INTEGRAÇÃO DE PROCESSOS EM DESTILARIAS AUTÔNOMAS Eng. MSc José Carlos Escobar Palacio Prof. Dr. Electo Eduardo Silva Lora Prof. Dr. Osvaldo Jose Venturini Universidade Federal de Itajubá Programa de Engenharia Mecânica Abril 2009
RELEVÂNCIA Novo ciclo de expansão da indústria canavieira com expectativas de crescimento sem precedentes da produção tanto de açúcar como de etanol Compromissos de redução das emissões de CO 2 assumidos pelos países desenvolvidos junto ao Protocolo de Quioto. A produção de biocombustíveis deve ser realizada num contexto de uso racional de energia para garantir a sustentabilidade do sector (poligeração). Desenvolver alternativas de aproveitamento integral da energia da cana-deaçúcar, com melhoria dos processos atuais ou desenvolvimento de novos processos. Plano Nacional de Agro-Energia (2006-2011) estabelece entre suas prioridades de atuação na cadeia produtiva do etanol.
RELEVÂNCIA Desenvolvimento de estudos do ciclo de vida e balanço de energia de sistemas de produção de cana-de-açúcar, objetivando reduzir o input energético dos sistemas e a substituição de fontes de carbono fóssil por fontes renováveis. Melhoria de processos com ganhos de racionalização de uso de água e outros insumos. Melhoria dos processos de cogeração de energia. Ministério de Relações Exteriores (MRE, 2007) destaca a importância no aumento da eficiência energética e do uso racional dos recursos empregados nos ciclos de produção dos biocombustíveis como o etanol como primeiro passo na ampliação de sua utilização.
Perspectivas de Crescimento do Setor Sucroalcooleiro
A Visão Energética da cana Fonte: (Olivério, 2003)
Aproveitamento de produtos e subprodutos da cana-de-açúcar
Integração de Processos Métodos orientados para a realização de abordagens integradas ao projeto de processos industrias complexos, variando desde processos individuais até o sistema global com especial ênfase no uso eficiente da energia e redução dos impactos ambientais. È uma abordagem multidisciplinar composta por modelos e métodos matemáticos, termodinâmicos e econômicos (IEA, 2002) As três principais características dos métodos de Integração de Processos são: Uso de regras heurísticas, sobre o projeto e a economia; Utilização da termodinâmica; Uso técnicas de otimização.
A aplicação da análise Pinch para melhor uso da energia de processos industriais é a alternativa mais explorada nos estudos realizados até hoje, embora muitos avanços também tenham sido obtidos em outras aplicações como: Mass Pinch (Minimização de efluentes industriais e redução do consumo de água) Water Pinch (Desenho da distribuição de processos de tratamento de efluentes) Hydrogen Pinch (Método de otimização da distribuição de hidrogênio em refinarias de petróleo que também avalia o impacto da introdução de unidades de purificação, membranas e unidades criogênicas).
A Integração de Processos na indústria pode contribuir nos seguintes aspectos: Melhoras na eficiência de utilização de matérias-primas e energia contribuindo ao aumento na produtividade; Projeto de novos processos contínuos, semicontinuos ou por batelada; Planejamento, projeto e operação de processos e sistemas de utilidades. Integração entre diferentes processos e sistemas de utilidades; Minimização de resíduos e efluentes líquidos; Diminuição de emissões;
Estudo de Caso Destilaria Autônoma Palha da cana Cana-de-açúcar Bagaço Energia Mecânica Caldo de cana Eletricidade Cogeração Esquemas Eficiência Destilaria Esquemas Eficiência Vapor Eletricidade Excedente Álcool Hidratado Outputs Indicadores Exergia dos produtos Custo Exergético Custo Monetário ESQUEMA GERAL DO PROCESSO
Iteração das diferentes etapas e fluxos que compõem o processo de produção de etanol Fonte: (Olivério e Ribeiro, 2006).
Estado da Arte Sistemas de Cogeração convencionais Sistemas com Turbinas de Contrapressão Esquema de Sistema de Cogeração com Turbina de Contra-pressão
Sistemas avançados com Turbinas de Extração e Condensação Esquema de Sistema de Cogeração com Turbina de Extração e Condensação
Variantes Tecnológicas na Destilaria
Variantes Tecnológicas na Destilaria
Análise Termoeconômica Identificar a localização, magnitude e fontes de perdas termodinâmicas reais no sistema integrado da planta; Calcular os custos associados às destruições e perdas de exergia; Calcular separadamente o custo de cada produto gerado pelo sistema; Entender o processo de formação de custos no sistema; Facilitar estudos de viabilidade e otimização na fase de projeto ou melhoria do processo do sistema existente; Aperfeiçoar o sistema global; Auxiliar em procedimentos de tomada de decisão relacionados à operação e manutenção; Comparar alternativas técnicas.
Alternativas Avaliadas Equipamentos e Parâmetros Caldeira: 20 bar (abs) @ 300 C Caldeira: 65 bar (abs) @ 490 C Geradores Elétricos Turbinas de Contrapressão Turbinas de Extração Condensação Moenda Turbina de Simples Estágios Turbina Múltiplos Estágios Evaporação Atual (EC) Falling films (FF) Destilação Destilação Atmosférica (DA) Destilação Multipressão (DM) Caso Base X X X X X C1 X X X X X X X
Esquema Atual Destilaria Autônoma Destilaria Planta de Cogeração
Estrutura da demanda de vapor nas etapas do processo de produção de etanol hidratado no caso base
Estrutura Física da Planta Destilaria Planta de Cogeração
Estrutura Produtiva do Sistema Integrado Cogeração-Planta de Destilação
Indicadores Termodinâmicos
Custos Exergéticos dos Principais Fluxos Energéticos da Planta
Custos Monetários da Eletricidade e do Etanol Produzido 200 180 160 c electricity (US$/MWh) 140 120 100 80 60 40 20 0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 c AEH (US$/liter)
Conclusões O custo exergético unitário do álcool hidratado é influenciado pela tecnologia de destilação aplicada igualmente pelas melhoras aplicadas aos processos anteriores à destilação. Existem outras alternativas de integração térmica na planta entre os processos produtivos de produção que podem ser exploradas através da utilização do método pinch para a maximização da quantidade de eletricidade excedente da planta. Na analise das plantas integradas de cogeração-destilação deve-se evitar a consideração do custo monetário zero ao bagaço fornecido à caldeiras para evitar sobrecarregar o custo do etanol produzido. Na integração de processos a termoeconomia mostra-se como uma valiosa ferramenta no analise de sistemas de produção de biocombustíveis.
Obrigado Contato: jocescobar@gmail.com electo@unifei.edu.br