analise termodinamica e exergoeconomica de uma destilaria

ANÁLISE TERMODINÂMICA DE UMA DESTILARIA AUTÔNOMA
OPERANDO COM ALTOS PARÂMETROS DE VAPOR E DUAS
TECNOLOGIAS DIFERENTES DE DESTILAÇÃO
José Carlos Escobar Palacio1
Electo Eduardo Silva Lora1
Osvaldo Jose Venturini1
Jose Joaquim Santos1
Adler Moura2
NEST- Núcleo de Excelência em Geração Termelétrica e Distribuída
Universidade Federal de Itajubá
Av BPS 1303, CP 50, CEP 37500-903, Itajubá, Minas Gerais.
1
DEDINI – Industrias de Base S.A
2
Resumo: O propósito deste trabalho é realizar uma analise termodinâmica integral de uma planta
de cogeração acoplada a uma destilaria de etanol. Em trabalhos anteriores o sistema de
cogeração tem sido analisado separadamente utilizando ferramentas termoeconomicas para
calcular o custo dos produtos e definir o melhor esquema e melhor alternativa paramétrica.
Pesquisas semelhantes têm sido realizadas com o propósito de diminuir o consumo energético do
processo de destilação. Este trabalho propõe uma avaliação simultânea de os dois sistemas
utilizando ferramentas termoeconomicas que permitam melhorar a integração energética destes
processos.
A eficiência exergética, os custos exergeticos, assim como indicadores de produtividade (kWh de
eletricidade excedente / tonelada de cana e litros de etanol/tonelada de cana) para os principais
produtos energéticos (Eletricidade e Etanol) são utilizados como indicadores na avaliação
integrada das duas plantas. Dois cenários diferentes de plantas de cogeração-destilação são
avaliados, os resultados termoeconomicos ao igual que os indicadores de eficiência são
comparados com um caso base, que consiste numa “destilaria convencional”.
Abstract. The objective of this paper is to carry-out an integrated thermodynamic analysis for an
ethanol distillery and the mill cogeneration plant. In previous works the cogeneration system has
been analyzed separately using thermoeconomic tools to calculate the products cost and to define
the best scheme and parametric alternative. Similar researches were carried-out aiming to reduce
the energy consumption in the distillation process. This paper proposes a simultaneous evaluation
of both systems using an exergoeconomic tools to improve the energy integration of process.
The exergetic efficiency, exergetic costs, as well as, productivity indexes (kWh surplus
electricity/ton of cane and liters ethanol/ton cane) for main energy products (electricity and ethanol)
are used as indicators for the integrated evaluation of both plants. Two different scenarios of
cogeneration- distillery are evaluated, the thermoeconomic results and efficiency indexes are
compared with basic case, which consist “conventional distillery”.
1. Introdução
O Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento estabelece em seu plano nacional de agroenergia (2006-2011) entre suas prioridades de atuação na cadeia produtiva do etanol os seguintes
aspectos (MAPA, 2005): desenvolver alternativas de aproveitamento integral da energia da planta
de cana-de-açúcar, com melhoria dos processos atuais ou desenvolvimento de novos processos,
melhoria de processos com racionalização no uso de água e outros insumos e melhoria dos
processos de co-geração de energia.
Neste trabalho é efetuado um estudo de caso para avaliar as oportunidades para o avanço nos
aspectos da sustentabilidade na produção de etanol de cana-de-açúcar numa destilaria do Brasil,
no contexto de um uso racional e sustentável dos recursos utilizados no processo global de
produção (planta de cogeração – processo de obtenção de etanol) utilizando a termoeconomia
como ferramenta. São apresentadas também algumas possibilidades de maximização da energia
elétrica exportada a rede pela variação dos parâmetros iniciais de pressão e temperatura do vapor
e pela aplicação de uma tecnologia de destilação adequada, a qual deve ser acoplada ao sistema
de cogeração, visando a minimização dos impactos energéticos da planta.
Trabalhos anteriores realizara análise energética do processo de acordo a diferentes esquemas de
cogeração e redução do consumo de vapor no processo (Ensinas et al., 2006). Enquanto outros
avaliam exergética e termoeconomicamente algumas etapas do processo, mas sem avaliar a
influência da variação dos parâmetros de geração de vapor e a seleção da tecnologia adequada
no processo de destilação na eficiência global da planta e no custo final dos produtos obtidos
(eletricidade e etanol) (Modesto et al., 2006; Pellegrini e Oliveira, 2007; Ensinas et al., 2007;
Pistore e Lora, 2006).
2. Aspectos gerais
A maximização da quantidade de eletricidade excedente numa indústria sucroalcooleria depende
dos seguintes fatores: configuração do sistema de cogeração, eficiência na utilização da
eletricidade e vapor consumido nos diferentes processos, além das condições de operação do
vapor. Portanto, a otimização energética dos diferentes processos que compõem a planta é de
grande importância na melhoria do rendimento térmico e econômico das plantas de produção de
açúcar e álcool.
Entre os processos que demandam a utilização de consideráveis quantidades de energia no setor
sucroalcooleiro tem-se o processo de destilação, o qual é necessário para retirar o excesso de
água do vinho fermentado obtido no processo de fermentação.
A principal desvantagem do processo de destilação é o alto consumo energético em termos das
utilidades requeridas, tais como vapor e água de resfriamento, para os respectivos processos de
aquecimento e resfriamento.
Diferentes tecnologias de destilação são utilizadas nas usinas brasileiras para a produção de
etanol. Nestas tecnologias a energia térmica demandada pelo sistema é fornecida diretamente a
partir do vapor do sistema de cogeração ou a partir de uma cascata térmica na usina.
No caso de uma usina que exporta energia elétrica, pode-se chegar a uma situação tal que cada
tonelada de vapor a menos de demanda na destilaria possa ser utilizada para aumentar a geração
de energia elétrica nas turbinas de condensação. Desta forma, pode ser válida a implementação
de colunas operando em cascata térmica, utilizando-se pressões inferiores à pressão atmosférica
(vácuo) nas colunas. A aplicação de vácuo pode ser interessante em arranjos como o “Split-feed”.
A destilação com “Split-feed”, se caracteriza por utilizar vapor de escape da turbina e permitir a
integração energética entre colunas de destilação pressurizadas e de destilação a vácuo, na
produção de álcool etílico hidratado carburante, com um consumo de vapor aproximado de 1.8 kg
de vapor / litro AEHC (Figura 1) (Dedini, 2007).
Figura 1. Processo de destilação “Split-feed”
Encontram-se normalmente três níveis básicos de pressão de vapor vivo nas usinas e destilarias
brasileiras (2.1, 4.2, 6.5 MPa). Vale ressaltar que os parâmetros de pressão exatos encontram-se
ao redor dos valores básicos apresentados acima, mas podem ser encontradas usinas com níveis
de pressão de 8 a 12 MPa. A temperatura do vapor apresenta pequenas variações para cada um
dos níveis de pressão, sendo os valores comumente encontrados 300ºC, 400ºC e 500ºC,
respectivamente (Zampieri, 2005).
2.1 Indicadores
Os indicadores utilizados para caracterizar o uso da energia na destilaria autônoma são:
•
Ig.exc.
Índice específico de geração de eletricidade excedente, expresso em kWh de
eletricidade excedente por tonelada de cana moída (kWh/tc) (não é considerado o
consumo próprio da usina);
A eficiência exergética para um sistema de cogeração pode ser definida como a relação entre a
exergia dos produtos (calor e eletricidade) e a exergia de entrada (exergia do bagaço), obtendo-se
a seguinte expressão:
η exerg, cog =
( BW + BQ )
BF
Onde:
η= Eficiência exergética do sistema de cogeração
Bw = Exergia da energia elétrica ou mecânica
BQ= Exergia da energia térmica entregada pelo sistema
BF= Exergia do bagaço
Com o propósito de analisar a eficiência exergética global do sistema (planta de cogeraçãodestilação), que pode ser definida como a relação entre a exergia da eletricidade excedente e a do
álcool produzido, os quais são os dois principais produtos da planta, pela exergia da cana-deaçúcar fornecida ao sistema. Cabe ressaltar que eletricidade e álcool são os dois principais
produtos da planta.
η exerg , global =
Be tan ol + Be.exced
Bcana
Onde:
Betanol – Exergia do álcool hidratado produzido [kW]
Be.exced. – Eletricidade excedente [kW]
Bcana. – Energia contida na cana-de-açúcar moída [kW]
2.2 Conceitos e Metodologia da Avaliação Termoeconômica
Os conceitos básicos para a aplicação da termoeconomia (Lozano e Valero, 1993), são: o custo
exergético (B*), o qual é definido como a quantidade de exergia necessária para obter um produto
funcional e o custo exergético unitário (k), representado pela equação (2) e que indica o consumo
de exergia requerido por uma instalação para gerar a unidade de exergia.
k=
B*
B
Tendo em consideração que os processos reais não são reversíveis (ocorrem perdas e destruição
de exergia) o custo exergético será sempre maior que a exergia do produto (B* > B).
Para a aplicação da termoeconomia numa planta de cogeração o primeiro passo é conhecer a
estrutura física (real) da planta, que é um esquema simplificado da planta obtido através de sua
divisão em unidades e da relação de fluxos materiais e energéticos entre as unidades e entre
unidades e o ambiente.
3. Estudo de caso de implementação de sistemas de destilação
convencional e avançados em sistemas de cogeração de destilarias
autônomas operando com altos parâmetros de vapor.
Tendo em conta os altos parâmetros de geração de vapor que estão sendo implementados nas
usinas sucroalcooleiras do Brasil, o presente estudo avalia três sistemas de cogeração operando
com os parâmetros apresentados na Tabela 1, sendo considerado como caso base a operação de
uma planta de cogeração com parâmetros de vapor de 4.1 MPa e 420 °C, com um sistema de
destilação convencional (destilação operando com colunas a pressão atmosférica).
Tabela 1. Caso de referência e os dois cenários de repotenciação propostos utilizando CEST, para
duas tecnologias diferentes de destilação
Equipamentos e Parâmetros
Caldeira: 4.1MPa (abs) @ 420°C
Caldeira: 6.6 MPa (abs) @ 520°C
Caldeira: 12 MPa (abs) @ 560°C
Consumo de vapor no processo
(Destilação convencional) 361 kgv/tc
Consumo de vapor no processo
(Destilação avançada Split-feed 325 kgv/tc
Caso
Base
X
D1
D2
X
X
X
X
X
X
X
X
Para estabelecimento de um cenário de referência comum para os casos de estudo da Tabela 1, a
avaliação foi realizada considerando fixos os parâmetros descritos na Tabela 2.
Tabela 2. Principais parâmetros considerados
Dados de Energia e Produção
Produção de etanol [m3/h]
Capacidade de moagem [tc/h]
Dias safra / Fator utilização [%]
Vazão nominal de vapor [t/h]
PCI do bagaço [kJ/kg]
Umidade do bagaço [%]
Consumo de eletricidade da planta [kWh]
Extração de Vapor CEST 2 [Moenda e Processo]
[ton/h]
Extração de Vapor CEST 1 [Processo] [ton/h]
Pressão de Condensação CEST 1 [kPa]
Pressão de Condensação CEST 2 [kPa]
Temperatura água alimentação caldeira [°C]
Sistema de Moenda
Tandem 1 – 4 – Turbinas de múltiplos estágios
Pressão do vapor de entrada [kPa abs]
Temperatura do vapor de entrada [ºC]
Pressão do vapor de escape [kPa abs]
Eficiência isentrópica [%]
22.58
380
210 / 85
200
7562
50
6000
74
69-56
5.94
7.35
98.31
2200
320-375
170
80
O consumo de vapor no processo, que depende da tecnologia de destilação aplicada, foi
considerado igual a 361 kgv/tc para a utilização da tecnologia convencional de destilação
operando a pressão atmosférica, a qual demanda uma quantidade de 2.4 kg de vapor/ litro AEH. A
redução do consumo de vapor no processo de 325 kgv/tc foi obtida mediante a aplicação do
sistema Split-feed de destilação o qual permite obter uma diminuição no consumo de vapor da
planta de até 1.8 kg de vapor/ litro AEH. Um modelo do tipo caixa preta será considerado na
simulação realizada nos sistemas de destilação, considerando unicamente a produção de álcool
hidratado. Para o cálculo da exergia do caldo da cana foi considerada a metodologia proposta por
Nebra e Fernández (2005), enquanto para o vinho fermentado e álcool hidratado foi considerada a
metodologia desenvolvida por Modesto et al., 2005. Os balanços de massa e energia nos sistemas
de aquecimento, evaporação e destilação da destilaria foram realizados com o software EES,
tendo em conta as seguintes considerações:
•
•
•
•
•
•
Pureza do caldo misto (Pz=100%)
Rendimento considerado no sistema de evaporação de 1,866 kg de água evaporada/kg de
vapor vivo
Utiliza-se vapor do sistema de cogeração para aquecer o caldo de 85°C até 105 °C no
sistema de aquecimento.
Quantidade de vapor consumido na destilação considerando tecnologia convencional de
destilação igual a 2.4 kg de vapor/litro de álcool hidratado (Dedini, 2007).
Quantidade de vapor consumido na destilação considerando tecnologia Split-feed igual a
1.8 kg de vapor/litro de álcool hidratado (Dedini, 2007).
No calculo da exergia do álcool hidratado foi considerada somente a mistura etanol –
água.
A estrutura física para os cenários analisados é apresentada na Figura 2, e a estrutura produtiva
são apresentadas na Figura 3.
Figura 2. Estrutura física do cenário C.
Figura 3. Estrutura produtiva dos cenários D1 – D4.
Com base dos dados da Tabela 2 foi realizada a modelagem das diferentes variantes
esquemáticas no Gate-Cycle, obtendo-se indicadores de desempenho, tanto de primeira lei (FUE)
como de segunda (ηexerg, ηexerg, global). As principais características do sistema de cogeração são
apresentadas na Tabela 3.
A Tabela 4 apresenta os principais indicadores de desempenho para a operação da planta de
cogeração acoplada a uma tecnologia convencional de destilação e a Tabela 5, para a operação
com uma tecnologia avançada de destilação, que permite a redução no consumo de vapor no
processo de destilação.
Tabela 3. Consumo e geração de energia nas diferentes variantes analisadas
Cenários
Base
D1
D2
Consumo
Consumo
de Vapor
Específico
Processo
E.Mecânica
[kgv/tc]
361
325
361
325
361
325
[kWh/tc]
20.66
20.66
20.66
20.66
20.66
20.66
Potência
Excedente
Instalada
Gerado
[MW]
[MW]
26.63
26.63
34.07
34.07
39.92
39.92
18.44
19.84
25.68
27.12
31.52
32.64
Tabela 4. Critérios de avaliação do desempenho das plantas de cogeração sem redução do
consumo de vapor no processo de destilação
Cenário
Base
D1
D2
FUE %
77
77.4
78.1
ηexerg, cog %
23.73
26.19
27.15
ηexerg, global %
29.02
29.53
30.38
Ig.exced kWh/tc
48.53
67.58
82.95
Tabela 5. Critérios de avaliação do desempenho das plantas de cogeração com redução do
consumo de vapor no processo de destilação
Cenário
Base
D1
D2
FUE %
72.2
73
74
ηexerg, cog %
23.48
25.90
26.82
ηexerg, global %
29.28
29.79
30.58
Ig.exced kWh/tc
52.21
71.37
85.91
A Figura 4 apresenta os diferentes valores do custo exergético unitário da eletricidade gerada, e a
produção de álcool hidratado para os diferentes cenários avaliados no conjunto planta de
cogeração-destilação. Nela é observada a variação do custo exergético em função da tecnologia
de destilação aplicada (convencional ou com redução no consumo de vapor, indicado pela
expressão “red”) e dos parâmetros de vapor utilizados no sistema de cogeração.
Custo Exergetico Unitario
(kW/kW)
Cus to Exe rgé tico Unitario da Ele tricidade e do Alcool Hidratado
6.000
5.000
4.000
Custo Exergético
Eletricidade
3.000
Custo Exergetico
Alcool Hidratado
2.000
1.000
0.000
41
41 red
66
66 red
120
120 red
Pressão e Temperatura
Figura 4. Custo exergético unitário para os diferentes cenários avaliados
4. Resultados
Os principais resultados são:
Na geração de eletricidade o custo exergético para os diferentes cenários analisados sem redução
no consumo de vapor no processo foram de 5.36, 4.94 e 4.34 kW/kW. Quando se teve em conta a
diminuição no consumo de vapor no processo os resultados para o custo exergético unitário foram
5.37, 4.95 e 4.56 respectivamente. Observa-se um incremento no custo exergético unitário da
eletricidade quando é avaliada a diminuição no consumo de vapor no processo, este incremento
origina-se pelo incremento na pressão de condensação da planta de cogeração sistema.
Com relação ao álcool hidratado produzido pela planta os custos exergéticos quando se aplica
uma tecnologia convencional de destilação foram de 3.19, 3.10 e 3.05 kW/kW. Tendo em conta a
aplicação da tecnologia avançada de destilação os custos exergéticos unitários foram de 3.14,
3.05 e 2.97 kW/kW respectivamente. Observa-se uma diminuição considerável no custo exergético
do etanol para cada um dos cenários avaliados, isto como conseqüência do incremento na
eficiência do sistema de destilação para uma determinada produção de álcool hidratado.
5. Conclusões
Os indicadores obtidos mostram que existe um melhor aproveitamento energético do conjunto
planta de cogeração-destilação na operação com altos parâmetros de vapor e redução de
consumo de vapor no processo. Portanto, no desenvolvimento de novos projetos de cogeração é
de grande importância ter em conta a aplicação de medidas e tecnologias que permitam a
diminuição do consumo específico de vapor na planta.
O cenário que apresenta os melhores resultados é o D2, dado ao melhor aproveitamento
energético que se obtém dos insumos fornecidos ao sistema, e ao menor custo exergético que
tem a produção do etanol pela aplicação de uma tecnologia avançada.
Palavras-chave: Cogeração,Termoeconomia, Produção de etanol
6. Agradecimentos
Os autores expressam seu agradecimento a CAPES pelo apoio financeiro para o
desenvolvimento desta pesquisa.
7. Referências
[1] DEDINI S.A.; Split feed e peneira molecular LSC; 2007
[2] ENSINAS, A. V ; NEBRA, S. A ; LOZANO, M. A ; SERRA, L. ; Analysis of cogeneration
systems in sugar cane factories – Alternatives of steam and combined cycle power plants.
In Proceedings of ECOS 2006; Aghia Pelagia; Vol. 3; p. 1177-1184; Crete, Greece, July, 2006.
[3] ENSINAS, A. V.; MODESTO, M.; NEBRA, S. A.; Analysis of different cane juice extraction
systems for sugar and ethanol production: influences on electricity generation and final
products exergetic costs; In Proceedings of ECOS; 2007.
[4] LOZANO, M. A., VALERO, A.; Theory of the exergetic cost; Energy; Vol. 18; pp. 939-960;
1993.
[5] MINISTÉRIO DA AGRICULTURA, PECUÁRIA E ABASTECIMENTO – MAPA.; Plano Nacional
de Agroenergia; 03 Abr. 2007 <http://www.mct.gov.br/index.php/content/view/5207.html>
[6] MODESTO, M.; NEBRA, S.A.; ZEMP, R.J.; A proposal to calculate the exergy of non ideal
mixtures ethanol-water using properties of excess; In Proceedings of 14th European
Conference and Exhibition: Biomass for Energy, Industry and Climate Protection; 17- 21 October,
Paris; France; (Proceedings in CD-Rom); 2005.
[7] MODESTO, M.; ZEMP, R. J.; NEBRA, S. A.; Ethanol production from sugar cane:
comparison of juice cane extractions systems – mill and diffuser - through exergetic cost
analysis; In Proceedings of ECOS 2006; Aghia Pelagia; Vol. 2; p. 739-747;Crete; Greece; July;
2006.
[8] NEBRA, S. A.; FERNÁNDEZ, P, M. I.; The exergy of sucrose-water solutions: Proposal of a
calculation method; In Proceedings of ECOS; Trondheim; Norway; June; 2005.
[9] OLIVÉIRO, J. L.; RIBEIRO, J. E.; Cogeneration in brazilian sugar and bioethanol Mills:
past, present and challenges; International Sugar Journal; Vol.108; Num. 1291; pp. 391-401;
2006.
[10] PELLEGRINI, L. F.; OLIVEIRA, JR. S.; Exergy efficiency of the combined sugar, ethanol
and electricity production and its dependence of the exergy optimization of the utilities
plants; In Proceedings of ECOS; 2006.
[11] PISTORE, T, T.; LORA, E. E. S.; Economic, technical and environmental assessment on
cogeneration in the sugar/alcohol industry; International Sugar Journal; Vol.108; pp. 441-453;
2006.
[12] RODRIGUES, D.; ORTIZ, L.; Em direção á sustentabilidade da produção de etanol de
cana de açúcar no Brasil; 08 Abr. 2007<http://natbrasil.org.br/Docs/biocombustiveis/ >
[13] ZAMPIERI, M; Avaliação termodinâmica da produção de eletricidade e etanol a partir da
cana-de-açúcar; Dissertação de Mestrado; Engenharia da Energia; Universidade Federal de
Itajubá; 2005.