A Usina Termicamente Integrada

Ensinas (2009) desenvolveu um procedimento de integração de uma planta de açúcar e álcool, utilizando a análise Pinch Point no modelo da “planta padrão”. Este trabalho é útil para a avaliação sistemática de possibilidades de integração térmica dos processos. Três etapas básicas podem ser descritas para aplicação do procedimento:

• Etapa 1. Integração térmica das principais correntes do processo disponíveis para integração térmica, excluindo as colunas de destilação e retificação e o sistema de evaporação;

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• Etapa 2. Integração térmica das colunas de destilação e retificação ao restante do processo;

• Etapa 3. Integração do sistema de evaporação ao restante do processo.

O método Pinch foi utilizado como ferramenta para o desenvolvimento do projeto inicial da rede de trocadores de calor integrado ao sistema de evaporação do caldo. A integração térmica final é mostrada na Figura 5.2 e Tabela 5.6.

Figura 5.2 Rede de Trocadores de Calor da Usina Integrada Termicamente. Fonte: ENSINAS (2008)

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Tabela 5.6 Dados da Rede de Trocadores de Calor. Fonte: Adaptado de ENSINAS (2008)

Te: Temperatura de entrada Ts: Temperatura de saída

O projeto de integração térmica apresentado permitiu que sejam atingidas melhorias significativas em relação à demanda de utilidades quentes e frias. Foi obtida uma expressiva redução de vapor do processo, diminuindo a demanda de 458 kg/t cana estimada para a “planta padrão” até 307 kg/t cana na plana com integração térmica. Esta redução tornou possível a diminuição dos custos de operação (de 6,14 milhões de R$ ao ano a 4,4 milhões) e um incremento do bagaço excedente e/ou eletricidade excedente no sistema de cogeração (ENSINAS, 2008). A Figura 5.3 ilustra a usina integrada termicamente.

Trocador Q

de Calor Te (ºC) Ts (ºC) Te (ºC) Ts (ºC) (kW)

1 Q1 Caldo para Fermentação 92,7 37,0 F4 Vinho Centrifugado 32,0 89,6 10917 2 Q2 Vinhaça 100,0 40,0 F1 Caldo para produção de açucar 35,0 96,5 15412 3 Q3

Condensado de Vapor Vegetal

do 1º ao 4º efeito 107,7 50,0 F2 Caldo para produção de etanol 35,0 105,0 13426 4 CR

Condensador da Coluna de

Retificação 78,0 78,0 F1 Caldo para produção de açucar 35,0 68,0 6102 5 CR

Condensador da Coluna de

Retificação 78,0 78,0 F4 Vinho centrifugado 32,0 68,0 3147 6 VV3

Sangria de Vapor Vegetal de 3 º

efeito 105,9 104,5 F1 Caldo para produção de açucar 85,4 99,0 5997 7 VV2

Sangria de Vapor Vegetal de 2 º

efeito 111,1 110,5 F1 Caldo para produção de açucar 99,0 105,0 2646 10 VV2

Sangria de Vapor Vegetal de 2 º

efeito 111,1 110,5 F3 Caldo Clarificado para açucar 97,0 100,0 1233 11 VV1

Sangria de Vapor Vegetal de 1 º

efeito 115,4 115,0 F3 Caldo Clarificado para açucar 100,0 111,5 4735 12 VE Vapor de Escape 127,4 127,4 F3 Caldo Clarificado para açucar 111,5 115,0 1444 13 VV3

Sangria de Vapor Vegetal de 3 º

efeito 105,9 104,5 F4 Vinho Centrifugado 82,5 90,0 2108 14 CR

Condensador da Coluna de

Retificação 78,0 78,0 AR Àgua de Resfriamento 30,0 50,0 9536

Nome Nome

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Figura 5.3 Usina Integrada Termicamente

A integração térmica também teve impacto sobre os usos de água como mostrados na Tabela 5.7. A redução das demandas de vapor impactou na vazão da água de alimentação da caldeira e da água de lavagem de gases (menos gases de escape a serem limpos). Os condensadores barométricos dos sistemas de evaporação e cozimento apresentaram significante redução, utilizando 28% e 21% menos água respectivamente quando comparados com a “planta padrão”.

O anterior é explicado pela quantidade de vapor vegetal de quinto efeito a condensar no condensador barométrico, no caso da “planta padrão” foi de 10,5 kg/s comparada com 7,5 kg/s de

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vapor a condensar na planta integrada termicamente. No caso do sistema de cozimento o incremento do Brix no xarope, na saída da evaporação, resultou em menos água para evaporar nos cozedores e, conseqüentemente, uma menor quantidade de água foi utilizada para condensar os vapores no sistema de vácuo.

Tabela 5.7 Redução nos consumos de água devido à Integração Térmica

A captação efetiva de água da planta integrada termicamente resultou em 1,007 m3/t de cana. Foi considerada também uma mudança no sistema de limpeza de cana, sendo o sistema de lavagem de cana substituído pela limpeza a seco.

Comparando o valor de 1,007 m3/t de cana desta planta com o valor de 1,078 m3/t de cana da captação efetiva de água da “planta padrão” com limpeza a seco, pode ser observado que a influencia da integração térmica no consumo final de água é pequena. A diferença dos valores totais entre a planta padrão e a planta integrada termicamente foi causada devido à redução nas purgas da caldeira e nas perdas de lavagem de gases e a redução da evaporação nos sistemas de vácuo.

Restando as correntes disponíveis para reúso na usina termicamente integrada (0,747 m3/t de cana) das demandas de captação efetiva (1,007 m3/t de cana), uma captação efetiva líquida de 0,260 m3/t de cana é obtida. A diferença deste valor e os 0,309 m3/t de cana da “planta padrão” com limpeza a seco é causada pela redução das perdas de água nos condensadores barométricos nos sistemas de evaporação e cristalização. Para atingir o cenário de captação zero, ao redor de 46% da vinhaça poderia ser evaporada, porém, isto resultaria em demandas térmicas maiores.

Usos de Àgua m (kg/s) m (kg/tcana) m (kg/s) m (kg/tcana) % Redução Condensadores Barométricos de

Evaporação 360,3 2594 7,9 57 98%

Água para vácuo nos cozedores 337,6 2431 131,6 948 61%

Lavagem de gases de caldeira 169,8 1222 4,2 30 98%

Alimentação de água de Caldeira 97,0 701 75,2 541 22%

Planta Integrada Termicamente

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Porém, a grande redução de vapor de escape para as demandas do processo resultam em um maior excedente de bagaço, de 7,4 kg/s inicialmente, obteve-se com a integração térmica excedentes de 16,6 kg/s. A Tabela 5.8 mostra os aumentos de consumos de água resultantes em um cenário em que o bagaço excedente é queimado em uma caldeira (0,78 eficiência) para produzir vapor a 90 bar e gerar 28,6 MW de eletricidade em uma turbina a condensação (saída a 0.11 bar).

Tabela 5.8. Aumento de uso e captação de água devido à geração elétrica com turbina de bagaço excedente da planta integrada termicamente

Uso Captação efetiva

Processos Vazão (kg/s) Índice (kg/t cana) Vazão (kg/s) Índice (kg/t cana)

Água para alimentação da caldeira 30,6 220 1,5 11

Água para lavagem de gases da caldeira 53,6 386 2,7 19 Água para resfriamento nos

condensadores de potencia 1037,0 7466 31,1 224

Total 8072 254

Como pode ser observado na Tabela 5.8, a queima do bagaço excedente produziria aumentos significativos no uso de água nos três processos mencionados, com destaque no aumento de água necessária para resfriamento dos condensadores de potencia (mais que duas vezes a água utilizada na lavagem de cana), já quando fechados estes circuitos se somados à captação efetiva total da usina integrada termicamente (1,007m3/t cana) resultaria num valor de 1,261 m3/ t cana, do qual só a reposição nas torres de resfriamento dos condensadores representaria 17,8% dos consumos de água, valor só superado pela embebição.