix produtivo. Por esta razão, é importante que as linhas de 2

3 fabricação de açúcar e etanol sejam capazes, cada uma, de processar aproximadamente 70% do caldo total produzido, mesmo com o aumento significativo do investimento inicial que isso acarretará. O uso de água no processo é relativamente alto. Atualmente, a captação está em torno de 1,8 m 3 de água por tonelada de cana processada, mas este valor vem se reduzindo de modo significativo como resultado da implantação de medidas de reuso, que permitem reduzir tanto o nível de captação quanto a disposição de água tratada (BNDES, 2008). No caso das plantas sucroenergéticas, a totalidade da energia consumida no processo pode ser oriunda de um sistema de produção combinada de calor e potência (sistema de cogeração) instalado na própria usina, utilizando apenas bagaço e palha como fonte de energia. Como cada operação unitária requer ou libera energia nas formas de calor e/ou trabalho, os processos devem ser projetados e operados com base na lei de conservação de energia de modo que haja consumo racional desta (JUNIOR & CRUZ, 2010), uma vez que o excedente pode ser comercializado pelas unidades industriais. No Brasil, as usinas são auto-suficientes energeticamente e, com freqüência, ainda conseguem exportar excedentes cada vez mais relevantes de energia elétrica para a rede pública. Esta melhoria operacional é conseqüência da crescente utilização de equipamentos de melhor desempenho, mudanças tecnológicas no processo produtivo, controles avançados de processos, homogeneização da demanda de vapor, integração energética, gestão do desempenho industrial, minimização das harmônicas e correção do fator de potência, etc. (ALBUQUERQUE & MONACO, 2011). Atualmente, o rendimento industrial de uma planta sucroenergética é composto pelos rendimentos da produção de açúcar (de 90 a 92%) e produção de etanol (aproximadamente 90%). As maiores perdas estão no processo de lavagem da cana, na extração, na filtração do lodo, nas colunas barométricas, e no processo fermentativo. Com base em valores médios de rendimento e considerando um teor de 14% de sacarose e 0,55% de AR, para cada tonelada de cana-de-açúcar é possível obter 86 litros de etanol hidratado, ao passo que, quando o objetivo é a produção de açúcar, é possível a obtenção de 100 kg desse produto, e ainda produzir 22 litros de etanol hidratado por tonelada de cana. 3. Simulação A produção industrial em usinas sucroenergéticas está sujeita, dentre outros fatores, às condições ambientais, que influenciam significativamente na qualidade da matéria-prima, provocando ampla variação de seus parâmetros técnicos de fornecimento (DAL BEM et al). Além disso, o processo produtivo apresenta elevado grau de complexidade, pois envolvem operações e equipamentos dos mais variados tipos e tamanhos, como reatores (químico e biológico), separadores, trocadores de calor, dentre outros. Tudo isso, somado à variação de preços de mercado, exige dos profissionais envolvidos na produção, constantes ações de interferência no processo que, não tendo a informação rápida e precisa do seu efeito nos produtos finais, incorrem em sub-aproveitamento de equipamentos, perda de eficiências e subfaturamento (DAL BEM et al). Dentro do negócio de açúcar, etanol e bioeletricidade, o controle e planejamento do processo produtivo nas usinas sucroenergéticas têm uma função tática e operacional de extrema importância devido as dificuldades inerentes, tais como: a) dentro de uma safra de cana-de-açúcar, a quantidade e qualidade extraída da cana-de-açúcar variam significativamente ao longo do tempo; b) variações no mercado spot, podem causar variações no mix produtivo dentro de uma faixa limitada pelas restrições físicas dos processos e dos contratos e garantias firmadas; c) variação tanto da qualidade dos produtos quanto do rendimento e eficiência dos processos durante os meses de moagem; d) detecção e eliminação de anomalias crônicas no processo durante a safra, como: perdas excessivas de pol na torta, degradação da sacarose no processo de 3

4 concentração, baixos rendimentos no processo fermentativo, excesso de consumo de vapor em aparelhos de destilação e evaporadores, etc. Além do planejamento tático e operacional, também é importante em diversos momentos do negócio, verificar a viabilidade de uma expansão e/ou modernização da planta produtiva, ou seja, contribuir para o planejamento estratégico da empresa. Um simulador de processos robusto e específico para os processos industriais sucroenergéticos - que tenha como premissas o fechamento do balanço de massa, de componentes e ART, e do balanço de energia em cada uma das linhas de correntes e operações unitárias é a ferramenta adequada para auxiliar na melhoria da gestão de desempenho e na otimização do processo produtivo em usinas sucroenergéticas. cenários, utilizando-se o BdME como ferramenta de simulação e análise. Caso 1 - Taxas de Ocupação A verificação da taxa de ocupação em processos industriais permite detectar/monitorar os gargalos produtivos ao longo da safra, como também planejar ampliações no processo produtivo e verificar a quantidade necessária de equipamentos. Com o BdME pode-se obter a taxa de ocupação nas centrífugas da fábrica de açúcar, nos filtros, trocadores de calor, evaporadores, fermentadores, moendas, entre outros. Como exemplo, na Figura 2 é apresentada a taxa de ocupação das centrífugas de açúcar. 4. Estudos de Caso Para os estudos de caso é considerado uma usina genérica com moagem de dois (2) milhões de toneladas de cana na safra, sendo 60,6% o mix produtivo para a produção de açúcar. As propriedades típicas da cana-de-açúcar que chegam nesta usina são: 14% Pol, 0,5% AR, pureza de 85% no caldo, 12,5% de fibra e 0,5% de terra. Todos os modelos utilizados neste estudo foram obtidos por meio do BdME, Simulador de Processos Sucroenergéticos de propriedade da Pentagro. Além dos modelos de todas as operações unitárias de uma planta sucroenergética, todas as linhas de corrente e operações unitárias são montadas na forma de fluxogramas interconectados (PFDs), ou seja, a linha de saída de uma operação unitária é a entrada da próxima e assim sucessivamente. Métodos de convergência são utilizados nos reciclos de linhas de corrente e solvers específicos (Regula Falsi, Runge Kutta, Powell modificado) na resolução dos balanços de massa e energia de cada operação unitária. Na sequência são mostrados quatro estudos de caso: i) taxa de ocupação, ii) gestão do desempenho dos processos, iii) projeto de melhoria/expansão, e iv) simulação de Caso 2 - Gestão do Desempenho dos Processos O software de simulação BdME permite estabelecer o Plano de Vôo ao longo da safra, ou seja, estabelecer todos os parâmetros operacionais de modo a garantir a obtenção dos indicadores de processo pré-estabelecidos da planta industrial. Com isso, é possível implementar a gestão do desempenho do processo via cumprimento das condições operacionais obtidas pelo BdME. Um exemplo, apresentado na Figura 3, é um cenário obtido na cogeração, onde em um determinado estado da planta a temperatura da linha de vapor de alta pressão estava com valor inferior ao estabelecido no Plano de Vôo daquela situação (vazão mássica, umidade e impureza do bagaço, temperatura de entrada de água nas caldeiras, e composição dos gases de escape, etc.), ao invés de 480 C estava com 460 C, diminuindo a energia exportada em 1,06 MW.h. 4

5 vazão mássica de 454 ton/h para 500 ton/h (abscissa) e verificando a variação da área útil de troca térmica necessária (ordenada). Utilizando-se o simulador de processos BdME, pode-se facilmente identificar as possíveis causas do não cumprimento do parâmetro de temperatura na linha de vapor. Nesta planta, ocorria sistematicamente uma diminuição da temperatura da água na entrada da caldeira e ineficiência na queima do bagaço. Caso 3 - Projeto de Melhoria e/ ou Expansão O Simulador BdME auxilia no estudo da viabilidade da integração energética em determinados pontos do processo. Um exemplo é a utilização de um trocador de calor de contato direto que utilize vapor proveniente de um flash da linha de tratamento de caldo. A Figura 4 ilustra a simulação deste cenário, evidenciando um ganho de 16 C na linha de caldo onde foi inserido o trocador de calor de contato direto, resultando em uma economia de vapor vegetal da ordem de 4,5 ton/h. Caso 4 - Simulação de cenários Como ferramenta tática e operacional, o BdME auxilia na simulação de cenários de variação de MIX, de propriedades da cana, na detecção de anomalias no processo, entre outras. Na Figura 6, é apresentada a consolidação de parte dos indicadores de processo fornecidos pelo BdME para uma simulação de cenários. Nestas simulações, a POL da cana-de-açúcar variou entre os valores de 13%, 14% e 15%. Pode-se verificar pela análise da Figura 6, que com o aumento da POL da cana-de-açúcar, obtém-se um acréscimo na taxa de ocupação de equipamentos e uma elevação das produções específicas tanto do açúcar como de etanol. Nota-se também que não houve variação da produção específica de energia. Na Figura 5 é apresentada uma análise de sensibilidade de uma possível expansão nos pré-evaporadores da planta. Passando da atual 5

6 5. Conclusões e Considerações Finais Pelos estudos de caso mostrados anteriormente, pôde-se notar a importância do simulador de processos sucroenergéticos BdME na operação de uma usina, oferecendo vantagens tanto na gestão da rotina e do desempenho, como uma ferramenta de apoio a decisão, uma vez que se pode predizer comportamentos antes que eles efetivamente ocorram. Além disso, o BdME é uma ferramenta útil no projeto de melhorias, expansão e na integração energética. E estas ações, por sua vez, garantirão a otimização de todo o processo, trazendo ganhos produtivos, energéticos e de receita. André Ribeiro Lins de Albuquerque é diretor da Pentagro Soluções Tecnológicas, doutor em engenharia mecânica, especialista em controle e simulação de processos. 6. Agradecimentos O autor deste relatório agradece a toda a equipe da Pentagro Soluções Tecnológicas, especialmente ao Marcos Vieira, pela colaboração nas simulações dos cenários e diagramação deste relatório, a Alice de Medeiros, pelas idéias e revisão e, ao Cláudio Policastro pelo entusiasmo, apoio e parceria de tantos anos. 7. Referencias Bibliográficas BNDES, Bioetanol de cana-de-açúcar : energia para o desenvolvimento sustentável / organização BNDES e CGEE Rio de Janeiro. JUNIOR, Alberto Colli Baldino; CRUZ, Antonio José Gonçalves, Fundamentos de Balanço de Massa e Energia. EdUFSCar, ALBUQUERQUE, André Ribeiro Lins; MONACO, Marcos, Bioeletricidade com Eficiência. Alcoolbrás no DAL BEM, Armando José; KOIKE, Gilberto H.A, PASSARINI, Luís Carlos, Modelagem e Simulação para o Processo Industrial de Fabricação de Açúcar e Álcool. Minerva, 3(1):