Alternativas na utilização de vapor vegetal oriundo da evaporação de caldo em usina de açúcar e álcool Um estudo de caso

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1 Alternativas na utilização de vapor vegetal oriundo da evaporação de caldo em usina de açúcar e álcool Um estudo de caso Márcio Higa (Universidade Estadual de Maringá) mhiga@uem.br Rafael Vendrame G. Luiz (Universidade Estadual de Maringá) rafaelvgl@gmail.com Resumo: O consumo de energia é um tema cada vez mais importante na indústria sucroalcooleira, pois afeta a comercialização do excedente energético em forma de potência elétrica ou bagaço. Esta comercialização tem se tornado uma fonte bastante significativa de receitas financeiras para as empresas do setor. Em relação ao processo de fabricação de açúcar e álcool, a evaporação do caldo, o cozimento do açúcar e a destilação na produção de álcool são operações que demandam as maiores quantidades de energia. Entretanto, a evaporação, além de consumir a maior quantidade de energia do processo, possibilita vários arranjos de aproveutamento das extrações de vapor vegetal produzidas durante a concentração do caldo (sangrias), o que reduz o consumo de energia global do processo. Neste trabalho foi realizado um estudo de caso em uma usina de açúcar e álcool, localizada no noroeste do Estado do Paraná, analisando-se o consumo de vapor no processo e sendo simuladas algumas alternativas na forma de utilização do vapor vegetal da evaporação, no cozimento de massa A e B e também na destilação. Foram obtidos ganhos entre 4,4 e 10,1% na vazão de vapor de processo. Palavras-chave: Integração térmica, análise pinch, cana-de-açúcar, vapor. 1. Introdução O consumo de energia no processo de fabricação de açúcar e álcool é de fundamental importância no equilíbrio e funcionamento de toda planta industrial de uma usina e também no aspecto econômico. Caso o consumo seja excessivo, outros vários problemas decorrem deste fato, como por exemplo, a falta de bagaço para gerar energia térmica para o processo, o deslocamento do mix de produção açúcar/álcool de forma indesejada e a limitação da taxa de moagem. Quanto mais economia de energia no processo a indústria alcançar, mais rentável esta indústria será, pois ela consumirá pouco combustível, podendo comercializar o excedente na forma de bagaço ou energia elétrica. Com relação ao meio ambiente, o consumo racional de energia na planta também é importante, pois implica em menores emissões atmosféricas, no caso da venda de bagaço. No caso de geração de energia elétrica e exportação do excedente, diminui o uso de outras fontes de energia não renováveis. O objetivo da operação de evaporação do caldo de cana é a retirada de água, ou seja, a concentração do caldo, formando o xarope, que é utilizado no cozimento de açúcar. Esta operação é a que mais consome calor no processo e é executada em um sistema de Evaporador por Múltiplos Efeitos (EME). O evaporador com tubos verticais foi introduzido por Roberts, em 1850, sendo este princípio o mais utilizado atualmente na maioria das usinas brasileiras. Esta inovação trouxe grande economia de energia para a indústria sucroalcooleira e também outras indústrias (CHRISTODOULOU, 1996). Este sistema de evaporação possibilita vários arranjos e números de estágios, sendo que Higa et al (2005) demonstraram que é possível uma redução significativa do consumo de energia no processo, através de simulações em alguns tipos de arranjos mais tradicionais.

2 A Figura 1 ilustra o arranjo tradicional encontrado na maioria das usinas brasileiras: Figura 1 Esquema da evaporação em múltiplos efeitos (EME) Existe a possibilidade de efetuar extrações de vapor vegetal (sangrias) entre os efeitos, o que possibilita otimizações e diferentes arranjos, ou seja, o vapor vegetal gerado pelo 1 efeito (VV1) pode ser todo destinado ao 2 efeito ou extraído parcialmente e utilizado como fonte quente em algum processo, sendo isso possível também nos efeitos posteriores. A sangria de vapor vegetal nos últimos efeitos tende a reduzir o consumo global do processo (HIGA et al, 2009). A sangria de vapor da evaporação deverá ser executada nos últimos efeitos possíveis, de acordo com as temperaturas requeridas pelo processo, ou seja, o vapor vegetal utilizado fora da evaporação deverá ter a menor pressão e temperatura possível para suprir o processo. Estudos demonstram a eficácia da forma de sangria sugerida acima, diminuindo do uso de energia térmica a medida que a extração é executada em efeitos posteriores. (PAZ & CÁRDENAS, 1997). Na aplicação da Primeira Lei da Termodinâmica, determinam-se as quantidades de energia necessárias em cada etapa da produção, com os respectivos consumos de vapor. Entretanto, apenas a Primeira Lei não é suficiente para se fazer um bom diagnóstico térmico de uma planta, sendo imprescindível também a utilização da Segunda Lei da Termodinâmica para determinar as localizações e os valores das irreversibilidades existentes nos processos (PAZ & CÁRDENAS, 1997). A análise Pinch é uma forma de aplicação combinada da Primeira e Segunda Lei da Termodinâmica, utilizando-se o método gráfico. Desta maneira, determina-se a menor quantidade de energia necessária aos equipamentos de trocas de calor envolvidos, com redução das irreversibilidades (CHRISTODOULOU, 1996). A aplicação da análise Pinch mostrou possibilidades de avaliação de forma simples das potenciais fontes de economia de energia em estudos anteriores em usinas de açúcar de cana. O uso desta técnica também possibilitou identificação de pontos críticos e de possíveis modificações internas no processo, com o objetivo de reduzir o consumo de energia. (IBARRA & MEDELLIN, 2001). As operações que mais consomem energia na fabricação de açúcar de cana são aquecimento, evaporação e cozimento. Concomitantemente à estas operações, a destilação para produção de

3 álcool, mesmo que a planta vise a máxima produção de açúcar, é uma operação que consome quantidades consideráveis de energia. Logo, neste trabalho se analisa o impacto do uso de vapor a pressões mais baixas em duas dessas fontes consumidoras de calor: cozimento e destilação. O estudo de caso será em uma planta situada na região noroeste do Estado do Paraná. 2. Materiais e métodos Inicialmente, a situação atual da planta deve ser determinada via balanços de massa e energia, com seus respectivos consumos de vapor nos processos. Após esta etapa, verifica-se se é possível o uso de vapor vegetal, proveniente da evaporação, que preferencialmente deve ser extraído (sangria) dos últimos efeitos da operação Análise Pinch A análise Pinch é uma ferramenta baseada na Segunda Lei da Termodinâmica, que visa a minimização da geração de entropia, ou seja, das irreversibilidades. Inicialmente esta ferramenta foi concebida para o projeto de redes de trocadores de calor (LINHOFF et al, 1979). Uma das formas de aplicação é o método gráfico, que se baseia na representação das correntes, curvas compostas (CC) e grande curva composta (GCC). As correntes são os fluxos de energia no processo, com suas respectivas diferenças de temperatura ao longo das transferências de calor, bem como suas capacidades térmicas (produto da vazão mássica e o calor específico do fluido). Duas correntes, uma quente e outra fria, são representadas na Figura 2 (a), com a temperatura em função da entalpia. Nota-se que a área comum abaixo dos segmentos de reta representa a energia trocada entre as duas correntes, ou seja, a máxima quantidade de calor recuperável. Nas extremidades, Q Hmin representa a quantidade de energia mínima fornecida pela fonte quente e Q Cmin a quantidade mínima de calor a ser trocado com a fonte fria. Figura 2 Correntes, curvas compostas e grande curva composta (Fonte: HIGA et al, 2005)

4 Como geralmente muitas correntes estão envolvidas nos processos, representa-se o conjunto de correntes por curvas compostas, separadas em duas categorias, quente e fria. Estas curvas são construídas somando-se a entalpia de todas as correntes, para cada intervalo de temperatura, conforme representação na Figura 2 (b). De forma análoga, a máxima recuperação de calor do conjunto de correntes é dada pelo intervalo comum às duas curvas compostas, com a extremidade da direita representando a mínima quantidade de calor fornecida pela fonte quente (utilidade quente) e a esquerda a mínima quantidade de calor a ser rejeitada para a fonte fria (utilidade fria). Logo, quanto mais as curvas estiverem próximas, maiores as possibilidades de recuperação de calor, porém esta aproximação é limitada pelo ΔT min. Este fator representa a diferença de temperatura adotada para o sistema, ou seja, a diferença de temperatura mínima que ocorrerá nos trocadores de calor para a transferência de energia. Quanto menor o ΔT min, maior a recuperação de energia, porém maiores as áreas necessárias de troca térmica. Logo este valor representa um compromisso entre energia e capital. Uma das possibilidades para determinação do ΔT min é a manutenção do parâmetro encontrado na planta, uma vez que já indica o equilíbrio entre economia de energia e investimentos que são praticados. Com relação à Grande Curva Composta (GCC), esta é a combinação das duas curvas compostas, somando-se as entalpias, para cada nível de temperatura. Nesta representação, o ponto pinch (pinch-point) ocorre com com a entalpia zero, ou seja, quando a abscissa é nula. Acima deste ponto, temos as necessidades de utilidades quentes, em diferentes níveis de temperatura, o que permite a escolha de utilidades com temperaturas mais próximas às necessidades, minimizando as irreversibilidades devido à troca térmica. Da mesma forma, abaixo do pinch, tem-se a utilidade fria requerida pelo processo. No presente trabalho são apresentadas duas propostas de uso de vapor em pressão mais baixa: no cozimento e na destilação, com suas respectivas economias de vapor envolvidas. 3. Estudo de caso O estudo de caso deste trabalho se refere a uma planta instalada na região noroeste do Estado do Paraná, onde foram avaliados os consumos de energia e algumas propostas de economia de vapor foram apresentadas. O consumo de vapor de processo (0,25 MPa) atual na planta atual foi calculado via balanço de energia e também confirmado pela média da vazão registrada ao longo da última safra (2009). A indústria em questão processa 355 TCH (toneladas de cana por hora), consumindo aproximadamente 45,07 kg/s de vapor de processo (457 kgv/tc), com um mix de produção de 72% dos açúcares totais para açúcar. A menor diferença de temperatura nos trocadores de calor (ΔT min ) na planta em questão é 9 C, sendo este valor mantido para posterior otimização da planta. Isto sugere que o mesmo ponto de equilíbrio termoeconômico é mantido. A planta analisada trabalha com duas massas de cozimento de açúcar. A massa A recebe calor de vapor vegetal 1 (VV1) e a massa B recebe calor do VV2. A destilação ocorre por meio de aquecimento com vapor, com injeção direta, ou seja, o vapor de aquecimento condensa-se no fluido a ser aquecido, sendo no caso, o vinho. Atualmente a destilaria trabalha com VV1. A configuração que será estudada será 5 efeitos de evaporação, com possibilidade de sangria de vapor até o 3 efeito, que é o arranjo usado atualmente na planta. A sangria de vapor será alterada e os resultados comparados. Na Tabela 1 é apresentada a sangria de vapor atual.

5 Tabela 1 Sangria de vapor realizada atualmente na planta Sangria 1 Efeito (kg/s) Sangria 2 Efeito (kg/s) Sangria 3 Efeito (kg/s) 26,8 5,0 4,4 Neste trabalho, são apresentadas 4 propostas de modificação envolvendo os sistemas de cozimento e destilação, conforme Tabela 2. Tabela 2 Propostas de racionalização do uso de energia Proposta Modificações Propostas 00 Situação Atual 01 Destilaria em VV2 02 Cozimento A em VV2 03 Cozimento A em VV2 e cozimento B em VV3 04 Modificações 1 e 3 em conjunto Na Tabela 3 é apresentado o consumo de vapor em cada processo, independentemente da pressão, pois o calor latente de vaporização a diferentes pressões possui valores muito próximos, na faixa de pressão em questão. Tabela 3 Consumo de vapor nos processos analisados Item Modificações Propostas Consumo de Vapor (kg/s) 01 Destilaria 10,0 02 Cozimento A 9,8 03 Cozimento B 3,76 No item 01, a proposta se refere a utilização de vapor vegetal provindo de sangria do segundo efeito da evaporação (Vapor Vegetal 2 VV2), pois atualmente utiliza-se do primeiro efeito (VV1). Neste caso, faz-se necessário garantir a pressão mínima requerida pelo processo de destilação, que na planta em questão é de 500 mm.c.a ( 0,005 MPa). No item 02, sugere-se a alteração do vapor utilizado no cozimento de açúcar de massa A, ou de primeira. Atualmente, este cozimento utiliza VV1. Nesta proposta, deve-se verificar o tempo previsto de cozimento, visto que esta etapa de produção é limitante do processo, ou seja, o gargalo. Na solução do item 03, tanto o vapor utilizado no cozimento de massa A, como massa B são alterados. O primeiro passaria a operar com VV2 e o segundo, com VV3. Nesta configuração, deve-se verificar o mesmo aspecto de tempo de operação citado para o item 02, devido ao cozimento estar no limite da capacidade de produção. A proposta do item 04 é aplicar simultaneamente as alterações propostas nos itens 1 e 3, utilizando-se VV2 na destilaria e no cozimento de massa A e destilação, e VV3 no cozimento de massa B. Na planta, aproximadamente 5,55 kg/s, de vapor a 2,2 MPa, 315 C, são rebaixados via válvula rebaixadora de pressão até 0,25 MPa, o que permite afirmar que o ganho obtido na economia de vapor de escape até este montante, se transformará em menor consumo de

6 combustível para geração de vapor, ou seja, menor vazão de vapor requerido da caldeira. Isso se deve ao fato de, atualmente, no ciclo de coogeração da planta, a quantidade de energia requerida no processo na forma de calor, ser maior que a energia disponível no vapor de escape das turbinas de acionamento mecânico, incluindo a geração de energia elétrica. 4. Resultados Tabela 4 Sangrias de vapor para cada item proposto Item Modificações Propostas Sangria 1 Efeito (kg/s) Sangria 2 Efeito (kg/s) Sangria 3 Efeito (kg/s) 00 Situação Atual 26,8 5,0 4,4 01 Destilaria em VV2 16,8 15 4,4 02 Cozimento A em VV2 17,0 4,8 4,4 03 Cozimento A em VV2 e 17,0 11,1 8,16 cozimento B em VV3 04 Modificações 1 e 3 em conjunto 7,0 21,1 8,16 Figura 3 Curvas compostas (CC) da situação atual da planta

7 Os resultados obtidos se referem ao estudo de caso em questão, sendo apresentadas na Tabela 4, as sangrias de vapor que deverão ser executadas para cada proposta. São apresentadas também as curvas compostas das correntes quente e fria, referentes a situação atual da planta. Na Figura 3, o pinch-point está em 112,5 C, onde ocorre a menor diferença de temperatura entre as curvas, 9 C. Nota-se que, se o pinch-point ocorresse a uma temperatura menor, o consumo de utilidade fria seria menor, concomitantemente com o consumo minimizado de energia provida pela fonte quente. As propostas neste trabalho, visam a diminuição do consumo de vapor de processo via utilização de vapor de sangria dos últimos efeitos. Estas melhorias alteram a entalpia fornecida pelas sangrias de VV1, VV2 e VV3, diminuindo a região de fornecimento de calor pelo VV1 e aumentando as entalpias fornecidas pelas sangrias à pressões menores. Isso permite uma sobreposição maior das duas curvas, indicando maior recuperação de calor possível. Na Figura 4 é apresentada a Grande Curva Composta também referente à situação atual da planta. Observa-se os diferentes níveis de temperatura requeridos para as fontes quentes e frias, possibilitando a escolha de fontes frias ou quentes, com temperaturas mais próximas possíveis, minimizando irreversibilidades devido a troca térmica. Figura 4 Grande Curva Composta (GCC) da situação atual da planta

8 Na Figura 5, são apresentadas as curvas compostas referente ao item 04, ou seja, com as modificações 1 e 3 em conjunto. Figura 5 Curvas compostas da proposta do item 04 Nota-se o aumento da entalpia fornecida pela fonte quente nos níveis de temperatura dos vapores VV2 e VV3, uma vez que a vazão de sangria é maior. Com isso, diminui a sangria de VV1, aumentando-se a área de sobreposição das curvas compostas. Logo é possível uma recuperação de calor maior no processo, com relação à situação atual. Mensurando-se os ganhos com as alterações propostas, obtêm-se ganhos de vazão de vapor de processo (0,25 MPa) de aproximadamente 10%, ou seja, a necessidade de fornecimento de calor pela fonte quente passa de 98,2 MW para 88,5 MW. A quantidade de energia fornecida pela fonte quente, abaixo do pinch, permaneceu praticamente constante, visto que a entalpia que deixou de ser fornecida pelo VV1 está sendo fornecida pelo VV2 e VV3, a temperaturas menores. Com isso a posição relativa entre as curvas compostas quente e fria permaneceram praticamente a mesma, com relação à origem do gráfico. O ganho se apresentou apenas na fonte quente, ou seja, na parte direita do gráfico. Na Figura 6 é apresentada a Grande Curva Composta da proposta do item 04, onde verificam-

9 se os diferentes níveis de temperatura das fontes quente e fria. A temperatura de fornecimento de calor da fonte quente permanece inalterado, com relação a situação atual. Nota-se a menor quantidade de energia a ser fornecida pela fonte quente (88,5 MW) e a energia requerida pelas correntes frias permanece praticamente constante, passando de 18,3 MW para 19 MW. Figura 6 Grande Curva Composta (GCC) da proposta do item 04 Na Tabela 5 são apresentados os consumos específicos de vapor de processo, em kg de vapor saturado a 0,25 MPa, por tonelada de cana processada, para cada proposta simulada. Tabela 5 Consumo específico no processo para cada item proposto Item Modificações Propostas Consumo Específico (kgv/tc) Economia em relação a situação atual 00 Situação Atual Destilaria em VV ,4 % 02 Cozimento A em VV ,2 % 03 Cozimento A em VV2 e cozimento B 430 5,9 % em VV3 04 Modificações 1 e 3 em conjunto ,1 %

10 Na Tabela 5, item 01, verifica-se uma economia de 4,4% no consumo específico de vapor de processo, que se reflete no consumo de combustível em proporção semelhante, devido ao rebaixamento de vapor em menor quantidade. No caso 02, o cenário é semelhante à economia de vapor proporcionada pela pelo item 01, visto que as quantidades de vapor utilizadas nestes processos são praticamente as mesmas. No item 03, é sugerida a alteração do vapor de aquecimento em todo o cozimento, ou seja, o cozimento A que atualmente trabalha com VV1 trabalharia com VV2, e o cozimento B, que trabalha com VV2, trabalharia com VV3. Neste caso, a economia de vapor é da ordem de 5,9 %, ou seja, o consumo específico da planta ficaria em 430 kgv/tc. Já no caso 04, que agrupa as sugestões feitas nos itens 1 e 3, o consumo específico cai para 411 kgv/tc, o que representa uma economia de 10,1% de vapor de processo, refletindo a mesma redução no consumo de combustível, visto que os 46 kgv/tc representam vazão aproximada de 4,54 kg/s de vapor economizado, o que indica que a válvula redutora de pressão ainda continuará operando, porém com vazão consideravelmente menor. Para aplicação prática das propostas, a área de troca térmica dos evaporadores deverá ser suficiente para gerar o vapor necessário para viabilizar as sangrias sem comprometer a concentração final do xarope. Na Tabela 6 são apresentadas as áreas externas requeridas para cada efeito, considerando-se o coeficiente de troca térmica conforme literatura. Tabela 6 Soma das áreas externas (SAE) requeridas para cada proposta, por efeito Modificações Propostas 1 Efeito 2 Efeito 3 Efeito 4 Efeito 5 Efeito Total Situação Atual Destilaria em VV Cozimento A em VV Cozimento A em VV2 e cozimento B em VV3 Modificações 1 e 3 em conjunto Conclusão Analisando-se os resultados obtidos, conclui-se que uma economia considerável de energia pode ser obtida ao utilizarem-se sangrias de vapor de efeitos posteriores da evaporação de caldo, como já era esperado e sugerido por outros autores. Foram mensurados os ganhos com as propostas sugeridas, obtendo-se economias que variam entre 4,4 e 10,1%, na vazão de vapor de processo. Isto, no estudo de caso em questão, reflete-se em proporção equivalente no consumo de combustível, ou seja, bagaço de cana. A análise Pinch se confirma como método adequado para análise e avaliação de sistemas térmicos em plantas sucroalcooleiras, apresentando de forma gráfica os pontos que limitam a recuperação de calor, possibilitando ao projetista explorar tais pontos, buscando maior integração térmica. 6. Agradecimentos Os autores agradecem o apoio financeiro da Fundação Araucária.

11 Referências CHRISTODOULOU P. Energy Economy Optimization in Separation Processes - Optimizing the Separation of Sucrose/Water and Non-Sugars. Int. Sugar Journal, Vol. 98, n.1172, p , IBARRA-L.F. & MEDELLÍN-A.A. Energy Analysis os the Sugar Production Process Using Modern Techniques of Process Integration. Zuckerindustrie Vol. 126, n.9, p , HIGA-M., FREITAS-A.J., BANNWART-A.C. & ZEMP-R.J. Thermal Integration of Multiple Effect Evaporator in Sugar Plant. Applied Thermal Engineering, Vol. 29, n.2-3, p , HIGA-M, FREITAS-A.J &. BANNWART-A.C. Avaliação Energética em Usina de Açúcar e Álcool Utilizando a Análise Pinch. Revista Iberoamericana de Ingeniería Mecánica, Vol. 9, n.3, p , LINHOFF-B., MASON-D.R, WARDLE-I. Understanding Heat Exchanger Networks. Computer and Chemical Engineering, Vol. 3, p , PAZ-D. & CÁRDENAS-G.J. Análisis Exergético de un Sistema de Calentamiento-Evaporacion-Ccocimiento. Int. Sugar Journal, Vol. 99, n1182s, p / , 1997.