O Balanço de Massa e Energia da Bosch Projects do Brasil<br />Uma ferramenta essencial para a otimização da fábrica<br />R...
Conteúdo<br />Padrão de cálculo atualizado<br />Regras práticas<br />Balanço de Massa e Energia<br />Vantagens<br />Parâme...
Padrão de cálculosatualizado<br />Antigamente<br />Regras práticas<br />Vapor %Cana= 50%<br />Consumo específico de vapor ...
Regras práticas<br />Extração = 70%<br />100 ton de sacarose na cana<br />70 ton de sacarose no caldo<br />Sem informação ...
Balanço de Massa e Energia<br />Extração = 70%<br />Valores dos constituintes do fluxo são calculados<br />
Vantagens<br />Todos os componentes da corrente de entrada são considerados<br />Conservação da massa<br />Conservação da ...
Parâmetros de engenharia<br />Os cálculos dos parâmetros físicos do fluxo são incluídos<br />
Dimensionamento de equipamentos<br />Usando-se as magnitudes e propriedades físicas dos fluxos, o dimensionamento dos equi...
Simulação estática<br />Plena carga:<br />CEV= 50/10 = 5 ton/MWh<br />50 % de carga<br />CEV= 27.5/5 = 5.5 ton/MWh<br />Ob...
Aplicação global<br />América do Norte: México, EUA, Barbados<br />América Central : Nicarágua<br />América do Sul: Colômb...
Exemplos de Aplicação<br />Fornecimento de vapor insuficiente  das caldeiras<br /><ul><li>Considerado 14 kg vapor/kW a ple...
Operação a 50% de carga com 20 kg vapor/kW (490 kg vapor escape / TC)</li></ul>Menos Etanol produzido em relação ao estima...
Simulação computacional – produção de 22.8 kL EtOH/100 ton mel B</li></ul>Suprimento de bagaço para venda de energia<br />...
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Apresentação de Simulações de Balanços de Massa e Energia realizada no SIMTEC 2010

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  • Seja bem vindo a essa apresentação do Balanço de Massa e Energia da Bosch Projects do Brasil, que é uma ferramenta essencial para otimização de fábricas de açúcar, etanol e energia. Eu sou o responsável pela divisão de processos da Bosch Projects do Brasil e estarei apresentando as vantagens do Balanço de Massa e Energia desenvolvido pela Bosch.
  • Esta apresentação irá começar comparando os procedimentos de cálculos utilizando-se das “regras práticas” com o que se utiliza em um balanço de massa e energia. O slide sobre as regras práticas descreve um cálculo simples de uma moenda e isto é comparado com o cálculo no próximo slide utilizando-se de um balanço de massa e energia. Após a comparação dos dados disponíveis dos dois métodos de cálculos, as vantagens principais são apresentadas.O Balanço de massa e energia da Bosch se utiliza destes resultados para calcular as propriedades físicas dos fluidos para serem usados no dimensionamento dos equipamentos. Uma vez definidos os equipamentos, vários cenários podem ser testados usando uma simulação estática e recursos de otimização. A conclusão destaca as características dominantes do balanço de massa e energia da Bosch.
  • Anteriormente, ou mesmo nos dias atuais, os cálculos de projetos foram realizados utilizando-se as regras práticas. São utilizados os fatores empíricos industrialmente aceitos que foram obtidos da experiência em operação da indústria sucroenergética. Alguns exemplos comuns são o consumo de vapor %Cana e o consumo especifico de vapor.A utilização destes valores podem resultar em grandes e caros erros de cálculo já que não são consistentes ou precisos para uma grande amplitude de condições.Em contraste, um balanço de massa e energia garante que tanto a massa como a energia na entrada de uma planta ou um processo são balanceados com a massa e energia que deixam o sistema. A lei fundamental de conservação de massa e energia é então respeitada. Este procedimento de cálculo é normalmente praticado em processos industriais complexos.
  • Como um exemplo de podemos considerar o cálculo de um terno de moenda. Utilizando-se uma extração de 70%, a sacarose no caldo que deixa o terno de moenda é de 70 toneladas para cada 100 toneladas de sacarose que entra no terno de moenda. Deste modo o valor de sacarose na saída é calculado utilizando se apenas a quantidade de sacarose na entrada e o valor da extração.
  • Este slide apresenta o cálculo de um terno de moenda utilizando-se como base a extração de 70%. A Pol do caldo do primeiro terno é aproximadamente 70% da Pol na entrada que é de 74,3 ton/h. Esta tabela de cálculo mostra a Pol remanescente no megaço que deixa o terno de moenda. Juntamente com a Pol do caldo do primeiro terno, as correspondentes purezas, Brix e umidade são calculadas. As demais propriedades dos diferentes componentes do fluxo são calculados como parte do procedimento de cálculo.
  • O procedimento utilizando-se um balanço de massa e energia fornece muito mais detalhes sobre a entrada e saída das corrente de processo. Isto se faz necessário já que toda a energia na entrada do sistema deve ser balanceada com a energia que deixa o sistema. A tabela de dados pode necessitar de um recurso computacional muito intenso, entretanto, com o avanço das tecnologias e capacidades dos computadores de mesa, estes cálculos podem ser facilmente realizados.A massa e a energia são conservadas já que as correntes de entrada e saída são balanceadas.Como um resultado do processamento dos dados para atingir os requerimentos de conservação de massa e energia, todos os componentes de uma linha de fluxo são determinados, possibilitando o cálculo das propriedades físicas.
  • Este slide mostra os valores das propriedades físicas como calor específico, fluxo entálpico e viscosidade calculados. Estas propriedades são facilmente interpretadas e aparecem ao lado de cada uma das linhas de fluxo.
  • Uma vez que a magnitude e as propriedades físicas dos fluxos são conhecidos, o dimensionamento dos equipamentos podem ser estimados para realizar o serviço necessário. Isto otimiza o tamanho dos equipamentos e previne a decisão de compra de equipamentos super dimensionados e excessivamente caros ou a compra incorreta de equipamentos sub dimensionados que resultariam num gargalo de processo na planta, diminuindo sua capacidade. O cálculo do tamanho das tubulações também são realizados automaticamente.
  • Com todos os dados de entrada e a programação do comportamento do equipamento, é possível a realização da simulação estática do processo. Nem sempre é possível se utilizar as regras práticas já que alguns parâmetros mudam com a carga do processo.Um exemplo poderia ser o consumo especifico de vapor para turbo geradores. O fabricantes normalmente oferecem os equipamentos pelo seu consumo especifico de vapor a plena carga. Este consumo de vapor é utilizado para os cálculos de projeto do processo mesmo em cargas menores que a taxa a plena carga, o que é um procedimento incorreto. A partir destes cálculos podemos observar que a plena carga o consumo especifico de vapor é 5 ton/MWh. O vapor requerido para cargas menores podem ser lido da Linha de Willans que descreve o consumo de vapor a várias cargas. Note que a 50% de carga, o vapor requerido não é 50% do consumo requerido a plena carga que é 50 ton/h. O vapor necessário é de 27.5 ton/h. Este consumo nos fornece um consumo específico de vapor de 5.5 ton/MWh. Isto implica que a maquina é menos eficiente a baixas cargas e deverá requerer mais vapor. Cálculos utilizando-se o consumo especifico de vapor de 5 ton/MWh seriam incorretos e resultariam na falta de vapor no processo.O balanço de massa e energia da Bosch considera a linha de Willans e produz resultados mais precisos.
  • O cálculo do balanço de massa e energia da Bosch já foi aplicado em várias fábricas em diferentes regiões do mundo.No total o mesmo já foi utilizado em mais de 70 industrias.
  • Vapor das caldeirasA Bosch Projects foi convidada a reavaliar as propostas de um experiente consultor para a expansão de uma fábrica.Nós compilamos um modelo do balanço de massa e energia da fábrica e verificamos que a nova caldeira não poderia gerar vapor suficiente para a planta proposta. Isto ocorreu devido ao consultor se utilizar de duas regras práticas:Eles assumiram que as turbinas a serem utilizadas para acionamento do desfibrador e o ternos de moenda deveriam consumir 14 kgv/kW. Na verdade, eles estariam operando com um vapor de menor temperatura e a cerca de 50% de sua máxima capacidade de operação e utilizando 20 kgv/kW. A demanda total de vapor de escape que foi calculada com a regra prática de 450 kgv/TC com 230% de embebição%Fibra. Entretanto o balanço de massa e energia mostrou que com a evaporação e cozimento existentes na indústria a demanda real de vapor de escape seria maior que 490 kgv/TC. Felizmente, foi possível realizar as mudanças necessárias para a expansão antes da instalação da nova unidade. Produção de etanolUma fábrica havia estimado que a quantidade de etanol que seria produzido a partir de mel B, baseado em regras práticas, seria de 26,1 kL de etanol para cada 100 ton de mel B. Quando o balanço de massa mostrou que apenas 22,8 kL de etanol por 100 ton de mel B, nós verificamos que a regra prática que eles assumiram considera que o mel sai das centrífugas com 80%Brix, entretanto o mel era contabilizado após armazenamento a 70%Brix. O balanço de massa calcula o total de açúcares redutores para cada linha de processo.  Venda de energiaAs fábricas freqüentemente se utilizam da regra prática que diz que são produzidas 30 ton de bagaço para cada 100 toneladas de cana. Isso pode levar a grandes erros de planejamento de produção e venda de energia elétrica.Uma cana com 12% de fibra e um bagaço com 48% de umidade e 2% Brix produz 24 tonbag/100TC. Uma cana com 16% de fibra e um bagaço com 52% de umidade e 3% Brix produz 34,8 tonbag/100TC. Um balanço de massa e energia calculas os valores corretos de bagaço produzidos e os corretos valores caloríficos do bagaço. Projeto de evaporadorEvaporadores são freqüentemente projetados utilizando-se a regra prática da taxa de evaporação de 30 kg/m²/h. No entanto, um primeiro efeito de evaporação pode chegar a taxas de 32,1 kg/m²/h quando alimentados com um vapor de escape de 2,1 kgf/cm² absoluto e gera um vapor vegetal V1 de 1,5 kgf/cm² vai evaporar apenas 22,3 kg/m²/h quando alimentado com um vapor de escape de 1,9 kgf/cm² absoluto e produzindo o mesmo vapor vegetal V1 a 1,5 kgf/cm². O balanço de massa ajusta automaticamente as taxas de evaporação de acordo com as condições de entrada e saída do vapor.
  • Concluindo-se, o Balanço de massa e energia da Bosch fornece mais detalhes que cálculos manuais utilizando-se de regras práticas. Estes dados são necessários e importantes já que permitem os cálculos das propriedades físicas dos fluxos que são requeridos para os cálculos de engenharia.As condições de todos os fluxos que entram e saem de uma parte da planta ou do processo são calculadas. Os dados detalhados produzidos são utilizados para calcular as propriedades físicas do fluxo que é então utilizado para o dimensionamento do equipamento.A programação do comportamento dos equipamentos fornece resultados detalhados quando operando a diferentes cargas. Como fora ilustrado, isto pode ser importante para prevenção de resultados errados e conseqüências desastrosas.Dados detalhados e precisos são obtidos com o Balanço de massa e energia da Bosch, o que resulta numa configuração otimizada da fábrica e estes dados também podem ser utilizados para melhores decisões gerenciais.
  • Obrigado pela atenção dispensada...
  • Apresentação de Simulações de Balanços de Massa e Energia realizada no SIMTEC 2010

    1. 1. O Balanço de Massa e Energia da Bosch Projects do Brasil<br />Uma ferramenta essencial para a otimização da fábrica<br />Ricardo de Souza Albino<br />Engenheiro de Melhoria de Performance<br />ricardo.a@bpbrasil.com.br<br />
    2. 2. Conteúdo<br />Padrão de cálculo atualizado<br />Regras práticas<br />Balanço de Massa e Energia<br />Vantagens<br />Parâmetros de Engenharia<br />Dimensionamento de Equipamentos<br />Simulação estática<br />Aplicação global<br />Exemplos de aplicação<br />Conclusão<br />
    3. 3. Padrão de cálculosatualizado<br />Antigamente<br />Regras práticas<br />Vapor %Cana= 50%<br />Consumo específico de vapor <br /> CEV = 5 ton/MWh<br />Cálculo atualizado<br />Balanço de Massa e Energia<br />Entrada Energia <br />Saída Energia<br />Planta / Processo<br />Massa<br />Massa<br />Energia na entrada = Energia na saída<br />Massa na entrada= Massa na saída<br />
    4. 4. Regras práticas<br />Extração = 70%<br />100 ton de sacarose na cana<br />70 ton de sacarose no caldo<br />Sem informação adicional disponível, como água, cinzas, Brix, etc.<br />
    5. 5. Balanço de Massa e Energia<br />Extração = 70%<br />Valores dos constituintes do fluxo são calculados<br />
    6. 6. Vantagens<br />Todos os componentes da corrente de entrada são considerados<br />Conservação da massa<br />Conservação da energia<br />Propriedades físicas podem ser calculadas já que todos os componentes de uma linha de fluxo estão determinadas<br />
    7. 7. Parâmetros de engenharia<br />Os cálculos dos parâmetros físicos do fluxo são incluídos<br />
    8. 8. Dimensionamento de equipamentos<br />Usando-se as magnitudes e propriedades físicas dos fluxos, o dimensionamento dos equipamentos podem ser estimados <br />
    9. 9. Simulação estática<br />Plena carga:<br />CEV= 50/10 = 5 ton/MWh<br />50 % de carga<br />CEV= 27.5/5 = 5.5 ton/MWh<br />Observe que o CEV é dependente da carga do turbo-gerador!<br />Linha de Willans para turbo-gerador<br />50<br />Fluxo de vapor [t/h]<br />27.5<br />10<br />5<br />0<br />Energia gerada[MW]<br />
    10. 10. Aplicação global<br />América do Norte: México, EUA, Barbados<br />América Central : Nicarágua<br />América do Sul: Colômbia, Brasil<br />África: Uganda, Tanzânia, Kenia, África do Sul, Sudão, Zâmbia, Suazilândia, Malawi, Sudão, Moçambique, Zimbábue, Congo, Egito, Etiópia, Nigéria, Senegal, Ilhas Maurício <br />Sudeste da Ásia: Vietnã, Filipinas, Fiji, Java<br />
    11. 11. Exemplos de Aplicação<br />Fornecimento de vapor insuficiente das caldeiras<br /><ul><li>Considerado 14 kg vapor/kW a plena carga (450 kg vapor escape / TC)
    12. 12. Operação a 50% de carga com 20 kg vapor/kW (490 kg vapor escape / TC)</li></ul>Menos Etanol produzido em relação ao estimado<br /><ul><li>“Regra prática” - produção de 26.1 kL EtOH/100 ton mel B
    13. 13. Simulação computacional – produção de 22.8 kL EtOH/100 ton mel B</li></ul>Suprimento de bagaço para venda de energia<br /><ul><li>“Regra prática” – “30 tons bagaço / 100 TC”
    14. 14. Cana 12% Fibra, Bagaço 48% Umidade e 2% Brix - 24 tons bag / 100 TC
    15. 15. Cana 16% Fibra, Bagaço 52% Umidade e 3% Brix – 35 tons bag / 100 TC
    16. 16. Poder calorífico corrigido pela qualidade do bagaço (valor exato)</li></ul>Projeto da estação de evaporação<br /><ul><li>“Regra prática” – “30 kg/m²/h”
    17. 17. Vapor escape 2,1 kgf/cm² (32,1 kg/m²/h) – 1,9 kgf/cm² (22,3 kg/m²/h)</li></ul>Consumo<br />10 % maior<br />Produção<br />13 % menor<br />Diferença<br />de 45 %<br />Capacidade<br />31 % menor<br />
    18. 18. Conclusão<br />O Balanço de Massa e Energia da Bosch Projects fornece mais detalhes do que cálculos por uma simples regra prática<br />Propriedades físicas e magnitudes das vazões calculadas e utilizadas para dimensionamento dos equipamentos<br />A programação do comportamento do equipamento permite a simulação estática<br />São produzidos dados detalhados com maior acuracidade e confiabilidade<br />
    19. 19. Estamos a disposição para maiores informações.<br />Uma empresa Brasileira<br /> com tecnologia Sul Africana<br />www.boschprojects.com.br<br />contato@bpbrasil.com.br<br />+55 19 3035-0993<br />+55 19 3301 8101<br />Obrigado<br />

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