ANÁLISE TÉCNICO-ECONÔMICA DA PRODUÇÃO DE...

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  • UNIVERSIDADE DE SO PAULO ESCOLA POLITCNICA

    DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA

    ANLISE TCNICO-ECONMICA DA PRODUO DE LCOOL

    A PARTIR DO BAGAO DE CANA-DE-ACAR

    Alexandre Fusco Kronemberger

    So Paulo

    2009

  • UNIVERSIDADE DE SO PAULO ESCOLA POLITCNICA

    DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA

    ANLISE TCNICO-ECONMICA DA PRODUO DE LCOOL

    A PARTIR DO BAGAO DE CANA-DE-ACAR

    Alexandre Fusco Kronemberger

    Trabalho de formatura apresentado

    Escola Politcnica da Universidade de

    So Paulo para obteno do ttulo de

    Graduado em Engenharia

    rea de Concentrao:

    Engenharia Mecnica

    Orientador:

    Prof. Dr. Silvio de Oliveira Jr.

    So Paulo

    2009

  • AGRADECIMENTOS

    Agradeo primeiramente Deus, por me prover sabedoria e discernimento

    nas escolhas, sade e disposio para enfrentar s adversidades e principalmente

    por me mostrar sempre a luz nos caminhos que escolhi para vida, pois tenho certeza

    que se hoje sou to merecedor de tudo que j alcancei, o Sr. tambm o por me dar

    seu aval e beno, possibilitando que tudo isso fosse possvel.

    Agradeo tambm aos meus familiares e amigos pela pacincia,

    compreenso e apoio, principalmente nos momentos mais difceis.

    Agradeo em especial minha me Ana Maria Fusco Kronemberger, por me

    prover a vida, me ensinar o significado de amar e a importncia de cuidarmos dia

    aps dia daqueles que nos cercam.

    Agradeo ao meu orientador Prof. Dr. Silvio de Oliveira Jr. pelo

    direcionamento no trabalho de formatura e em extenso todos os professores da

    Escola Politcnica da Universidade de So Paulo dos quais tive a oportunidade de

    ser ensinado.

    Agradeo tambm ao Prof. Dr. Luiz Felipe Pellegrini por sua ajuda ao longo

    do trabalho de formatura e por sua tese de doutorado que serviu de referncia

    fundamental boa execuo do trabalho.

  • FICHA CATALOGRFICA

    Kronemberger, Alexandre Fusco

    Anlise tcnico-econmica da produo de lcool a partir do

    Bagao de cana-de-acar / A.F. Kronemberger. So Paulo,

    2009.

    93 p.

    Trabalho de Formatura - Escola Politcnica da Universidade

    de So Paulo. Departamento de Engenharia Mecnica.

    1. Cana-de-acar 2. Bagaos 3. Hidrlise 4. Celulose 5. Eta-

    nol I. Universidade de So Paulo. Escola Politcnica. Departa-

    mento de Engenharia Mecnica II. t.

  • RESUMO

    O presente trabalho de formatura estuda a viabilidade tcnico-econmica de

    destinar parte do bagao de cana-de-acar para o aumento da produo de etanol

    atravs de um processo de hidrlise da celulose, ao invs de sua utilizao de forma

    integral como combustvel em geradores de vapor de ciclos Rankine de cogerao

    que fornecem potncia mecnica para usina e energia eltrica para a rede. Esta

    avaliao foi realizada mais detalhadamente atravs de um estudo de caso de um

    processo de hidrlise cida que utiliza cido sulfrico baixa concentrao

    combinado com um solvente orgnico, no caso o prprio etanol, para facilitar a

    retirada dos acares contidos na celulose e hemicelulose do bagao da cana-de-

    acar.

    Foi obtido como resultado principal o aumento de produtividade de quase

    14%, passando de atuais 92,5 l etanol/ton cana para 104,9 l etanol/ton cana. Tal

    aumento, provou-se ser ainda baixo, porm j satisfatrio, frente ao potencial que

    pequenos incrementos de tecnologia possam alcanar.

    Em termos energticos o aumento da demanda de vapor de mostrou-se um

    parmetro crtico, tendo atingido acrscimos de mais de 110% em comparao ao

    utilizado para os processos de produo tradicional. Este valor alm de restritivo

    bastante preocupante pois compromete a quantidade de excesso de bagao

    remanescente na usina, reduzindo drasticamente a parcela que pode ser destinada

    sofrer a hidrlise. Tal aumento na demanda de vapor se deveu principalmente

    necessidade de se elevar a temperatura da mistura que chega ao reator e

    secundariamente necessidade de se recuperar o etanol utilizado como solvente

    para ser realimentado no processo nas colunas de destilao.

    Em termos de exergia o principal responsvel pelas irreversibilidades nos

    processos foi a fermentao, como era de se esperar, sendo responsvel por quase

    76% da exergia destruda, seguido pelo trocador de calor, tanque de recuperao de

    etanol e vlvula de expanso.

  • Em termos de custo, foram levantados os custos de produo em base

    exergtica e em seguida realizou-se a converso para base mssica, obtendo

    valores de custo de produo para a totalidade do etanol de 0,4009 USD/l etanol

    total, valores estes no muito diferentes dos obtidos de acordo com pesquisas de

    processos de produo que utilizam como cultura a cana-de-acar (0,25 - 0,37

    USD/l etanol).

    Porm atravs da suposio que o custo composto linearmente pela parcela

    de produo tradicional e a parcela de produo por hidrlise pode-se obter, atravs

    de uma proporcionalidade entre os volumes de cada rota, o real valor do custo do

    etanol de hidrlise. Assim, chegou-se a valores de 1,114 USD/l etanol.

    Tambm foi feita uma anlise em busca do preo de venda que equilibrasse a

    receita entre a produo tradicional e a alternativa com hidrlise e chegou-se a um

    preo de venda de "break-even" de 1,08 USD/l etanol.

    Assim, o custo associado apenas a parcela de produo via hidrlise remete

    a valores impraticveis em termos de mercado e demanda nacional, principalmente

    no eixo dos principais produtores de etanol do pas, fato este confirmado pelo

    elevado valor do ponto de equilbrio entre a alternativa e ao j praticado. Porm,

    quando analisado o custo global da soluo e o correspondente incremento de

    rendimento por tonelada de cana-de-acar processada, a alternativa pode

    representar uma maior flexibilizao da capacidade de produo e venda de etanol.

    J para hidrlise enzimtica, limitaes, principalmente em termos tecnolgicos,

    ainda limitam o desenvolvimento da alternativa mesmo que em carter laboratorial.

    Palavras-chave: Cana-de-acar. Bagao. Hidrlise. Celulose. Etanol.

  • ABSTRACT

    This graduation work studies the technical and economic feasibility of

    destination a portion of sugar cane bagasse to increase ethanol production through a

    process of hydrolysis of cellulose, rather than use it all as a fuel in steam generators

    of Rankine cycle of cogeneration that provides mechanical and electric power to the

    plant and to the network. This was carried out more detailed through a case study of

    an acid hydrolysis process using sulfuric acid at low concentration combined with an

    organic solvent, where the ethanol itself, to facilitate the removal of the sugars

    contained in cellulose and hemicellulose from sugar cane bagasse.

    As a primary result it was possible to increase productivity in almost 14% from

    current 92.5 l ethanol / ton sugar cane to 104.9 l / ton sugar cane. This increase has

    proved to be still low, but quite satisfactory, compared to the potential that small

    increments of technology can achieve.

    In energy terms the increase in demand for steam proved to be a critical

    parameter, reaching more than 110% of increase, compared to that used for

    traditional production processes. This value also is quite worrying as it is restrictive

    because it jeopardizes the amount of bagasse excess remaining at the plant,

    drastically reducing the portion that can be directed to hydrolysis processes. This

    increase in steam demand is primarily due to the need to raise the temperature of the

    mixture that reaches the reactor and secondly the need to recover the ethanol in

    distillation columns used as solvent for the feed back process.

    In terms of exergy the primary cause of irreversibility was the fermentation

    process, as might be expected, accounting for nearly 76% of the destroyed exergy,

    followed by heat exchanger, tank recovery of ethanol and expansion valve.

    In terms of cost, production costs were raised on exergetic basis and then held

    a conversion to mass basis, obtaining values of 0.4009 USD / l ethanol for the whole

    production of ethanol, a result not as distant that the ones obtained according to a

    research from production processes that use sugar cane to produce ethanol (0.25 to

    0.37 USD / l ethanol).

  • But by the assumption that the cost is composed by a linear plot of traditional

    production and hydrolysis production, the actual value of the cost of ethanol from

    hydrolysis can be obtained through a proportionality between the volume of each

    route. Thus, the value was 1.114 USD / l ethanol.

    It has also been analyzed in search of the break-even selling price to balance

    between revenue production with traditional and alternative hydrolysis. The value

    reached was 1.08 USD/l ethanol.

    Thus, the cost associated with only the production via hydrolysis refers to

    impractical values in terms of domestic market and demand, especially in the axis of

    the main producers of ethanol in the country, a fact confirmed by the high value of

    the break-even point. However, when analyzing the overall cost of the solution and

    the corresponding increase in revenue per ton of cane processed, the alternative

    may represent a more flexible production capacity and sale of ethanol. As for

    enzymatic hydrolysis, limitations, especially in terms of technology, still limit the