integração de processos em destilarias autônomas - Nest

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 CO2 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
Cogeração
Eletricidade
Excedente
Esquemas
Cana-de-açúcar
Bagaço
Outputs
Eficiência
Indicadores
Energia
Mecânica
Exergia dos
produtos
Vapor
Eletricidade
Custo
Exergético
Destilaria
Caldo de cana
Esquemas
Eficiência
Álcool
Hidratado
ESQUEMA GERAL DO PROCESSO
Custo
Monetário
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
¾ Identificar a localização, magnitude e fontes de perdas termodinâmicas reais
no sistema integrado da planta;
¾ Calcular os custos associados às destruições e perdas de exergia;
¾ Calcular separadamente o custo de cada produto gerado pelo sistema;
¾ Entender o processo de formação de custos no sistema;
¾ Facilitar estudos de viabilidade e otimização na fase de projeto ou melhoria do
processo do sistema existente;
¾Aperfeiçoar o sistema global;
¾ Auxiliar em procedimentos de tomada de decisão relacionados à operação e
manutenção;
¾ Comparar alternativas técnicas.
Alternativas Avaliadas
Equipamentos e Parâmetros
Caso Base
Caldeira: 20 bar (abs) @ 300°C
X
Caldeira: 65 bar (abs) @ 490°C
C1
X
Geradores Elétricos
Turbinas de Contrapressão
X
Turbinas de Extração Condensação
X
Moenda
Turbina de Simples Estágios
X
Turbina Múltiplos Estágios
X
Evaporação
Atual (EC)
X
Falling films (FF)
X
X
Destilação
Destilação Atmosférica (DA)
Destilação Multipressão (DM)
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
c electricity (US$/MWh)
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
c AEH (US$/liter)
0.25
0.30
0.35
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.
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