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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
Relatório Final:
Aplicação de superestruturas na integração energética de uma biorrefinaria de cana-de-açúcar
Aluna: Kênia Fernandes de Oliveira
Orientadora: Profa. Dra. Caliane Bastos Borba Costa
Abril de 2015
São Carlos-SP
Este trabalho foi desenvolvido no Laboratório Kyatera da Área de Pesquisa em
Simulação e Controle de Processos do Departamento de Engenharia Química (DEQ) da
Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) e contou com o apoio financeiro do
Programa de Recursos Humanos da Agência Nacional do Petróleo, Gás natural e
Biocombustíveis (PRH-ANP/MCT Nº 44).
Resumo
O setor sucroalcooleiro apresenta importância não só na produção de açúcar e
etanol a partir da cana-de-açúcar, mas também na geração de energia elétrica. Em
muitos casos, a quantidade de energia gerada pela queima do bagaço supre as
necessidades internas da planta industrial e possibilita a comercialização de excedentes.
Porém, o mesmo bagaço pode ser utilizado para produzir o chamado etanol de segunda
geração, aumentando a produção da empresa. Para que essa produção seja mais
vantajosa do que a geração de energia elétrica, é necessário o desenvolvimento de uma
tecnologia eficiente e que seja economicamente viável. Um aspecto importante a ser
considerado para viabilizar este novo modo de produção de etanol diz respeito à
integração energética. A partir de uma rede de trocadores de calor (RTC), haverá o
aproveitamento de energia térmica entre as correntes do processo, o que provoca uma
diminuição no consumo de energia e na demanda de utilidades quentes e frias. Assim,
com a necessidade de uma menor quantidade de energia, menos bagaço precisará ser
queimado e o excedente poderá ser destinado para a produção de etanol de segunda
geração. O trabalho em questão tinha como meta final integrar energeticamente uma
biorrefinaria de cana-de-açúcar, de modo que uma superestrutura fosse formada e, a
partir dessa, pudesse se levantar qual a melhor integração em termos energéticos, que
otimizaria um critério a ser estipulado para avaliar a RTC. Até o presente momento foi
realizada uma revisão bibliográfica dos principais conceitos envolvidos no trabalho e
iniciada a implementação da primeira etapa de otimização necessária para sintetizar a
RTC ótima para a biorrefinaria. O projeto não foi concluído pois a elaboração do
programa que torna possível levantar esta rede estava prevista para o segundo ano de
trabalho.
Sumário:
1.Introdução ..................................................................................................................... 5
1.1 Objetivos .................................................................................................................. 7
2.Revisão bibliográfica .................................................................................................... 8
3.Atividades realizadas .................................................................................................. 18
4.Materiais e métodos .................................................................................................... 20
5.Resultados e discussão ................................................................................................ 24
6.Considerações finais ................................................................................................... 30
Referências Bibliográficas ............................................................................................ 32
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1. Introdução
Um dos maiores desafios para a sociedade atual é atender a demanda crescente
de energia para diversos processos industriais e de transporte, de maneira
ambientalmente sustentável e economicamente viável.
Diante desta necessidade, as atenções do mundo se voltam para fontes
alternativas de energia, em especial para os biocombustíveis, como o etanol. Os
biocombustíveis são combustíveis produzidos a partir de fontes renováveis (biomassa),
seja esta produzida especificamente com esse propósito, nos chamados cultivos
energéticos, ou obtida a partir de resíduos orgânicos de algum processo, caracterizando
a biomassa residual.
O etanol como biocombustível líquido aparece como um dos mais importantes
recursos alternativos aos combustíveis fósseis. Sua produção no Brasil é feita a partir do
processamento e fermentação do caldo da cana-de-açúcar.
O consumo de energia não só na indústria do etanol, mas como em qualquer
outra, é um fator importante na composição final dos custos dos produtos. Por esse
motivo, as empresas procuram de forma intensa a redução no seu consumo energético.
Como todo processo industrial apresenta correntes que precisam ser resfriadas e
correntes que precisam ser aquecidas, uma possível solução é a integração energética da
planta, de maneira que o consumo de utilidades quentes e frias seja reduzido e as
necessidades energéticas da planta sejam supridas pelas próprias correntes do processo,
a partir de uma rede de trocadores de calor.
Um dos principais desafios encontrados para se realizar integração energética é a
escolha de quais correntes devem ser combinadas e qual deve ser a sequência de
trocadores na rede (o problema apresenta uma natureza combinatorial). Esta dificuldade
cresce com o aumento do número de correntes no processo.
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Para sintetizar uma rede de trocadores de calor, utilizam-se métodos
matemáticos, por meio de programações lineares e não lineares, ou métodos baseados
em conceitos termodinâmicos, como a Tecnologia Pinch. A obtenção de uma rede de
trocadores de calor envolve determinar o consumo de utilidades, a área de transferência
de calor, o número de trocadores e o custo global anual, bem como as combinações de
correntes de processo em cada trocador de calor.
O setor sucroalcooleiro apresenta importância não só na produção de açúcar e
etanol a partir da cana-de-açúcar, mas também na geração de energia elétrica. O bagaço
da cana é queimado em caldeiras e o vapor produzido movimenta turbinas, provocando
tal geração. Desta maneira, os gastos da usina são reduzidos e em muitos casos há um
excedente de energia gerada pela queima (isto é, a quantidade de energia produzida
excede as necessidades internas da planta industrial), que pode ser comercializado.
Assim, a queima do bagaço para geração de energia elétrica é, atualmente, um
procedimento favorável para a indústria deste setor de biocombustíveis. Porém, o
mesmo bagaço pode ser utilizado para produzir o chamado etanol de segunda geração,
aumentando a produção da empresa. Para que essa produção seja mais vantajosa do que
a geração de energia elétrica, é necessário o desenvolvimento de uma tecnologia
eficiente e que seja economicamente viável.
Deste modo, várias pesquisas vêm sendo realizadas e a integração energética da
biorrefinaria certamente tem um papel fundamental para que este novo método de
produção de etanol seja implantado. Isso porque, a partir de uma rede de trocadores de
calor, haverá o aproveitamento de energia térmica entre as correntes do processo, o que
provoca uma diminuição no consumo de energia e na demanda de utilidades quentes e
frias. Assim, com a necessidade de uma menor quantidade de energia, menos bagaço
7
precisará ser queimado e o excedente poderá ser destinado para a produção de etanol de
segunda geração.
Vale ressaltar que, além dos aspectos econômicos que envolvem a redução no
gasto com energia e utilidades e o aumento no lucro devido à maior produção de etanol,
os benefícios ambientais são de suma importância, uma vez que as indústrias devem
atender à legislação vigente, evitando impactos ambientais e buscando que seus
processos sejam os mais sustentáveis possíveis.
1.1. Objetivo
O presente trabalho tinha como meta final integrar energeticamente uma
biorrefinaria de cana-de-açúcar, pela otimização do critério estipulado para avaliar a
rede de trocadores de calor e estruturar a rede ótima.
Os objetivos específicos envolviam a aquisição de dados das correntes que
deveriam sofrer troca térmica, como: temperatura final e inicial, vazão mássica, tipo de
corrente, capacidade calorífica, variação de entalpia e capacidade térmica; determinação
da função objetivo que seria otimizada; seleção da plataforma para simulação e criação
de superestruturas na mesma; avaliação da integração energética na biorrefinaria e
projeto da configuração da rede de trocadores de calor.
É válido ressaltar que os objetivos não foram plenamente cumpridos visto que o
projeto foi programado para ser executado em um período de 2 anos, o que não foi
possível diante do encerramento antecipado do mesmo.
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2. Revisão bibliográfica
O etanol como biocombustível líquido aparece como um dos mais importantes
recursos alternativos aos combustíveis fósseis. Sua produção no Brasil é feita a partir do
processamento e fermentação do caldo da cana-de-açúcar.
A produção de etanol a partir da cana-de-açúcar se inicia com a colheita e
limpeza da matéria-prima. A colheita da cana pode ser realizada manualmente ou por
cortadeiras mecânicas. Após esta operação, a cana é transportada para a usina
predominantemente por meio de caminhões. A cana chega à usina com terra e outras
impurezas, que podem diminuir o rendimento do processo ao aumentar a proliferação de
microorganismos concorrentes e prejudicar as etapas de purificação do caldo. Assim,
inicialmente, a cana passa por uma lavagem com água ou ar. A cana limpa é
encaminhada para mesas de distribuição, sendo nivelada pela ação dos niveladores. Em
seguida, as células da cana são abertas utilizando-se desfibradores, que são uma série de
martelos giratórios que promovem o esmagamento da cana com o objetivo de facilitar a
extração dos açúcares na etapa seguinte.
A extração dos açúcares contidos nos colmos da cana-de-açúcar pode ser
realizada tanto pelo emprego de moendas quanto difusores. O bagaço gerado no
processo segue para a caldeira onde será queimado para produzir energia para toda a
usina, com possibilidade de excedente de energia, dependendo da pressão e da
eficiência da caldeira utilizada.
As etapas seguintes de tratamento físico e químico do caldo têm o objetivo de
purificar e concentrar os açúcares presentes neste, para possibilitar alto rendimento na
etapa de fermentação. O processo envolve eliminar os compostos que atuam como
inibidores na fermentação, mantendo os açúcares em uma faixa de concentração na qual
o substrato não esteja excessivamente concentrado, de modo a inibir o processo, nem
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muito diluído, tornando necessário um volume maior das dornas de fermentação e
dando origem a um vinho de baixo grau alcoólico, o que demanda maior energia na
etapa de destilação. No tratamento físico são eliminadas as partículas em suspensão, a
partir do uso de peneiras (que visam remover os sólidos insolúveis de maior diâmetro) e
de hidrociclones (que permitem eliminar as partículas menores). O tratamento químico
visa remover as impurezas presentes no caldo na forma solúvel, coloidal e insolúvel. O
processo consiste na coagulação e floculação destas e posterior eliminação por
processos de separação física. Normalmente, isso é realizado mediante aquecimento do
caldo, ajustes no pH e adição de agentes coagulantes e floculantes. Outra função do
tratamento químico é a neutralização do caldo.
O caldo clarificado obtido após o tratamento químico deve ser concentrado antes
de seguir para a etapa de fermentação. A concentração é feita em evaporadores múltiplo
efeito com cinco ou seis estágios operando de forma co-corrente (na qual vapor e caldo
fluem na mesma direção), contra-corrente (na qual vapor e caldo fluem em sentidos
opostos) ou mista. Na sequência, o caldo é enviado para as dornas de fermentação.
O processo de fermentação alcoólica da sacarose nas plantas industriais utiliza a
levedura Saccharomyces cerevisiae. A formação do etanol ocorre em condições
anaeróbicas e serve como meio de obtenção de energia para a levedura. De forma
resumida, pode-se dizer que a sacarose, na presença de levedura, forma etanol e CO2. A
fermentação alcoólica, em geral, é realizada nas usinas em um processo de batelada
alimentada, conhecido como processo Melle-Boinot, ou em um processo contínuo.
Ambos os processos apresentam vantagens e desvantagens, porém, por questões
históricas, o processo Melle-Boinot é mais amplamente utilizado nas usinas brasileiras.
O vinho oriundo do processo Melle-Boinot possui concentração de etanol entre 7
e 10% em massa. Já o oriundo do processo contínuo apresenta concentração e entre 8 e
10
12% em massa. Para ser comercializado como etanol hidratado combustível (EHC), este
deve possuir teor alcoólico entre 92,5 e 93,8% em massa (BRASIL, 2011). Por esse
motivo, o vinho é enviado para um trem de colunas de destilação, no qual será obtido o
EHC, além da vinhaça, do álcool de segunda, do óleo fúsel e da flegmaça.
Como visto anteriormente, o bagaço da cana é utilizado para geração de vapor e
energia elétrica, a partir da queima em caldeiras. Porém, este mesmo bagaço pode ser
utilizado para produzir o chamado etanol de segunda geração. Esse é produzido a partir
de materiais lignocelulósicos, como é o caso do bagaço da cana-de-açúcar. O bagaço é
constituído principalmente por celulose, hemicelulose e lignina. A hidrólise da
biomassa lignocelulósica visa a quebrar a celulose e, possivelmente, a hemicelulose em
seus açúcares constituintes (pentoses e hexoses). Estes açúcares podem ser fermentados,
gerando etanol. Tal hidrólise pode ser realizada de duas maneiras distintas: hidrólise
ácida (empregando ácido diluído ou ácido concentrado) e enzimática. Na hidrólise
enzimática empregam-se enzimas que ocorrem na natureza, chamadas celulases.
Entretanto, para o processo ser efetivo, as enzimas devem ter acesso ao material
(celulose). Para isso, é necessário que a biomassa passe por um pré-tratamento para
retirar a lignina e expor a celulose ao ataque da enzima. Existem diversos tipos de pré-
tratamento e alguns são apresentados a seguir:
Explosão a vapor: Neste método a biomassa é tratada com vapor saturado a alta
pressão e então submetida a uma descompressão explosiva. Neste processo, a
lignina e a hemicelulose se degradam, aumentando o acesso a celulose (SUN;
CHENG, 2002). A adição de H2SO4 ou CO2 ao vapor pode aumentar a eficiência
da hidrólise, diminuir a formação de compostos inibidores e aumentar a remoção
da hemicelulose.
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Explosão com vapor de amoníaco: Neste processo emprega-se amônia líquida a
alta pressão e temperatura e, após um período de tempo, a pressão é reduzida
drasticamente. A composição do material permanece inalterada após o
tratamento com amônia, dado que esta não solubiliza nenhum composto. Este
tratamento tem a vantagem de não gerar compostos inibidores do processo de
fermentação.
Organosolv: O método originou-se na indústria de celulose, na qual há o
interesse em separar a lignina da madeira. O emprego de solventes orgânicos
passíveis de serem recuperados foi adotado visando eliminar o uso de compostos
químicos agressivos. A fase líquida obtida no processo contém o solvente, a
lignina dissolvida, a hemicelulose e outros compostos solúveis que foram
gerados durante o processo de degradação da celulose e da hemicelulose. O
solvente pode ser recuperado em um flash, no qual se obtém também os demais
compostos na forma sólida. Estes compostos são dissolvidos em água e a lignina
é separada em filtros (por ser insolúvel em água). Os açúcares da hemicelulose
podem ser purificados e utilizados (PAN et al., 2005).
Extração alcalina: Na extração alcalina a lignina é removida pela ação de uma
base, normalmente NaOH. Acredita-se que a remoção ocorra pela saponificação
dos ésteres que ligam a hemicelulose à lignina e outros componentes.
Desta maneira, nota-se que o bagaço da cana pode ser utilizado para gerar
energia elétrica e também para produzir etanol, o que consequentemente aumenta a
produção e lucro da indústria deste setor. Para que essa produção seja mais vantajosa do
que a geração de energia elétrica, é necessário o desenvolvimento de uma tecnologia
eficiente e que seja economicamente viável. A fim de desenvolver esta nova tecnologia
de produção, pode-se utilizar o conceito de integração energética.
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A integração energética visa o aproveitamento da energia térmica das correntes
do processo, a partir da utilização de equipamentos denominados trocadores de calor.
Esses podem ser classificados de diversas maneiras. De forma básica, duas
classificações são interessantes: a que divide os trocadores de acordo com o modo de
transferência de calor (contato direto e indireto) e a que os classifica de acordo com o
modo de construção do equipamento.
Em um trocador de calor de contato indireto, os fluidos permanecem separados e
o calor é transferido continuamente através de uma parede que apresenta alta
condutibilidade térmica. Os trocadores de contato indireto classificam-se em: trocadores
de transferência direta e de armazenamento. Nos de transferência direta, há um fluxo
contínuo de calor do fluido quente ao frio através da parede que os separa. Este trocador
é designado como um trocador de calor de recuperação, ou simplesmente como um
recuperador. Alguns exemplos de trocadores de transferência direta são trocadores de:
placa, tubular, e de superfície estendida. Nos trocadores de armazenamento, os fluidos
percorrem alternativamente as mesmas passagens de troca de calor. A superfície de
transferência de calor geralmente é de uma estrutura chamada matriz. Em caso de
aquecimento, o fluido quente atravessa a superfície de transferência de calor e a energia
térmica é armazenada na matriz. Posteriormente, quando o fluido frio passa pelas
mesmas passagens, a matriz “libera” a energia térmica (na refrigeração ocorre o
inverso). Este trocador também é chamado regenerador.
Já nos trocadores de contato direto, os fluidos se misturam. Aplicações comuns
destes trocadores envolvem transferência de massa além de transferência de calor.
Aplicações que envolvem apenas transferência de calor são raras.
Quanto ao modo de construção, pode-se citar o trocador tubular, de placas, de
superfície estendida, regenerativos, entre outros. Os trocadores tubulares são geralmente
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construídos com tubos circulares, existindo uma variação de acordo com o fabricante.
São usados para aplicações de transferência de calor líquido/líquido. Eles trabalham de
maneira ótima em aplicações de transferência de calor gás/gás, principalmente quando
pressões e/ou temperaturas operacionais são muito altas e nenhum outro tipo de
trocador pode operar. Estes trocadores podem ser classificados como casco e tubo, tubo
duplo e de espiral. O tipo mais utilizado industrialmente é o trocador casco e tubo,
devido a sua construção resistente, flexibilidade de projeto e fácil adaptação às
condições operacionais do processo. Este trocador é construído com tubos e uma
carcaça. Um dos fluidos passa por dentro dos tubos, e o outro pelo espaço entre a
carcaça e os tubos. Já o trocador de tubo duplo consiste de dois tubos concêntricos, onde
um dos fluidos escoa pelo tubo interno e o outro pela parte anular entre tubos.
O primeiro passo no projeto de um trocador de calor, antes do dimensionamento
termo-hidráulico, consiste no estabelecimento dos requisitos a serem obedecidos pela
unidade. Quanto à transferência de calor, deve-se conhecer as especificações do fluido,
as temperaturas de entrada e saída (ou faixas de temperaturas possíveis). Quanto à perda
de carga, essa deve ficar dentro dos limites estabelecidos, procurando-se sempre, para
melhor troca de calor, usar toda perda de carga disponível. Além disso, pode haver
restrições quanto ao comprimento, altura, largura, volume ou peso de um trocador.
Critérios como manutenção e custo também devem ser considerados. Após a
especificação preliminar do trocador, procura-se dimensioná-lo de modo que satisfaça
simultaneamente os requisitos de transferência de calor e as perdas de carga
admissíveis. Maiores velocidades dos fluidos, que implicam em maiores perdas de carga
e potências de bombeamento, resultam em maiores coeficientes de película, melhor
troca de calor e, consequentemente, menor necessidade de área de troca (o que demanda
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trocadores menores e mais baratos). De maneira geral, o dimensionamento de um
trocador de calor envolve determinar o coeficiente de película e a perda de carga.
A síntese de uma rede de trocadores de calor (RTC) envolve estruturar as trocas
térmicas entre as correntes do processo, escolher quais fluidos irão trocar calor e
configurar a rede dos equipamentos envolvidos. O problema a ser resolvido para a
síntese de uma RTC pode ser elaborado da seguinte maneira: diante de um conjunto de
correntes que precisam ser aquecidas, um conjunto de correntes que precisam ser
resfriadas e um número de utilidades quentes e frias disponíveis para aquecimento e
resfriamento de correntes, qual a melhor combinação possível entre as diferentes
correntes e utilidades que proporciona o ótimo de algum critério, como: consumo
mínimo de utilidades, área mínima de transferência de calor, número mínimo de
trocadores, custo global anual mínimo, dentre outros? Nota-se que o problema apresenta
natureza combinatorial e quanto maior o número de correntes envolvidas no processo,
mais complexo ele se torna. Existe ainda a possibilidade de ocorrer mudança de fase em
uma ou mais correntes do processo, o que pode ser um fator complicador, já que as
condições de operação para um trocador envolvendo gases e líquidos são muito
diferentes.
Diante da importância das redes de trocadores de calor no custo global dos
processos industriais, muito se tem estudado sobre o assunto. Houve, no passado, duas
escolas para síntese de RTC. A primeira utilizava princípios termodinâmicos somados a
regras heurísticas, com destaque para a Tecnologia Pinch. Já a segunda utilizava
técnicas matemáticas de programação linear e não linear (programação matemática). No
final dos anos 1990 e início do novo século, surgiu um terceiro grupo de métodos: os
métodos heurísticos. Algumas técnicas como os Algoritmos Genéticos e Simulated
Annealing foram empregadas. Atualmente, outras técnicas heurísticas têm sido
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propostas, como método do enxame de partículas e colônia de formigas, dentre outras.
Também surgiram métodos híbridos, combinando programação matemática, Análise
Pinch e métodos heurísticos (RAVAGNANI; SUÁREZ, 2012).
Para classificar os diferentes métodos de síntese de RTC é conveniente dividi-los
em dois grupos: o dos métodos sequenciais e o dos métodos simultâneos.
Os métodos sequenciais consistem na decomposição do problema da síntese em
uma série de subproblemas com o objetivo de reduzir o esforço computacional na
solução, podendo ainda ser divididos em duas subcategorias: (1) método da Análise
Pinch, que utiliza conceitos termodinâmicos e regras heurísticas, (2) métodos de
programação matemática, que são baseados na solução sequencial de subproblemas
lineares e não lineares.
Inicialmente o problema é dividido em uma série de subproblemas com
diferentes metas, baseadas em regras heurísticas. Geralmente, as metas dos
subproblemas são apresentadas na seguinte ordem de importância: (1) mínimo consumo
de utilidades, (2) número mínimo de unidades de troca térmica, (3) mínimo custo de
área, ou seja, mínimo custo fixo da rede. Para a solução do terceiro subproblema, uma
superestrutura pode ser montada com base na resposta ótima obtida do segundo
subproblema. É importante ressaltar que esta heurística não garante a síntese de uma
rede com o custo total anual mínimo, uma vez que a rede final será a soma de todas as
sub-redes ótimas, o que não necessariamente fornece uma rede global ótima. (SILVA,
20031 apud SILVA, 2009).
Já os métodos simultâneos não utilizam a decomposição do problema e baseiam-
se unicamente na definição de superestruturas para a síntese da rede de trocadores de
1 SILVA, A. P., 2003, Síntese de Redes de Trocadores de Calor Utilizando Algoritmos Genéticos.
Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Universidade Estadual de
Maringá, Maringá, PR, Brasil.
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calor. O problema é formulado e resolvido em uma única etapa, considerando a
importância dos custos de utilidades e de equipamentos simultaneamente. Portanto, para
um dado espaço de soluções, definido pela superestrutura, é possível obter-se uma
solução ótima ou muito próxima da ótima. Nos métodos simultâneos, via de regra, a
função objetivo a ser minimizada é a custo total anual mínimo.
Para sintetizar a rede de trocadores de calor, além de conceitos termodinâmicos e
técnicas de programação matemática, utilizam-se métodos de otimização. Em uma
definição simples, otimizar consiste em encontrar a melhor solução (o valor ótimo) para
problemas em que a qualidade de sua resposta pode ser medida por um número. Estes
problemas aparecem em praticamente todas as áreas do conhecimento e a quantidade de
ferramentas disponíveis para auxiliar nesta tarefa é quase tão grande quanto o número
de aplicações. (VIEIRA; BISCAIA, 20022 apud SILVA, 2009).
Para resolver um problema deste tipo, é preciso considerar dois componentes. O
primeiro é o espaço de busca, no qual são consideradas todas as possibilidades de
solução de um determinado problema. O outro é a função objetivo, que é uma função
matemática que associa cada ponto no espaço de soluções a um número real,
possibilitando avaliar os membros do espaço de busca. Este número permite medir a
qualidade de uma resposta: no problema de minimização, quanto menor o valor da
função objetivo, melhor a resposta. No problema de maximização, o inverso ocorre.
A questão fundamental está no fato de que nem sempre o "ótimo" é encontrado
facilmente, num único cálculo. É necessário um processo sistemático de busca. Um
procedimento iterativo de cálculos que, passo a passo, de candidato a candidato, seja
possível ir melhorando a seleção até que o valor ótimo seja encontrado, ou até que um
critério de parada esteja satisfeito. Esse procedimento nada mais é do que um método de
2 VIEIRA, R. C. e BISCAIA JR., E. C., 2002, Métodos Heurísticos de Otimização. Notas de aula da
Escola Piloto Virtual do PEQ/COPPE/UFRJ, Disponível sob consulta: [email protected].
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otimização descrito por um algoritmo. A construção de bons algoritmos é uma das
principais etapas da otimização.
Para validar a integridade de um projeto e sua operabilidade prática é necessária
a simulação de toda a planta industrial com a utilização de modelos rigorosos. À medida
que um processo torna-se mais complexo, é demandado um número maior de técnicas
para análise dos problemas associados com seu projeto e operação. Análises modernas
de problemas de processos envolvem alguma forma de modelagem matemática.
Existem vários modelos matemáticos para um mesmo sistema, cada um ajustado para
resolver um problema particular associado ao sistema, onde o grau de detalhe requerido
varia de acordo com o problema a ser resolvido e a quantidade de dados disponíveis.
Quanto mais rigorosa for a descrição de um processo, maior e mais complexo será o
conjunto de equações e mais difícil seu tratamento. Neste caso, é possível reduzir as
equações para um conjunto menos complexo que, em termos práticos, fornecerá
soluções dentro da precisão dos dados proporcionados.
As técnicas de otimização e simulação, quando aliadas, podem assegurar que as
soluções implementadas são ou estão próximas dos resultados ótimos.
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3. Atividades realizadas
Durante o período coberto pelo relatório em questão, foram estudados de
maneira detalhada os seguintes temas:
Processos envolvidos na produção de etanol de primeira e segunda geração;
Operações unitárias de trocas térmicas;
Integração energética: principais conceitos envolvidos, métodos utilizados (com
ênfase nos métodos matemáticos que foram aplicados neste trabalho), síntese de
uma rede de trocadores de calor;
Otimização de processos;
Simulação de processos;
Estudo de processo específico e determinação das correntes a participarem da
integração energética, com suas propriedades, além da definição de qual critério
seria utilizado para a função objetivo da otimização;
Determinação da plataforma utilizada para simulação e estudo da linguagem de
programação da mesma;
Definição da estratégia de programação utilizada.
O cronograma proposto para o primeiro ano de pesquisa é apresentado na Tabela
1.
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Tabela 1 – Cronograma proposto para as atividades a serem realizadas no período a
que esse relatório se refere.
ATIVIDADE
TRIMESTRE
1º 2º 3º 4º
Estudo dos processos envolvidos na produção de etanol de
primeira e segunda geração
Estudo das operações unitárias de trocas térmicas
Estudo dos conceitos envolvidos na integração energética
Elaboração do Relatório Parcial
Estudo sobre otimização e simulação de processos
Determinação das correntes a serem integradas, suas
propriedades e definição do critério a ser otimizado
Determinação da plataforma a ser utilizada e estudo da
linguagem de programação da mesma
Definição da estratégia de otimização a ser utilizada
Elaboração do Relatório Final
Nota-se que todas as atividades foram devidamente realizadas e, além disso, foi
possível iniciar a elaboração do programa, o que estava previsto apenas para o segundo
ano de pesquisa.
Determinou-se que, inicialmente, seria utilizado o método seqüencial via
programação matemática para síntese da rede de trocadores de calor (RTC). Desta
maneira, a implementação do programa na plataforma selecionada foi iniciada e a etapa
que diz respeito à modelagem e otimização do primeiro critério (mínimo consumo de
utilidades) foi quase concluída.
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4. Materiais e métodos
A plataforma utilizada para elaboração do programa foi o EMSO (Environment
for Modeling, Simulation, and Optimization). O termo EMSO significa Ambiente de
Modelagem, Simulação e Otimização. É um ambiente gráfico completo, no qual o
usuário pode modelar complexos processos dinâmicos ou em estado estacionário pela
simples seleção e conexão de blocos dos modelos. O usuário, ainda, pode desenvolver
novos modelos utilizando a linguagem de modelagem do EMSO ou utilizar outros que
foram feitos a partir do EMSO Library (EML). A EML é uma biblioteca de código
aberto de modelos escritos na linguagem de modelagem do EMSO. Dentre as vantagens
da utilização do EMSO é possível citar: a linguagem de programação orientada a
objetos, que permite o usuário criar modelos complexos ou específicos a partir dos
padrões, disponibilidade do simulador em plataformas do Windows®, Linux® e Unix®
e licença gratuita (OLIVEIRA, 2014). Como será apresentado no item de Resultados e
Discussão, a plataforma EMSO não se mostrou plenamente adequada para os passos da
programação.
Para obter a RTC ótima para a biorrefinaria, foi utilizado o método sequencial
via programação matemática. Este método, como citado anteriormente, apresenta as
seguintes regras de prioridade em objetivos: 1) mínimo consumo de utilidades, 2)
mínimo número de trocadores de calor e 3) mínimo custo fixo da rede. Seguindo a
heurística apresentada e sabendo que as regras possuem precedência uma sobre as
outras (regra 1 tem precedência sobre a regra 2, que, por sua vez, tem precedência sobre
a regra 3), o objetivo era considerar primeiramente uma rede candidata com mínimo
custo de utilidades. Entre as redes com este mínimo custo seriam selecionadas aquelas
com mínimo número de unidades de troca térmica e, entre estas, seria selecionada
aquela com menor custo de investimento.
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No período coberto pelo relatório, foi iniciada a implementação do modelo que
diz respeito à otimização do primeiro critério: custo mínimo de utilidades. O modelo
utilizado foi proposto por Papoulias e Grossmann (1983) (PAPOULIAS;
GROSSMANN, 19833 apud RAVAGNANI; SUÁREZ, 2012).
O programa foi implementado de maneira que se encontre a RTC ótima
independente do número de correntes fornecidas pelo usuário, que deve fornecer ao
programa a temperatura inicial, a temperatura final e a capacidade térmica de cada
corrente, além da variação mínima de temperatura entre as correntes (∆Tmin). Dispondo
de tais informações e seguindo o modelo já mencionado, a primeira etapa consistiu na
elaboração da tabela problema (RAVAGNANI; SUÁREZ, 2012), que mostra a
quantidade de energia envolvida para cada corrente, em cada intervalo de temperatura.
Inicialmente, definiu-se o tipo de corrente: quente (quando a temperatura inicial
é maior que a final) ou fria (quando a temperatura inicial é menor que a final).
Para calcular os intervalos de temperatura consideraram-se as escalas de
temperatura quentes e frias de maneira que sua separação final fosse igual a ∆Tmin.
Neste caso, a escala de temperaturas para as correntes quentes foi diminuída em ∆Tmin/2
e a escala para as correntes frias aumentada em ∆Tmin/2.
As quantidades de calor (Qi,k) que cada corrente (i) cede ou elimina em cada
intervalo de temperatura (k) foram calculadas por:
TkCPikQi , (1)
Onde:
CPi: capacidade térmica da corrente i;
∆Tk : incremento de temperatura que forma o intervalo k.
3 PAPOULIAS, S. A.; GROSSMANN, I. E. A structural optimization approach in process synthesis. Part
II: Heat recovery networks. Computers & Chemical Engineering, New York, v.7, no.6, p. 707, 1983.
22
Elaborada a tabela problema, a etapa seguinte consistiu na otimização do
primeiro critério (custo mínimo de utilidades). Neste caso, é formulado um problema de
programação linear que toma a forma de um problema de transbordo (RAVAGNANI;
SUÁREZ, 2012), no qual as correntes quentes são os nós fonte, as frias são os nós
destino e o calor pode ser considerado uma mercadoria que deve ser transportada das
fontes aos destinos através de armazéns intermediários, que neste caso dizem respeito a
cada um dos intervalos de temperatura que garantem uma troca de calor.
Em determinado intervalo, o calor que não pode ser transferido para uma
corrente fria (porque esta corrente já obteve todo calor que precisava) é transferido
como calor residual (Rk) ao intervalo de temperatura seguinte. Nos intervalos em que
esteja disponível uma utilidade quente, se as correntes do processo disponíveis não são
capazes de fornecer o calor suficiente para satisfazer termicamente as correntes frias,
então a utilidade quente é quem deve fornecer tal calor. Se no último intervalo de
temperatura existe um calor residual, este deverá ser transferido para a utilidade fria.
A Figura 1 mostra a representação matemática do modelo.
Figura 1: Balanço de energia no intervalo de temperatura k.
Fonte: Reproduzido de RAVAGNANI; SUÁREZ, 2012.
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O objetivo é, portanto, minimizar o custo das utilidades quentes e frias, sujeito
aos balanços de energia, como é mostrado nas equações a seguir:
WknSkm
CnQWnCmQSmZmin (2)
CkjCkjHkiWknSkm
kk kQCjkQCjkQHiQWnQSmRR ,,,1 k ∊ INT (3)
0;1...1;0;0;0 RKKkRkQWnQSm (4)
Onde:
𝑄𝐻𝑖, 𝑘: calor cedido pela corrente quente i no intervalo de temperatura k;
𝑄𝐶𝑗, 𝑘: calor retirado pela corrente fria j no intervalo de temperatura k;
𝐶𝑚: custo unitário da utilidade quente m;
𝐶𝑛: custo unitário da utilidade fria n;
𝑄𝑆𝑚: calor disponível na utilidade quente m;
𝑄𝑊𝑛: calor retirado pela utilidade fria n;
𝑅𝑘: calor residual que abandona o intervalo de temperatura k;
𝐾: número de intervalos de temperatura.
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5. Resultados e discussão:
Para construção da tabela problema deve-se definir o tipo de corrente, deslocar
as temperaturas das correntes quentes e frias em menos ∆Tmin/2 e mais ∆Tmin/2,
respectivamente, unir as temperaturas deslocadas em um único vetor, eliminar as
temperaturas repetidas e ordenar o vetor de maneira decrescente. Desta maneira, os
intervalos de temperatura são definidos e é possível calcular as quantidades de calor que
cada corrente absorve ou elimina nestes intervalos, a partir da Equação 1.
Iniciando a implementação no EMSO, foi encontrado um problema. Por ser um
simulador orientado a equações (não ser uma linguagem de programação), não seria
possível realizar a ordenação do vetor, uma vez que a ordenação de um vetor não
descreve um equacionamento. Por exemplo, a Figura 2 mostra a lógica desenvolvida
para ordenar o vetor. Foi criada uma variável denominada Contador A que vai do
primeiro elemento do vetor até o penúltimo e outra variável denominada Contador B
que vai do segundo elemento do vetor até o último, de maneira que seja possível
comparar os valores das posições do vetor 1 e 2, 2 e 3, 3 e 4 e assim por diante. Como o
objetivo é ordenar o vetor de maneira decrescente, se o valor presente na posição
superior for menor que o valor presente na posição inferior, então este valor menor será
atribuído a uma variável auxiliar, o valor maior à posição superior e o valor menor à
posição inferior. Caso contrário, os valores são mantidos em suas posições originais. O
EMSO não entende as relações de atribuição, já que não é uma linguagem de
programação propriamente dita. Ele não consegue atribuir valores a uma variável e
atualizá-los de acordo com a iteração que está se realizando (isto é, a variável auxiliar –
aux na Figura 2 – é uma variável de um sistema de equações e as duas linhas de
equações acima e abaixo do “else” criam um conflito).
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Figura 2: Problema no EMSO.
Fonte: Acervo pessoal, 2015.
Desta maneira, uma possível solução para o problema seria utilizar algum
programa que forneça Plug in ao EMSO e resolver no EMSO apenas as etapas de
otimização. Ao término do período a que esse relatório se refere ainda não havia sido
decidida a solução a ser adotada, mas, para resolver a questão, a lógica de programação
para elaboração da tabela problema foi desenvolvida e deverá ser adaptada,
posteriormente (na continuidade desse trabalho), para a linguagem de programação do
programa selecionado.
A fim de verificar o funcionamento da lógica desenvolvida, utilizou-se o
programa Scilab e um exemplo resolvido pela literatura. Os dados fornecidos pelo
usuário são apresentados na Tabela 2.
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Tabela 2: Dados fornecidos pelo usuário segundo o exemplo utilizado.
Corrente CP (kW/K) Ten (K) Tsai (K) h (kW/m²K) Custo ($/kW-
ano)
H1 (quente)
10 650 370 1.0 ---
H2 (quente)
20 590 370 1.0 ---
C1 (fria) 15 410 650 1.0 ---
C2 (fria) 13 353 500 1.0 ---
vapor --- 680 680 5.0 80
água --- 300 320 1.0 20
Temperatura de aproximação mínima = 10K
Fonte: RAVAGNANI; SUÁREZ, 2012.
Na Figura 3, observam-se os valores de temperaturas de entrada (Tin), saída
(Tout), capacidade térmica (CP) e variação mínima de temperatura (DeltaTmin)
fornecidos pelo usuário. Cada posição dos vetores de entrada corresponde aos dados de
uma corrente específica. Observa-se que T, que diz respeito ao vetor de temperaturas
deslocadas ordenadas, possui dimensão 8x1 e a tabela envolvendo as quantidades de
energia é representada por uma matriz 6x4.
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Figura 3: Dados envolvidos no Scilab.
Fonte: Acervo pessoal, 2015.
O objetivo é obter a tabela problema que, segundo a referência utilizada, deve
assumir a seguinte forma:
Tabela 3: Tabela problema do exemplo utilizado.
T* QH1 QH2 QC1 QC2
655 150
645 600 900
585 800 1600 1200
505 900 1800 1350 1170
415 500 1000 650
365 91
358
Fonte: RAVAGNANI; SUÁREZ, 2012.
Na tabela acima, T* corresponde ao vetor de temperaturas deslocadas ordenado
de maneira decrescente, QH as quantidades de energia envolvidas, em cada intervalo de
temperatura, para as correntes quentes e QC as quantidades de energia envolvidas, em
cada intervalo de temperatura, para as correntes frias.
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Os resultados obtidos no Scilab são apresentados nas Figuras 4 e 5.
Figura 4: Vetor temperaturas deslocadas e ordenadas de maneira decrescente.
Fonte: Acervo pessoal, 2015.
Figura 5: Tabela problema gerada no Scilab.
Fonte: Acervo pessoal, 2015.
Pode-se verificar que a lógica desenvolvida gera a tabela problema necessária
para se iniciar as etapas de otimização.
Para que as atividades não fossem interrompidas diante da não decisão de qual
programa seria utilizado para fornecer Plug in ao EMSO, iniciou-se a implementação
neste ambiente do modelo que diz respeito à primeira etapa de otimização (custo
mínimo de utilidades). O modelo implementado não apresentou erros quanto à
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linguagem ou sintaxe. Porém, ao executar o programa, o EMSO não consegue resolvê-
lo e acusa que existe um número maior de equações do que de variáveis. Isto acontece
porque estão faltando dados referentes às utilidades utilizadas (uma tabela semelhante à
tabela problema apresentada deve ser elaborada para as utilidades). É válido ressaltar
que, neste caso, os dados da tabela problema foram inseridos diretamente no EMSO.
Não foi possível elaborar a tabela necessária para as utilidades e finalizar a
primeira etapa de otimização dentro do período que envolve este relatório. Porém, todas
as atividades planejadas para o exercício de março de 2014 a fevereiro de 2015 foram
devidamente executadas.
As etapas seguintes necessárias para que se possa levantar a RTC ótima para a
biorrefinaria de cana-de-açúcar consistem em: otimizar o custo mínimo de utilidades via
modelo de transbordo expandido, no qual é possível adicionar restrições ao processo,
como trocas proibidas (por motivos de localização, manutenção da integridade de cada
uma das seções da planta, risco de contaminação) e limitar a troca de calor entre
correntes; minimizar o número de trocadores de calor; e minimizar o custo da rede de
trocadores de calor.
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6. Considerações finais
O consumo de energia não só na indústria do etanol, mas como em qualquer
outra, é um fator importante na composição final dos custos dos produtos. Por esse
motivo, as empresas procuram de forma intensa a redução no seu consumo energético.
Como todo processo industrial apresenta correntes que precisam ser resfriadas e
correntes que precisam ser aquecidas, uma possível solução é a integração energética da
planta, de maneira que o consumo de utilidades quentes e frias seja reduzido e as
necessidades energéticas da planta sejam supridas pelas próprias correntes do processo,
a partir de uma rede de trocadores de calor.
Um dos principais desafios encontrados para se realizar integração energética é a
escolha de quais correntes devem ser combinadas e qual deve ser a sequência de
trocadores na rede (o problema apresenta uma natureza combinatorial). Esta dificuldade
cresce com o aumento do número de correntes no processo.
Para sintetizar uma rede de trocadores de calor, utilizam-se métodos
matemáticos, por meio de programações lineares e não lineares, ou métodos baseados
em conceitos termodinâmicos, como a Tecnologia Pinch. A obtenção de uma rede de
trocadores de calor envolve determinar o consumo de utilidades, a área de transferência
de calor, o número de trocadores e o custo global anual, bem como as combinações de
correntes de processo em cada trocador de calor.
O presente trabalho tinha como objetivo final integrar energeticamente uma
biorrefinaria de cana-de-açúcar. Para a síntese da RTC, escolheu-se a metodologia
sequencial via programação matemática. Este método divide o problema de síntese em
uma série de subproblemas com o objetivo de reduzir o esforço computacional na
solução e apresenta as seguintes regras, as quais possuem precedência uma sobre as
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outras: 1) mínimo consumo de utilidades, 2) mínimo número de trocadores de calor e 3)
mínimo custo fixo da rede.
No período coberto pelo relatório em questão, foi iniciada a otimização do
primeiro critério. As etapas seguintes necessárias para que se possa levantar qual a RTC
ótima para a biorrefinaria de cana-de-açúcar envolvem otimizar o custo de utilidades via
modelo de transbordo expandido, minimizar o número de trocadores de calor; e
minimizar o custo fixo da rede.
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Referências Bibliográficas:
BRASIL. Resolução ANP n.7, de 9.2.2011. [S.l.], 2011. Publicada no diário oficial da
nação em 10.2.2011.
OLIVEIRA, C. M. Integração energética da biorrefinaria de cana-de-açúcar para
produção de etanol de primeira e segunda geração e energia elétrica. 2014. Dissertação
(Mestrado em Engenharia Química) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia
Química, Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2014.
PAN, X.; ARATO, C.; GILKES, N.; GREGG, D.; MABEE, W.; PYE, K.; XIAO Z.;
ZHANG, X.; SADDLER, J. Biorefining of softwoods using ethanol organosolv
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determinísticas. 2009. 122p. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Programa de
Pós-Graduação em Engenharia Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio
de Janeiro. 2009.
SUN, Y.; CHENG, J. Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: a
review. Bioresource Technology, v.83, n.1, p.1-11, 2002.