Processamento de Cana-de-Açúcar para Açúcar e Etanol

Prévia do material em texto

MAPA – FENÔMENOS DE TRANSPORTE
	Nome: 
	R.A.: 
	
	Data: 
1. Introdução
Olá futur@ Engenheir@! Seja bem-vind@ ao MAPA da disciplina de Fenômenos de Transporte. Essa atividade te auxiliará a desenvolver competências técnicas muito importantes para o mercado de trabalho da Engenharia, especialmente na área de processos industriais. Assim, é essencial que você leia com atenção cada linha da atividade, pesquise soluções em outras fontes, resolva os exercícios com calma, discuta com seus colegas turma e não hesite em contatar o professor mediador em caso de dúvidas. Tudo isso faz parte do processo de aprendizagem ativo e imersivo.
Com o uso das metodologias ativas, os alunos passam a ser o protagonista e transformador do processo de aprendizagem, enquanto o educador assume o papel de um orientador, abrindo espaço para a interação e participação dos estudantes na construção do conhecimento. Já as metodologias imersivas são atividades pedagógicas com foco na aprendizagem experiencial e prática do estudante em situações do contexto da profissão, ou seja, uma situação concreta relacionada ao conhecimento que precisa ser apropriado. O objetivo desta metodologia está em proporcionar ao estudante uma experiência muito próxima ou real da atuação profissional por meio da resolução de desafios e problemas reais.
Para atender aos nossos objetivos de aprendizagem, trabalharemos com o seguinte objeto de estudo: processamento da cana-de-açúcar para a produção de açúcar e etanol. Nesse cenário, você verá que a atividade é composta por textos de apoio, um estudo de caso e questões que integram o estudo de caso ao conteúdo da disciplina. Sem mais delongas, vamos iniciar a nossa atividade!
2. Mercado brasileiro de açúcar e etanol
2.1. Açúcar
O Açúcar VHP (Very High Polarization) é um açúcar menos úmido, utilizado como matéria-prima para outros processos e destinado ao refino. Pode ser usado para o consumo, mas geralmente é exportado para vários países do mundo, para produção do açúcar refinado. Trata-se de um açúcar bruto, que permite aos clientes transformá-lo em diferentes tipos de açúcar para o consumo. A venda é realizada a granel. 
A Índia foi pela segunda temporada consecutiva o maior produtor mundial de açúcar, destronando uma vez mais o Brasil. A informação consta de um novo relatório da Organização para a Agricultura e Alimentação, FAO, publicado esta quinta-feira em Roma. Ainda assim, o Brasil continua a ser o maior exportador daquela matéria prima.
Figura 1 - Açúcar VHP
A produção de açúcar do Brasil na temporada 2019/20 deverá ser de 31 milhões de toneladas, ante 29,13 milhões de toneladas em 2018/19. A produção na região centro-sul do país está prevista em 28,5 milhões de toneladas, ante os 26,5 milhões vistos para a temporada 2018/19. As usinas do Brasil, tradicionalmente o maior produtor mundial de açúcar, devem utilizar 39% da cana para a produção do adoçante em 2019/20, contra 35,7% na temporada anterior.
2.2. Etanol
O etanol (CH3CH2OH), ou álcool etílico, pode ser obtido a partir do processamento e fermentação de cana de açúcar, milho, beterraba e batata, entre outros. O Brasil ocupa o segundo lugar como produtor de etanol como combustível no mundo e é o maior produtor mundial de etanol de cana. A cana-de-açúcar pode desempenhar um papel que facilita a solução de muitos dos principais desafios enfrentados por funcionários do governo e líderes globais. Essa fonte notável de biomassa tem o potencial de reduzir o uso de petróleo e ajudar a criar um planeta mais saudável e limpo, uma vez que o etanol de cana-de-açúcar possa ser usado como combustível, resultando em baixas emissões líquidas de carbono.
O etanol de cana-de-açúcar é o biocombustível com menor pegada de carbono do mundo. No Brasil, a proporção de Etanol Anidro na mistura com a gasolina é determinada pelo Conselho Interministerial do Açúcar e do Álcool (CIMA), podendo variar entre 18% e 27%, através de resoluções. O etanol é um orgulho nacional por sua eficiência energética (fonte limpa e renovável de energia), pela sustentabilidade em toda sua cadeia e pela geração de emprego e renda no campo.
Figura 2 – Vantagens do uso do etanol como combustível.
3. Cenários de Processamento Industrial de Cana-de-Açúcar
A maioria das fábricas de processamento de cana-de-açúcar no Brasil, cerca de 70%, são chamadas de plantas anexadas, produzindo etanol e açúcar. As outras usinas são dedicadas à produção de etanol, denominadas destilarias autônomas. Em destilarias autônomas, a cana-de-açúcar processada é utilizada para fornecer caldo de cana-de-açúcar para produção de etanol, enquanto em plantas anexas uma fração do caldo é utilizada para a produção de açúcar e o caldo remanescente e melaço (solução residual concentrada obtida após a cristalização do açúcar) são enviados para a produção de etanol. Os principais passos necessários para o processo de produção de etanol, açúcar e eletricidade da cana-de-açúcar em uma planta anexada genérica estão ilustrados na Figura 3.
Figura 3 – Principais etapas para o processo de produção de etanol hidratado, etanol anidro e açúcar VHP.
É importante ressaltar que as etapas mostradas na Figura 3 podem virar dependendo da configuração da planta. Nesse aspecto, mais ou menos processos podem aparecer a depender do tipo de problema que deve ser resolvido.
4. Situações problema
Agora que você teve uma visão geral do processo de produção do açúcar e etanol, chegou a hora de resolver problemas relacionados ao nosso estudo de caso por meio dos conceitos adquiridos na disciplina de Fenômenos de Transporte. Lembre-se que todos os problemas resolvidos deverão apresentar os devidos cálculos para compor sua resolução.
Questão 1 - Você é engenheiro responsável por uma usina que produz açúcar e etanol e precisa adequar a sua produção à nova realidade de mercado, uma vez que a demanda por açúcar aumentou o que impactou positivamente na quantidade de produto produzido. A Figura 4 apresenta um diagrama simplificado para a fabricação de açúcar na usina em questão.
12
	
Figura 4 – Diagrama simplificado de processo de produção do açúcar.
1.a) A cana (corrente F), composta por água, açúcar e polpa, é alimentada no processo de moagem para extrair o caldo (corrente E) do bagaço (corrente B) que sai do processo. O caldo (corrente E) contendo pedaços de polpa finamente divididos é direcionado para uma peneira que remove toda a polpa (corrente G) por separação mecânica e produz o caldo clarificado (corrente H), composto por 15% de açúcar e o restante de água. O Evaporador concentra o caldo clarificado produzindo um caldo concentrado (corrente K) com 40% de açúcar e, por fim, passa por um cristalizador produzindo açúcar puro (corrente M). As correntes J e L são compostas apenas por água e todas as frações estão representadas em valores mássicos. A sua planta recebeu uma meta de produção de açúcar, em kg/h, que é justamente os 4 primeiros dígitos do seu RA. Com base nas informações fornecidas, calcule a vazão das correntes.
Instrução: preencha a Tabela 1 e apresente suas resoluções/cálculos (insira como imagem ou digite-as)
Tabela 1 - Vazão de cada corrente
	Corrente
	Vazão [kg/h]
	Cana-de-açúcar (F)
	
	Bagaço (B)
	
	Caldo (E)
	
	Sólidos (G)
	
	Caldo clarificado (H)
	
	Água (J)
	
	Caldo concentrado (K)
	
	Água (L)
	
	Açúcar (M)
	
	Resolução - Questão 1a)
1.b) Com base nas informações anteriores, calcule a porcentagem e a vazão mássica de açúcar que é perdida nas correntes de Bagaço (B) e de Sólidos (G).
Instrução: calcule a fração mássica de açúcar nas correntes B e G, depois multiplique esta fração mássica pela vazão da corrente em análise.
	Resolução - Questão 1b)
Questão 2 - Considere uma dorna de fermentação como um reservatório de grandes dimensões que, ligado a uma bomba (M) e uma tubulação, direciona seu vinho fermentado para um segundo tanque de armazenamento (chamada de dorna volante), a uma vazão de 3000 L/min. Se o sistema está configurado como na Figura 5 e sabendo que a área de seção da tubulação é de 10 cm²,determine o rendimento da bomba, a qual apresenta uma potência de 100 CV (cavalo-vapor).
Adote e e considere o fluido incompressível.
Figura 5 – Dois reservatórios ligados por uma bomba. 
	Resolução - Questão 2)
Questão 3 - A vinhaça, resíduo líquido obtido como produto de fundo de processo de destilação, precisa ser direcionado até uma lagoa de tratamento por meio de uma tubulação. Você, engenheiro responsável pelo processo, solicitou ao laboratório da usina que realizasse análises físico químicas para identificar as propriedades da vinhaça, obtendo o seguinte resultado: , . Além disso, você recebeu detalhes técnicos de que a vinhaça irá escoar por 500 m em um fino um conduto de seção circular de aço comercial de 10 cm de diâmetro, a uma velocidade média de 0,7 m/s. Adote .
a) Calcule a perda de carga, em metros, da vinhaça ao escoar pelo conduto circular. 
b) Determine a velocidade máxima de escoamento para se manter um escoamento laminar. Adote o número de Reynolds como um valor inteiro.
	Resolução - Questão 3a)
	Resolução - Questão 3b)
Questão 4 - O vinho fermentado produzido nas dornas de fermentação precisa ser aquecido antes de entrar no processo de destilação. De maneira contrária, a corrente de vinhaça que sai do processo de destilação precisa ser resfriada antes de ser estocada. Dessa forma, um trocador de calor com escoamento em paralelo (conforme a Figura 6) é instalado para que a corrente de vinhaça (fluido quente) ceda calor ao vinho (fluido frio). A vinhaça entra a 100 °C e sai a 85 °C, enquanto o vinho entra a 40 °C e sai a 65 °C. Nesse cenário, calcule a média logarítmica das diferenças de temperaturas (MLDT).
Figura 6 - Arranjo de escoamento em trocadores de tubo duplo em paralelo.
	Resolução – Questão 4)
5. Considerações finais
Após resolução dos exercícios propostos, podemos concluir que os conceitos de Fenômenos de Transporte estão aplicados de forma massiva em uma destilaria de etanol. Em outros segmentos industriais isso não é diferente. Essa é uma disciplina bastante ampla e quer requer entendimento em seus fundamentos para que nós, engenheiros, possamos solucionar possíveis problemas e desenvolver projetos integrando de forma otimizada todos os fenômenos de transporte: mecânica dos fluidos, transferência de calor e transferência de massa. Conforme dito na apresentação do livro didático, os fenômenos de transporte estão acontecendo a todo tempo e em todo lugar. Só para exemplificar, seguem outros pontos da destilaria de etanol onde também aplicamos claramente alguns conceitos aqui estudados:
· Concentração do caldo de cana no processo de evaporação requer maior temperatura para que se consiga manter uma viscosidade adequada de escoamento. 
· Reciclo da corrente de dióxido de carbono no processo de fermentação, uma vez esta corrente carrega um pouco de etanol que precisa ser recuperado.
· Transferência de calor e transferência de massa dentro das colunas de destilação para que possamos separar o etanol da água presente no vinho fermentado.
REFERÊNCIAS
ANP – Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis. Etanol. Disponível em: <http://www.anp.gov.br/producao-de-biocombustiveis/etanol>. Acesso em 26 abril 2020.
Clealco. Açúcar VHP. Disponível em: <http://www.clealco.com.br/clealco/Portugues/institucional/index.php?acao=produto&cod=1#sthash.dnSQnI5l.dpbs>. Acesso em 25 abril 2020.
Nova Cana. Processos de fabricação do etanol. Disponível em: <https://www.novacana.com/etanol/fabricacao>. Acesso em 25 abril 2020.
Nova Cana. Produção de açúcar do Brasil em 2019/20 deverá crescer para 31 milhões de toneladas. Disponível em: <https://www.novacana.com/n/cana/safra/producao-acucar-brasil-2019-20-crescer-31-mi-toneladas-job-160519>. Acesso em 25 abril 2020.
Superinteressante. Como é produzido o etanol? Disponível em: <https://super.abril.com.br/mundo-estranho/como-e-produzido-o-etanol/>. Acesso em 25 abril 2020.
ÚNICA - União da Indústria de Cana-de-Açúcar. Etanol Energia Sustentável. Disponível em: <https://unica.com.br/setor-sucroenergetico/etanol/>. Acesso em 26 abril 2020.