Este documento apresenta uma análise energética, exergética e termoeconômica de duas configurações de uma usina sucroalcooleira com processo de extração por difusão. A primeira configuração produz apenas álcool e a segunda expande a produção para álcool, açúcar e excedente de eletricidade. O trabalho realiza balanços energéticos e exergeticos dos equipamentos e avalia os custos de produção de cada caso.

1. UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO”
FACULDADE DE ENGENHARIA DE ILHA SOLTEIRA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ÁREA DE CONCENTRAÇÃO EM CIÊNCIAS TÉRMICAS
ANÁLISE ENERGÉTICA, EXERGÉTICA E TERMOECONÔMICA
DE UMA USINA SUCROALCOOLEIRA COM PROCESSO DE
EXTRAÇÃO POR DIFUSÃO
Rodrigo dos Santos Lima
Trabalho de Conclusão de Cursos apresentado ao Curso de
Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia de Ilha
Solteira da Universidade Estadual Paulista “Júlio de
Mesquita Filho”, como parte dos requisitos para obter o
grau de Engenheiro Mecânico.
Orientador: Prof. Dr. Ricardo Alan Verdú Ramos
Ilha Solteira – SP, 14 de dezembro de 2007.

2. RODRIGO DOS SANTOS LIMA
ANÁLISE ENERGÉTICA, EXERGÉTICA E TERMOECONÔMICA DE UMA USINA
SUCROALCOOLEIRA COM PROCESSO DE EXTRAÇÃO POR DIFUSÃO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito para Graduação em Engenharia
Mecânica, pela Faculdade de Engenharia da Universidade Estadual Paulista “Julio de
Mesquita Filho” campus de Ilha Solteira, aprovado pela Comissão formada pelos professores:
Prof. Dr. Ricardo Alan Verdú Ramos
Departamento de Engenharia Mecânica – FEIS/UNESP
Prof. Dr. João Batista Campos Silva
Departamento de Engenharia Mecânica – FEIS/UNESP
Eng. Fernando Henrique Dib
Departamento de Engenharia Mecânica – FEIS/UNESP
Ilha Solteira – SP, 14 de dezembro de 2007.

3. Aos meus pais, Valmir e Irany, meus tios, Helinton e Valnice
meus irmãos Marcelo e Júnior e
à minha namorada Hellen
pelo incentivo, compreensão e carinho.

4. Agradecimentos
Minha graduação em Engenharia Mecânica pela Faculdade de Engenharia da UNESP
campus de Ilha Solteira não teria sido a mesma sem a colaboração de algumas pessoas, que
tomarei a liberdade de externar meus cumprimentos.
Ao meu Orientador Prof. Ricardo Alan Verdú Ramos, pela paciência em me orientar e
dedicação com a UNESP que me serviram de exemplo durante minha vida acadêmica.
Ao meu Tutor Prof. Emanuel Rocha Woiski, em nome do qual saúdo o Programa de
Educação Tutorial da Engenharia Mecânica e o Centro Acadêmico de Engenharia Mecânica,
entidades que foram fundamentais na formação do meu caráter e visão estudantil.
Aos professores Edinilton de Morais Cavalcante, Hidekasu Matsumoto, Luis de Paula
do Nascimento, Cassio Roberto Macedo Maia e Marcio Antonio Bazani, João Batista Campos
Silva em nome dos quais cumprimento o excelente corpo docente da Faculdade de
Engenharia de Ilha Solteira que me propiciou uma formação acadêmica sem igual.
Ao Eng. Fernando Henrique Dib, em nome do qual agradeço as inúmeras horas de
aprendizados que tive com todos os integrantes do Núcleo de Planejamento Energético
Geração e Cogeração de Energia.
Aos meus amigos Daniel Iwao Suyama, Pedro Henrique Caruy Póvoa, Tadeu
Tonheiro Rodrigues, Anderson Henrique Beneduzzi e Leandro Akita Ono, pessoas com as
quais compartilhei dos meus melhores e piores momentos nesta caminhada.
À SESu/MEC e à Fapesp por confiarem em mim bolsas para desenvolvimento de
trabalhos de iniciação cientifica.

5. 5
Sumário
Agradecimentos........................................................................................................................ 4
Sumário ..................................................................................................................................... 5
Lista de Tabelas........................................................................................................................ 7
Lista de Figuras........................................................................................................................ 8
Resumo...................................................................................................................................... 9
Abstract................................................................................................................................... 10
1. Introdução....................................................................................................................... 11
1.1. Apresentação............................................................................................................ 11
1.2. Tecnologia de processos........................................................................................... 12
1.2.1. Adição de água durante a extração do caldo.................................................... 12
1.2.2. Moagem............................................................................................................ 13
1.2.3. Difusor.............................................................................................................. 14
1.3. Viabilidade econômica na substituição das moendas .............................................. 15
1.3.1. Vantagens do difusor........................................................................................ 16
2. Revisão de Literatura e Proposta do Trabalho ........................................................... 18
2.1. Revisão de literatura................................................................................................. 18
2.2. Objetivos do trabalho ............................................................................................... 21
3. Definições e Conceitos Evolvidos .................................................................................. 21
3.1. Análise termodinâmica............................................................................................. 21
3.2. Análise termoeconômica.......................................................................................... 26
3.3. Método de solução ................................................................................................... 27
4. Descrição dos Casos ....................................................................................................... 27
4.1. Caso 1....................................................................................................................... 27

6. 6
4.2. Caso 2....................................................................................................................... 31
5. Resultados e Discussões ................................................................................................. 35
5.1. Resultados das análises termodinâmicas.................................................................. 35
5.2. Resultados das análises termoeconômicas ............................................................... 36
5.2.1. Custo dos equipamentos................................................................................... 36
5.2.2. Resultados Caso 1 ............................................................................................ 38
5.2.3. Resultados Caso 2 ............................................................................................ 39
6. Conclusões e Sugestões................................................................................................... 40
Referências.............................................................................................................................. 41

7. 7
Lista de Tabelas
Tabela 1: Dados gerais da configuração do Caso 1. ........................................................ 28
Tabela 2: Parâmetros operacionais do Caso 1.................................................................. 28
Tabela 3: Dados gerais da configuração do Caso 2. ........................................................ 31
Tabela 4: Parâmetros operacionais do Caso 2.................................................................. 32
Tabela 5: Índices de desempenhos das plantas. ............................................................... 35
Tabela 6: Rendimento global das plantas......................................................................... 35
Tabela 7: Eficiências da caldeira...................................................................................... 35
Tabela 8: Eficiências da turbina....................................................................................... 36
Tabela 9: Parâmetros de usinas sucroalcooleira............................................................... 36
Tabela 10: Constantes relativas às analises termoeconômicas........................................... 36
Tabela 11: Custo estimado dos equipamentos. .................................................................. 37
Tabela 12: Taxas de custo de equipamentos. ..................................................................... 37
Tabela 13: Comparação entre os custos de produção de eletricidade e vapor. .................. 40

8. 8
Lista de Figuras
Figura 1: Sistema de moagem com embebição composta. .................................................. 14
Figura 2: Esquema de um difusor........................................................................................ 14
Figura 3: Curva típica de concentração de sacarose em difusor.......................................... 15
Figura 4: Representação da plana do Caso 1....................................................................... 29
Figura 5: Esquema representativo dos fluxos de massa no Caso 1. .................................... 30
Figura 6: Representação da planta do Caso 2...................................................................... 33
Figura 7: Esquema representativo dos fluxos de massa no Caso 2. .................................... 34
Figura 8: Custo da energia produzida versus custo do bagaço para Caso 1. ....................... 38
Figura 9: Custo vapor de processo versus custo do bagaço para Caso 1............................. 38
Figura 10: Custo da energia produzida versus custo do bagaço para Caso 2. ................... 39
Figura 11: Custo vapor de processo versus custo do bagaço para Caso 2......................... 39

9. 9
Resumo
Neste trabalho é proposta a realização de análises termodinâmicas e termoeconômicas
do projeto inicial e de uma proposta de expansão de uma usina sucroalcooleira com processo
de extração de caldo por difusão.
A configuração inicialmente considerada destina-se a produção apenas de álcool e é
constituída por uma caldeira que produz vapor a 43 bares e 400 °C e um turbogerador de
simples estágio para geração de eletricidade para consumo próprio. A segunda configuração
consiste na expansão da planta inicial para produção de álcool, açúcar e excedente de
eletricidade para a comercialização.
Para realização da análise termodinâmica, serão realizados balanços de massa, energia
e exergia, e definidas as eficiências pela primeira e segunda leis da termodinâmica, bem como
as irreversibilidades, considerando um volume de controle para cada um dos equipamentos
que compõem as plantas.
Finalmente, através da realização da análise termoeconômica, serão avaliados os
reflexos dos custos de investimento de capital e do combustível, além dos custos de operação
e manutenção, na composição dos custos dos produtos em cada caso estudado.

10. 10
Abstract
In this work is proposed the thermodynamics and thermo economics analyses of initial
project and expansion of a sugar-cane factory with extraction process by diffusion.
The initial configuration is only to produce alcohol and it is constituted by a boiler that
produces steam at 43 bars and 400 ºC and a simple stage steam turbine to electric generation
only for self consumption. The second configuration considered is an expansion of initial
plant for the production of alcohol, sugar and surplus of electric energy for
commercialization.
For the thermodynamic analyses, a mass, energy and exergy balance were performed
and the efficiency by first and second thermodynamic law, as well as the irreversibilities were
defined, by using a control volume in each equipment of the plant.
Finally, by means of the thermo economic analyses, it was observed the influence of
the costs of initial investment and fuel, and the costs of operation and maintenance, on the
composition of product costs for each case studied.

11. 11
1. Introdução
1.1. Apresentação
Apesar dos inúmeros inconvenientes causados durante o período de racionalização de
energia, que se estendeu até Março de 2002, o momento se tornou propício à retomada da
introdução de novas fontes de energia primária na Matriz Energética Nacional (Coelho,
1999), como uma forma de complementação energética. Dentro deste contexto é que foi
desenvolvida a base para o Programa Prioritário de Termelétricas, instituído em 2000 pelo
Ministério de Minas e Energia (MME). Este Programa contemplou a geração termelétrica a
gás natural importado da Bolívia em sistemas convencionais e de cogeração, abrindo espaço
para a cogeração a partir do bagaço de cana.
Dessa forma, a utilização da biomassa para geração de energia pode vir a se constituir
num apoio à oferta de energia, não apenas nos momentos de crise energética, mas como um
incremento à oferta de energia dentro do sistema interligado.
O bagaço da cana-de-açúcar apesar de considerado o maior dejeto da agroindústria
nacional dentro do setor sucroalcooleiro, seu aproveitamento industrial vai desde composto
para ração animal, fertilizante, biogás, à matéria-prima para compensados e para indústria
química em geral. No entanto, já no início do século passado, o bagaço era utilizado como
combustível substituto à lenha, sendo hoje seu principal aproveitamento no processo de
produção de energia (térmica e elétrica). Utilizando o bagaço da cana-de-açúcar como
combustível, com amplas possibilidades de utilização das palhas e ponteiros da cana. Os
demais setores, quando não dispõem de subprodutos de processo (resíduos de madeira,
lixívia, casca de arroz, etc.), utilizam o gás natural ou outros combustíveis geralmente não
renováveis.
No contexto desta última, o setor sucroalcooleiro demonstra um grande potencial de
geração de energia elétrica, havendo uma tendência mundial para a utilização da cogeração
nesse setor, devido a atrativos econômicos e ambientais. Pelo lado econômico, além do
aproveitamento do bagaço resultante da própria produção como combustível, a atratividade
decorre do fato dos produtos principais, açúcar e álcool, requererem energia térmica e
permitirem um rateio dos custos de produção com a eletricidade.
Na questão ambiental, embora no Brasil quase a totalidade da energia elétrica seja
gerada com recursos hídricos, sem a emissão de gases poluentes, a cana-de-açúcar é uma
fonte estável e renovável de energia. Para a geração elétrica em usinas térmicas, o bagaço

12. 12
pode produzir eletricidade com impacto ambiental muito menor quando comparado a outros
combustíveis, em especial ao carvão mineral e óleo combustível (Lora et al., 2000).
De acordo com Corrêa Neto (2001), as unidades produtivas sucroalcooleiras são
praticamente auto-suficientes em energia, sendo 98 % de sua demanda energética atendida
pelo bagaço e os 2 % restantes atendidos com óleo diesel, álcool, lenha, gasolina e a energia
elétrica comprada das distribuidoras. Assim, considerando a auto-suficiência, as diversas
medidas capazes de aumentar a produção de energia elétrica promoveriam a importante
função de geração de excedentes de energia para o setor elétrico.
1.2. Tecnologia de processos
O consumo de vapor de processo na usina é um fator de grande influência na geração
de potência. Para os ciclos a vapor, como o processo normalmente utiliza o vapor na faixa de
pressão de 0,25 MPa (abs), este vapor não pode ser expandido para pressões inferiores. Isto
diminui o potencial de geração em turbinas a vapor de condensação ou de extração-
condensação, que aproveita melhor a exergia e produz mais trabalho.
Segundo Ogden et al (1990) tanto para os ciclos envolvendo tecnologias de turbinas a
gás, como para turbinas de extração-condensação, o menor consumo de vapor de processo
permite uma maior capacidade de geração de potência. Coelho (1992) considera que os
investimentos na redução do consumo de vapor são variáveis importantes no planejamento da
usina, enquanto Bowell (1996), ressalta que é essencial a implementação de medidas de
economia de energia, como eliminação de vazamentos de água, vapor e condensados e a
redução do consumo de eletricidade ao mínimo. Já para Srivastava (1997), as medidas de
conservação de energia não são compulsórias, mas aumentam a viabilidade das plantas de
cogeração, pois após a determinação do consumo e do investimento em algum tipo de turbina,
esta configuração não poderá ser alterada facilmente.
Para uma eficiente integração do processo de produção, algumas operações do
processo que são mais significativas em termos de consumo energético global na planta são
apresentadas nas seções seguintes, descrevendo-se possíveis medidas a serem adotadas para a
redução do consumo de vapor.
1.2.1. Adição de água durante a extração do caldo
A extração do caldo da cana pode ser realizada basicamente de 2 maneiras, através das
moendas ou dos difusores. Embora a mais tradicional e utilizada forma seja a moagem, em
determinadas regiões a difusão também é bastante utilizada, como é o caso da África. Alguns

13. 13
processos alternativos têm sido desenvolvidos, buscando sempre melhores índices de
extração, com menores consumos globais para o processo, seja de energia térmica, potência
mecânica ou de água.
De forma geral, quanto maior o teor de fibra da cana, maior deve ser o teor de adição
da água (embebição) durante a extração do caldo. A maior taxa de embebição permite uma
melhor extração da sacarose. Na questão de capacidade dos equipamentos e consumo
energético, quanto maior a quantidade de água adicionada necessita-se de uma maior
capacidade de tratamento e mais reagentes. Na evaporação e destilação, todo volume de água
adicionada deverá ser removido posteriormente, e exigirá maior consumo de vapor de
aquecimento (IPT, 1990).
1.2.2. Moagem
No Brasil, a forma mais utilizada para a extração do caldo da cana se dá através das
moendas, que são unidades constituídas por ternos. Os ternos são conjuntos constituídos por 3
rolos formando um triângulo (rolo de entrada, de saída e superior), que esmagam a cana que
passa a uma determinada velocidade e extraem o caldo contido na mesma. Atualmente um
quarto rolo (de pressão) tem sido bastante utilizado para auxiliar a alimentação do terno. A
fim de obter a maior extração possível de caldo, a cana passa sucessivamente por vários
ternos na moenda (4 a 7), mas como já no primeiro terno a quantidade de caldo, que era de 7
partes para cada 1 de fibra, cai para uma relação de 2 a 2,5, o processo de embebição é
utilizado, diluindo o caldo residual e aumentando a extração de sacarose para o próximo
terno. Isto permite a extração de 92 a 96 % da sacarose para a produção de açúcar e álcool e
bagaço com umidade final de aproximadamente 50%. A embebição pode ser simples,
composta ou com recirculação, aumentando a eficiência e a complexidade da primeira para a
terceira. A mais utilizada é a embebição composta (Figura 1), em que a água é adicionada
apenas nos dois últimos ternos, enquanto o caldo extraído nos mesmos alimenta o terno
anterior aos mesmos. O caldo deste terno é utilizado no outro anterior a ele e assim
sucessivamente, sendo que normalmente, o caldo proveniente dos 2 primeiros ternos é
utilizado para a fabricação do açúcar e do álcool (IPT,1990).

14. 14
Figura 1: Sistema de moagem com embebição composta.
1.2.3. Difusor
No difusor de cana de açúcar, a sacarose é extraída exclusivamente por um processo
de lavagem repetitiva, passando por diluição para a solução de menor concentração. Esta é
basicamente a razão principal da necessidade de um excelente preparo de cana, para que seja
possível à água entrar em contato com o maior numero de células abertas e assim alcançar os
elevados índices de extração no difusor. Um esquema do processo de difusão é apresentado
na Figura 2.
Figura 2: Esquema de um difusor.
A água de embebição é alimentada na parte final do difusor, próximo da saída do
bagaço, a uma temperatura entre 75 e 90°C; um aquecedor por contato direto com vapor
controlado automaticamente permite manter a adequada temperatura da água. A embebição é
a seguir enviada a uma canaleta transversal que cobre toda a largura do difusor e é
uniformemente distribuída sobre a camada de cana no difusor. Por baixo da camada, o fundo
do difusor é formado por 14 recipientes justapostos, os quais recebem o caldo que atravessou

15. 15
a camada de cana (o estrado do transportador é formado por uma grade que deixa passar
apenas o caldo).
Uma bomba coleta o caldo retido no recipiente e o envia ao distribuidor anterior, de
modo que o caldo retrocede de recipiente em recipiente desde a extremidade de saída até a
extremidade de entrada da cana no difusor, desta forma a circulação dos caldos é feita em
contracorrente com o bagaço, permitindo assim a manutenção de um diferencial de
concentração entre as soluções praticamente constante ao longo do difusor, assim a
concentração do caldo aumenta sua concentração gradualmente até atingir seu máximo no
captador situado junto à entrada da cana no difusor, de onde é bombeado para peneiramento, e
daí para o processo. Analogamente, o bagaço que segue em direção à parte final do difusor
tem sua concentração de sacarose no caldo (Brix) diminuída gradualmente, como pode ser
verificado pela curva de concentração na Figura 3.
Figura 3: Curva típica de concentração de sacarose em difusor.
Neste processo, o bagaço que sai do difusor ainda está encharcado, assim ele passa
ainda por uma moenda que tem como finalidade retirar o excesso de água de modo que o
bagaço possa ser utilizado nas caldeiras para geração de energia. O caldo enviado à sulfitação
corresponde a uma parcela do caldo coletado no primeiro recipiente. O restante do caldo do
primeiro recipiente é despejado sobre a cana do transportador.
1.3. Viabilidade econômica na substituição das moendas
Para analisarmos a viabilidade da instalação do difusor, de inicio deve ser elaborado
um novo balanço de matéria e energia para adequar o processo existente às implicações
associadas com a integração de um difusor. Uma analise completa da fabrica existente é

16. 16
fundamental para avaliar as mudanças necessárias e o investimento de capital correspondente.
Em detalhes:
Os equipamentos existentes na fabrica devem ser verificados se estão
preparados com capacidade extra para a maior quantidade de sacarose.
O balanço de vapor deve ser revisado para permitir que exista vapor de escape
disponível e suficiente para o aquecimento do corpo do difusor, a quantidade
aproximada é de 10 % acima da quantidade de cana processada em toneladas.
Os turbogeradores existentes devem ser verificados, se estão com capacidade
extra instalada em função do fluxo adicional de vapor vivo que antes era usado
nas turbinas de acionamento das moendas ou avaliar o capital adicional
necessário com novos turbogeradores.
O sistema de alimentação da caldeira deve ser modificado para receber bagaço
com fibra mais longa e o sistema de cinzas deve ser capaz de manusear uma
quantidade maior desse resíduo.
1.3.1. Vantagens do difusor
Resultados práticos mostram que o percentual de Pol (porcentagem de sacarose no
caldo) no bagaço originário do difusor diminui consideravelmente, chegando até 0,7 %, e, na
maioria dos casos, menor de 1,0 %. O ganho de 1 % de Pol do bagaço representa um aumento
na renda operacional de aproximadamente US$ 750,00 por cada 1.000 toneladas de cana
processada pelo difusor, baseando-se em um preço médio do açúcar de US$ 215,00 / ton.
Assim, uma usina que mói 2.000.000 toneladas de cana por safra, aumentará sua renda de
açúcar em US$ 1.500.000,00.
O difusor usa apenas 3% da energia mecânica total necessária por um tandem
convencional de moendas de seis ternos acionados por turbinas de simples estágio.
Considerando uma fibra de 12,5% na cana, essa economia representa um ganho de
aproximadamente 10 MW por cada 1.000 toneladas de cana processada pelo difusor. Assim,
uma usina que mói 2.000.000 toneladas de cana por safra, aumentará sua renda em cogeração
em US$ 600.000, considerando a energia ao preço de venda de US$ 30/MW de moenda,
reduzindo em aproximadamente 70 % os custos com as linhas de vapor vivo e de
condensados. Uma economia média de 10 a 15 % no investimento de capital é esperada com a
instalação completa do difusor incluindo os rolos desaguadores e o terno de moenda de
secagem, comparado com um tandem de moenda da mesma capacidade. Além disso, o difusor

17. 17
requer 40 % menos de capacidade instalada para aquecimento e clarificação de caldo e
filtragem de lodo.
Um difusor não necessita das pesadas fundações de concreto, típicas de um tandem de
moenda, e reduz em aproximadamente 70 % os custos com as linhas de vapor vivo e
condensado. Os custos de manutenção médios para um difusor completo com os rolos
desaguadores e terno de moenda de secagem correspondem entre 35 e 40 % do custo médio
requerido para um tandem de moenda convencional de mesma capacidade.
Um painel de controle central permite que o processo seja controlado por um único
operador por turno. A aplicação de eletrodos nos componentes de moenda é reduzida em
80 %. Os gastos com lubrificantes são reduzidos em 25 %.
A alimentação de cana-de-açúcar não uniforme na esteira principal, as flutuações
diárias no fornecimento de cana e as rápidas mudanças no conteúdo de fibra são toleradas
facilmente pelo difusor. Os erros humanos são minimizados. O difusor mantém constante o
seu desempenho numa faixa entre 40 e 120 % da sua capacidade nominal. Se for necessário, o
difusor permite uma moagem ainda superior, porém com uma pequena perda na extração,
sendo essa perda ainda muito menor do que ocorreria com um tandem de moenda.
Não há nenhuma parte móvel em um difusor, com exceção das correntes, taliscas e o
acionamento principal. Os aquecedores são fornecidos com área de transferência de calor
maior, para permitir limpeza e manutenção sem necessidade de parada durante a operação.
Não há tempo perdido em um difusor, o que significa em muitos casos tempo de safra. A
continuidade operacional típica para um difusor varia entre 98 e 100 %.
O corpo do difusor, que é fechado e selado, a ausência de elementos rotativos pesados e o
limitado uso de lubrificantes, aumenta significativamente a segurança e a limpeza do local de
trabalho. O ruído é 100% reduzido para níveis mais toleráveis.
Ao contrário do tandem de moenda, que sofre desgaste paulatino de seus componentes
(rolos, pentes, bagaceiras, etc.) durante a safra, reduzindo a eficiência de extração, o difusor
mantém seu rendimento por não sofrer desgastes do gênero.
Os resultados obtidos com difusor mostram uma natural tendência na redução das
infecções no caldo, resultado da alta temperatura interna do equipamento e do controle
automático do pH. Assim, mesmo a porcentagem dos açúcares invertidos com difusor é
menor que na moenda.

18. 18
2. Revisão de Literatura e Proposta do Trabalho
2.1. Revisão de literatura
A seguir serão listadas algumas referências associadas ao projeto proposto, sendo
apresentada uma breve descrição dos trabalhos mais relevantes que descrevem o estado atual
de pesquisa sobre o assunto.
Existem diversas referências bibliográficas que envolvem aspectos referentes à
geração e cogeração de energia que servem como base para qualquer tipo de estudo específico
nesta área, sendo que dentre eles podemos citar: Szargut et al. (1988), Orlando (1991), Kotas
(1995), Bejan et al. (1996), Horlock (1997), Khartchenko (1998), Azola & Andrade (1999),
Balestieri (2002) e Lora & Nascimento (2004), entre outros.
No que diz respeito à termoeconomia, há de ser feita menção aos trabalhos que
estabelecem condições e bases para a aplicação ao projeto de sistemas térmicos, como por
exemplo: El-Sayed & Evans (1970), Frangopoulos (1983), Lozano & Valero (1993),
Tsatsaronis (1993), Valero et al. (1994), Hua et al. (1997), Kim et al. (1998), Vieira &
Oliveira Júnior (1998) e Cerqueira (1999).
Com relação à cogeração de energia no setor sucroalcooleiro, podem ser citados
alguns trabalhos relacionados às análises energéticas, exergética e termoeconômica, tais
como: Walter (1994), Barreda Del Campo (1999), Carpio et al. (1999), Coelho (1999), Vieira
& Pellegrini (1999), Corrêa Neto (2001), Sánchez Prieto & Nebra (2001), Góes & Schaeffer
(2002), Lobo et al. (2002), Brighenti (2003), Sánchez Prieto (2003), Jaguaribe et al. (2004),
Fiomari (2004), Uchoa (2005), Bohórquez et al. (2006) e Lobo et al. (2007), sendo que os
mais diretamente relacionados ao presente projeto serão descritos a seguir.
Walter (1994) tratou da cogeração e da produção independente de eletricidade, como
formas de geração descentralizada de energia elétrica e, em especial, da viabilidade e das
perspectivas dessas tecnologias junto ao setor sucroalcooleiro no Brasil, levando-se em conta
a expansão da agroindústria canavieira. Foram analisadas várias alternativas de geração
elétrica em larga escala e determinadas as principais características técnicas de cada sistema,
tais como a capacidade de geração, a produção de energia elétrica, a disponibilidade de
excedentes e a demanda de biomassa. Esses resultados permitiram identificar o potencial das
tecnologias de maior viabilidade técnica e econômica, a partir da consideração de cenários
alternativos de crescimento da produção de cana no Estado de São Paulo e da identificação
das usinas mais adequadas para esses empreendimentos.

19. 19
Corrêa Neto (2001) avaliou a viabilidade técnica e econômica de projetos de geração
de energia elétrica utilizando como combustível o bagaço, a palha e as pontas da cana-de-
açúcar, como opção complementar à expansão do sistema elétrico brasileiro. A tecnologia
analisada foi de geração termelétrica com ciclo combinado, operando em cogeração, integrado
a sistemas de gaseificação de biomassa para a produção de gás combustível, com e sem
adição de gás natural. A análise econômica foi feita através da modelagem e construção de
curvas de economicidade do projeto, baseadas nos preços da energia elétrica, do gás natural e
nos custos da biomassa.
Brighenti (2003) apresentou e analisou os diversos requisitos necessários para que haja
uma integração confiável e segura dos sistemas de geração a partir de biomassa
(especificamente cogeração com bagaço de cana) ao sistema elétrico de potência. Foi
considerado um estudo de uma usina de açúcar e álcool paulista que recentemente ampliou
sua geração própria e passou a comercializar a eletricidade excedente com a CPFL. Foram
levantadas e analisadas as barreiras técnicas, legislativas, econômicas e ambientais, que, em
conjunto, determinam a integração do cogerador, sendo dada ênfase especial à parte técnica
da interligação, buscando analisar o impacto que a inserção dos produtores independentes
pode causar no sistema elétrico e o que precisaria ser feito para a interligação com a
concessionária.
Sánchez Prieto (2003) realizou uma detalhada análise energética e exergética, visando
determinar as eficiências de primeira e segunda leis da termodinâmica para os principais
equipamentos de duas plantas de usina sucroalcooleira, bem como o consumo de combustível
envolvido, além de alguns índices de desempenho típicos de sistemas de cogeração. O
objetivo fundamental da avaliação foi determinar os custos dos principais fluxos do sistema,
considerando os custos como se fosse uma instalação nova, com taxa de juros de 15% ao ano
e um período de amortização de 15 anos. Foi avaliada a variação do custo de bagaço e sua
influência nos custos dos fluxos da planta e dada ênfase na potência elétrica e nos índices de
desempenho.
Jaguaribe et al. (2004) discutiram um caso real de investimento na ampliação do
sistema de cogeração de energia em uma indústria sucroalcooleira paraibana, considerando o
preço sazonal do bagaço, os custos de geração de energia e levando-se em conta um período
de 10 anos. Com o novo parque de cogeração a indústria se tornou auto-suficiente em energia,
dispondo de 21.240 MWh para comercialização, com uma potência média de exportação de
4.000 kW. Todavia, após a análise econômica efetuada, verificou-se que a melhor opção seria
manter a planta na forma original e vender o bagaço a R$ 26,00/ton.

20. 20
Fiomari (2004) realizou análises energética e exergética de cinco plantas de vapor de
uma usina sucroalcooleira, baseado no sistema de expansão do processo de cogeração desta.
A configuração inicialmente considerada era constituída por caldeiras de baixa pressão, com
turbinas de simples estágio para geração de eletricidade e com picador, desfibrador e moendas
com acionamento mecânico. A configuração final considerada era constituída por caldeira de
alta pressão, com turbina de extração-condensação e com a substituição do acionamento
mecânico por elétrico nos outros equipamentos. O uso dessa turbina de extração-condensação
nos sistemas de cogeração de energia mostrou que sua alta eficiência contribuiu para uma
maior geração de potência, porém a condensação reduziu a eficiência global da planta.
Uchôa (2005) analisou a viabilidade técnica-econômica do aproveitamento do gás
natural como combustível complementar em usinas sucroalcooleiras. Para tanto, foram
analisadas diferentes configurações baseadas em plantas de geração de vapor e potência de
duas usinas de açúcar e álcool paulistas. Um estudo termodinâmico minucioso, bem como
uma criteriosa análise da viabilidade técnica e econômica, foram feitos para diversas
configurações que envolvem modificações das plantas tradicionais existentes nessas usinas,
que incluem a implantação de queimadores de gás nas caldeiras e/ou a instalação de uma
turbina a gás e uma caldeira de recuperação, para permitir o uso combinado do gás natural e
do bagaço de cana para geração eletricidade e vapor necessários para os processos, bem como
possibilitar a comercialização do excedente de energia elétrica ou de bagaço. Diante dos
resultados obtidos, verificou-se que existem limitações para a utilização do gás natural como
combustível complementar em grande parte das usinas sucroalcooleiras.
Bohórquez et al. (2006), avaliaram a utilização integral do bagaço de cana de açúcar
resultante do processo produtivo de uma usina de açúcar que pretende incrementar sua
capacidade de geração de energia elétrica de 7 para 35 MW, mediante o redesenho do ciclo e
a incorporação de novos turbogeradores. Utilizando as ferramentas termoeconômicas foi
estabelecida a matriz de incidência da planta de cogeração, a determinação dos custos
exergoeconômicos e a realização das simulações da variação do preço de combustível e a
eficiência da caldeira. Além disso, foi efetuado um breve estudo econômico da produção de
energia elétrica e da venda dos excedentes de 27 MW médios e concluído que o custo da
eletricidade gerada era de US$ 0,051/kWh.
Lobo et al. (2007) realizaram uma análise econômica das modificações propostas no
processo de moagem de uma usina sucroalcooleira de médio porte antiga (Agroval), levando-
se em conta o consumo de energia envolvido no processamento da cana bem como a
eficiência de extração de açúcar. Essas modificações incluem o uso de acionamento elétrico

21. 21
direto e maior embebição em água durante o esmagamento para aumentar a extração do caldo.
Embora mais energia seja gasta nestas condições e tanto a umidade do bagaço e como a
diluição do caldo sejam maiores, utilizando turbinas modernas para acionamento dos
geradores, verifica-se que o consumo do vapor aumenta muito pouco e ocorre uma redução no
consumo de bagaço. Foram determinados os custos do bagaço ou da eletricidade consumida
para o acionamento extra, bem como o aumento da renda com a maior produção de açúcar.
2.2. Objetivos do trabalho
A revisão bibliográfica preliminar realizada mostra as potencialidades de um estudo
termodinâmico e termoeconômico dos sistemas de cogeração instalados em usinas de açúcar e
álcool. O aumento da eficiência destes processos, se provado ser economicamente atrativo e
realmente aplicado nas instalações existentes, pode resultar no aumento da capacidade de
produção de açúcar, álcool e/ou eletricidade.
Assim, o objetivo do presente projeto é realizar análises termodinâmicas e
termoeconômica de uma planta de uma usina sucroalcooleira que será construída por uma
empresa que tem a sua sede no município de Araçatuba (SP), que tem como diferencial o
processo de extração por difusão, ainda pouco utilizado no Brasil.
3. Definições e Conceitos Evolvidos
3.1. Análise termodinâmica
Primeiramente, são feitas análises termodinâmicas considerando um volume de
controle (VC) para cada equipamento da planta. Em geral, para processos em regime
permanente e desprezando as variações de energia cinética e potencial, as equações de
balanço de massa, energia e exergia, podem ser escritas, respectivamente, como (Bejan,
1988):
1 1= =
−∑ ∑& &
n n
e s
i i
m m (1)
0
111
=−+− ∑∑∑
−−−
n
i
ss
n
i
ee
n
i
vc hmhmWQ &&&& (2)

22. 22
( )0
1 1 1
1
n n n
i i vc e e s s vc
i i i
Q T T W m ex m ex I
− − −
− − + − =∑ ∑ ∑& & && & (3)
onde: em& - Fluxo de entrada de massa no VC (kg/s); sm& - Fluxo de saída de massa do VC
(kg/s); eh - Entalpia específica na entrada do VC (kJ/kg); sh - Entalpia específica na saída
do VC (kJ/kg); eex - Exergia específica na entrada do VC (kJ/kg); sex - Exergia
específica na saída do VC (kJ/kg); iT - Temperatura superficial do VC (K); 0T -
Temperatura do fluido no estado de referência (K); vcI& - Taxa de irreversibilidade no VC
(kW); vcQ& - Fluxo de calor no VC (kW); vcW& - Potência referente ao VC (kW).
Para o cálculo da exergia específica de um fluxo (ext) pode ser usada a seguinte
equação (Szargut et al., 1988):
∑ −+−−−= iiit xssThhex )()()( 0,000 μμ (4)
onde: h - Entalpia específica do vapor (kJ/kg); s - Entropia específica do vapor (kJ/kgK);
ho -Entalpia da água para o estado de referência (kJ/kg); so : Entropia da água para o
estado de referência (kJ/kgK); 0μ ,i - Potencial químico de referência do elemento a T0 e P0;
(kJ/kg) μi - Potencial químico do elemento na mistura a T e P (kJ/kg); ix - Fração do
componente na mistura.
Para o cálculo da exergia específica do bagaço da cana (exbag) é utilizada a equação
apresentada por Szargut et al. (1988):
= + +bag bag água água água águaex β(PCI L Z ) ex Z (5)
sendo:
( ) ( ) ( ) ( )
( )
⎡ ⎤+ − + −
⎣ ⎦=
−
2 2 2 2
2
H C O C H C N C
O C
1,0412 0,2160 Z Z 0,2499 Z Z 1 0,7884 Z Z 0,0450 Z Z
β
1 0,3035 Z Z
(6)

23. 23
onde: β - Função das frações de massa dos componentes do bagaço ( )% ; iZ -Fração em
massa dos elementos químicos ( )% ; águaZ - Fração em massa de água no bagaço ( )% ; águaL -
Entalpia de vaporização da água (kJ/kg); águaex - Exergia química da água líquida (kJ/kg).
A eficiência termodinâmica baseada na primeira lei ( )Iη relaciona o trabalho realizado
no VC com o trabalho produzido em um processo hipotético isoentrópico desde o mesmo
estado de entrada até a mesma pressão de saída, sendo dada por:
=
&
&
vc
I
iso
W
η
m Δh
(7)
onde: isoΔh - Diferença entre as entalpias de entrada e saída do volume de controle, para
processo isoentrópico (kJ/kg); m& : Vazão mássica (líquido ou vapor) no volume de controle
(kg/s).
Associado ao uso da análise de exergia tem-se a segunda lei da termodinâmica ( )IIη .
Esse conceito envolve a comparação da taxa de transferência de trabalho real produzido no
processo com a variação de exergia avaliada entre o estado real de entrada e o estado real de
saída, como segue:
( )
=
−
&
&
vc
II
e s
W
η
m ex ex
(8)
No caso específico das caldeiras, as eficiências de primeira e segunda lei são
calculadas, respectivamente, pelas seguintes equações:
−
=
& &
&
s s e e
I
comb comb
m h m h
η
m PCI
(9)
−
=
& &
&
s s e e
II
comb comb
m ex m ex
η
m ex
(10)
onde: sh - Entalpia específica na saída da caldeira (kJ/kg); eh : Entalpia específica na entrada
da caldeira (kJ/kg); sex : Exergia específica na saída da caldeira (kJ/kg); eex : Exergia

24. 24
específica na entrada da caldeira (kJ/kg); combex : Exergia específica do combustível (kJ/kg);
&sm : Vazão mássica na saída da caldeira (kg/s); &em : Vazão mássica na entrada da caldeira
(kg/s); &combm : Vazão mássica de combustível consumido na caldeira (kg/s); combPCI : Poder
calorífico inferior do combustível (kJ/kg).
Para efeito de avaliação das plantas também serão considerados diferentes índices de
desempenho baseados na primeira lei da termodinâmica:
( )
( )
+
=
&&
&
total útil
comb comb
W Q
FUE
m PCI
(11)
=
+
η η
&
&&
comb comb
útiltotal
term-ref cald-ref
m PCI
IPE
QW
(12)
= −EEC 1 IPE (13)
=
−
η
&
&
&
total
útil
comb comb
cald
W
IGP
Q
m PCI
(14)
=
&
&
total
útil
W
RPC
Q
(15)
onde: FUE - Fator de utilização de energia; IPE – Índice de Poupança de Energia, EEC -
Economia de energia devido ao uso cogeração; IGP - Índice de geração de potência; RPC -
Razão potência-calor; totalW& - Potência total (elétrica+mecânica) (kW); útilQ& - Potência térmica
útil (kW); combm& - Fluxo de massa de combustível (kg/s); combPCI - Poder calorífico inferior
(kJ/kg); caldη - Eficiência térmica das caldeiras (%); ref-caldη - Eficiência térmica de uma
caldeira de referência que produz vapor saturado (77%); ref-termη - Eficiência térmica de uma
planta de potência de referência (40%).

25. 25
Existem alguns parâmetros importantes em usinas sucroalcooleiras, os quais estão
associados à produção ou consumo de vapor e eletricidade e à quantidade de bagaço (ou cana
moída), sendo os mesmos definidos por:
=
&
&
bag
bagvapor
vapor
m
R
m
(16)
=
&
&
vapor
vaporcana
cana
m
R
m
(17)
=
&
&
ele
potelecana
cana
W
R
m
(18)
=
&
&
vapor
vaporpotele
ele
m
R
W
(19)
=
+
&
& &
bag
bagpot
ele mec
m
R
W W
(20)
onde: Rbagvapor - Relação entre bagaço consumido e vapor produzido; Rvaporcana - Relação entre
vapor produzido e cana consumida; Rpotelecana - Relação entre potência elétrica gerada e cana
consumida (kWh/kg); Rvaporpotele - Relação entre vapor consumido e a potência elétrica gerada
(kg/kWh); Rbagpot - Relação entre bagaço consumido e potência total produzida (kg/kWh).
Para uma avaliação geral da planta, deve-se considerar toda a potência gerada, seja
elétrica ( eleW& ) ou mecânica ( mecW& ), toda energia térmica utilizada nos processos de
evaporação ( evapQ& ), destilação ( destQ& ) e condensação ( condQ& ), bem como a energia da fonte
quente da planta que é proveniente do bagaço ( comb combPCI m& ), definindo-se a eficiência global
( globalη ), conforme segue:
+ + + − −
=
& & && & &
&
ele mec evap dest bomb cond
global
comb comb
W W Q Q W Q
η
PCI m
(21)

26. 26
3.2. Análise termoeconômica
Após a análise termodinâmica, realiza-se a análise termoeconômica para a
determinação dos custos de produção. A análise de custo exergético ou exergoeconômico
envolve os balanços de custos para cada um dos componentes de um sistema. Assim, para um
dado componente (k) de que recebe calor e gera potência, o balanço de custo deve levar em
conta as taxas de custo (R$/s) associadas às exergias de entrada ( iC& ) e saída ( &
oC ), bem como
as taxas de trabalho ( &
wC ) e de transferência de calor ( qC& ), além da taxa de custo do
equipamento ( eC& ), considerando o custo do mesmo (Ce) e fatores correspondentes à
amortização (fa), despesas manutenção e operação fixas (fomf) e variáveis (fomv) com a
operação e manutenção, de acordo com o fator de carga (FC) e o número de horas de
operação (Toper), resultando na seguinte equação (Bejan et al., 1996):
( ) ( ) ( ) ( ) ( )i w q o ek k k k k
C C C C C+ = + +∑ ∑& & & & & (22)
sendo:
( )i i i i i iC c Ex c m ex= =& & & (23)
( )o o o o o oC c Ex c m ex= =& & & (24)
w wC c W=& & (25)
q qC c Q=& & (26)
( )
3600
e a omf omv
e
oper
C f f FC f
C
T
+ +
=& (27)
onde: c - Custo médio por unidade de exergia (R$/kJ); C - Custo monetário (R$); C& - Taxa
de custo exergoeconômico (R$/s); Ex& - Taxa de exergia (kJ/s); Q& - Taxa de calor (kJ/s);
W& - Taxa de trabalho (potência) (kJ/s).

27. 27
Vale destacar que o fator de amortização (fa) pode ser calculado em função da taxa
percentual de juros anual (j) e do número de anos de vida útil do equipamento (N), de acordo
com a seguinte equação (Bejan et al., 1996):
( )
( )
1
1
1
−
+
=
+
N
a N
j j
f
j
(28)
O custo médio por unidade de exergia do combustível ( combc ) é dado por:
= comb
comb
comb
C
c
ex
(29)
onde: combC - Custo médio por unidade de massa do combustível (R$/kg); combex - Exergia
específica do combustível (kJ/kg).
3.3. Método de solução
A solução numérica dos problemas será efetuada com a utilização do programa
IPSEPro, adquirido através do projeto principal da FAPESP ao qual está vinculado este
projeto, sendo que maiores informações sobre o mesmo podem ser obtidas em
www.simtechnology.com.
Os sistemas de equações oriundos da análise Termoeconômica (pgs. 26-27) serão
resolvidos utilizando o programa Engineering Equation Solver – EES (Klein, 1995).
4. Descrição dos Casos
4.1. Caso 1
A configuração inicial da planta, definida aqui como Caso 1, será destinada apenas à
produção de álcool e energia elétrica para consumo próprio, sendo constituída basicamente
por uma caldeira com capacidade de gerar vapor a 43 bares e 400 °C, um turbogerador de
Contra-Pressão para geração de 4.592 kWh, além de um difusor. Neste caso é considerado um
processamento de 8.000 toneladas de cana por dia.

28. 28
Tabela 1: Dados gerais da configuração do Caso 1.
Parâmetros Valores
Dias de safra 225
Horas efetivas de moagem 5.400 h
Moagem diária de cana 8.000 t/d
Moagem horária de cana 333,33 t/h
Teor de fibra da cana 12 %
Teor de fibra do bagaço 48,1 %
Relação bagaço-vapor 0,45
Consumo de bagaço na caldeira 70 t/h
Produção total de bagaço 83,16 t/h
Bagaço excedente 13,16 t/h
Vapor produzido 153 t/h
Tabela 2: Parâmetros operacionais do Caso 1.
Ponto m& [kg/s] T [ºC] P [bar] h [kJ/kg] s [kJ/kgK] ex [kJ/kg] Ex [kW]
1 42,50 400,00 43,00 3.209,10 6,73 1.206,65 51.284,70
2 45,56 327,89 43,00 3.028,75 6,45 1.110,87 50.608,17
3 20,83 327,89 43,00 3.028,75 6,45 1.110,87 23.143,12
4 24,72 327,89 43,00 3.028,75 6,45 1.110,87 27.465,05
5 10,56 327,89 43,00 3.028,75 6,45 1.110,87 11.725,92
6 14,17 327,89 43,00 3.028,75 6,45 1.110,87 15.739,14
7 20,83 279,24 2,50 3.028,75 7,71 733,29 15.276,78
8 10,56 261,55 2,50 2.992,95 7,65 717,13 7.569,69
9 31,39 273,30 2,50 3.016,71 7,69 727,78 22.844,23
10 14,17 127,41 2,50 2.650,73 6,89 601,67 8.524,59
11 45,56 217,01 2,50 2.902,89 7,47 679,50 30.956,03
12 48,61 144,15 2,50 2.752,80 7,14 628,31 30.544,11
13 47,78 144,15 2,50 2.752,80 7,14 628,31 30.019,51
14 47,78 127,41 2,50 535,35 1,61 60,77 2.903,56
15 47,78 122,63 2,16 535,35 1,61 60,70 2.899,96
16 50,28 122,64 2,16 514,98 1,56 55,64 2.797,30
17 44,17 122,64 2,16 514,98 1,56 55,64 2.457,31
18 44,17 120,00 2,16 503,81 1,53 52,91 2.337,04
19 44,17 120,54 43,00 508,92 1,53 57,44 2.537,11
20 1,67 254,66 43,00 1.108,57 2,84 267,69 446,15
21 0,83 144,15 2,50 2.752,80 7,14 628,31 524,60
22 2,50 30,00 2,16 125,94 0,44 0,30 0,75
23 3,06 122,65 2,50 515,02 1,56 55,67 170,11
24 3,06 122,64 2,16 514,98 1,56 55,64 170,00
25 6,11 122,64 2,16 514,98 1,56 55,64 339,99
26 3,06 122,64 2,16 514,98 1,56 55,64 170,00
27 3,06 123,18 43,00 520,10 1,56 60,18 183,88

29. 29
Figura 4: Representação da plana do Caso 1.

30. 30
Figura 5: Esquema representativo dos fluxos de massa no Caso 1.

31. 31
4.2. Caso 2
A configuração futura da planta, definida aqui como Caso 2, será destinada à produção
de álcool, açúcar e energia elétrica, tanto para consumo próprio como para comercialização. O
turbogerador irá operar com uma geração de 20.288 kWh de energia elétrica, resultando um
excedente de 12.822 kWh, uma vez que o consumo subirá para 7.466 kWh. Obviamente que
neste caso será exigido um aumento de processamento para 10.000 toneladas de cana por dia,
mesmo com o aproveitamento do vapor anteriormente estrangulado na válvula de redução de
pressão tendo 12 toneladas de bagaço como excedente.
Tabela 3: Dados gerais da configuração do Caso 2.
Parâmetros Valores
Dias de Safra 225
Horas efetivas de moagem 5.400 h
Moagem diária de cana 10.000 t/d
Moagem horária de cana 416,66 t/h
Teor de fibra da cana 12 %
Teor de fibra do bagaço 48,1 %
Relação bagaço-vapor 0,45
Consumo de bagaço na caldeira 91 t/h
Produção total de bagaço 103 t/h
Bagaço excedente 12 t/h
Vapor Produzido 201 t/h

32. 32
Tabela 4: Parâmetros operacionais do Caso 2.
Pontos m& [kg/s] T [ºC] P [bar] h [kJ/kg] s [kJ/kgK] ex [kJ/kg] Ex [kW]
1 55,84 400,00 43,00 3.209,10 6,73 1.206,65 67.375,56
2 12,23 400,00 43,00 3.209,10 6,73 1.206,65 14.752,11
3 43,61 400,00 43,00 3.209,10 6,73 1.206,65 52.623,45
4 13,34 311,85 43,00 2.985,02 6,37 1.089,13 14.525,50
5 13,34 241,07 2,50 2.951,55 7,57 699,27 9.325,94
6 43,61 127,41 2,50 2.668,12 6,93 606,11 26.433,26
7 56,95 135,63 2,50 2.734,50 7,10 623,22 35.491,20
8 57,23 130,68 2,50 2.723,72 7,07 620,35 35.500,21
9 56,39 130,68 2,50 2.723,72 7,07 620,35 34.981,13
10 56,39 127,41 2,50 535,35 1,61 60,77 3.426,88
11 56,39 122,47 2,15 535,35 1,61 60,69 3.422,21
12 59,45 122,48 2,15 514,28 1,55 55,46 3.297,13
13 58,06 122,48 2,15 514,28 1,55 55,46 3.220,10
14 58,06 120,02 2,15 503,88 1,53 52,93 3.072,93
15 58,06 120,55 43,00 508,99 1,53 57,46 3.335,99
16 2,22 254,66 43,00 1.108,57 2,84 267,69 594,87
17 0,84 130,68 2,50 2.723,72 7,07 620,35 519,08
18 3,06 30,00 2,15 125,94 0,44 0,30 0,91
19 1,39 122,48 2,15 514,28 1,55 55,46 77,03
20 0,28 122,48 2,15 514,28 1,55 55,46 15,41
21 1,11 122,48 2,15 514,28 1,55 55,46 61,63
22 0,28 122,48 2,50 514,33 1,55 55,50 15,42
23 1,11 123,01 43,00 519,41 1,56 60,01 66,67

33. 33
Figura 6: Representação da planta do Caso 2.

34. 34
Figura 7: Esquema representativo dos fluxos de massa no Caso 2.

35. 35
5. Resultados e Discussões
5.1. Resultados das análises termodinâmicas
A Tabela 5 apresenta os índices de desempenho termodinâmicos dos casos estudados,
com base na primeira lei da termodinâmica. Observa-se que em termos do fator de utilização
de energia (FUE) os modelos propostas para os casos são equivalentes. Já a economia de
energia dada a cogeração (EEC) bem como o índice de geração de potência (IGP) são
melhores no Caso 2, devido ao aumento de produção de potências pelo turbo gerador. O
aumento significativo da quantidade de bagaço queimado na caldeira, juntamente com
aumento da quantidade de energia produzida, proporcionam ao Caso 2 uma melhor razão
potência calor (RPC).
Já na Tabela 6 nota-se que em termos de rendimento global da planta, os Casos
estudados são equivalentes.
A eficiência pela primeira e segunda lei da termodinâmica da caldeira para ambos os
casos na Tabela 7. Nota-se que a caldeira no Caso 2 é levemente mais eficiente tanto em
temos da primeira lei quanto da segunda lei.
Tabela 5: Índices de desempenhos das plantas.
Casos FUE IPE EEC IGP RPC
1 0,7372 1,0030 -0,0030 0,3881 0,0467
2 0,7367 0,9229 0,0771 0,5997 0,1674
Tabela 6: Rendimento global das plantas.
Casos globalη (%)
1 55,87
2 55,83
Tabela 7: Eficiências da caldeira.
Casos Iη (%) IIη (%)
1 76,96 24,85
2 77,78 25,12

36. 36
Na Tabela 8 tem-se a eficiência da turbina, assim como na situação da caldeira, a
turbina também é mais eficiente no Caso 2.
Os parâmetros de usinas sucroalcooleira são apresentados Tabela 9. Nota-se que a
razão bagaço/vapor e a praticamente a mesma em ambos os Casos, porém a razão vapor/cana
é maior no Caso2. Já a razão potencia elétrica/ cana é superior ao Caos 2. Tanto a razão
vapor/potência elétrica e razão bagaço/potencia elétrica são maiores no Caso1.
Tabela 8: Eficiências da turbina.
Casos Iη (%) IIη (%)
1 64,79 70,53
2 74,69 77,24
Tabela 9: Parâmetros de usinas sucroalcooleira.
Casos bagvapR vaporcanaR potelcanaR vaporpoteleR bagpotR
1 0,457 0,459 49,594 0,009 0,004
2 0,453 0,482 174,770 0,003 0,001
5.2. Resultados das análises termoeconômicas
5.2.1. Custo dos equipamentos
Os custos dos equipamentos das configurações estudadas foram estimados a partir de
informações disponíveis na literatura (Gas Turbine World Handbook, 2001-2002, Garagatti
Arriola, 2000 e Uchôa, 2005).
Para obtenção das taxas já amortizadas fizeram-se as seguintes considerações,
dispostas na Tabela 10:
Tabela 10: Constantes relativas às analises termoeconômicas.
fomf 0,09 Toper (h) 3.600
fomv 0,01 i 0,12
FC 0,75 n 20

37. 37
A Tabela 11 apresenta os custos estimados dos equipamentos para representar os
modelos termodinâmicos dos Casos 1 e 2. Já a Tabela 12 apresenta as taxas anuais com
amortização, para os equipamentos relacionados na Tabela 11.
Tabela 11: Custo estimado dos equipamentos.
Equipamento Custo estimado [R$]
Bomba 100.000,00
Caldeira (43 kgf/cm2
) 5.800.000,00
Condensador/Evaporador 800.000,00
Desaerador 1.300.000,00
Turbina de contrapressão 2.000.000,00
Turbo bomba 450.000,00
Válvula redutora 50.000,00
Tabela 12: Taxas de custo de equipamentos.
Equipamento Taxa anual com amortização [R$/s]
Bomba 0,00179
Caldeira (43 kgf/cm2
) 0,10378
Condensador/Evaporador 0,01431
Desaerador 0,02326
Turbina de contrapressão 0,03579
Turbo bomba 0,00805
Válvula redutora 0,00089

38. 38
5.2.2. Resultados Caso 1
As Figuras 8 e 9 mostram, respectivamente, os custos da energia e do vapor
produzido, em função do custo do bagaço para Caso 1.
Figura 8: Custo da energia produzida versus custo do bagaço para Caso 1.
Figura 9: Custo vapor de processo versus custo do bagaço para Caso 1.

39. 39
5.2.3. Resultados Caso 2
As Figuras 10 e 11 mostram, respectivamente, os custos da energia e do vapor
produzido, em função do custo do bagaço para Caso 2.
Figura 10: Custo da energia produzida versus custo do bagaço para Caso 2.
Figura 11: Custo vapor de processo versus custo do bagaço para Caso 2.

40. 40
Sabe-se que pelas Figuras 8 e 9 que seria economicamente inviável construção de tal
planta, entretanto sabe-se também que a verdadeira intenção dos proprietários da usina é
operar no Caso 2, uma vez que as Figuras 10 e 11 revelam resultados economicamente mais
viáveis, entretanto como o custo inicial do Caso 2 na prática são maiores, pois se tem
associado a produção adicional de açúcar, é preferível iniciar o projeto produzindo apenas
álcool e posteriormente com a injeção de novos recursos, expandir o processo industrial. Vale
apenas lembrar que os equipamentos do Caso 1 e Caso 2 são basicamente os mesmos.
Para efeito de comparação de resultados, foi elaborada a Tabela 13, considerando-se o
custo do bagaço como sendo de R$ 20,00 por tonelada, verifica-se que haveria a possibilidade
de comercialização no preço atual pago nos leilões de energia (~R$140,00), ainda com um
pequeno lucro no Caso 2. Mas o custo do bagaço é algo que ainda precisa ser melhor definido
pelas usinas.
Tabela 13: Comparação entre os custos de produção de eletricidade e vapor.
Caso Custo da Eletricidade (R$/MWh) Custo do Vapor (R$/t)
1 354,63 33,62
2 113,84 12,30
6. Conclusões e Sugestões
O modelo de plantas estudado aparentemente tem um rendimento global equivalente,
nota-se que o Caso 2 torna-se mais interessante por apresentar melhores eficiências de
caldeiras e turbina. Além do mais apresenta melhores índices de desempenho termodinâmico
além de possuir relativamente melhores parâmetros de usinas sucroalcooleira, pois diferente
do Caso 1 esta proposta aproveita melhor o bagaço, e gera uma maior quantidade de energia.
Em termos termoeconomicos o Caso 2 também é mais viável por possuir um menor
custo de produção de vapor associado à um menor custo de produção de eletricidade.
Recomenda-se para trabalhos posteriores uma melhor estimativa do custo melhorando
os modelos de plantas utilizados neste trabalho, detalhando melhor os fluxos exergéticos
presentes nos processos. Para tanto será necessário recorrer à literatura para que se possa
estimar as propriedades termodinâmicas do caldo, açúcar e xarope de cana.

41. 41
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