Produção De álcool Na Fazenda E Em Sistema Cooperativo

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Produção de Álcool na Fazenda e em Sistema Cooperativo Juarez de Souza e Silva Professor Titular do Departamento de Engenharia Agrícola Universidade Federal de Viçosa Viçosa - MG Produção de Álcool na Fazenda e em Sistema Cooperativo Viçosa – Minas Gerais 2007 Ficha catalográfica preparada pela Seção de Catalogação e Classificação da Biblioteca Central da UFV P964 2007 Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo / Juarez de Sousa e Silva, editor. – Viçosa, MG, 2007. vi, 168p. : il. (algumas col.) ; 22cm. Inclui apêndice. Referências bibliográficas: p. 151-152. 1. Álcool como combustível - Indústria. 2. Cooperativas agrícolas. I. Silva, Juarez de Sousa. CDD 22.ed. 662.6692 P REFÁCIO Com a produção crescente de automóveis do tipo Total Flex e com o preço do petróleo em alta, o consumo do álcool combustível e a necessidade de reduzir as emissões de gases oriundos da queima de derivados do petróleo, estão apontando para uma mesma direção. Seguindo este padrão crescente, o Brasil pode facilmente abastecer, com exportações, parte da demanda internacional por “combustíveis limpos”. Apesar de possuir a tecnologia para produção de álcool em grandes destilarias, pouco se sabe sobre produção de álcool em se tratando de fazendas ou de pequenos empreendimentos e, devido ao tamanho de nossas propriedades agrícolas, os agricultores brasileiros têm capacidade para produzir combustível em quantidade suficiente para suprir a demanda da propriedade e da família e até mesmo vender o excesso produzido para um sistema cooperativo, sem provocar danos ao meio ambiente, como acontece atualmente com a grande produção de álcool. Além do álcool para movimentar motores, a produção de álcool torna possível outras operações, como iluminação e como insumo para a agroindústria cooperativa ou familiar, com conseqüente aumento e distribuição de renda. Este manual tem por objetivos mostrar possibilidades, fornecer subsídios e alternativas para a adoção da produção de álcool combustível ou álcool industrial, tanto para a produção individual como em sistema de comercialização cooperativo, a fim de atender comunidades distantes dos grandes centros produtores ou regiões onde a mecanização intensa não seja viável. Será mostrado que a pequena produção pode ser utilizada para atender tanto às necessidades da fazenda como para a geração de renda por meio da comercialização em grupo (cooperativa), onde será instalada uma unidade central de retificação dentro dos padrões exigidos pelas leis brasileiras. Se contar com a participação do produtor tradicional de cachaça, a produção de combustível a partir dos resíduos da cachaça contribuirá, significativamente, para a redução de perdas e para a melhoria da qualidade da bebida. Além de modelos de pré-destilares e de colunas de retificação para atender à pequena produção individual, será disponibilizado um programa desenvolvido para simular o processo de destilação, que determina: (1) o total de álcool evaporado durante o processo; (2) a concentração do álcool produzido; (3) a taxa de fluxo líquida no compartimento do evaporador; (4) a variação de concentração de álcool dentro do evaporador; e (5) a taxa de transferência de calor no evaporador. Similarmente, uma planilha para avaliação de despesas e receitas e fluxo de caixa será disponibilizada, para facilitar a tomada de decisão na adoção do projeto. Depois de cuidadoso estudo dos Capítulos VI e VII, o leitor terá condições de construir os próprios pré-destiladores e colunas para produção de álcool na fazenda Juarez de Sousa e Silva A GRADECIMENTO Ao SEBRAE (Nacional e de Minas Gerais), à FPEMIG e ao CENTEV-UFV, pelo apoio. Aos senhores Antônio Pedro Machado (Inhame), Carlos Alberto Pinto (Pintinho) e Geraldo Lopes de Carvalho Filho (Geraldinho), cujas colaborações foram imprescindíveis para a realização do presente trabalho. Especialmente, agradeçemos ao pesquisador Edney Alves Magalhães pelas sugestões finais. D EDICATÓRIA É impossível participar de um programa de “incentivo” ao desenvolvimento da família rural criando atividade que produz, por hectare, rendimento anual inferior a um salário mínimo brasileiro. Portanto, dedico este trabalho a todos aqueles que estão realmente interessados em colaborar com o desenvolvimento do agricultura familiar, especialmente ao Dr. Marcello Guimarães Mello, ex-diretor do Departamento Nacional de Combustíveis (1992/93) e idealizador do Programa Álcool em Pequenas Propriedades (Pronal). S UMÁRIO INTRODUÇÃO GERAL 13 CAPÍTULO I Noções sobre Fermentação e Produção de Álcool na Fazenda Generalidades Álcool a partir do caldo fermentado Álcool a partir de pré-destilados Rendimento em álcool Processo de destilação 17 17 28 35 37 39 CAPÍTULO II Produção Integrada de Álcool Combustível em Sistema Cooperativo 49 Introdução 49 Considerações gerais 52 CAPÍTULO III Planejamento e Viabilidade Econômica de uma Microdestilaria Generalidades Planejamento de uma md para 200.000 l anuais 63 63 65 CAPÍTULO IV Avaliação de um Evaporador para Destilação Contínua Definição da área de estudo Sistema de aquecimento evaporativo 75 75 76 Construção da fornalha Isolamento térmico da campânula Matéria-prima para os testes Execução dos testes Resultados 77 79 80 85 87 CAPÍTULO V Análise Física do Evaporador Contínuo e Programa para Dimensionamento Generalidades Desenvolvimento do programa Resultados Conclusões 99 99 101 119 125 CAPÍTULO VI Construção do Pré-Destilador Modelo UFV 127 CAPÍTULO VII Microdestilador com Dupla Coluna para Aproveitamento de Resíduos da Cachaça 141 REFERÊNCIAS 151 APÊNDICE A Programa Computacional 153 APÊNDICE B Propriedades Físicas da Mistura Etanol-água 166 I NTRODUÇÃO GERAL 1. Necessidade do combustível Desde a primeira crise do petróleo, na década de 1970, a utilização de energia renovável tem sido pesquisada e incentivada. Nesse contexto, foi lançado no Brasil o Pró-Álcool (Programa Nacional do Álcool), que visou à inclusão do álcool carburante na matriz energética nacional. As metas de então foram a produção de cerca de 11 bilhões de litros anuais. Essa produção foi utilizada, principalmente, para substituir a gasolina em veículos automotores (álcool hidratado) e para adição à gasolina como antidetonante (álcool anidro). Na década de 1980, a produção de automóveis a álcool chegou a mais de 90% do total de veículos pequenos fabricados no Brasil. Em razão de problemas políticos, o programa foi praticamente desativado e o número de veículos fabricados que ainda utilizam apenas o álcool carburante ficou abaixo de 5% até 2004. Mesmo assim, o Brasil tem sido apontado como o país que implementou o maior programa de uso de fontes renováveis de energia, graças ao Pró-Álcool. Vale lembrar que a produção de álcool é usada para ser adicionada na gasolina e que os derivados da cana-de-açúcar representavam, em 2003, mais de 10% do uso de energia primária no Brasil. Mais recentemente, as pessoas têm sido despertadas para questões não somente energéticas, mas também ambientais. Prova disso foram as notáveis reuniões da liderança mundial, que, na RIO–92, em Kioto no ano de 2002, em Joanesburgo e na RIO+10, declararam a 14 Introdução geral importância de diminuir os níveis de gases indutores de efeito estufa; mais recentemente, em março de 2007, a comunidade européia adotou medidas para reduzir as emissões de gases em até 20%. Simultaneamente, Brasil e Estados Unidos assinaram acordo para o setor de biocombustíveis. Nesse contexto, a revitalização do programa nacional do álcool contribuirá, certamente, para a redução desses gases, em razão do seqüestro de carbono pelas grandes plantações de cana-de-açúcar e soja para sustentar os programas de produção de álcool e biodiesel, respectivamente. É notório o aumento do mercado do álcool no cenário mundial, principalmente nos Estados Unidos, e diversos outros países têm a intenção de adicionar percentuais crescentes de álcool à gasolina com a finalidade de diminuir a poluição em suas cidades. Além disso, a adoção da tecnologia do Pró-Álcool permite levar a horizontes mais otimistas quanto à possível revitalização do uso do álcool de forma mais agressiva na matriz energética nacional. Nesse particular, o desenvolvimento, pela indústria automobilística brasileira, do veículo com motor híbrido – que pode usar com eficiência diferentes misturas de álcool e gasolina – permitirá aperfeiçoar o benefício que o combustível alternativo pode levar ao meio ambiente. Além da possibilidade e necessidade de muitos setores produtivos produzirem energia própria para redução de custos, uma política de flexibilização ou quebra do monopólio de distribuição do álcool pela estatal Petrobrás está sendo vista como o fator que influenciará positivamente o uso do álcool carburante, energético e industrial. Essa flexibilização permitirá que o álcool não seja, necessariamente, levado às distribuidoras de derivados de petróleo para ser distribuído, mas que ocorra a distribuição, entre outras formas, diretamente aos postos de combustíveis das redes credenciadas. Esse sistema reduziria grandemente os custos de transporte do álcool, o qual é, invariavelmente, feito por veículos que utilizam o óleo diesel. Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 15 2. Processos de separação Como será visto mais adiante, a destilação é um processo usado para separar os componentes de uma solução líquida e depende da distribuição destes entre as fases de vapor e líquida. A fase de vapor é criada da fase líquida, pela sua vaporização no ponto de ebulição. O requerimento básico para separação dos componentes é de que a composição do vapor seja diferente da composição do líquido com o qual ele se encontra em equilíbrio no ponto de ebulição do líquido. Vaporização e condensação são os dois processos de mudança de fase que podem ocorrer em uma interface sólido-líquido e sólido-vapor, respectivamente. Nesses casos, os efeitos do calor latente, associados à mudança de fase, são significativos. Segundo Incropera e Witt (1992), a ebulição e a condensação envolvem movimento de fluido e, por isso, são classificadas como espécies de modos convectivos de transferência de calor. Devido à mudança de fase, é possível a transferência de calor do fluido, ou para o fluido, sem alteração da sua temperatura. Na ebulição e na condensação, é possível conseguir taxas elevadas de transferência de calor com pequenas diferenças de temperatura. Como em uma convecção simples, de acordo com Pitts e Sissom (1977), um coeficiente de transferência de calor h é usado para relacionar o fluxo de calor e a diferença de temperatura entre a superfície aquecedora (Ts) e o líquido saturado (Tsat). Entretanto, os processos de mudança de fase envolvem variações de densidade, viscosidade, calor específico e condutividade térmica do fluido. O calor latente é liberado no caso da condensação e absorvido na vaporização. As determinações dos coeficientes de transferência de calor na ebulição e na condensação são bem mais complicadas do que para processos convectivos com uma única fase. Assim, a maioria dos cálculos envolvendo a ebulição e a condensação é realizada por meio de correlações empíricas. Uma aproximação simplificada para determinação da transferência de calor em escoamento com ebulição é feita pela adição 16 Introdução geral dos efeitos (a) convectivo (convecção natural ou forçada sem o efeito de ebulição, q A conv ) e (b) de ebulição ( q A ebu ). Quando um fluido se encontra em um recipiente cuja face inferior é aquecida, para taxas pequenas de adição de calor, vapor se formará na superfície livre. À medida que o fluxo de calor aumenta, bolhas se formam na região de aquecimento e se movimentam para cima no fluido. A formação de bolhas, com a agitação provocada, é denominada de ebulição. Se o recipiente se encontra sobre uma superfície que é mantida a uma temperatura acima da temperatura de saturação do líquido, a ebulição pode ocorrer e o fluxo de calor dependerá da diferença entre as temperaturas da superfície e a temperatura de saturação (HOLMAN, 1976). De acordo com o exposto, o primeiro capítulo deste manual será dedicado a oferecer noções básicas sobre fermentação e produção de álcool em pequena escala. No Capítulo II são apresentadas idéias e a importância da produção integrada de álcool combustível em sistema cooperativo. No terceiro capítulo o leitor obterá noções do planejamento e o estudo da viabilidade econômica de uma micro destilaria. No Capitulo IV são mostrados os detalhes e o comportamento de um evaporador para produção contínua de álcool em pequena escala e, no Capítulo V, é feita uma analise física com o intuito de gerar um programa computacional para simulação do referido evaporador, trabalhando sob diferentes condições. Já nos Capítulos VI e VII, depois de cuidadoso estudo, o leitor terá condições de construir os próprios pré-destiladores e colunas para produção de álcool na fazenda. C APÍTULO I Noções Sobre Fermentação e Produção de Álcool na Fazenda Juarez de Sousa e Silva Julio César de Jesus Sandra Maria Couto Generalidades O álcool de cana, se considerado como uma alternativa para a geração de empregos em um país com excesso de mão-de-obra pode, ainda, gerar ganhos com a redução na importação de combustíveis fósseis e rendimento com a possibilidade de exportação do álcool excedente. Deve-se, também, salientar o aspecto ambiental, já que o álcool gera menor quantidade de resíduos tóxicos e contribui para uma menor emissão de gases causadores do efeito estufa. Como o material gerado (CO2) é seqüestrado pela fotossíntese quando do crescimento ou da formação do novo canavial, o Brasil poderá, ainda, ser beneficiado com a comercialização dos créditos de carbono. No que se refere ao uso do álcool combustível, este pode ser utilizado em motores de ciclo Otto ou Diesel. Nos motores de ciclo Otto, o álcool pode ser utilizado por meio da mistura de álcool anidro com gasolina ou puro, na forma de álcool hidratado. Em motores diesel, ele pode ser utilizado de quatro formas: mistura de álcool com emulsificantes; mistura de álcool com óleo diesel; em motor com duplo 18 Capítulo 1 sistema de injeção, um para o álcool e outro para o óleo diesel; na instalação de sistema de carburação para misturar o álcool ao ar aspirado pelo motor. O álcool, apesar da possibilidade de ser obtido por síntese química, é mais econômico produzi-lo, devido às condições de terra e clima do Brasil, a partir da fermentação, em que açúcares de diferentes matériasprimas são desdobrados em álcool e dióxido de carbono, por ação dos chamados fermentos alcoólicos ou leveduras. Na produção por fermentação, o álcool é obtido por destilação em alambiques simples ou, industrialmente, em colunas especiais e de forma contínua. Se o teor de álcool, após a operação de destilação, for de 80 % ou mais, o líquido é chamado de álcool hidratado e se for apenas ao redor de 50 % o líquido é denominado aguardente, que é, em geral, utilizado como bebida. Processo de fermentação Fermentação alcoólica é a transformação de açúcares em álcool etílico (etanol) e gás carbônico (CO2) pela ação de um determinado grupo de organismos unicelulares denominados leveduras. Os mais importantes e usados na produção do etanol são os do gênero Saccharomyces. Esses organismos são desenvolvidos para propiciar fermentação uniforme, rápida e com alto rendimento em etanol. As leveduras devem ser tolerantes a grandes variações de temperatura, a níveis de acidez (pH) e a altas concentrações alcoólicas. Elas podem crescer na presença ou na ausência de oxigênio e, em um ciclo normal de fermentação, usam o oxigênio do início do processo até que ele seja todo consumido. Somente durante o período anaeróbio é que as leveduras produzem o etanol. Apesar de as leveduras resistirem a um ambiente anaeróbio, elas são essencialmente aeróbias. Por essa razão, na preparação do “pé de cuba” ou “pé de fermentação”, deve-se fornecer oxigênio ao mosto para que ocorra um crescimento intenso da população de organismos. Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 19 No caso da fermentação propriamente dita, deve-se evitar a oxigenação para se obter o máximo em álcool e o mínimo em crescimento celular. A falta do controle de temperatura, que é um fator importante na conversão de açúcar em etanol, causa reações indesejáveis e altera o rendimento e a qualidade do produto final (aguardente ou álcool combustível). A fermentação inicia-se logo após a adição do fermento ao caldo. Todavia, existem três fases da fermentação depois da adição do fermento: na fase inicial os organismos vão se adaptando ao novo ambiente e começam a crescer; nesta fase, o mosto, mesmo sem ter sido oxigenado, contém, ainda, uma determinada quantidade de oxigênio para facilitar o início do desenvolvimento das leveduras. O aumento de temperatura nesta fase é insignificante e não se nota formação de bolhas, que caracterizam o desprendimento de gás carbônico na produção do etanol. Após 30 minutos, as leveduras começam a se reproduzir rapidamente e o número de organismos aumenta exponencialmente. Dióxido de carbono (CO2) é liberado em grandes quantidades, com borbulhamento intenso. Com o prosseguimento da fermentação, o fermento tende a se aglomerar (floculação). Essa fase é conhecida como “ fermentação principal” ou “tumultuosa”. É nessa fase que se detecta um aroma agradável e característico. Também, a temperatura e o teor alcoólico amentam, com correspondente redução no teor de açúcar do mosto. A última fase é a estacionária; o alimento começa a ficar escasso e a taxa de crescimento das leveduras é reduzida. A produção de gás carbônico diminui e o fermento precipita. As três fases da fermentação alcoólica, em condições normais, têm duração máxima de 36 horas. É durante a fermentação tumultuosa, em que ocorre um grande desprendimento de CO2, principalmente, que se torna necessário o controle da temperatura por meio da refrigeração interna ou externa das dornas (CLEMENTE 1995). Além da necessidade de se preparar adequadamente o caldo, o sucesso do processo de fermentação só será alcançado quando mantido o controle adequado da higiene, da temperatura e das instalações que compõem a destilaria. 20 Capítulo 1 Biomassa para produção de álcool Por meio da fermentação, o etanol pode ser produzido com quatro tipos básicos de matéria-prima: Matéria-prima açucarada – produto no qual o carboidrato está presente na forma simples. Dentre as matérias-primas que contêm as substâncias diretamente fermentáveis estão a cana-de-açúcar, a beterraba açucareira, frutas, mel, etc. A cana-de-açúcar é uma das matérias-primas açucaradas que apresentam maior viabilidade econômica. Como o processo é de simples conversão de energia, ela é considerada uma matéria-prima ideal para a produção de álcool combustível em nosso país. Além do álcool, produz biomassa para a destilação e resíduos para fertilizante. Matérias-primas amiláceas – entre os materiais que contêm carboidratos mais complexos, como o amido, que podem ser transformados por hidrólise com ácido ou por ação de enzimas em moléculas simples com seis ou doze carbonos, estão o milho, o sorgo, as batatas e a mandioca. Tais produtos, muito ricos em amido e amplamente difundidos no Brasil, podem, depois da cana-de-açúcar, ser considerados os mais viáveis economicamente para a produção de álcool combustível. Matérias-primas celulósicas: as matérias celulósicas de maior importância na produção de álcool são os resíduos agrícolas e a madeira. Entretanto, a produção de álcool por meio da celulose é mais complexa quando comparada com o processo de matérias-primas açucaradas e ou ricas em amido. Em grandes unidades produtoras de álcool, deve-se avaliar, economicamente, a utilização do bagaço da cana para álcool ou para geração de eletricidade. Matérias-primas fermentadas: são constituídas por matérias já fermentadas (vinho e cerveja) e destiladas (aguardentes). Nesse caso, o álcool já se encontra presente e a sua separação é feita por destilação simples. A não ser o álcool residual da produção de aguardente de qualidade, as matérias-primas não constituem uma fonte normal de produção econômica de álcool, sendo utilizadas apenas em alguns casos, Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 21 como, por exemplo, quando grandes volumes de bebidas se tornam impróprias para o consumo humano. Para uma matéria-prima ser considerada economicamente viável, deve-se levar em conta os seguintes requisitos: teor do elemento fermentável, custo de produção, custo de transformação, disponibilidade e custo do transporte. Embora o álcool possa ser obtido a partir de diferentes fontes alternativas, como mencionadas anteriormente, a cana-de-açúcar, pela maneira como é cultivada, é a matéria-prima mais importante e mais aconselhada para a produção de álcool no Brasil. Quando o produtor de aguardente tem a intenção de manter a qualidade de seu produto, ele deveria, obrigatoriamente, tratar a fermentação de forma correta. Como dito anteriormente, a fermentação deveria ser processada de tal forma que, pela ação de leveduras, transformasse todo açúcar em etanol e gás carbônico. Caso o produtor queira produzir aguardente, álcool combustível ou pré-destilado para retificação posterior, usando um mesmo material fermentado, ele deverá manter, além de um controle rigoroso no processo, um fermento artesanal com o desenvolvimento de microrganismos específicos. Evitando a contaminação do mosto fermentado ou vinho com microrganismos inadequados, a qualidade da aguardente será mantida. Por outro lado, não se deve esperar um alto rendimento em álcool. Um processo prático para a produção de etanol seria armazenar os resíduos (cabeça e cauda) da fabricação de aguardente de qualidade para que sejam destilados para a produção exclusiva de combustível, cujo vinho deverá ser produzido a partir de um fermento industrial de qualidade. Por questões de conveniência, um pequeno produtor deveria optar pela produção de álcool combustível com o mesmo tipo de vinho utilizado para a produção de aguardente, pois, mesmo que isto acarrete menor rendimento na produção de álcool, o padrão de qualidade da aguardente para o mercado consumidor será mantido, sem mudanças no seu processo produtivo. 22 Capítulo 1 O químico francês Louis Pasteur comprovou que a fermentação é provocada pelo processo vital de microrganismos. Para suas condições de trabalho, o químico obteve, a partir de 100g de glicose, 48,5g ou 61ml de etanol a 15°C. Comparativamente com os resultados atuais, obtidos com tecnologia avançada em laboratório, os de Pasteur foram excelentes. Convém ressaltar que, mesmo com os grandes avanços tecnológicos, o rendimento obtido por Louis Pasteur é usado na avaliação da eficiência da fermentação, sendo conhecido como Rendimento de Pasteur. Outro método usado para o cálculo da eficiência do processo de fermentação, de forma criteriosa, é relacionar o teor alcoólico real da destilação com o valor teórico da equação de Gay Lussac, equação (1.1). Na equação clássica de Gay Lussac, os açúcares são fermentados para a formação do álcool e liberação de gás carbônico. A diferença entre os dois métodos se deve às perdas no processo produtivo, tendo como causa principal o consumo de açúcar por microrganismos indesejáveis ao processo de fermentação e evaporação (LIMA, 2002). Os rendimentos acima são impossíveis de se conseguir na prática, pois o processo de fermentação é muito complexo para ser descrito por uma reação química de biodegradação como a de Gay Lussac. O rendimento que se pode esperar, na prática, vai depender, dentre outros fatores, do tipo da destilaria, do tipo de levedura e, principalmente, do gerenciamento empregado (será detalhado mais adiante). C6H12O6 Glucose 2 C2H5OH + 2CO2 + Calor etanol (1.1) Gás carbônico Fermentação do caldo açucarado As dornas de fermentação ou reservatórios onde se processa a fermentação devem ser construídas em aço carbono ou aço inoxidável (preferencialmente), possuir fundo cônico, serpentina para controle de temperatura do vinho, possuir agitadores e serem instaladas em bases suspensas. As dornas principais devem ser dispostas uma ao lado da Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 23 outra na sala de fermentação (Figura 1.1), mantendo-se um espaçamento entre elas para facilitar a movimentação livre de uma pessoa. Figura 1.1 - Sala de fermentação com várias dornas com fundo cônico em aço inoxidável. A sala de fermentação deve ser arejada e de fácil acesso para facilitar a lavagem e a higienização total da sala. Chaves (2002) indica alguns cuidados na construção da sala de fermentação, tendo em vista a necessidade de limpeza e da estabilidade de temperatura (Figura 1.2). Antes de iniciar o processo de fermentação os seguintes cuidados devem ser tomados: • Escolher cana madura e de boa qualidade e sem palha; • Manter boa higiene das moendas; • Moer a cana no máximo 48 horas depois do corte (melhor seria moer no mesmo dia da colheita); • Coar com peneira fina para separação do bagacilho; • Fazer uma cuidadosa decantação para separação de materiais pesados existentes no caldo; 24 Capítulo 1 • Caso o processo seja executado unicamente para a produção de álcool, fazer a esterilização do caldo por meio de aquecimento e resfriamento; • Caldo com teor de açúcar acima de 16 Brix está sujeito a fermentação com atraso ou incompleta. Ao atingir 16 % de álcool no vinho, as atividades das leveduras são paralisadas e, caldo muito abaixo de 16 Brix apresenta baixo rendimento em álcool, o que implica em aumento dos custos da destilação; • Quando o teor de açúcar estiver acima de 16 Brix, deve-se fazer uma diluição para esse valor, conforme equação (1.2), mantendo a temperatura do caldo na faixa de 25 a 30oC. Normalmente, o teor de açúcar de um caldo de cana madura e de boa qualidade é de 22 Brix. • Para evitar contaminação, fazer a diluição com água potável de boa qualidade; e • Fazer a correção da acidez para pH entre 4,5 e 5 (um bom fermento desenvolve melhor nessa faixa). As seguintes correções devem ser realizadas: (a) para pH abaixo de 4, devese adicionar ao mosto um produto alcalino como o bicarbonato de sódio ou hidróxido de sódio, essa correção diminui a produção de ácidos superiores; e (b) caso o pH esteja acima de 5, faz-se a adição de ácido cítrico comercial ou, de uma forma mais artesanal, usar o caldo de limão, que reduzirá a produção de ácido acético e de furfural. Volume Total = Volume do Caldo x Brix do Caldo (1.2) Brix Desejado Exemplo: pretende-se reduzir, de 21 para 16, o teor de açúcar de 1.000L de caldo de cana. Quantos litros de água serão necessários? (21 – 16) Vol. de água = 1.000 x ; 16 Vol. de água = 312, 5L. Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 25 Figura 1.2 - Resfriamento de dorna com água fria. Assim, o volume total será de, aproximadamente, 1.312L (caldo mais água). O rendimento, em caldo, que se espera de uma cana de qualidade e utilizando moendas de média capacidade é de aproximadamente 600L por tonelada. Com fermentação e destilação normal, pode-se obter, em média, 65L de álcool 92%. Seguindo todas as etapas mencionadas, tem-se o produto, classicamente, denominado de mosto, que é a solução considerada ideal para o início do processo de fermentação. O controle adequado desse processo resultará no êxito do processo de destilação, no qual é recuperado o álcool formado durante a fermentação do mosto (LIMA, 1999). Temperatura Durante a fermentação, o metabolismo das leveduras libera 11,7kcal por quilo de substrato consumido (LIMA 2002). A temperatura 26 Capítulo 1 é um fator importante, pois influencia o processo de transformação, podendo, dependendo do seu valor, causar a morte das leveduras. Há divergências entre autores no que diz respeito ao valor ótimo da temperatura a ser usada no processo de fermentação. O conhecimento desta grandeza é de suma importância, pois irá definir, dentro de margens ideais, uma maior produção de álcool. Nutrientes O caldo de cana, que é pobre em proteínas e sais minerais, necessita de adição complementar de nutrientes para que a fermentação ocorra satisfatoriamente. Essa adição deve ser realizada em proporções específicas para cada processo. Segundo Chaves (2002), a suplementação é feita com o fubá de milho integral (5,0kg), farelo de arroz (1,0kg) e farelo de soja (2,0kg) para cada mil litros de mosto. A adição excessiva desses nutrientes aumenta a produção de produtos secundários, influenciando o rendimento do fermento. Composição do vinho Após a fermentação, o mosto fermentado recebe a denominação de vinho e apresenta constituições variáveis, envolvendo substâncias gasosas, sólidas e líquidas. As primeiras são representadas, principalmente, pelo dióxido de carbono dissolvido em pequena proporção no vinho. As sólidas se fazem presentes pelas células de leveduras, bactérias, sais minerais, açúcares não-fermentados e impurezas não-filtradas depois da moagem que ficam em suspensão no vinho. A água e o etanol são as substâncias líquidas mais importantes presentes nos vinhos. Produtos secundários como aldeído acético, ácido succínico, ácido acético, ácido lático, ácido burítico, ésteres, álcoois superiores e, às vezes, o furfural, estão presentes. A água e o etanol, nos vinhos comuns, são encontrados em percentagens que variam, respectivamente, de 88-93 % a 7-12 % (BORZANI, 1988). Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 27 O vinho, quando a leitura do Brix for aproximadamente zero, deve ser destilado imediatamente, independentemente da sua finalidade, para evitar que o álcool se transforme em vinagre e provoque variações na qualidade do produto final (CHAVES, 2002). Processo da fermentação alcoólica A variação dos processos fermentativos, na prática, só pode ser estimada com segurança por tentativas. A partir de resultados obtidos em escala de laboratório, procura-se determinar as condições de trabalho favoráveis em fermentadores de maior capacidade. Conhecendo esses resultados, dimensiona-se valores semelhantes para tanques de maior capacidade, estabelecendo as melhores condições de operação (BORZANI, 1988). A fermentação na indústria de álcool pode ser conduzida por processos, tais como: Processo de fermentos individuais: nesse caso, a quantidade de fermento necessária para cada dorna é produzida e eliminada ao término da fermentação do mosto. Esse processo só é usado quando as características do mosto não permitem o reaproveitamento do fermento. Evidentemente, em tal processo, há um gasto adicional de açúcar para a produção do fermento. Processo de cortes: consiste em iniciar a fermentação com fermento em uma dorna a que, posteriormente, em plena atividade, terá o seu conteúdo dividido para ceder metade à outra dorna. Posteriormente, a dorna da qual se retirou metade do volume é completada com o mosto corrigido; deixa-se fermentar até o final e depois o vinho é destilado. A outra dorna, que recebeu a metade do volume do mosto da dorna anterior, é realimentada também com o mosto corrigido. Na prática, adota-se como ponto de corte o momento em que o Brix do mosto em fermentação cair para cerca da metade do Brix de alimentação. A proporção do corte deve ser efetuada de tal maneira a evitar a excessiva passagem de fermento de uma dorna para a outra, diminuindo assim a quantidade de leveduras com aumentando o tempo de fermentação. 28 Capítulo 1 Processo de decantação: é um processo intermitente de fermentação no qual se faz a recuperação de grande parte do fermento utilizado através da decantação, sendo esse fermento remanescente utilizado como pé-de-cuba para a fermentação subseqüente. É um processo muito empregado em destilarias de aguardente e que está sendo usado novamente nas destilarias de álcool para produção em pequena escala, como nas micro destilarias (HORII, 1980). Processo Melle-Boinot: Este processo foi idealizado com base no fato de que, uma vez atingida certa concentração, a levedura não se multiplica, cessando as funções reprodutivas e iniciando as funções fermentativas. Assim, neste processo, separam-se a partir do vinho, por meio de centrífugas especiais, em duas fases: leite de levedura, mais densa e rica em células de levedura e outra, mais fluida que é enviada para a destilação (HORII, 1980). Processo de fermentação contínua: nesse processo, o mosto entra continuamente na dorna de fermentação e, ao mesmo tempo, o vinho também sai continuamente com todos os açúcares transformados em etanol. Em qualquer desses processos, a alimentação do mosto nas dornas deve ser feita cuidadosamente para evitar concentrações excessivas de açúcares e sais. Esses componentes podem causar inibição das enzimas fermentativas das leveduras. O enchimento de uma dorna, independentemente do seu volume, deve ser realizado em algumas horas e, durante este tempo, deve-se controlar a vazão de alimentação segundo o ritmo de consumo de açúcares. O aumento do tempo de fermentação significa necessidade de maior volume nas dornas e, conseqüentemente, maior mão-de-obra, menor produtividade, maior gasto de água, equipamentos, além de maior risco de infecção, qualquer que seja o processo (HORII, 1980). Álcool a partir do caldo fermentado Como dito anteriormente, o primeiro passo consiste em determinar o ponto ideal para a colheita da cana, o que deverá ser feito, percorrendo Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 29 o canavial e colhendo algumas canas aleatoriamente. Nesse momento, é muito importante ficar atento para fazer uma boa amostragem, ou seja, que as canas colhidas sejam bem representativas do talhão de canavial que será colhido. Depois de colhidas, as canas deverão ser moídas, e o caldo utilizado na determinação do teor de açúcar. Isso é feito colocando o caldo em uma proveta e mergulhando o brixímetro, cuidadosamente, no caldo para que ele flutue e indique o teor de açúcar (Figuras 1.3 e 1.4) lido diretamente na haste do brixímetro. Figura 1.3- Vista geral de um brixímetro comum. Figura 1.4- Medição do teor de açúcar inicial (20 Brix). Outro cuidado que se deve ter, antes de determinar o teor de açúcar, refere-se à retirada de bagacilhos e pedaços de folhas que, eventualmente, possam ser encontrado flutuando no caldo. Se o teor de açúcar for 30 Capítulo 1 superior a 20º Brix, o canavial já poderá ser colhido. Antes, porém, é preciso preparar o pé-de-cuba que poderá ser feito por um dos três processos descritos a seguir: a) “Pé-de-cuba” com fermento prensado O procedimento a seguir refere-se ao preparo de 30L de pé-decuba, que é uma quantidade suficiente para iniciar a fermentação em três dornas de 260L cada. • Colher e moer, no mesmo dia, uma quantidade de cana suficiente para obter um pouco mais de 30L de caldo. Lembrese que o teor de açúcar da cana deverá ser, preferencialmente, superior a 20º Brix; • Ferver um pouco mais de 5L desse caldo; • Corrigir o Brix do caldo fervido para 12 a 14 Brix. A correção do teor de açúcar do caldo deverá ser feita, adicionando-se água de boa qualidade, cuja quantidade deverá ser calculada pela fórmula anteriormente apresentada. (20 – 14) Vol. de água = 5 x ––––––––––– Vol. de água = 2,15L. 14 Mesmo calculando a quantidade de água a ser acrescentada ao caldo, antes de colocar todo o volume calculado deverá ser usado o brixímetro para conferir o teor de açúcar; • Adicionar ao caldo fervido 100g de fermento prensado (fermento de padaria). A adição do fermento só deverá ser feita quando a temperatura do caldo fervido baixar para, aproximadamente, 32ºC; • Esperar tempo suficiente para que o Brix caia para 2 a 3; • Adicionar 25L de caldo com teor de açúcar corrigido para 12 a 14 Brix; • Acrescentar 30g de sulfato de amônia, 15g de superfosfato de cálcio e 30g de farelo de arroz; Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 31 • Como no quinto passo, esperar tempo suficiente para que o teor de açúcar do caldo caia para 2 a 3 Brix; • Adicionar 120L de caldo, com teor de açúcar corrigido para 12 a 14º Brix, juntamente com 120g de sulfato de amônia; 60g de superfosfato de cálcio e 60g de farelo de arroz; • Esperar o teor de açúcar cair para 2 a 3º Brix e tem-se o “péde-cuba” preparado. Em geral, o tempo necessário para preparar o pé-de-cuba varia de 3 a 5 dias. b) Pé-de-cuba selvagem Esse método consiste em utilizar leveduras naturalmente existentes na natureza para obter o pé-de-cuba. Ele pode ser preparado de diversas maneiras, alterando-se as quantidades dos ingredientes utilizados. • Colocar em um saco de aniagem 2 a 3kg de farelo de arroz; 2 a 3kg de fubá de milho; 0,5kg de bolacha e caldo de limão ou laranja azeda, em quantidade suficiente para formar uma pasta. • Deixar o material em repouso por até 24h ou até que surjam rachaduras na superfície da pasta; • Adicionar caldo de cana diluído em água de boa qualidade, na proporção de 1:1, até que a pasta fique submersa; • Cobrir com um pano e deixar em repouso por mais 24 h; • Ao observar efervescência ou formação de borbulhas, adicionar uma quantidade maior de caldo de cana diluído em água, na proporção de 1:1 (2 a 5 vezes); • Deixar o material novamente em repouso e fazer nova adição de caldo diluído, nas mesmas proporções; • Esta operação deverá ser repetida até que o volume do “pé-decuba” preparado seja equivalente a 0,2 do volume de mosto a ser fermentado na dorna principal. 32 Capítulo 1 Esse método pode apresentar dois inconvenientes: um deles é a maior possibilidade de contaminações do “pé-de-cuba”, ou seja, presença de outros microrganismos, além das leveduras, que poderão retardar o processo de fermentação. O outro inconveniente é a necessidade de mãode-obra e mais tempo para o preparo. c) “Pé-de-cuba” com levedura selecionada O método consiste em preparar um meio de inoculação com cultura pura de leveduras, devidamente selecionadas em laboratório. Em seguida, a multiplicação da cultura de leveduras deverá ser sucessiva, em caldos de cana com teores sucessivos de açúcar. Prepara-se o material segundo os passos seguintes: • Inicialmente, deve-se inocular uma porção da cultura em 100mL de caldo diluído, com teor de açúcar igual a 5 Brix, enriquecido e esterilizado; • Após o crescimento, acrescentar 400mL de caldo com 7 Brix, preparado como no 1o passo, continuando o procedimento até atingir o volume suficiente ou 10% do volume total. Após o preparo do “pé-de-cuba”, será preciso preparar o mosto, que é a mistura do “pé-de-cuba” com o caldo de cana, com 16 Brix. Os 30L de “pé-de-cuba” obtidos com fermento prensado, por exemplo, são suficientes para preparar 160L de mosto. Para isso, basta adicionar ao “pé-de-cuba” 130L de caldo com teor de açúcar corrigido para 16 Brix. Feito isso, basta esperar o teor de açúcar da mistura cair para 2 a 3 Brix, para que o mosto possa ser utilizado na inicialização da fermentação nas dornas. Isso poderá ser feito de duas maneiras: corte de dornas ou dorna únicas. O corte de dornas é feito da seguinte maneira: 1. Distribuem-se os 160 L de mosto nas dornas 1 e 2 (80 L em cada dorna); Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 33 2. Preencher essas dornas com caldo diluído para 16º Brix, até completar o volume das dornas (260 L), tomando-se cuidado para o teor de açúcar final não superar 7º Brix (metade de 16 menos 1).Observação: 260 L é o volume útil de cada dorna que corresponde a 80% do volume total, que é de 325 L. Isso deve ser feito para evitar transbordamento de espuma durante a fermentação como é visto na Figura 1.2; 3. Transferir metade do material da dorna 2 para a dorna 3; 4. Completar o volume dessas dornas para 260 L, com caldo a 16º Brix; 5. Esperar até o teor de açúcar da dorna 1 cair a zero (transformação total do açúcar em álcool), quando o seu conteúdo será levado para destilar; 6. Lavar a dorna 1 e transferir para a mesma metade do conteúdo da dorna 3; 7. Preencher essas dornas com caldo, com 16º Brix; 8. Esperar o teor de açúcar da dorna 2 cair para zero e levar seu conteúdo para destilar; 9. Lavar a dorna 2, para receber metade do conteúdo da dorna 1; 10. Completar o volume dessas dornas, utilizando-se mosto com 16 Brix; 11. Esperar o teor de açúcar da dorna 3 cair para zero, quando o material será encaminhado para a destilação. Em resumo, o processo de corte das dornas é feito da seguinte maneira (Figura1.5): a) Quando parte do material da dorna 2 é transferido para a dorna 3, destila-se o conteúdo da dorna 1; b) Quando parte do material da dorna 3 é transferido para a dorna 1, destila-se o conteúdo da dorna 2; e 34 Capítulo 1 c) Quando parte do material da dorna 1 é transferido para a dorna 2, destila-se o conteúdo da dorna 3. Figura 1.5 - Fermentação pelo processo de corte das dornas. O processo de dorna única, para ser utilizado na fermentação, deverá ser conduzido da seguinte maneira: • Colocam-se os 160 litros de mosto na dorna; • Em seguida, completa-se o volume da dorna com caldo diluído para 16 Brix; • Espera-se que o teor de açúcar cai para zero; • Quando isso acontecer, aguardar 20 minutos e retirar 90% do volume da dorna; • Aos 10% restantes, deve-se adicionar água, cujo volume deverá corresponder a 5% do volume da dorna (a dorna ficará com 15% do volume ocupado após adição da água); • Nessas condições, aguardar uns 15 minutos e retirar a parte liquida. O material que restar no fundo da dorna será o novo “pé-de-cuba”. Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 35 Independentemente do processo a ser utilizado para a fermentação, o vinho deverá ser transferido o mais rápido possível para a destilação, para a separação do álcool. Álcool a partir de pré-destilados A produção de cachaça artesanal, de qualidade, é muito parecida com a produção de álcool, feita a partir da fermentação do caldo, uma vez que as etapas se repetem. Neste caso, é preciso fazer: o preparo do “péde-cuba”, a moagem da cana, a decantação e a diluição do caldo, a fermentação; e a destilação. Porém, a destilação da cachaça é feita em alambiques tradicionais (Figura 1.6). Já o álcool, é destilado em equipamentos especiais denominados coluna de retificação (Figura 1.7). Figura 1.6 - Alambiques utilizados na fabricação artesanal de cachaça de qualidade. 36 Capítulo 1 Figura 1.7 - Vista geral de uma coluna de refluxo para produção de álcool em pequena escala. Entretanto, a produção de cachaça de qualidade resulta na obtenção de subprodutos com teor alcoólico considerável e que não são devidamente aproveitados. Estamos falando dos pré-destilados, constituídos pela cabeça e pela cauda da destilação. A cabeça se refere ao início da destilação que possui elevado teor alcoólico, geralmente superior a 50 G.L. Além disso, essa fração da destilação possui também outros componentes como aldeídos, ésteres e álcoois superiores que não devem fazer parte da cachaça de qualidade. E, de forma semelhante, a fração final possui, entre outros elementos, o óleo fúsel que é o principal causador de ressaca. Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 37 Assim sendo, na produção de uma boa cachaça, o processo consiste em eliminar a cabeçada e a cauda, que consiste em eliminar entre 10 a 15% no início e 10% no final da destilação. Assim, em cada alambicada são desconsiderados, aproximadamente, 20% de pré-destilado rico em álcool. Ao invés de ser considerado como resíduo perdido, a cabeça e a cauda deverão ser levados para uma coluna de retificação para serem transformados em álcool combustível. Também, o produtor de aguardente, em períodos de ociosidade na fabricação, pode produzir uma espécie de pré-destilado, sem a necessidade de separar a cabeça e a cauda e destinar o produto para fabricação de álcool. Ou, ainda, um produtor de aguardente pode produzir um pré-destilado e enviar esse material para ser transformado em álcool em uma pequena central de retificação. Rendimento em álocol Uma questão importante que deve ser abordada é o rendimento, em álcool, possível de ser obtido em uma pequena unidade de destilação. Pode-se considerar que, para produzir álcool a partir da fermentação do caldo, serão necessários, em média, 100L de mosto para produzir, pelo menos, 10L de álcool combustível. Como de uma tonelada de cana consegue-se extrair, com o uso de pequenos engenhos, 600L de caldo, concluí-se que uma tonelada de cana possibilita a obtenção de 60L de álcool. Se for considerado que um hectare de cana bem conduzido forneça, em média, 100ton, chega-se à conclusão que, de um hectare de cana podese obter, pelo menos, 6.000L de álcool (veja, mais adiante, planejamento de uma micro-destilaria). Essa quantidade de álcool é suficiente para abastecer um veículo popular para rodar 60.000km por ano. Caso a produção de álcool seja feita a partir de pré-destilados da cachaça, podemos considerar que a quantidade de caldo obtida de uma tonelada de cana, ou seja, 600L, serão suficientes para produzir em torno de 11L de álcool. Portanto, de um hectare que produza, em média, 100 t de cana, pode-se produzir 1.100L de álcool e mais 11.400L de cachaça de qualidade. 38 Capítulo 1 Um tipo de unidade de destilação que será apresentada, mais adiante, pode, dependendo do gerenciamento, produzir entre 40 a 50L de álcool por hora, quando a matéria-prima utilizada for um pré-destilado. E, para utilizar vinho ou mosto fermentado, o seu rendimento médio será de, aproximadamente, 25L por hora. Sendo assim, durante 10 horas de operação diária, conseguiremos produzir entre 300 a 500L de álcool combustível, a partir de pré-destilados ou 250L deste combustível, a partir de mosto fermentado. Caso o produtor opte por produzir o álcool a partir do mosto fermentado, é sugerido que faça um investimento extra para construir um prédestilador (Figura 1.8) e que será, também, detalhado mais adiante. Figura 1.8 - Vista geral de um pré-destilador modelo UFV. Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 39 Se considerarmos que a safra é de 200 dias de operação com unidade de destilação, conseguiremos produzir, com uma unidade com essas características, 60.000L de álcool, a partir de prédestilados. Ou, ainda, 30.000L, se for utilizado o mosto fermentado como matéria-prima. Processo de destilação A finalidade da destilação é a separação dos elementos de uma solução que apresentam temperaturas de ebulição diferentes. Puros, o álcool etílico apresenta uma temperatura de ebulição de 78,15 ºC e a água, nas mesmas condições, de 100 ºC (Figura 1.9). O aquecimento de uma solução água-álcool, até uma temperatura adequada, proporcionará a mudança de estado do álcool de líquido para vapor e, posteriormente, para o estado líquido, após submeter o vapor ao resfriamento (condensação). Neste processo busca-se a recuperação de álcool dentro dos padrões de qualidade estabelecidos, em níveis compatíveis com os equipamentos e atendendo às metas de produção. Para uma operação eficiente dos equipamentos, devem-se controlar as temperaturas nas diversas fases do processo, bem como as vazões de alimentação da água de refrigeração e dos trocadores de calor. O processo de destilação sucessiva proporciona um álcool etílico mais concentrado. A separação das substâncias de uma só vez é impossível, pois a temperatura de ebulição de uma solução álcool-água varia conforme o percentual de cada componente da mistura (CLEMENTE, 1995). 40 Capítulo 1 100 96 Temperatura ºC 92 Composição do vapor Composição do líquido 88 84 80 Azeotropo 76 0 24,5 47,4 Percentagem volumar (líquido) 85,6 100 95,6 78,2 C Figura 1.9 - Composição do vapor e do líquido do sistema água-álcool, a 760 mmHg, em função da temperatura. Destilação descontínua Na destilação descontínua ou intermitente, faz-se uma carga no aparelho; destila-se o álcool por aquecimento, separando-se os vapores por condensação e refrigeração; descarrega-se o resíduo ou vinhaça; faz-se nova carga e assim por diante (Figura 1.10). Esse tipo de destilação é realizado em alambiques simples, de um só corpo, ou em aparelhos de dois a três corpos, nos quais se consegue recuperar Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 41 calor pela condensação dos vapores destilados, por meio de resfriamento com o líquido que será destilado em uma próxima carga. Quando se executa uma destilação descontínua, realiza-se uma destilação simples, vaporizando primeiro as substâncias mais voláteis do que a água e o álcool. O primeiro destilado é uma mistura de água, álcool, bases voláteis, aldeídos e ácidos e chama-se, na prática, de destilado de cabeça. Depois de sua separação, os vapores do vinho são mais ricos em etanol, com menor quantidade de impurezas voláteis, sendo denominado destilado de coração. No final do processo, são retirados do vinho vapores ricos em água e óleo fúsel (LIMA, 1999). a) álcool de baixo grau 42 Capítulo 1 b) álcool de alto grau Figura 1.10 - Esquema básico de destilações descontínuas. Destilação contínua A destilação contínua é realizada em colunas de destilação, fazendose a alimentação contínua do aparelho com vinho e retirando continuamente a vinhaça ou vinhoto na base e o destilado (álcool) no topo da coluna de destilação. A separação dos componentes secundários, com exceção do etanol, é feita pelo topo da coluna e pela lateral do equipamento, segundo a natureza das impurezas. As colunas de destilação (Figura 1.11) constituem-se de gomos cilíndricos superpostos, contendo seções transversais às quais se dá o nome de bandejas ou pratos. Os gomos e as bandejas, superpostos, Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 43 formam uma série de aparelhos de destilação simples, um destilando os seus vapores no outro, através de calotas ou placas perfuradas, e recebendo líquido residual do gomo imediatamente superior através de tubos denominados sifões (Figura 1.12). Figura 1.11 - Coluna de destilação composta de borbulhadores e seus componentes básicos. O aquecimento das colunas é feito na base por meio de vapor de água, por injeção, por serpentina ou por trocadores de calor, segundo a riqueza do líquido no interior ou a natureza da operação. O aquecimento das bandejas é proporcionado pelo calor dos vapores ascendentes na coluna. Os vapores emitidos por uma solução etanol-água são mais ricos 44 Capítulo 1 em etanol do que a solução geradora. Esses vapores, condensando-se no prato imediatamente superior, enriquecem o líquido aí existente e aquecemno até a ebulição, gerando vapores mais ricos, e assim por diante. A temperatura na coluna decresce da base para o topo, ao mesmo tempo em que o teor alcoólico aumenta. Figura 1.12 - Esquema básico de uma coluna de destilação por bandejas em série. Os vapores que saem na parte superior da coluna fluem para o condensador, onde passam para a fase líquida. Desse líquido, retornase uma parte de cabeça da coluna e envia-se por tubulação o restante a um refrigerador, e daí para fora do circuito. A retro gradação, ou refluxo auxilia a manutenção de vapores ricos na cabeça da coluna. Em uma coluna de destilação, a graduação alcoólica varia em função do número de pratos superpostos. Um número maior de pratos eleva mais a graduação alcoólica dos vapores. Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 45 Destilação industrial Para obtenção de etanol industrial com concentração acima de 96% de álcool em volume, isento de impurezas, fraciona-se o destilado em álcool de primeira e álcool de segunda, separando-se os álcoois superiores como subproduto e os outros componentes secundários (aldeídos, bases voláteis, ésteres e ácidos). No ramo industrial, o álcool pode ser aplicado em várias situações, como na indústria farmacêutica, na indústria de perfumes e cosméticos, para fins de corantes, na fabricação de vernizes e lacas, no preparo de materiais explosivos, na fabricação de matérias plásticas, entre outros (RASOVSKY, 1973). A purificação do etanol, denominada retificação, industrialmente é processada de forma contínua por destilações sucessivas em várias colunas, denominadas colunas depuradoras, destiladoras, retificadoras e de repasse final (Figura 1.13). Na primeira destilação, o substrato fermentado é aquecido em uma coluna com um número de bandejas suficiente para produzir, no topo, mistura de vapores de baixo ponto de ebulição, que é eliminada após a condensação e o resfriamento. Na segunda destilação, esgota-se o substrato retirando-se o etanol na extremidade superior da coluna, sob a forma de um destilado, com uma concentração próxima de 50 % de álcool em volume. Na base da coluna escoa-se o substrato isento de álcool. Na terceira coluna concentra-se o álcool e separam-se os álcoois superiores, de ponto de ebulição mais elevado que o etanol, na base da coluna. No topo, obtém-se uma mistura de vapores de ponto de ebulição menor, ao mesmo tempo em que se retira o etanol de alta concentração. Envia-se este à quarta coluna, onde se separam mais impurezas, de ponto de ebulição inferior ao do etanol. Ao final dessas destilações, obtém-se uma mistura binária de etanol e água que, no máximo, pode conter 95,6 % de etanol em volume (SHREVE, 1980). 46 Capítulo 1 Figura 1.13 - Fluxograma da destilação industrial. Resíduos provenientes da destilação Os resíduos provenientes da destilação de álcool são os bagaços e as vinhaças. A vinhaça, ou vinhoto é o principal resíduo proveniente da fabricação do álcool nas destilarias. Sua produção expandiu-se de forma acelerada com o Programa Nacional do Álcool causando, ao longo dos anos, impactos ambientais por possuir uma elevada demanda bioquímica de oxigênio (DBO), unidade que caracteriza a vinhaça como poluente. A fim de amenizar o impacto ambiental, vem sendo aplicada a fertirrigação, que consiste na adição de águas residuais, não-poluidoras, à vinhaça e na aplicação da mistura aos sulcos da lavoura. A aplicação da vinhaça como fertilizante de solos tem como benefício a elevação do pH e o aumento de resíduo rico em matéria orgânica, apresentando também elementos como cálcio, potássio, nitrogênio, fósforo, magnésio, enxofre e outros elementos em menor escala. De acordo com Stupiello (1978), além da disponibilidade dos nutrientes citados, a vinhaça aumenta o poder de retenção de água no solo, assim como a população de microrganismos. Mesmo apresentando grandes vantagens como fertilizante, a aplicação da vinhaça deve ser feita sob orientação para evitar efeitos prejudiciais ao solo e a qualidade do produto final. Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 47 O bagaço é um resíduo fibroso resultante da moagem da cana para a extração do caldo. Segundo Anciães et. al.(1981), dependendo do engenho o bagaço apresenta entre 40 e 50 % de umidade, com massa de 250 a 350 kg por tonelada de cana. Além de possuir várias aplicações, como na fabricação de papel e papelão, alimentação animal e adubação orgânica, este resíduo é empregado principalmente como combustível na geração de energia térmica e na co-geração de energia elétrica em grandes usinas. Como dito no início do manual, um dos objetivos desse trabalho seria o de analisar um sistema de aquecimento evaporativo com a finalidade de fornecer vapores hidroalcoólicos, em regime contínuo e que pudesse ser usado com diferentes tipos de colunas e de modo a atender a demanda por álcool hidratado nas atividades da fazenda ou para a produção de pré-destilado para a produção de álcool combustível em sistema cooperativo ou integrado que será descrito no próximo capítulo. C APÍTULO II Produção Integrada de Álcool Combustível em Sistema Cooperativo Juarez de Sousa e Silva Roberta Martins Nogueira Introdução Em 1975, o governo brasileiro estabeleceu o PRÓ-ALCOOL, um programa bem sucedido que levou o Brasil a se tornar um líder mundial na produção de etanol para substituição de parte da gasolina consumida em veículos de pequeno porte, isso tornou o etanol um combustível reconhecido mundialmente, por seus benefícios ambientais no sentido de minimizar mudanças no clima da Terra. Devido à instabilidade no fornecimento e ao alto preço do petróleo, ficou economicamente viável produzir o etanol, e o Brasil aprendeu, de modo firme, as lições de como produzi-lo, competitivamente, em qualquer situação com o petróleo acima de US$50.00 por barril. Como o petróleo alcançou preço muito acima desse valor, o etanol produzido em outros países e por outros tipos de matéria-prima - como o milho no EUA - também ficou muito competitivo com a gasolina. Como não há probabilidade de que seja reduzido o preço do petróleo num futuro previsível, o etanol como combustível para transporte parece, 50 Capítulo II agora, ser o principal combustível limpo; é esperado que o mercado continue se expandindo por mais alguns anos, até atingir a área máxima para sua produção sem alterar a área necessária ao cultivo dos alimentos básicos e demais produtos para fins industriais. No Brasil, o etanol é produzido, tradicionalmente, por grandes usinas, com metade sendo produzida por menos de 10 grupos empresariais. Hoje, as grandes usinas têm três mercados principais para o produto: etanol para os mercados domésticos, fortes e crescentes, a fim de atender às altas demandadas dos carros bicombustíveis; álcool anidro (antidetonante), para o crescente mercado de exportação; com o forte mercado de açúcar a preços altos, o produtor de etanol pode mudar o padrão de produção para açúcar ou álcool, dependendo da oportunidade de mercado. Dessa forma, os grandes produtores podem, para desencorajar o consumo interno, aumentar o preço do etanol de modo a permitir que usem grande parte da produção para o premiado mercado de exportação de açúcar ou álcool. Com a exceção dos consumidores do Estado de São Paulo, que pagam um preço justo, os consumidores brasileiros são obrigados, em razão dos impostos exagerados, das grandes distâncias entre a região produtora e o consumidor final, a usar gasolina ou modificar o sistema para queimar gás natural para abastecer seus veículos. Com essas dificuldades, abrem-se oportunidades para incorporar os pequenos e os médios produtores rurais, em sistemas cooperativos, nesse mercado, permitindo-lhes produzir etanol de baixo grau (acima de 80%) em Microdestilaria (MD), associada a uma central retificadora para atender comunidades regionais e deixar que as grandes usinas atendam os grandes consumidores internos e os mercados de exportação. MDs de etanol com capacidade para 500 a 5000 L por dia são técnica e economicamente viáveis para a economia local quando integrados a outras atividades da fazenda. Microdestilarias para instalação em fazendas são de tecnologia bastante conhecida e em uso há vários séculos. Recentemente, técnicos da Universidade Federal de Viçosa (UFV) desenvolveram um equipamento de pré-destilação simples e que têm melhorado uma versão de uma MD para trabalhar de forma Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 51 contínua, que pode combinar duas possibilidades: uma na fazenda, onde é conduzida a fase de pré-destilação, produzindo álcool de baixo grau (acima de 80%); a outra fase (purificação e homogeneização do álcool combustível) seria executada em uma central (colunas especiais) de propriedade da cooperativa, que teria, também, a função de comercializar a produção total, segundo as normas vigentes no Brasil. O sistema cooperativo evitará o transporte da cana-de-açúcar integral, de baixo valor agregado, das fazendas para as grandes usinas, permitindo que os pequenos produtores transportem somente o álcool de baixo grau (80% ou mais), de alto valor agregado, para a planta central da cooperativa (Figura 2.1). Figura 2.1 - Esquema básico do funcionamento da produção de álcool em sistema cooperativo. 52 Capítulo II Os equipamentos para a fase de produção na fazenda são simples, de fácil manejo e fabricados em função da produção possível de cada cooperado e, facilmente, montados em poucos dias após a decisão de adquirir o sistema. Tendo em vista o exposto, o objetivo deste capítulo é o de demonstrar a viabilidade técnica e econômica de um sistema cooperativo para a integração de MDs para produção de álcool em fazendas. Além da comercialização oficial do álcool produzido, a central cooperativa teria também a função de prover a frota de veículos e máquinas dos cooperados com combustível e como fonte de calor (fogões domésticos ou aquecedores de água), desinfetante e outros usos agroindustriais. Considerações Gerais Em particular, várias unidades para produção de etanol, em pequena escala, integradas a uma cooperativa de comercialização, estão sendo idealizadas, de maneira que os produtores rurais, em qualquer município ou microrregião, usariam, em uma primeira fase, os resíduos da produção de aguardente (cabeça e cauda) e o tempo disponível de seus equipamentos para produção de uma solução alcoólica com graduação acima de 80%, que seria transportada para a CENTRAL, onde o produto seria submetido à retificação complementar e transformado em álcool hidratado ou álcool combustível 92%, a fim de suprir, a preços compatíveis, a frota de instituições públicas regionais (prefeituras, policiamento, hospitais, etc.) e também a demanda dos associados. O excesso seria comercializado com os distribuidores oficiais, até que um número expressivo de cooperados se integrasse ao sistema, para uma produção em grande escala. Com o sistema de comercialização atual, fica difícil para o pequeno produtor de cachaça participar do seletivo mercado de aguardente especial para exportação, que, além do pequeno potencial para expansão, tem dificuldades de atender às exigências de processos e qualidades especiais do produto. Contudo, com a retomada da produção de carros movidos a álcool ou do tipo Flexfuel, os pequenos e médios Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 53 produtores teriam uma fonte adicional de renda se eles se associassem a uma cooperativa comercial para produzir e comercializar, oficialmente, o biocombustível. Um aspecto interessante do plano para auto-suficiência regional é criar um programa que permita que os produtores de aguardente, não associados, possam vender para a cooperativa (planta central), além do etanol de baixo grau, produzido durante a ociosidade na produção de cachaça, o subproduto, cabeça e cauda obtidas durante a preparação de aguardente de qualidade. Com o intuito de avaliar a probabilidade de sucesso e identificar as dificuldades potenciais do projeto cooperativo, será analisada, a partir desse ponto, a viabilidade com base em três pontos: energia, massa e análises econômicas. Para análise de viabilidade, a produção de um litro de álcool combustível foi desmembrada em cinco estágios: • Produção e colheita da cana-de-açucar, • Extração do caldo, • Fermentação, • Pré-destilação pelo produtor rural, • Destilação e retificação na cooperativa e • Comercialização do álcool. a) Produção e colheita da cana As operações de plantio e colheita podem ser feitas manual ou mecanicamente. No entanto, o tipo de topografia ou tipo de trabalho realizado em pequenas e médias propriedades agrícolas obriga que o sistema de trabalho seja feito, na sua maior parte, manualmente. Em grandes plantações de cana, é necessário, nas colheitas manuais, que as folhas sejam queimadas para permitir acesso fácil aos colmos ricos em açúcar. 54 Capítulo II No caso das cooperativas (pequenas e médias fazendas), a intensidade de tal trabalho não requer que a lavoura seja queimada. Aqui, parte do colmo e as folhas serão usadas como fonte de alimentação animal, mostrando (Figura 2.2) vantagens adicionais do projeto, ou seja, a produção de carne e de leite e, em conseqüência, de outros produtos alimentícios. Figura 2.2 - Utilização do bagaço como parte do volumoso, para piso de confinamento e para produção de composto orgânico. b) Extração do caldo da cana Para obtenção de alto rendimento e evitar deterioração, o caldo da cana deve ser extraído, preferencialmente, dentro de um período de 24 horas depois da colheita. A extração pode ser realizada por dois processos: Quebrando e esmagando - a estrutura dura da cana é quebrada durante o primeiro passo com o uso de quebradores, facas ou desfibradores. A seguir, a cana quebrada ou triturada deve passar entre uma série de moendas, para extração do caldo. Porém, apesar da baixa eficiência, na produção em pequena escala só é usado um engenho simples para extração do caldo (Figura 2.3). O açúcar que permanece retido no bagaço que sai do engenho facilita o seu uso como alimento para o gado e o bagaço pode, ainda, ser usado com fonte de calor na destilação, como piso de confinamento (Figura 2.2) e devolvido ao solo como matéria orgânica, depois de convenientemente decomposto juntamente com os dejetos dos bovinos. Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 55 Figura 2.3 - Vista geral de um pequeno engenho para extração de caldo com um terno de moendas. c) Fermentação O processo de fermentação é iniciado pelo ajustamento da concentração de açúcar do caldo para o valor de 16o Brix (teor de açúcar), ideal para fermentação eficiente. Depois do ajuste da concentração, o caldo será misturado com o pé de cuba que contem leveduras especiais, que converte o açúcar em gás carbônico e álcool (veja fermentação alcoólica). Ao término do processo de fermentação, o produto é um vinho com aproximadamente 12% de álcool, que deverá ser destilado imediatamente. d) Pré-destilação pelo produtor rural Como visto no Capítulo I, uma coluna de destilação simples é composta por uma série de bandejas sobrepostas (Figura 1.12) ou por um tubo em aço inoxidável recheado com material inerte, como bolinhas de gude ou similar (Figura 1.10). Na coluna, o líquido subirá continuamente em seu interior, até entrar no topo em forma de vapor (mais rico em álcool). Tanto a coluna de bandeja como a coluna com 56 Capítulo II recheio devem ser ligadas ao condensador, onde o vapor de álcool é liquefeito. Por causa da baixa temperatura na parte inferior da coluna de recheio (abaixo de 80oC), a água condensará e o álcool continuará subindo. O processo continua até o topo da coluna, onde a solução atinge a percentagem mais alta. A percentagem final em etanol dependerá do equipamento, do número de colunas ou do tempo de residência que a solução passa na coluna. Em um sistema simples, a concentração é normalmente superior a 70% com o aparelho pré-destilador (Figura 2.4) ou acima de 92% em um sistema mais sofisticado ou com várias colunas em série (Figura 2.5). Figura 2.4 - Vista geral de um pré-destilador modelo UFV. Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 57 Figura 2.5 - Vista geral de um destilador contínuo para fazenda 50L por hora. e) Destilação e retificação na cooperativa (Planta Central) Na Central, além de laboratórios apropriados, sistemas de armazenagem e transporte para a matéria-prima e para o produto final, serão usados controles e um método de destilação mais sofisticado que os utilizados pelos produtores e com uma capacidade de retificação superior ao total produzido pelos cooperados. A função da destilaria central é, além de aumentar o teor alcoólico do pré-destilado, homogeneizar toda a produção, de acordo com o padrão exigido pela comercialização oficial brasileira. Este passo final é executado na Planta 58 Capítulo II Central porque requer equipamento mais preciso e controle mais sofisticado. f) Comercialização do álcool Uma vez produzido, o etanol pode ser comercializado para uso em processos agroindustriais, laboratório específico, limpeza e desinfecção, fonte de calor, abastecer a frota da cooperativa e cooperados e, se possível, fornecer combustível para a frota da administração municipal e de outras instituições públicas, a preços competitivos. Devido ao fato de o mercado da cachaça ser muito competitivo, a sua comercialização deve ser baseada em um produto de alta qualidade; além disso, pelo fato de não possuírem condições, tempo ou desejo de produzir cachaça de alta qualidade e de alto valor agregado, a maioria dos produtores, de forma clandestina, só produz para o consumo local e mercado negro, para consumo da propriedade ou para um mercado pouco exigente em qualidade e higiene. Para iniciar um programa de produção de álcool na fazenda, não é difícil encontrar número suficiente de produtores para produzir o álcool de baixo grau em qualquer município brasileiro. Hoje, a média dos municípios brasileiros consome menos de 5.000 litros de etanol por dia. É importante observar, entretanto, que em torno de 75% dos carros, modelos 2007, vendidos e em uso no Brasil usam tecnologia Flexfuel (gasolina ou etanol). Assim, além da grande necessidade de álcool para atender à demanda exterior, as novas aquisições de veículos por brasileiros serão, provavelmente, com motores Flex, aumentando ainda mais a demanda por etanol. Também, com o etanol produzido na fazenda por um preço abaixo de R$1,00, o uso de álcool como fonte de calor será bastante competitivo e o consumo de GLP ou de lenha, para queima em fogões será reduzido. Embora seja possível a qualquer município brasileiro produzir cana-de-açúcar e aumentar a eficiência do projeto, a meta global é formar uma sociedade que permita que produtores que não desejam produzir o pré-destilado possam participar do projeto com a produção de melado Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 59 ou rapadura, o que permitirá a produção de álcool durante o ano inteiro. Assim, existem dois cenários para formar a cooperativa: 1. Compra de cachaça de baixa qualidade: ao fabricar cachaça, a prática comum é descartar a cabeça e a cauda (primeiros e últimos destilados, ou seja, 10 a 15% da destilação inicial e 10 a 15% de destilação final devido a suas impurezas e gosto desagradável). A mistura da cabeça e da cauda constitui-se em uma solução de, aproximadamente, 35% em álcool, que estaria pronto para uma nova destilação e ser enviado para a Central cooperativa. A cooperativa compraria o que seria desperdiçado na produção de cachaça, fazendo com que o produtor obtenha rendimento extra com o subproduto da destilaria de cachaça. 2. Incorporação de produtores de álcool de baixo grau, melado e rapadura: muitos produtores usam a cana-de-açúcar para alimentar o rebanho leiteiro ou em confinamento e tem grande potencial para produzir caldo fermentado ou melado, que podem ser processados em parceria com o vizinho, produtor de cachaça. Também, a cooperativa poderia fornecer ao pequeno pecuarista moendas, tachas para melado ou sistema de destilação, com financiamento compatível, de modo a possibilitar-lhe produzir álcool de baixo grau para a Planta Central. Dependendo do equipamento utilizado, da produtividade do canavial e da tecnologia de produção, o balanço de energia para produção de etanol é positivo. Em média, cada hectare pode produzir 100 toneladas de cana-de-açúcar, que pode produzir, pelo menos, 6.000 L de etanol. As contribuições para o sistema podem ser divididas em: • Contribuições do produtor: energia para plantar, colher, transportar, funcionar o engenho, para aplicação de fertilizante e herbicida, para produzir cana-semente e funcionamento da infra-estrutura. Há pouca energia externa gasta até esse ponto, pois o bagaço, resíduo da extração do caldo, pode, devidamente 60 Capítulo II administrado, contribuir com a maior parte da energia utilizada no processo de produção do álcool. • Contribuições da Cooperativa: energia requerida para fornecer vapor para operação da Planta Central e que será fornecida por lenha de eucalipto. Uma das metas a serem alcançadas pela cooperativa é a autosuficiência de energia para os cooperados e abastecer a frota de veículos regionais e outros usos como aquecimento doméstico e agroindustrial. No Brasil, um município médio consome menos 5.000 L de álcool por dia. Como dito anteriormente, a maioria dos carros vendidos é do tipo Flex, portanto, num futuro próximo haverá grande número de carros movidos inteiramente a álcool ou qualquer mistura de álcool e gasolina. Assim, o projeto pode ser redimensionado e tem potencial para maior impacto produtivo. É esperado que, qualquer instituição pública regional, como hospitais, corpo de bombeiros, policiamento etc., pode abastecer seus veículos com etanol, como sendo um cooperado especial. A fim de determinar a viabilidade desta meta, o sistema foi avaliado em três condições: • Balanço de energia – relação entre a energia do combustível fóssil utilizada para produzir um litro de etanol e a quantidade de energia produzida por cada litro de etanol. • Análise de demanda para calcular o uso da terra. • Análise econômica – relação entre o custo de comprar um litro de álcool ao preço de bomba e o custo de produzir um litro de etanol, segundo o projeto. A análise econômica demonstra que, além do ambiente, as partes, produtores e sociedade, serão beneficiados, com a renda e redução do preço ao consumidor. Como o custo de produção é de, aproximadamente, R$0,65 por litro, a cooperativa poderá vender o álcool a R$0,80 por litro; que dará um lucro de R$0,15 por litro. Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 61 Levando em conta que a Planta Central produzirá 1.000.000L por ano, a venda total seria de, aproximadamente, R$800.000,00 por município médio brasileiro. Para análise de massa, e levando em conta que a produtividade média é de aproximadamente 100 t/ha, foram calculados os litros de etanol por tonelada de cana, como sendo 70 L (produtividade conservadora). A área total necessária para produzir apenas 1.000.000 L de álcool por ano será de, aproximadamente, 150 ha por município ou cinco bilhões de litros por ano para o Brasil inteiro. Devido ao fato de não ter sido analisada a produção de alimentos (carne e leite), as economias serão um pouco diferentes. No caso de a produção de álcool somente não ser atrativa financeiramente, o investimento na produção de álcool e alimento deve ajudar na tomada de decisão. Além de produzir o seu próprio combustível, há outros benefícios para os produtores associados a uma cooperativa, como: melhor uso da terra se comparado ao processo atual, por grandes usinas, e uma produção diversificada (álcool, carne, leite e grãos) com geração de empregos. g) Produção de cana A cana é um dos principais produtos agrícolas brasileiros e uma das principais fontes de exportação de produtos primários. Minas Gerais é um dos Estados com maior produção de cana, juntamente com São Paulo e dois outros Estados do Nordeste. Em Minas e São Paulo, as épocas de plantio e colheita diferem da produção do Nordeste. Os plantios em Minas e São Paulo vão de outubro a março, e a colheita, de maio a outubro. A produção média da região é de aproximadamente 90 t/ha e, em condições de irrigação, pode chegar a 170 t/ha. Geralmente, em regiões montanhosas a irrigação não é utilizada e a produção fica limitada; devido ao fato de a mecanização ser difícil, o plantio e a colheita são, em grande parte, feitos manualmente, sobretudo em pequenas propriedades produtoras de aguardente. 62 Capítulo II Em grandes plantios, pertencentes às grandes usinas, o canavial é geralmente queimado para facilitar a colheita manual, gerando problemas de saúde para os operários. Em razão dos grandes problemas ambientais, o governo estabeleceu lei no sentido de banir, definitivamente, a prática de queima dos canaviais brasileiros. Entretanto, nas grandes plantações, onde a mecanização não é economicamente inviável, a queima será permitida até que processos econômicos sejam desenvolvidos. C APÍTULO III Planejamento e Viabilidade Econômica de uma Microdestilaria Juarez de Sousa e Silva Lester Carvalho Mendes Roberta Martins Nogueira Generalidades O etanol obtido a partir da fermentação do caldo de cana tem, para produção em pequena escala, balanço de energia positivo, ou seja, próximo a seis quilos de etanol por quilo de combustível fóssil. A cana-de-açúcar é considerada um dos mais eficientes produtores de biomassa convertível em álcool. Acima de um determinado nível, à medida que o tamanho da usina aumenta, a eficiência na conversão cresce. Contudo, o transporte da cana a longas distâncias aumenta significativamente, o uso de energia, podendo reduzir a eficiência das grandes usinas. Na destilação em fazendas, o agricultor, usando parte das folhas e das pontas de canas na alimentação do rebanho de corte ou de leite, aumentará o balanço de energia. Outro ponto importante da destilação na fazenda é a utilização dos dejetos dos animais e do vinhoto como fertilizantes para solo e alimentação de bovinos. O bagaço produzido nas grandes usinas, além de servir com fonte de calor, é também usado para co-geração de energia elétrica; em uma microdestilaria, o bagaço será usado, também, como alimentação animal, piso de confinamento e para melhorar a estrutura do solo. De modo similar, o processo de destilação em pequena escala mostra outra 64 Capítulo III importante vantagem, que é a queima mínima da biomassa, beneficiando substancialmente o processo e melhorando o seqüestro de carbono, ou seja, além de as folhas não serem queimadas, apenas um terço do bagaço é utilizado no processo de destilação. Com a adoção do processo de produção do álcool em sistema integrado, a paisagem rural não será a de uma monocultura, como vem acontecendo com a produção indiscriminada de cana nas melhores terras agricultáveis do Brasil. Para produção integrada será adotado um processo produtivo organizado, com grande variedade de produtos destinados à alimentação da população e percentagem da terra para o plantio da cana que não afete as condições básicas para a sustentabilidade de uma agricultura social, política e ecologicamente correta. Para produzir álcool combustível de acordo com o projeto aqui proposto, ou seja, cinco mil litros por dia, por unidade produtiva e durante 200 dias por ano, serão necessários não mais que sete pequenos produtores, produzindo 1.000 L de álcool a 80% por dia. Como dito no capítulo anterior, aumentando-se o tamanho da destilaria, o custo da produção do álcool será menor. Isso se deve à economia de escala e à maior eficiência na extração e fermentação (uso de moendas mais potentes e leveduras mais puras e produtivas). Entretanto, produzindo o álcool em ciclo fechado (aproveitando e aplicando todos os subprodutos na manutenção da unidade produtiva), como a produção de cachaça, pré-destilado e, ainda, com a criação de gado, o custo de produção em pequena escala pode ser minimizado devido à diversificação da pequena agricultura, que exigirá menos insumos externos. Em adição, o produtor agrícola passará a ter diferentes fontes de rendimentos, ficando menos dependente dos rendimentos de produto único (por exemplo, aluguel de suas terras para grandes usineiros). No sistema de produção em pequena escala, integrada a uma cooperativa, a quantidade de emprego gerado será maior devido à menor mecanização e automação, quando comparado com as grandes usinas. Na produção integrada, desde o plantio até o processamento final, todas as operações serão executadas manualmente, inclusive o aproveitamento das folhas e de parte dos colmos na alimentação animal. Também, a Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 65 qualidade do emprego será melhor, pelo fato de a mão-de-obra ser utilizada para diferentes tarefas em vez de trabalhos repetitivos, como a colheita da cana. Na produção em sistema cooperativo, o trabalhador rural terá emprego durante todo o ano e não necessita migrar anualmente, longe da família, para executar colheita em ambiente inadequado, em condições de vida inapropriadas. Estima-se que, em pequenas propriedades, para cada 1.000 L de álcool produzido, serão gerados entre 10 a 15 postos de trabalhos diretos. Com a produção de pré-destilado ou álcool de baixo grau (80oGL ou mais) em pequena escala, a renda do produtor será aumentada e a renda total do processo dividida por maior número de participantes, em vez de ser concentrada entre uns poucos grandes produtores ou apenas parcialmente distribuída para alguns produtores, que simplesmente alugam as sua terras. Planejamento de Uma MD para 200.000 L Anuais Nesse ponto, solicitamos ao leitor levar em conta que os valores aqui apresentados são aproximações e podem variar de acordo a variedade da cana-de-açúcar a ser utilizada no projeto e, também, segundo as características do clima, do solo e da tecnologia adotada. Planejamento do canavial a) Meta: Produzir 200.000L de ácool (80 oGL) durante uma safra com período de colheita de 200 dias. b) Capacidade de produção diária: 200.000 L ÷ 200 dias = 1.000 L de álcool por dia. c) Necessidade de cana por safra: Considerando que uma tonelada de cana produz cerca de 70 L de álcool (dependendo do conhecimento, 66 Capítulo III do manejo, da variedade e dos processos de extração e fermentação uttilizados), tem-se: 1 t de cana – 70 L de álcool 80 oGL Cana necessária (x) - 200.000 L de álcool x = 200.000÷70 =2.857 t cana/ano ou 2.857 toneladas de cana ÷ 200 dias = 15,0 t/dia. d) Área total em produção: Para esta estimativa será admitido um rendimento médio (para seis cortes) de 110 ton/ha (Tabela 3.1), com produtividades para o primeiro, segundo, terceiro, quarto, quinto e sexto cortes de 140, 130, 120, 100, 90 e 80 toneladas de colmos por hectare, respectivamente. Assim, considerando 110 toneladas por ano como a média esperada, tem-se: 1 ha – 110 t Área necessária (x) - 2.857ton X= 2.857÷110 = 26 hectares. Considerando 20%, como um fator de segurança suficiente, devese assegurar um plantio de, aproximadamente, 32 ha, segundo o cronograma apresentado na Tabela 3.1. X = 32ha de canavial e) Considerações sobre o cronograma de implantação • O plantio deve ser iniciado (ano 0) com a utilização de 18 ha para atingir a quantidade de cana necessária para produzir 200.000 L de alcool por ano, ou seja, deverão ser processadas 2.520 toneladas de cana, com base em 140 toneladas por hectare (produtividade, com tecnologia, para o primeiro corte). • Opcionalmente, pode-se iniciar o projeto com a instalação de um viveiro de dois hectares. Hoje, desconsiderando o transporte, uma tonelada de variedades melhoradas está cotada 67 Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo em R$100,00. Se for feito o plantio de 2,0 ha como viveiro, pode-se obter material para implantação de 20 a 30 ha, com economia em mudas, transporte e redução de problemas com fornecimento. • Nos anos subseqüentes, até o ano sete, devem-se acrescentar novos hectares de cana, conforme apresentado na Tabela 3.1. Com o decorrer do projeto obtêm-se os números reais de produção, e ajustes poderão ser realizados nas áreas de plantio. • A partir do sexto corte e com base no cronograma, começa-se a fazer as renovações ou replantio de um novo canavial. • Pode ocorrer que, dependento do solo, clima e tratos culturais adequados, no sexto corte a produção de cana seja, ainda, economicamente viável. Assim, não será necessária a renovação parcial do canavial. Tabela 3.1 - Cronograma, aproximado, para implantação do canavial Etapas Produção Ano t/ha Plantio (ha) 1 colheita 140 2 colheita 130 3 colheita 120 4 colheita 100 5 colheita 90 6 colheita 80 0 1 2 3 4 5 6 7 18 1 1 1 1 1 13 1 18 2 1 1 1 1 14 18 2 1 1 1 1 18 4 1 1 1 18 5 1 1 18 7 1 18 1 t /ano t (semente) 270 2.520 2.620 2.560 2.550 2.510 2.560 2.480 15 15 15 15 15 195 15 68 Capítulo III f) Custo de implantação com produção esperada Na Tabela 3.2 é apresentado um exemplo da composição dos custos para execução do cronograma mostrado na Tabela 3.1, bem como os componentes mínimos necessários para produção do álcool na fazenda. Novamente, é necessário lembrar que muito se pode construir na fazenda. Nela, o proprietário pode mudar o nível tecnológico e a forma de aquisição dos equipamentos para reduzir, consideravelmente, o valor total do investimento. g) Receita com produção de cana • Com base no cronograma da Tabela 3.1, no ano 1 (segundo ano) começa-se a obter receita, ou seja, já se pode colher a cana (2.520 t) para produção do álcool de baixo grau (80 oGL). Com melhor controle do processo e usando o mesmo equipamento, o produtor pode produzir álcool 90 a 92 oGL para as operações da fazenda e para abastecer os veículos da família. • O preço da tonelada foi estimado considerando-se que uma tonelada de cana produz 80 L de álcool 80 oGL que será entregue à central cooperativa por R$0.68 o litro, ou seja, a tonelada de cana passaria a ter maior valor agregado (80 x R$0,68) ou R$54,40 a tonelada. • A receita bruta total foi obtida multiplicando-se a quantidade de pré-destilado produzida pelo volume anual (Tabela 3.3). h) Avaliação econômica • Na Tabela 3.4 encontra-se o fluxo de caixa do projeto com base no orçamento (saídas) e nas receitas (entradas). • Na Tabela 3.5 encontram-se os índices de avaliação econômica em relação ao fluxo de caixa.Para a produção somente de cana o fluxo de caixa e os índices de avaliação encontram-se nas Tabelas 3.6, 3.7, 3.8 e 3.9. H/M H/M H/M H/M D/H D/H D/H D/H D/H D/H D/H t t kg Aração do terreno Gradagem Sulcagem Dist. adubo e calcário Dist.colmos, corte e recob. Aplicação de herbicida Aplicação de formicida Adubação de cobertura Corte da cana Transporte da cana Aquisição de mudas Calcário Uréia Ud Calagem OPERAÇÕES/INSUMOS SAÍDAS 1,30 70,00 100,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 50,00 50,00 50,00 20,00 Preço 6.713 36 270 360 360 18 18 36 144 36 36 36 72 18 Quant. Ano 0 8.727,26 2.520,00 27.000,00 7.200,00 7.200,00 360,00 360,00 720,00 2.880,00 720,00 1.800,00 1.800,00 3.600,00 360,00 Valor Ano 1 140,00 7.600,00 7.600,00 380,00 380,00 760,00 160,00 40,00 100,00 100,00 200,00 20,00 Valor Ano 3 7.086 9.212,11 2 380 380 19 19 38 8 2 2 2 4 1 Quat. Ano 2 7.353 2 420 420 21 21 42 8 2 2 2 4 1 Quant. Ano 4 2 440 440 22 22 44 8 2 2 2 4 1 25 25 50 8 2 2 2 4 1 140,00 2 8.800,00 500 8.800,00 500 440,00 440,00 880,00 160,00 40,00 100,00 100,00 200,00 20,00 Quant. Valor Quant. 140,00 10.000,00 10.000,00 500,00 500,00 1.000,00 160,00 40,00 100,00 100,00 200,00 20,00 Valor 9.558,43 7.193 9.350,64 7.163 9.311,64 140,00 8.400,00 8.400,00 420,00 420,00 840,00 160,00 40,00 100,00 100,00 200,00 20,00 Valor Tabela 3.2.- Composição de custos, até o ano 4, para produzir álcool, de baixo grau (80%), na fazenda Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 69 kg L kg há Cloreto de potássio Herbicida Formicida Aluguel da terra ud ud D/H Mês R$/ha R$/ha Conjunto de destilação Tanques de fermentação Mão-de-obra pro-álcool M.O. Administrativa Contabilidade/Escritório Energia 168.324,42 3.000,00 360,00 129,60 7.200,00 8.000,00 7.200,00 15.000,00 20.000,00 15.000,00 92.434,82 8.100,00 1.800,00 2.700,00 3.787,56 TOTAL SAÍDAS (R$) 3 18 18 12 400 4 1 1 1 27 18 18 6.313 18.000 10.800,00 75.889,60 1.000,00 20,00 7,20 600,00 20,00 1.800,00 15.000,00 20.000,00 15.000,00 300,00 100,00 150,00 0,60 0,60 SUBTOTAL2 ud ud Moenda mecânica Tanques p/ armazenamento ud Galpão 4) OUTROS SUBTOTAL1 kg Superfosfato simples Tabela 3.2 - Cont. 600,00 19 19 12 400 27 19 19 59.856,89 380,00 136,80 7.200,00 8.000,00 8.100,00 1.900,00 2.850,00 6.663 3.997,98 1.000 21 21 12 400 27 21 21 6.914 1.000 1.000 600,00 1.000 600,00 62.667,91 420,00 151,20 7.200,00 8.000,00 8.100,00 2.100,00 3150,00 22 22 12 400 27 22 22 27 25 25 63.527,14 440,00 158,40 7.200,00 25 25 12 8.000,00 400 8.100,00 2.200,00 3300,00 66.944,71 500,00 180,00 7.200,00 8.000,00 8.100,00 2.500,00 3750,00 4.148,28 6.764 4.058,10 6.738 4.043,07 600,00 70 Capítulo III 71 Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo Tabela 3.3 - Receita equivalente da cana com a produção do pré-destilado Receitas Un Quant. Preço Total _ _ _ Anos 0 t _ _ _ 1 t 201.600 0,68 137.088 2 t 209.600 0,68 142.528 3 t 204.800 0,68 139.264 4 t 204000 0,68 138.720 5 t 200.800 0,68 136.544 6 t 204.800 0,68 139.264 7 t 198.400 0,68 134.912 Tabela 3.4 - Fluxo de caixa para produção de álcool 80 oGL Ano Entradas 0 Saídas Fluxo Fluxo descontado Fluxo acumulado F. acum. descon. 168.324 -168.324 -168.324 -168.324 -168.324 59.857 77.231 67.157 -91.093 -101.167 1 137.088 2 142.528 63.068 79.460 60.083 -11.633 -41.084 3 139.264 63.527 75.737 49.798 64.104 8.715 4 138.720 66.945 71.775 41.038 135.879 49.752 5 136.544 69.072 67.472 33.545 203.351 83.298 6 139.264 83.353 55.911 24.172 259.261 107.469 7 134.912 59.261 75.651 28.440 334.912 135.909 Soma 968.320 633.408 334.912 135.909 726.456 74.568 Tabela 3.5 - Valor presente liquido (VPL), taxa interna de retorno (TIR), tempo de retorno do capital (TCR) e renda líquida total (RLT) VPL(15%) 135.909 TIR 40% TRC 3 anos RLT 74.568 kg há Formicida Aluguel da terra 300,00 100,00 150,00 27 18 18 6.313 18.000 8.100,00 1.800,00 2.700,00 3.787,56 10.800,00 92.434,82 L Herbicida 0,60 0,60 8.727,26 2.520,00 27.000,00 7.200,00 7.200,00 360,00 360,00 720,00 2.880,00 720,00 1.800,00 1.800,00 3.600,00 360,00 VALOR TOTAL SAÍDAS (R$) kg Cloreto de potássio 6.713 36 270 360 360 18 18 36 144 36 36 36 72 18 Quant. Ano 1 92.434,82 kg Superfosfato simples 1,30 70,00 100,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 50,00 50,00 50,00 20,00 PREÇO Ano 0 SUBTOTAL1 kg Uréia Transporte da cana t D/H Corte da cana t D/H Adubação de cobertura Calcário D/H Aplicação de formicida Aquisição de mudas D/H D/H Aplicação de herbicida D/H H/M Sulcagem D/H H/M Gradagem Dist.colmos, corte e recob. H/M Dist. adubo e calcário H/M Aração do terreno UD Calagem Saídas 27 19 19 6.663 1.000 7.086 2 380 380 19 19 38 8 2 2 2 4 1 Quant. Ano 2 44.140,09 8.100,00 1.900,00 2.850,00 3.997,98 600,00 9.212,11 140,00 7.600,00 7.600,00 380,00 380,00 760,00 160,00 40,00 100,00 100,00 200,00 20,00 VALOR Ano 3 27 21 21 6.914 1000 7.353 2 420 420 21 21 42 8 2 2 2 4 1 Quant. Ano 4 46.896,71 8.100,00 2.100,00 3.150,00 4.148,28 600,00 9.558,43 140,00 8.400,00 8.400,00 420,00 420,00 840,00 160,00 40,00 100,00 100,00 200,00 20,00 VALOR 27 22 22 6.764 1000 7.193 2 440 440 22 22 44 8 2 2 2 4 1 Quant. 47.728,74 8.100,00 2.200,00 3.300,00 4.058,10 600,00 9.350,64 140,00 8.800,00 8.800,00 440,00 440,00 880,00 160,00 40,00 100,00 100,00 200,00 20,00 27 25 25 6.738 1.000 7.163 2 500 500 25 25 50 8 2 2 2 4 1 VALOR Quant. Tabela 3.6 - Composição de custos, até o ano 4, para produzir apenas a cana para ser vendida 51.064,71 8.100,00 2.500,00 3.750,00 4.043,07 600,00 9.311,64 140,00 10.000,00 10.000,00 500,00 500,00 1000,00 160,00 40,00 100,00 100,00 200,00 20,00 VALOR 72 Capítulo III 73 Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo Continuação Tabela 3.6 Ano 5 Ano 6 Ano 7 Quant. Valor Quant. Valor Quant. 1 20,00 13 260,00 1 Valor 20,00 4 200,00 52 2.600,00 4 200,00 2 100,00 26 1.300,00 2 100,00 2 100,00 26 1.300,00 2 100,00 2 40,00 26 520,00 2 40,00 8 160,00 104 2.080,00 8 160,00 54 1.080,00 48 960,00 38 760,00 27 540,00 24 480,00 19 380,00 27 540,00 24 480,00 19 380,00 540 10.800,00 480 9.600,00 380 7.600,00 540 10.800,00 480 9.600,00 380 7.600,00 2 140,00 26 1820,00 2 140 9.184,98 7.832 10.181,81 6767 8.796,53 1.000 600,00 13.000 7.800,00 1000 600,00 6.638 3.982,95 7.365 4.418,82 6363 3.817,62 27 4.050,00 24 3.600,00 19 2.850,00 27 2.700,00 24 2.400,00 19 1.900,00 27 8.100,00 27 8.100,00 27 8.100,00 7.065 53.137,93 67.500,63 43.544,15 Tabela 3.7 - Receita equivalente com a produção da cana (R$) Receitas Un. Anos Quant. Preço Total _ _ _ 0 t _ _ _ 1 t 2.500 35,00 87.500,00 2 t 2.500 35,00 87.500,00 3 t 2.500 35,00 87.500,00 4 t 2.500 35,00 87.500,00 5 t 2.500 35,00 87.500,00 6 t 2.500 35,00 87.500,00 7 t 2.500 35,00 87.500,00 74 Capítulo III Tabela 3.7 - Fluxo de caixa para a produção da cana Anos Entradas 0 Saídas Fluxo Fluxo descontado Fluxo acumulado F. acum. desc. 92.435 -92.435 -92.435 -92.435 -92.435 1 87.500 44.140 43.360 37.704 -49.075 -54.731 2 87.500 46.897 40.603 30.702 -8.472 -24.029 3 87.500 47.729 39.771 26.150 31.300 2.122 4 87.500 51.065 36.435 20.832 67.735 22.954 5 87.500 53.138 34.362 17.084 102.097 40.038 6 87.500 67.501 19.999 8.646 122.096 48.684 7 87.500 43.544 43.956 16.525 166.052 65.209 Soma 612.500 446.448 166.052 65.209 339.299 7.811 Tabela 3.8. - Valor presente líquido (VPL), taxa interna de retorno (TIR), tempo de retorno do capital (TCR) e renda líquida total (RLT) VPL (15%) 65.209 TIR 38% TRC 3 anos RLT 7.811 C APÍTULO IV Avaliação de um Evaporador para Destilação Contínua Júlio César de Jesus Sandra Maria Couto Juarez de Sousa e Silva O objetivo deste capítulo é de avaliar um sistema de aquecimento evaporativo com a finalidade de fornecer vapores hidroalcoólicos, em regime contínuo e que pudesse ser usado com diferentes tipos de colunas e de modo a atender à demanda por álcool hidratado nas atividades da fazenda ou para produção de pré-destilado para a produção de álcool combustível em sistema cooperativo ou integrado e que será descrito a seguir. Definição da Área de Estudo Com o objetivo de possibilitar a avaliação de um sistema de aquecimento evaporativo para produção de álcool, utilizou-se um evaporador de fluxo contínuo, idealizado pelo prof. Juarez e instalado na área de Energia e de Pré-Processamento de Produtos Agrícolas, do Departamento de Engenharia Agrícola da Universidade Federal de Viçosa (UFV). Foram investigados os efeitos das variáveis: teor alcoólico do vinho, vazão, temperatura e massa específica na produção de álcool combustível em coluna de refluxo do tipo recheio (JESUS, 2004). 76 Capítulo 1V O desempenho do equipamento desenvolvido para produção de álcool combustível foi comparado ao de um sistema intermitente (batelada). Foi adotado como base para o desenvolvimento do experimento o trabalho realizado por Silva (1992), que utilizou o sistema de batelada. Caso o leitor não tenha interesse imediato em entender o comportamento operacional e teórico do sistema, é recomendado que passe diretamente para o Capítulo VI. Sistema de Aquecimento Evaporativo O sistema evaporativo, estudado, é composto de um evaporador horizontal (Figura 4.1a), e de uma campânula (Figura 4.1b). Como no experimento, o sistema deve ser construído, preferencialmente, em aço inoxidável polido e possuir, no mínimo, 14 divisões iguais do tipo gincanas. Nas extremidades do evaporador devem ser acopladas as tomadas de entrada do vinho ou do pré-destilado e a saída da vinhaça ou água fraca. O evaporador completo é mostrado na Figura 4.1b. Mais detalhes sobre o sistema será apresentado mais adiante. Figura 4.1 - (a) Entrada e saída do evaporador; (b) o evaporador completo. Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 77 No evaporador, a mistura vai sendo aquecida gradualmente à medida que percorre os labirintos do evaporador até entrar em regime de ebulição, gerando produção de vapores mais ricos em álcool. O início da evaporação turbulenta se dá, aproximadamente, no final da primeira terça parte do evaporador. Para facilitar o direcionamento dos vapores para o interior da coluna, foi adotada uma coifa ou campânula, construída em aço inox e perfeitamente ajustada sobre a bandeja evaporadora, fixada por parafusos e junta de vedação. Os vapores que condensam dentro da coluna retornam para o início do evaporador por meio de um funil adaptado na base superior da coifa (Figura 4.2). Esses condensados, ricos em álcool, são misturados com o vinho para serem aquecidos e evaporados novamente, gerando maior concentração alcoólica. Figura 4.2 - Detalhe do funil no interior da campânula. Construção da Fornalha Devido à impossibilidade de trabalhar com a queima de bagaço de cana, nas condições do trabalho, foi construída uma fornalha para queima de lenha, para suporte e aquecimento direto do sistema, permitindo melhor aproveitamento da energia térmica liberada da combustão na parte inferior do evaporador. 78 Capítulo 1V As paredes laterais da fornalha foram construídas com tijolos maciços e revestidas internamente com tijolos refratários. A fornalha possui o fundo inclinado, para facilitar a ligação com a chaminé. Foi também utilizada uma grelha de ferro fundido, a fim de manter o combustível suspenso durante o processo de combustão e permitir a circulação do ar comburente por sua estrutura (Figuras 4.3, 4.4 e 4.5). Figura 4.3 - Detalhes de construção (tijolos maciços, fundo inclinado e posicionamento da grelha). Figura 4.4 - (a) Tiragem natural; (b) detalhes do cinzeiro. Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 79 O compartimento do cinzeiro (Figura 4.4), localizado abaixo da grelha, é destinado ao recebimento das cinzas provenientes da combustão e ao fornecimento de parte do ar primário. A chaminé, responsável pela tiragem natural dos gases resultantes da combustão, deve ser construída na parte posterior ou na extremidade oposta à porta de alimentação da fornalha (Figura 4.4a). Figura 4.5 - Revestimento de tijolos refratários (a) e detalhes da entrada da chaminé (b). Isolamento Térmico da Campânula Para diminuir a intensa troca de calor com o ambiente e o efeito da dilatação, a campânula do evaporador foi revestida com lã de vidro e protegida com tijolos maciços. Na Figura 4.6 (a) podem ser vistos os detalhes do isolamento térmico da campânula e o visor em vidro térmico. Na Figura 4.6(b) é mostrada a vista frontal, com detalhe do início do revestimento (lã de vidro e tijolos comuns). 80 Capítulo 1V Figura 4.6 - Detalhes da lã de vidro (a); Revestimento com tijolos (b). Matéria-Prima para os Testes Para avaliação do evaporador contínuo, acoplado a uma coluna de refluxo, foram usados os seguintes materiais: pré-destilados (soluções hidroalcoólicas) e cachaça. Na preparação das soluções hidroalcoólicas foram utilizadas quantidades definidas de álcool combustível (92 oGL) e de água, para simularem diferentes tipos de pré-destilados e mesmo a destilação do vinho. Foram realizados testes com o evaporador do tipo panela (batelada), para comparação com o sistema de evaporação contínua. Os testes usados na avaliação do novo sistema estão apresentados na Tabela 4.1. As soluções com 15 e 50% de álcool foram usadas para simular, respectivamente, o vinho (mosto fermentado) e os pré-destilados (para produção de álcool em sistema cooperativo). Nos testes (1), as concentrações alcoólicas de 33, 50, 39 e 15 oGL foram utilizadas para analisar o comportamento do destilador, fato que ocorreria em condições reais no processo de destilação. Com os dados experimentais de vazão do álcool na saída em função da concentração de entrada, foi ajustada uma expressão para possibilitar o estudo do destilador de acordo com essas variáveis. 81 Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo Tabela 4.1 - Testes experimentais realizados com o evaporador horizontal e com o do tipo panela Testes Evaporador Concentração oGL Vazão L/h 1a contínuo 33 41 1b contínuo 50 49 1c contínuo 39 66 1d contínuo 15 77 2 contínuo 50 8, 29, 35 e 54 3 contínuo 15 53, 72, 115 e 158 4 contínuo 43 57 5 Panela 50 —- O teste 4 foi utilizado para confirmar a vazão do teste 2, com vazão de 54 L/h. No último teste (5), que envolveu a retificação do álcool no sistema intermitente (panela), os trocadores de calor da coluna (superior e inferior) foram mantidos em 82 e 78°C, respectivamente. Variáveis dependentes, como a temperatura da panela, as temperaturas nos trocadores de calor e o teor de álcool, foram monitorados com a finalidade de comparação com outros testes. Vazão de entrada no evaporador e temperaturas da solução Um reservatório de 200 L foi usado como depósito da solução para alimentar o evaporador. Para facilitar a manutenção de uma vazão constante, foi instalado um registro de pressão na saída do reservatório. Um sistema de aquisição de dados conectado a um computador foi usado para registrar, a cada dez segundos, as temperaturas do sistema 82 Capítulo 1V de destilação. Na fornalha, próximo ao fundo do evaporador, os termopares foram fixados em quatro pontos, definidos a 50 e 100 cm da entrada da mistura (Figura 4.7 b). Na coluna, os termopares foram instalados no controlador de refluxo superior (Figura 4.8a) e no controlador de refluxo inferior (Figura 4.8b). Figura 4.7 - Posição dos termopares no evaporador (a); Posição dos termopares na fornalha (b). Figura 4.8 - Termopares instalados nos controladores de refluxo superior (a) e inferior (b). Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 83 Massa específica das soluções Utilizou-se a massa específica para estimar as concentrações nos testes. Em média, nove amostras (para cada combinação inicial de concentração alcoólica da solução) foram retiradas de cinco posições diferentes do evaporador. Amostras da solução retiradas nas tomadas de prova da bandeja do evaporador (Figura 4.9) foram coletadas em balões volumétricos, para determinação do teor alcoólico. Aos dados de massa específica e ao correspondente teor alcoólico foi ajustado uma equação para expressar o teor alcoólico (oGL). Figura 4.9 - Pontos de coletas de amostras da solução em processo de destilação. Álcool retificado O álcool hidratado carburante apresenta teor alcoólico de 93,8% em peso de etanol e o restante em água e é usado como combustível em motores de combustão interna. 84 Capítulo 1V A coluna retificadora (Figura 4.10) usada por Silva (1992) é constituída de um tubo de aço inoxidável e recheada com tubos de vidro, para aumentar a superfície de troca de calor com o vapor da solução. Os vapores fluem ao longo da coluna, aumentando a concentração de álcool até entrar no condensador. A coluna tem como base o flange superior do evaporador e é fixada por parafusos e junta entre os flanges. No primeiro trocador de calor, que proporciona o controle de refluxo inferior, parte dos vapores é condensada e retorna para o início do evaporador. A temperatura do vapor é controlada por meio de um registro de pressão localizado na parte inferior do sistema, permitindo a regulagem do fluxo de água de arrefecimento para a parte superior da coluna. No controlador de refluxo superior, semelhante ao inferior e localizado no topo da coluna, a pouca quantidade de água contida no vapor é condensada para retornar para a parte inferior da coluna retificadora e enriquecer os vapores ascendentes. No topo da coluna, os vapores mais ricos em álcool fluem através do condensador e saem na forma líquida a 25 ºC, aproximadamente. Figura 4.10 - Modelo de coluna de retificação do tipo recheio usado na avaliação do evaporador contínuo. Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 85 Execução dos Testes • Adição de calor ao sistema: antes da injeção da solução hidroalcoólica para ser destilada, água (até o nível preestabelecido) foi adicionada ao evaporador. Os registros de entrada e de saída foram mantidos fechados, para que todo o evaporador atingisse o regime e a temperatura de trabalho (ponto de ebulição). • Uso de água para obtenção de um escoamento em regime permanente: à entrada do controlador de vazão foi adaptada a mangueira de água. Os dois registros foram mantidos abertos e estabeleceu-se uma vazão e um nível de água no evaporador com valor aproximado dos que deveriam ser utilizados quando da destilação propriamente dita. O fluxo de água foi mantido até que a água do evaporador entrasse em ebulição (esse ponto foi determinado pela inspeção do visor lateral do equipamento). • Testes reais: após estabilização do sistema, iniciaram-se testes de destilação. Para isso, os dois registros foram abertos (para vazão preestabelecida) e o sistema de aquisição de dados acionado. A cada quinze minutos foram determinadas as vazões (na entrada e na saída do evaporador e a vazão do destilado na saída do condensador) e as massas específicas em quatro pontos do evaporador. Esse procedimento foi executado durante aproximadamente seis horas, e durante todo o teste as temperaturas da mistura no evaporador foram registradas. Já as temperaturas nos dois trocadores de calor foram controladas em 85 oC (controle inferior) e 78 oC (controle superior). Evaporador contínuo versos intermitente Procurou-se, por semelhança com os testes realizados com misturas de álcool combustível e água, aquele teste cujas condições de trabalho se aproximassem das de um pré-destilado de cana com teor alcoólico de 43 oGL (teste 4). Os dados relativos a este experimento, com misturas hidroalcoólicas de 50 oGL, foram usados para definir uma vazão de 86 Capítulo 1V alimentação do pré-destilado. Para investigar a repetibilidade do processo de destilação, foi executado um teste em condições similares às daquele realizado com a mistura hidroalcoólica a 50% e vazão de 54 L/h (repetição do teste 4). Funcionamento do equipamento Para manter constante a vazão da mistura hidroalcoólica, usou-se um tanque tipo Mariott. Esse reservatório de vinho ou de pré-destilado é provido de um registro localizado na parte inferior, para saída da solução, e de um bujão situado na parte superior, para carga da solução hidroalcoólica (Figura 4.11). Figura 4.11 - Depósito de vinho e tanque de Mariott para carga constante. Quando se abre o registro (Figura 4.12), a solução é conduzida do tanque de alimentação para o evaporador, para ser aquecida e evaporada continuamente. No interior da campânula, parte do vapor que foi condensado na base da coluna é captada por um funil, convenientemente adaptado no Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 87 interior da campânula (Figuras 4.7 e 4.12), que retorna para o início da bandeja, enriquecendo a solução. Figura 4.12 - Detalhes do posicionamento do funil para retorno do condensado. Resultados Teor alcoólico em função da massa específica Com os dados experimentais obtidos em laboratório, foi ajustada a equação (4.1) para expressar o teor alcoólico da mistura em função da massa específica (Figura 4.13). GL = -1878,2*ME2+2874,8*ME-1002,3 R2 = 0,99 (4.1) 88 Capítulo 1V Figura 4.13 - Teor alcoólico em percentagem, em função da massa específica. Retificação do álcool em diferentes concentrações Quatro experimentos foram realizados com soluções apresentando as seguintes características: concentrações de 33, 50, 39, e 15 oGL e vazões de 41, 49, 66 e 77 L/h, respectivamente. Com os dados experimentais de vazão do álcool na saída (VAS) em função da solução na entrada (VME), foi ajustada a equação 4.2 para avaliar o comportamento do destilador (Figura 4.14). VAZÃO = -0,012*VME2 + 1,85V*ME - 41,3 R2 = 0,96 (4.2) Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 89 Figura 4.14 - Vazão de álcool na saída (VAS) em função da mistura na entrada (VME). Solução hidroalcoólica a 50 oGL Para o teste 2 (Tabela 4.2), quatro experimentos foram realizados usando-se mistura com concentração de 50 oGL e vazões de 8, 29, 35 e 54 L/h. Como no caso anterior, os teores de álcool do produto na saída do destilador apresentaram pequenas diferenças. O teor alcoólico da mistura nos diferentes compartimentos do evaporador pode ser observado na Figura 4.15. Quando o produto flui sob uma vazão de 8 L/h, observase que ao final do teste (293 min) o álcool da mistura foi evaporado antes de atingir o último compartimento do evaporador. Esse fato, entretanto, não se verifica com maiores vazões. Nota-se, também, que o teor alcoólico da mistura nos diferentes compartimentos do evaporador aumenta com a vazão do produto. Analisando a Figura 4.15, pode-se inferir que; para o evaporador em estudo e com vazão de entrada um pouco superior a 30 L/h, o vinhoto deveria ser conduzido a uma nova destilação. 90 Capítulo 1V Na condução de quatro testes em que a solução foi de 50 oGL, observou-se aumento da vazão do álcool saindo do condensador e água saindo do evaporador, à medida que a vazão de entrada da solução no evaporador aumentava. Isso indica que o processo transcorreu dentro do esperado, ou seja, aumentou a taxa de vaporização do álcool, implicando maior quantidade de álcool na saída do destilador (Figura 4.16). Figura 4.15 - Comportamento dos teores alcoólicos nos vários compartimentos do destilador. Na Figura 4.17, pode-se observar que a concentração de álcool na saída do condensador variou de 86 a 90 oGL, encontrando-se dentro da meta estabelecida no projeto, que deveria ser acima de 85 oGL (mínimo). Observa-se ainda que, à medida que a vazão de entrada da solução é aumentada, o teor de álcool na saída do evaporador “vinhoto” aumenta. Isso se deve ao fato de que, quanto maior a velocidade da solução no evaporado, menor será o tempo de residência desta sob uma mesma taxa de calor. Apesar da maior produção de álcool na saída do condensador, maior é a concentração de álcool no vinhoto, indicando a Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo necessidade de retorno e melhor purificação no pré-destilador 4.18). Detalhes de construção no Capítulo VI. 91 (Figura Figura 4.16 - Desempenho do sistema para destilação com 50 oGL, sob diferentes vazões de entrada no evaporador. Figura 4.17 - Teores de álcool em função das vazões na entrada do evaporador com concentração de 50%. 92 Capítulo 1V Figura 4.18 - Vista geral do pré-destilador modelo UFV. Simulação de água fraca (solução a 15 oGL) Para esta situação, foram realizados quatro testes com o evaporador sendo alimentado com vazões de 53, 72, 115 e 158 L/h. As variações dos teores alcoólicos nos vários compartimentos do destilador horizontal podem ser vistas na Figura 4.19. Pode-se observar que o último compartimento do evaporador, ou seja, o compartimento mais distante da entrada de alimentação, indica a que teor alcoólico sairá o vinhoto ou restilo. Portanto, devido ao baixo teor alcoólico do restilo, vazões entre 53 e 72 L/h, para dimensão do evaporador em pauta, poderiam ser consideradas ideais para uma mistura de entrada com concentração de 15%. Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 93 Figura 4.19 - Comportamento das soluções com teores alcoólicos nos vários compartimentos do evaporador. A vazão de álcool na saída do condensador apresentou variação crescente, entre 8 e 10 L/h, com o aumento da vazão da mistura hidroalcoólica. Para as duas vazões de entrada, de 53 e 72 L/h, os teores de álcool no restilo (saída do evaporador) foram nulos, e para a maior vazão, de 158 L/h, o teor foi de 6 oGL. A vazão de álcool na saída não aumentou significativamente com o aumento das vazões de entrada e da água na saída (Figura 4.20). O teor de álcool do restilo com vazões acima de 115 L/h aumentou significativamente com o aumento da vazão da solução de entrada no evaporador. Em todos os testes, os teores alcoólicos alcançado, para apenas uma coluna, na saída do condensador, ficaram acima de 85 oGL (Figura 4.21). 94 Capítulo 1V Figura 4.20 - Vazões da solução a 15 oGL (de entrada), do álcool produzido e do restilo. Figura 4.21 - Concentrações alcoólicas no restilo e na saída do condensador para solução com 15 oGL. Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 95 Retificação com 50 oGL em sistema intermitente Neste experimento foi utilizado o sistema intermitente, em que o material a ser destilado foi adicionado a uma panela ligada diretamente à coluna de destilação, como ocorre nos alambiques tradicionais. Com a solução em 50 oGL, observou-se que durante todo o processo de destilação o teor alcoólico na saída do condensador se manteve em torno de 90 oGL, diminuindo bruscamente no final da destilação, com vazão média de 30 L/h de álcool (Figura 4.22). Figura 4.22 - Teor alcoólico na saída do condensador durante destilação por batelada com pré-destilado a 50 oGL. Retificação do pré-destilado a 43 oGL Os resultados obtidos neste teste, que consistiu na retificação de um pré-destilado (cachaça) a 43 oGL, estão representados na Figura 4.23; foi feito com a intenção de simular a participação dos produtores de aguardente na produção de álcool em sistema cooperativo ou integrado. Nota-se que o teste foi bastante similar ao teste com solução a 50 oGL. Nesta figura são apresentados os teores alcoólicos nos vários compartimentos do evaporador, em função do tempo de operação. 96 Capítulo 1V Pode ser visto que o teor de álcool no compartimento localizado a 112 cm da entrada no evaporador já está próximo de zero, após 35 min do início do teste. Esse valor voltou a subir para valores superiores a 5 oGL. Quanto às concentrações alcoólicas superior ao valor apresentado, deve-se pensar em nova destilação do efluente (restilo) ou em diminuir a vazão para valores inferiores a 50 L/h para aumentar o tempo de residência da mistura (cachaça) dentro do evaporador, a fim de se obter um efluente com teor alcoólico próximo de zero. Figura 4.23 - Variação dos teores alcoólicos no evaporador durante a retificação do pré-destilado a 43 oGL. Comparação do evaporador contínuo com o intermitente Nas Figuras 4.24 e 4.25 são apresentados os resultados das destilações com a finalidade de comparar o evaporador contínuo com o intermitente. O teste 2 e o teste 4 foram realizados com o evaporador contínuo (bandeja), e o teste 5, com evaporador intermitente ou coluna sobre panela. No teste 2 (solução hidroalcoólica a 50%) estabeleceu-se uma vazão de 48 L/h e obteve-se um restilo com teor de álcool a 4 oGL. Para Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 97 o pré-destilado (cachaça) a 43 oGL (teste 4), a vazão da mistura na entrada foi de 57 L/h e o teor de álcool detectado no restilo, de 5 oGL. À primeira vista, a taxa de evaporação no teste 5 (evaporador intermitente ou panela) parece superior às apresentadas pelo evaporador contínuo sob o mesmo teor alcoólico do restilo (o sistema não apresenta vazão de água de saída, nem vazão de entrada da solução). Portanto, o sistema precisa de carga e descarga, e o teor de álcool no restilo só pode ser verificado após a destilação em temperatura próxima a 25 oC (Figura 4.25). No teste 2, embora o teor alcoólico da solução tenha sido pouco menor do que no teste 4, houve aumento da taxa de evaporação com o incremento da vazão da mistura de entrada. Os teores de álcool do restilo em todos os testes não tiveram variação significativa. Figura 4.24 - Vazão de entrada e saída do evaporador e do álcool produzido para os testes a 48 L/h e 57 L/h, 98 Capítulo 1V Figura 4.25 - Teores alcoólicos na entrada do evaporador, do restilo e do álcool produzido para os testes a 48 e 57 L/h com produção intermitente. C APÍTULO V Análise Física do Evaporador Contínuo e Programa para Dimensionamento Sandra Maria Couto Juarez de Sousa e Silva Júlio César de Jesus Generalidades Destilação é um processo usado para separar os componentes de uma solução líquida e depende da distribuição dos vários componentes entre as fases de vapor e líquida. A fase de vapor é obtida da fase líquida, pela vaporização no ponto de ebulição. O requerimento básico para separação dos componentes é de que a composição do vapor seja diferente da composição do líquido com o qual ele se encontra em equilíbrio no ponto de ebulição. Vaporização e condensação são os dois processos de mudança de fase que podem ocorrer em uma interface sólido-líquido e sólido-vapor, respectivamente. Nesses casos, os efeitos do calor latente, associados à mudança de fase, são significativos. Segundo Incropera e DeWitt (1992), a ebulição e a condensação envolvem movimento de fluido e, por isso, são classificadas como espécies de modos convectivos de transferência de calor. Devido à mudança de fase, é possível a transferência de calor do fluido, ou para o fluido, sem alteração da sua temperatura. 100 Capítulo V Na ebulição e na condensação, é possível conseguir taxas elevadas de transferência de calor com pequenas diferenças de temperatura. Em uma convecção simples, de acordo com Pitts e Sissom (1977), um coeficiente de transferência de calor (h) é usado para relacionar o fluxo de calor e a diferença de temperatura entre a superfície aquecedora (Ts) e o líquido saturado (Tsat). Entretanto, os processos de mudança de fase envolvem variações de densidade, viscosidade, calor específico e condutividade térmica do fluido. O calor latente é liberado no caso da condensação e absorvido na vaporização. As determinações dos coeficientes de transferência de calor para ebulição e condensação são bem mais complicadas do que para processos convectivos com uma única fase. Assim, a maioria dos cálculos que envolvem ebulição e condensação é realizada por meio de correlações empíricas. Uma aproximação simplificada para determinação da transferência de calor em escoamento com ebulição é feita pela adição dos efeitos: (a) convectivo (convecção natural ou convecção forçada, sem o efeito de ebulição) ( q A (b) de ebulição ( conv q A )e ebu ). Quando um fluido encontra-se em um recipiente cuja face inferior é aquecida, para taxas pequenas de adição de calor, vapor se formará na superfície livre. À medida que o fluxo de calor aumenta, bolhas se formam na região de aquecimento e mudam de tamanho enquanto se movimentam para cima no fluido, além da vaporização na superfície livre. A formação de bolhas com a agitação provocada é denominada de ebulição. Se o recipiente encontra-se sobre uma superfície que é mantida a uma temperatura acima da temperatura de saturação do líquido, a ebulição pode ocorrer e o fluxo de calor dependerá da diferença entre as temperaturas da superfície e a temperatura de saturação (HOLMAN, 1976). O comportamento de um fluido durante a ebulição é altamente Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 101 dependente do excesso de temperatura (∆Tx), que pode ser calculado pela diferença de temperatura entre a superfície aquecedora (Ts) e o líquido saturado (Tsat) medido no ponto de ebulição do fluido, ∆Tx = Ts – Tsat. Diferentes regimes constituem uma ebulição típica: Regime I: o calor é transferido por convecção livre. Regime II: as bolhas começam a aparecer na superfície quente e movimentam-se individualmente para a superfície livre. Regime III: a ebulição torna-se tão vigorosa que bolhas individuais combinam-se com outras muito rapidamente, para formar uma coluna de bolhas que alcança a superfície livre do líquido. Regime IV: as bolhas são formadas tão rapidamente que cobrem a superfície quente. O aumento de resistência do filme reduz o fluxo de calor, e a transferência de calor diminui com o aumento do diferencial de temperatura. Este regime é muito instável, pois há colapso intermitente do filme. Desenvolvimento do Programa Para análise de transferência de calor e de massa no evaporador contínuo (Figura 5.1) utilizado nos testes de destilação do álcool, escreveuse um programa computacional (linguagem Pascal). Um fluxograma com as principais etapas do programa é mostrado na Figura 5.2; cada um de seus itens, assim como o volume de controle usado na análise, a nomenclatura adotada no programa e os casos que foram simulados são apresentados a seguir. Volume de controle e nomenclatura Na simulação da transferência de calor e de massa, o volume de controle (VC) considerado foi o evaporador horizontal do destilador de álcool, construído em aço inoxidável com 14 compartimentos. O 102 Capítulo V evaporador foi representado por 14 retângulos, (Figura 5.2), cada um conectado com o seu antecessor e o seu sucessor, com exceção do primeiro e do último, que fazem conexão apenas com o seu sucessor e com o antecessor, respectivamente. SUB-ROTINA = ESTADO Entradas: - número do compartimento do evaporador e temperatura da mistura em cada um - Temperatura de ebulição do etanol - equações de equilíbrio para etanol-água Resultado: Estado da mistura e fração em massa de etanol (FMAS) Entradas: - Temperatura da mistura em cada compartimento (ºC): TEMP [I], I = 1..14; - Vazões da mistura líquida na entrada e na saída (L/h): L[1] e L[15] - Teor alcoólico em cada compartimento (% GL): XX[I], I = 1..15 Concentração do álcool na saída: PROGRAMA PRINCIPAL: INÍCIO BALANÇO DE MASSA: Determinação da quantidade total de álcool evaporado durante o processo Determinação da concentração do álcool na saída Determinação da vazão de líquido em cada compartimento Cálculos de erros relativos percentuais para concentrações alcoólicas Determinação da transferência de calor em escoamento com ebulição: aproximação simplificada Transferência de calor ~ ~ efeito convectivo (sem ebulição) + efeito de ebulição CONVECÇÃO: Escoamento com transferência de calor sobre uma placa plana (apenas convecção) EBULIÇÃO: transferência de calor em regime de ebulição Determinação da temperatura da película Determinação das propriedades do material à temperatura da película Determinação do tipo de escoamento (laminar ou turbulento): Número de Reynolds comprimento crítico Determinação do coeficiente médio de transferência de calor Determinação da taxa de transferência de calor por convecção para um lado da placa: Lei de Newton de resfriamento Figura 5.1 - Fluxograma do programa computacional desenvolvido para simular o processo de destilação de mistura etanol-água. 103 Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo Cada retângulo do modelo possui três aberturas: uma para entrada, outra para a saída da solução e a terceira para saída do vapor. Considerando o i-ésimo compartimento do evaporador, a nomenclatura adotada para as vazões foi: a vazão da solução na entrada do compartimento foi representada por Li; a vazão da solução na saída, por Li+1; a vazão da solução saindo em forma de vapor, por Vi+1. A mesma nomenclatura foi adotada para a concentração alcoólica da solução, Xi. Assim, no primeiro compartimento entra uma solução a uma vazão L1, na concentração X1; sai a uma vazão L2, na concentração X2; e sai vapor (álcool) a uma vazão V2 e concentração YB. V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 V10 V11 V12 V13 V14 V15 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 L10 L11 L12 L13 L14 L15 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 X12 X13 X14 X15 1 P1 2 3 4 5 6 P2 7 8 9 10 P3 11 P4 12 13 14 P5 Local de medição do teor alcoólico; e Local de medição de temperatura. Figura 5.2 - Esquema utilizado para representar a vista superior do evaporador horizontal nas simulações. Casos experimentais simulados Os valores de vazões da mistura na entrada do volume de controle, de álcool na saída e da mistura na saída (restilo), obtidos nos oito casos experimentais investigados em misturas com teores alcoólicos iniciais de 50 104 Capítulo V e 15 oGL, são apresentados nas Tabelas 5.1 e 5.2, respectivamente. O programa computacional desenvolvido foi usado para simular cada um desses casos. Tabela 5.1 - Valores aproximados dos parâmetros envolvidos nos testes para uma solução 50 oGL na entrada do destilador Solução na entrada Vazão (L/h) Teor alcoólico (oGL) Álcool na saída Vazão (L/h) Teor alcoólico (oGL) Solução na saída (restilo) Vazão (L/h) Teor alcoólico (oGL) Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4 8 50 29 50 34 50 54 50 5 86 15 90 17 89 22 88 5 0 16 5 20 13 33 15 Tabela 5.2 - Valores aproximados dos parâmetros envolvidos nos testes de retificação do álcool para uma mistura com 15 oGL na entrada do evaporador Solução na entrada Vazão (L/h) Teor alcoólico (oGL) Álcool na saída Vazão (L/h) Teor alcoólico (oGL) Solução na saída Vazão (L/h) Teor alcoólico (oGL) Caso 5 Caso 6 Caso 7 Caso 8 53 15 72 15 115 15 158 15 8 85 9 86 10 85 11 86 43 0 57 0 105 3 147 6 Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 105 Sub-rotina (procedure) de estado O programa é auxiliado por uma sub-rotina (procedure) denominado “ESTADO”, cujo objetivo é determinar o estado da mistura (líquido ou líquido-vapor ou vapor) em cada compartimento do evaporador e, também, a fração em massa do etanol na mistura. Para isso, necessitase de um valor para temperatura de ebulição do etanol (considerado 78,15 oC), da equação de equilíbrio para a solução etanol-água e da distribuição de temperatura em cada compartimento do evaporador. Estado da mistura Na formulação das equações necessárias à descrição do estado da mistura em um determinado compartimento do evaporador, considerouse o processo de separação vapor-líquido de uma mistura com dois componentes (A e B) e duas fases, sendo A (etanol) mais volátil que B (água). O equilíbrio do sistema vapor-líquido foi descrito pela regra das fases (GEANKOPLIS, 1978): para um sistema com dois componentes e duas fases, pela equação (5.1), o grau de liberdade é igual a 2. As variáveis (quatro) envolvidas no processo são: temperatura, pressão e as composições YA (vapor) e XA (fase líquida). A composição de B é fixada se YA ou XA é especificada, pois YA + YB = 1 e XA + XB = 1. Como há tem dois graus de liberdade, ao fixar duas variáveis, as outras automaticamente ficarão definidas. Por exemplo, se a pressão e a composição líquida forem fixadas, automaticamente, estarão definidas a temperatura e a composição de vapor. Geralmente, as relações de equilíbrio, líquido-vapor, para uma mistura binária de A e B, são apresentadas em um diagrama de ponto de ebulição, como mostrado na Figura 5.3. F= C – P +2 (5.1) em que: F = número de variáveis ou grau de liberdade do sistema; C = número total de componentes nas duas fases (sem reação química); e P = número de fases em equilíbrio. 106 Capítulo V Se, na Figura 5.3, a solução inicial, fria e líquida, com XA= 0,3, for aquecida, a ebulição começará a uma temperatura próxima de 84,5oC e a composição do primeiro vapor em equilíbrio será, aproximadamente, YA=0,71. À medida que a ebulição continua, a composição de XA moverá para cima, pois YA é mais rico em A. As equações (5.2) e (5.3) têm por objetivo estimar, durante o estado líquido-vapor, as composições do vapor YA e do líquido XA de etanol (fração em massa de álcool na solução) em função da temperatura (oC), respectivamente. Essas expressões foram obtidas por meio de ajustes de equações polinomiais aos dados tabelados e fornecidos por Geankoplis (1978). XA (fração mássica de álcool na mistura) 1 Sistema em equilíbrio 0,9 linha de vapor y saturado 0,8 0,7 região de valor1 0,6 xA yA 0,5 região de mistura vapor-líquido linha de vapor x saturado 0,4 0,3 região de líquido 0,2 0,1 0 70 75 80 85 Temperatura (ºC) 90 95 100 Figura 5.3 - Diagrama de ponto de evaporação para álcool (A) e água (B) sob pressão de 1 atm. Para o compartimento J: YA[J] = 6,566x10-6*(TEMP[J])4 – 2,5x10-3*(TEMP[J])3 +0,3561*(TEMP[J])2- 22,289*TEMP[J] + 520,86 R2 = 0,994 (5.2) Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 107 XA[J] = 5,441x10-6*(TEMP[J])4 – 2,1118 x10-3*(TEMP[J])3 + 0,30745*(TEMP[J])2 - 19,913*TEMP[J] + 484,32 (5.3) R2 = 0,997 Parâmetros de entrada do programa Temperaturas e concentrações em cada compartimento As temperaturas e concentrações da mistura, ao longo do tempo de destilação, foram medidas em cinco pontos do evaporador (P1 até P5). Os locais em que essas grandezas foram obtidas encontram-se representados na Figura 5.2. Os valores médios obtidos para temperatura e concentração de álcool nos cinco pontos, para as diferentes vazões e concentrações da mistura, são apresentados na Tabela 5.3. Os valores médios da temperatura da solução nos cinco pontos são provenientes de dados determinados em intervalos de tempo de 30s (sistema de aquisição de dados), enquanto os valores das concentrações alcoólicas da mistura foram obtidos de 11 amostras retiradas de cada ponto do evaporador, ao longo do processo de destilação. A variação da temperatura em diferentes compartimentos do evaporador durante o tempo de teste, tomando como exemplo o caso 4 (Tabela 5.1) dos experimentos (solução inicial a 50 oGL), pode ser visualizada na Figura 5.4. Observa-se que no ponto P1, próximo à entrada da solução (temperatura ambiente), houve grande variação nos valores da temperatura devido ao retorno do condensado (refluxo) pelo funil, o qual é direcionado ao primeiro compartimento do evaporador P1, o que não ocorreu em outros pontos do evaporador. P1 50 50 50 50 15 15 15 15 VazãoL/h 54 35 30 8 158 115 72 53 11 13 11 13 9 35 43 42 P2 4 7 8 12 5 21 34 32 P3 P5 1 7 16 15 2 3 3 6 1 3 2 5 Concentração 15% 2 10 16 17 59 49 42 41 46 70 27 49 P1 Concentração 50% P4 Teor alcoólico (GL) 89 89 79 74 84 85 83 83 P2 94 94 91 91 82 89 85 85 P3 95 96 94 94 88 93 89 89 P4 Temperatura (°C) 95 96 95 93 90 94 90 90 P5 Tabela 5.3 - Valores experimentais (aproximados) da temperatura e da concentração da mistura em diferentes pontos da bandeja evaporadora. 108 Capítulo V Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 109 Figura 5.4 - Temperaturas da solução nos compartimentos do evaporador (mistura a 50 oGL e 54 L/h). Aos valores médios experimentais das temperaturas e concentrações, nos cinco locais do evaporador, foram ajustadas equações polinomiais para expressar essas grandezas em função da distância em relação à entrada da solução no evaporador. Essas equações foram usadas para estimar a temperatura e a concentração nos compartimentos do evaporador em que não eram conhecidas. Os ajustes das equações polinomiais foram realizados visando a melhor representação possível dos dados experimentais. Os coeficientes envolvidos nas equações, ajustadas para expressar as variações do teor de álcool (TAL, %) e da temperatura (TEMP, oC), em função da distância (DIS, m) no evaporador, podem ser visualizados nas Tabelas 5.4 e 5.5, respectivamente, juntamente com seus coeficientes de determinação (R2). As equações ajustadas encontram-se representadas, de forma genérica, conforme as equações (5.4) e (5.5): 110 Capítulo V TAL = A1 (DIS)3 + B1 (DIS)2 + C1 (DIS) + D1 TEMP = A2 (DIS)3 + B2 (DIS)2 + C2 (DIS) + D2 (5.4) (5.5) Tabela 5.4 - Coeficientes das equações para o teor alcoólico (GL) em função da distância na bandeja (m) Vazão (L/h) A1 B1 C1 D1 R2 51,139 51,402 51,113 49,998 0,9385 0,9007 0,9623 1,0000 Concentração = 50 oGL 54 35 30 8 _ _ _ -23,593 -4,0083 -20,707 -6,1698 -17,552 5,0809 -39,221 88,643 -112,69 Concentração = 15 oGL 158 115 72 _ _ _ -3,8497 -0,953 -0,4862 -2,1197 -8,5499 -8,7559 15,312 15,295 15,603 0,9098 0,9703 0,8826 53 _ 1,761 -13,254 15,524 0,9185 Tabela 5.5 - Coeficientes das equações para temperatura (°C) em função da distância na bandeja (m) Vazão(L/h) A2 B2 C2 D2 R2 43,49 17,962 68,326 40,077 0,99 0,99 1,00 0,98 40,622 41,549 48,599 59,159 0,98 0,99 0,99 1,00 Concentração = 50% 54 35 30 8 29,895 51,703 -2,1537 42,477 -99,948 -172,3 -8,167 -129,1 114,16 191,32 33,943 132,32 Concentração = 15% 158 115 72 53 23,813 -31,932 -34,852 -90,134 -28,209 82,961 86,915 113,21 65,422 Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 111 Vazões e concentrações de álcool Alguns dados (Tabelas 5.4 e 5.5), como vazões da solução (na entrada e na saída) e teores alcoólicos da solução na entrada e do álcool na saída, foram introduzidos no programa e utilizados em cálculos para determinação de outros parâmetros. A vazão e o teor de álcool na saída foram utilizados apenas para cálculos de erros percentuais relativos. Balanços de massa Os valores para vazão total de álcool evaporado durante o processo, concentração do álcool na saída, vazão e concentração da solução em cada compartimento foram obtidos realizando-se balanços de massa no volume de controle e em cada compartimento, como descrito a seguir: Vazão total de álcool evaporado durante o processo (TOTV) Balanço global L[1] = L[15] + (V[2]+V[3] +...+ V[15])=L[15] + TOTV (5.6) TOTV=L[1]–L[15] (5.7) A vazão e a concentração de álcool evaporado em todos os compartimentos foram consideradas iguais. Concentração do álcool na saída Balanço de álcool X[1] = L[15] X[15] + TOTV YB (5.8) YB = (L[1] X[1] - L[15] X[15])/ TOTV (5.9) 112 Capítulo V Vazão e concentração da solução em cada compartimento Para o compartimento I: L[I] = L[I+1] + V[I+1] (5.10) L[I+1] = L[I] - V[I+1] = L[I] – TOTV/14 (5.11) L[I] X[I] = L[I+1] X[I+ 1] + V[I+1] YB (5.12) X[I+1] = (L[I] X[I] – (TOTV/14) YB)/L[I+1] (5.13) Velocidade da mistura nos compartimentos - VEL Para o compartimento I: VEL[I] = L[I] * 0,001/área = L[I] * 0,001/(3600*0,05*0,1) (5.14) Área = área transversal ao vetor velocidade, m/s. Taxa de transferência de calor para escoamento com ebulição Uma aproximação simplificada para determinação da transferência de calor em escoamento com ebulição é feita pela adição dos efeitos (a) convectivo (convecção natural ou forçada sem o efeito de ebulição) e (b) de ebulição: q q = A A conv + q A ebu em que: q A conv = h(Ts-T∞) transferência convectiva de calor por unidade de área, Wm-2; (5.15) Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 113 T∞ - temperatura média do fluido, oC; H - coeficiente de transferência por convecção (ebulição ausente), Wm -2 oC-1; e q A ebu - transferência por ebulição por unidade de área (convecção ausente), W m-2. Transferência de calor na ebulição A correlação usada na simulação - uma das correlações gerais mais aceitas para transferência de calor em regime de ebulição nucleada (Pitts; Sissom, 1977) - foi: q A ebu = µ l h fg g(ρ l − ρ v σ  c l (Ts − Tsat )   1,7  h fg Prl C sf  3 (5.16) em que: cl = calor específico do líquido saturado, J/kg.K; Csf = constante superfície-líquido (Tabela 9-1, Schaum); g = aceleração da gravidade local, m/s2; hfg = entalpia de vaporização, J/kg; Prl = número de Prandtl para o líquido saturado; Ts – Tsat = excesso de temperatura, K; µl = viscosidade do líquido, kg/m.s; σ = tensão superficial, N/m; ρl = densidade do líquido saturado, kg/m3; e ρv = densidade do vapor saturado, kg/m3. Nota: subscritos l e v referem-se aos estados de líquido e de vapor, respectivamente. 114 Capítulo V Transferência convectiva de calor (processo sem ebulição) O escoamento da solução nos compartimentos do evaporador foi considerado como o de um fluido sobre uma placa plana. Os passos seguidos no programa para obtenção da transferência convectiva de calor foram: 1) Determinação da temperatura da película: Tp = Ts − T∞ 2 (5.17) (2) obtenção das propriedades necessárias à determinação da transferência de calor (temperatura da película, Tp). (3) determinação do regime de escoamento (laminar ou turbulento) pela obtenção do número de Reynolds no final da placa: Re = V∞ L υ (5.18) em que: V∞ - velocidade, m s1; L - comprimento, mm; e í - viscosidade, m2s-1. (4) Determinação do comprimento crítico, xc, no qual haverá transição do regime de escoamento de laminar para turbulento (número de Reynolds crítico = 500.000): xc = Reυ V∞ (5.19) (5) Determinação do coeficiente de transferência de calor convectivo médio (Incropera; DeWitt, 1992): Para escoamento em camada limite mista (laminar e turbulenta): 115 Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo __ _____ Nu = ( ) hL = Pr 1 / 3 0,037 Re 0,8 − 871 k Validade da equação: (5.20) 0,6< Pr > 60; 5x105 < Re < 108 (6) determinação da taxa de transferência de calor por convecção: q A conv = h(Ts-) (5.21) Propriedades da solução Constantes para combinações superfície / fluido e tensão superficial Valores de várias constantes para combinações superfície-fluido encontram-se na Tabela 5.6. O valor usado no programa para essa grandeza foi 0,013, correspondente à superfície água/aço inoxidável polida mecanicamente. Tabelas 5.6 - Constantes para combinações superfície/fluido Combinação superfície-fluido Água-bronze Água-cobre Água-níquel Água-platina Água-aço inoxidável Corroída quimicamente Polida mecanicamente Esmerilhada e polida Álcool etílico-cromo Fonte: PITTS E SISSOM (1977). Csf 0,006 0,013 0,006 0,013 0,013 0,013 0,006 0,0027 116 Capítulo V Valores de tensão superficial, em função da temperatura, para misturas de etanol em água são apresentados na Tabela 5.7. O valor usado no programa para esta grandeza foi de 30 dina/cm. Tabela 5.7 - Tensão superficial (dina/cm) de álcool etílico (percentagem volumétrica) em água Temperatura (oC) % de álcool 20 40 50 5 - 54,92 53,35 10 - 48,25 46,77 24 - 35,50 34,32 34 33,24 31,58 30,70 48 30,1 28,93 28,24 60 27,56 26,18 25,50 72 26,28 24,91 24,12 80 24,91 23,43 22,56 96 23,04 21,38 20,40 Fonte: Handbook of Chemistry and Physics (1973). Condutividade térmica Os dados para condutividade térmica (k, W m-1 K-1) da solução álcool-água utilizados no programa foram extraídos de McCable e Smith (1976). Aos dados foi ajustada uma equação linear, para expressar a variação da condutividade térmica em função do teor de álcool da mistura (XA, %). A equação é válida para um teor de álcool na faixa de 0 a 100% e uma temperatura da mistura de 20 oC. Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo k = -0,004155*(XA) + 0,579918 117 (5.22) R2 = 0,98 Viscosidade Aos dados de viscosidade (µ Pa.s) para solução álcool-água, encontrados em Geankoplis (1978), foi ajustada uma equação polinomial para expressar a variação da viscosidade com o teor de álcool na solução (XA, %) e temperatura (TEMP, °C). A equação é válida para um teor de álcool na faixa de 0 a 100% e de temperatura de 40 a 100 °C. µ = -0,31806x10-4*TEMP + 0,141276x10-6*TEMP2 + 0,11895x10*(XA) – 0,111365x10-6*(XA)2 + +0,195174x10-2 (5.23) R2 = 0,75 Calor específico Uma equação polinomial, para expressar a variação do calor específico com alterações no teor de álcool da solução (XA, %) e temperatura (°C), foi ajustada aos dados para calor específico (CE, J.kg-1.K-1) da mistura álcool-água encontrados em McCable e Smith (1976). A equação é válida para um teor de álcool na faixa de 0 a 100% e temperatura de 38 a 77°C. CE = 5094,16-42,6032*TEMP+0,438767*TEMP2+11,0258*XA0,297768*(XA)2 + 0,114400*TEMP*XA (5.24) R2 = 0,91 Massa específica Dados para densidade (ρ, kg.m-3) da solução em função da temperatura não foram encontrados na literatura investigada. Assim, aos 118 Capítulo V dados para densidade da solução (álcool-água) a 20 ºC, extraídos de Handbook of Chemistry and Physics (1977), foi ajustada uma equação polinomial para expressar a variação da massa específica em função do teor de álcool da mistura (XA, %). A equação é válida para um teor de álcool na faixa de 0 a 50%. ρ = -3,769x10-4*(XA)3 + 1,888x10-2*(XA)2 - 1,6962E+00*(XA) + 997,62 (5.25) R2 = 0,99 Outras propriedades As outras propriedades necessárias para tornar o programa executável foram: (a) aceleração da gravidade, g = 9,8 m.s-2; (b) calor específico do líquido saturado (cl = 4,195 kJ.kg-1.K-1); (c) entalpia de vaporização (hfg = 2308,8 kJ/kg); (d) densidade do líquido saturado (ρl = 971,8 kg.m-3); (e) densidade do vapor saturado (ρv = 0,2935 kg.m-3); (f) número de Prandtl para líquido saturado (Pr = 2,29), e (g) viscosidade do líquido (µ = 365x10-6 Pa.s). Os valores dessas grandezas foram considerados constantes e são relativos à água (valores para mistura não foram encontrados na literatura investigada). Considerações O programa computacional para simulação da transferência de calor no evaporador horizontal é válido sob as seguintes condições: 1. O evaporador opera em regime permanente; existe equilíbrio entre a fase líquida e a de vapor dentro de cada compartimento (ambas possuem a mesma temperatura). 2. Distribuições homogêneas da temperatura da mistura e da concentração de álcool em cada um dos compartimentos do evaporador. Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 119 3. O aumento do ponto de ebulição da solução ao longo do processo é desprezível. 4. O calor sensível necessário para aquecer a mistura até o ponto de ebulição é desprezível. 5. O evaporador é termicamente isolado; a perda de calor por radiação e convecção é desprezível. 6. A pressão é a mesma (1atm) em todos os compartimentos do evaporador. 7. Uma mesma quantidade de álcool é vaporizada em cada um dos compartimentos. 8. O refluxo da mistura no primeiro compartimento é insignificante durante o processo. Resultados Os estados físicos, temperaturas e concentrações da mistura em todos os compartimentos internos do evaporador, para os oito casos investigados, são mostrados na Tabela 5.8 e constituem os primeiros resultados provenientes do programa computacional. Observa-se que, em todos os casos, a mistura escoando nos primeiros compartimentos do evaporador encontrava-se no estado líquido. As misturas nos casos 1, 3, 4, 7 e 8 permaneceram no estado líquido nos quatro primeiros compartimentos, assim como nos casos 2, 5 e 6, nos três primeiros compartimentos. Durante cada teste, pôde-se observar, pelo visor central do equipamento, a ebulição da mistura nos quatro compartimentos centrais; entretanto, os compartimentos no início e no final do evaporador não puderam ser visualizados. Esperava-se que as menores temperaturas da mistura fossem nos primeiros compartimentos, pois no início de cada experimento a mistura (à temperatura ambiente) foi introduzida diretamente no primeiro compartimento do evaporador. À medida que ocorre o escoamento da solução pelos compartimentos do evaporador (temperatura constante), este cede calor para a solução até 120 Capítulo V que sua temperatura ultrapasse 78°C; a partir desse ponto, inicia-se a evaporação do álcool. A mistura, cuja quantidade e concentração de álcool diminuem à medida que este evapora, tem a sua temperatura elevada em um tempo menor. Quando a temperatura atinge aproximadamente 100 °C acontece a evaporação da água. Em cada compartimento, o estado da mistura, no programa, foi determinado por meio de equações (regressões lineares) ajustadas aos dados de temperatura obtidos experimentalmente. A variação da temperatura da mistura com a distância no evaporador pode ser vista na Figura 5.5, para todos os casos investigados. As concentrações alcoólicas da mistura em diferentes compartimentos do evaporador, para os diferentes casos estudados, são apresentadas na Figura 5.6. 120 100 Temperatura ( o C) 80 60 50%_8,3_caso 1 50%_29,5_caso 2 50%_34,8_caso 3 40 50%_54,4_caso 4 15%_52,9_caso 5 15%_72,03_caso 6 20 15%_115,3_caso 7 15%_158_caso 8 0 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 Distância no evaporador (m) Figura 5.5 - Temperaturas da solução, obtidas das equações ajustadas, para os compartimentos do evaporador, com vazões de 8 a 158 L/h. 0 0 ,1 0 ,2 0 ,3 0 ,4 0 ,5 0 0 ,2 0, 4 0 ,6 0 ,8 1 D is tâ n c ia n o e va p o r a d o r (m ) 1 ,2 1 ,4 C A S O 8 -1 5 % 1 5 8 C A S O 7 -1 5 % 1 1 5 ,3 C A S O 6 -1 5 % 7 2 ,0 3 C A S O 5 _ 1 5 % _ 5 2 ,9 C A S O 4 -5 0 % 5 4 .4 C A S O 3 -5 0 % -3 4 ,8 C A S O 2 -5 0 % 2 9 ,5 C A S O 1 -5 0 % -8 ,3 1 ,6 Figura 5.6 - Concentrações alcoólicas da mistura, obtidas das equações ajustadas, para os diferentes compartimentos do evaporador, com vazões de 8 a 158 L/h. C o n c e n tra ç ã o a lc o ó lic a (d e c im a l) 0 ,6 Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 121 1,20 1,29 1,37 1,40 13 14 15 0,80 8 1,12 0,73 7 12 0,66 6 11 0,59 5 0,91 0,44 4 1,01 0,30 3 10 0,15 2 9 0,00 1 Comp.Dist. (m) L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT LIQ LIQ LIQ LIQ 91 89 88 87 86 86 86 85 84 83 82 77 69 57 40 CASO 1 Estado Temp ºC 0,01 0,01 0,01 0,02 0,02 0,02 0,03 0,04 0,06 0,07 0,09 0,16 0,23 0,35 0,50 50%-8,3 *XXS Temp ºC L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT LIQ LIQ LIQ 94 94 94 93 93 92 91 89 88 86 85 81 78 73 68 CASO 2 50%29,5 Estado 0,05 0,07 0,09 0,11 0,13 0,17 0,20 0,23 0,25 0,27 0,30 0,35 0,40 0,45 0,51 *XXS L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT LIQ LIQ LIQ LIQ 91 90 89 89 89 89 88 87 86 84 81 73 61 43 18 *XXS 0,13 0,16 0,18 0,21 0,24 0,27 0,30 0,33 0,35 0,37 0,39 0,42 0,45 0,49 0,51 50%-34,8 Temp ºC CASO 3 Estado L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT LIQ LIQ LIQ LIQ 90, 89 89 88 88 88 87 86 85 84 82 77 69 58 43 Temp ºC CASO 4 Estado Continua... 0,13 0,15 0,18 0,20 0,23 0,26 0,29 0,32 0,34 0,36 0,37 0,41 0,44 0,48 0,51 50%54.4 *XXS Tabela 5.8 - Resultados provenientes do programa computacional, simulando o comportamento do evaporador contínuo 122 Capítulo V 0,15 0,30 0,44 0,59 0,66 0,73 0,80 0,91 1,01 1,12 1,20 1,29 1,37 1,40 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT LIQ LIQ 94,71 95,84 96,61 97,04 97,05 96,46 95,33 93,44 91,88 90,05 87,94 82,48 76,25 68,34 59,16 15% 53 CASO 5 LIQ *XXS Estado Temp ºC 0,00 0,01 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,06 0,07 0,08 0,10 0,12 0,14 0,15 Estado L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT LIQ LIQ LIQ 95,84 95,76 95,77 95,81 95,79 95,53 94,92 93,67 92,47 90,90 88,91 82,99 75,09 63,63 48,60 CASO 6 Temp ºC 0,02 0,03 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,09 0,10 0,12 0,13 0,14 0,15 15% 72 *XXS LIQ LIQ LIQ LIQ L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT 94,30 95,21 95,67 95,66 95,18 93,78 91,78 88,78 86,42 83,73 80,70 73,04 64,49 53,80 41,55 *XXS 0,01 0,02 0,03 0,04 0,04 0,06 0,07 0,08 0,08 0,09 0,10 0,11 0,13 0,14 0,15 15% 115 Temp ºC CASO 7 Estado L SAT * XXS = valores de temperatura ajustados pelas equações de regressão. 0,00 1 Comp.Dist. (m) Tabela 5.8 - Cont. L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT L SAT LIQ LIQ LIQ LIQ Temp ºC 93,78 94,35 94,51 94,20 93,49 91,84 89,68 86,56 84,17 81,47 78,45 70,94 62,64 52,35 40,62 CASO 8 Estado 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,11 0,12 0,12 0,13 0,14 0,14 0,15 0,15 15% 158 *XXS Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 123 0,5 0,5 0,5 0,5 0,15 0,15 0,15 0,15 1 2 3 4 5 6 7 8 158,0 115,3 72,03 52,9 54,4 34,8 29,5 8,3 *1 Vaz (L/h) (L1) 146,6 105,0 56,9 42,7 33,4 19,7 15,6 4,5 *1 Vaz (L/h) (L15) *1 valor obtido experimentalmente *2 valores obtidos por meio de cálculo *3 Resíduo = L[1]-L[15]-V[15]. *4 YBC = (L[1]X[1] - L[15]X[15])/ X[15]. *1 Teor de álcool (X1) Caso Mistura inicial 9,8 10,5 6,0 9,2 8,3 22,0 16,7 15,5 5,5 *1 Vaz (YB) 3,0 0,0 0,0 15,0 13,0 5,0 0 *1 Teor de álcool (X15) Mistura na saída 14,4 10,6 15,13 10,2 21,0 15,1 13,9 3,8 V15=L1L15 *2 Vazão 7,9 4,9 39,2 18,6 4,8 10,6 11,5 44,7 Erro (%) na vazão (V15) na saída (L/h) Vazão de álcool 0,90 0,5 5,93 1,9 -1,0 -1,6 -1,6 -1,7 *3 Resíduo 0,86 0,85 0,86 0,85 0,88 0,89 0,90 0,86 *1 Teor de álcool Balanço global para vazão *4 1,42 1,44 1,17 0,96 1,01 0,89 0,90 0,75 Teor YBC 65,0 69,8 36,6 12,5 14,6 0,16 0,14 12,3 Erro (%) na saída Teor de álcool Tabela 5.9 - Teores alcoólicos e vazões da mistura na entrada e na saída e vazão do álcool evaporado 124 Capítulo V Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 125 Conclusões a) No teste com a solução com 15 % de álcool, a melhor vazão de entrada no evaporador foi de 158,0 L/h, obtendo-se uma produção de álcool de 10,5 L/h com 85 oGL. Entretanto, se for considerar o resíduo na saída, deve-se, para o protótipo estudado, usar vazão próximo a 70 L/h, que apresenta resíduo zero e produção de álcool próximo a testes com maior vazão de entrada. b) Embora o sistema em regime intermitente (batelada) tenha apresentado vazão e teor alcoólico, aparentemente, melhores do que o comparado com o sistema contínuo, ele leva em média 70 min para aquecer a mistura e iniciar a produção de álcool, necessitando ainda do tempo de carga e descarga. O sistema em regime contínuo leva em média 50 min para entrar em regime de trabalho, não sendo necessária recarga; por produzir continuamente, este sistema economiza mão-de-obra e energia para aquecimento inicial. Além de apresentar carga contínua, não necessitando de regulagem constante e desvio de produto com diferentes teores alcoólicos. c) Os resultados obtidos com o sistema em regime contínuo, comparados com o intermitente, que apresentou produção de 29,0 L/h e teor de 86 oGL, comprovaram que o equipamento, neste sistema, se comportou satisfatoriamente na produção de álcool em termos de fazenda, com menor intervalo inicial e maior produção diária de álcool combustível. C APÍTULO VI Construção do Pré-Destilador Modelo UFV Juarez de Sousa e Silva Roberta Martins Nogueira Carlos Alberto Pinto Geraldo Lopes de Carvalho Filho Agora que o leitor adquiriu alguns conhecimentos sobre álcool combustível e destilação, irá entender como melhorar o funcionamento e aumentar o rendimento de uma coluna retificadora, pela adoção do prédestilador, modelo UFV, desenvolvido pelo editor deste manual. Nos capítulos anteriores foi mostrado que se pode produzir o álcool pela destilação do mosto fermentado ou vinho, colocado diretamente no evaporador da coluna de refluxo. Apesar do bom funcionamento de uma coluna, trabalhando diretamente com o vinho ou mosto fermentado, ela apresentará rendimento relativamente baixo, devido à grande quantidade de água contida no vinho (88% em média). Uma coluna retificadora deve ser submetida a controle mais apurado e ser operada continuamente para ser vantajosa; trata-se de equipamento mais sofisticado e, portanto, de valor mais elevado. Assim, quanto mais elevado for o teor de álcool da solução que entra no evaporador ou panela, maior será o rendimento da coluna. Por exemplo, se a coluna estiver produzindo 25 L/h de álcool, com a utilização do vinho, ela irá produzir o dobro se o operador introduzir, no evaporador, 128 Capítulo VI uma solução hidroalcoólica com 35 oGL de álcool (cabeça e cauda da produção de cachaça), ou um maior rendimento, ainda, com um prédestilado a 50 oGL. Se um pré-destilado com 35 oGL for repassado pelo novo prédestilador, ele passará a ter um teor alcoólico superior a 80%. Se esta nova solução (80%) for introduzida na coluna de retificação, esta terá um rendimento em álcool (92%) substancialmente aumentado e ao redor de 60 litros por hora. Para entender o que foi dito, com revisão do capítulo II, uma análise da Figura 6.1 mostra que para cada temperatura, em um alambique simples, a fase líquida e a fase de vapor de uma solução hidroalcoólica apresentam composições diferentes. Isso quer dizer, por exemplo, que, se uma solução com 24,5% de álcool tiver os seus vapores condensados, o líquido resultante terá concentração de álcool superior a 65%. 100 96 92 Temperatura ºC Composição do vapor 88 84 Composição do líquido 80 Azeotropo 76 0 24,5 47,4 68,2 Percentagem volumar (líquido) 85,6 100 95,6 78,2 C Adaptado de: Shreve (1980). Figura 6.1 - Composição do vapor e do líquido do sistema água-álcool, a 760 mmHg, em função da temperatura. Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 129 Pela Figura 6.2, pode-se concluir que, se um vinho ou mosto fermentado apresentar concentração de 12% (ponto 1) e for introduzido no alambique e submetido a 92oC, a concentração da solução resultante da condensação de seus vapores será de 65% (pontos 2-3). Se a solução resultante for repassada pelo mesmo alambique a 84 oC (ponto 3), a solução resultante terá a concentração de 85% (pontos 4-5). Esse álcool já pode ser usado em seu veículo. Acumule boa quantidade de álcool 85% e passe-o pela coluna de retificação - o rendimento em álcool de alto grau será aumentado substancialmente. Figura 6.2 - Composição do vapor e do líquido de uma solução alcoólica, em função da temperatura. Para evitar grande número de passagens pelo alambique comum, ou tentar utilizar uma coluna para produzir o álcool diretamente do vinho, ou seja, produzir álcool de alto grau com baixa produtividade, pode-se 130 Capítulo VI usar um pré-destilador mais eficiente que um alambique comum e preparar quantidade suficiente de pré-destilado de alta graduação alcoólica para ser, posteriormente, retificado em uma coluna mais sofisticada. O novo pré-destilador (Figuras 6.3 a 6.8), de construção mais simples e com altura muito inferior se comparada à de uma coluna de retificação, tem condições de produzir pré-destilado de graduação alcoólica superior à do alambique comum; com apenas duas passagens, pode produzir álcool com graduação superior a 85 oGL, o qual pode ser usado para abastecer os veículos da propriedade. O pré-destilador, que deve ser construído em aço inoxidável e com chapas de 1,5 ou 2,0 mm, consta dos seguintes componentes: a) Panela para evaporação – pode ser aquecida com calor direto ou indireto, por meio de serpentina. A panela pode ser construída em diversos tamanhos, mas com dimensões proporcionais às apresentadas na Figura 6.4 b) Pescoço – deve ser construído com o mesmo material utilizado na construção da panela e é composto de cilindro principal e cone coletor (Figura 6.6), que deve ser conectado ao condensador secundário . O pescoço deve ser preenchido com bolas de gude até o nível do cone coletor. c) Condensador primário – composto de cilindro, flanges, cone condensador e tubulações para entrada e saída de água de resfriamento (Figura 6.7). Opcionalmente, a água de saída do condensador primário pode ser usada para resfriar o condensador secundário. d) Condensador secundário - composto de uma carcaça cilíndrica em aço inoxidável e a serpentina em cobre ¾” com, no mínimo, 12m de comprimento de tubo (Figura 6.8). Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 131 Figura 6.3 - Vista externa e interna do pré-destilador modelo UFV com aquecimento indireto, para 500L de capacidade. Figura 6.4 - Detalhes dos componentes do pré-destilador (vistas internas e externas). 132 Capítulo VI Figura 6.5 - Detalhe da panela de evaporação com serpentina. Figura 6.6 - Detalhes dos componentes do condensador primário e de tubo de ligação ao condensador secundário. Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 133 Figura 6.7 - Detalhe do pescoço do pré-destilador e do coletor de condensado (deverá conter recheio de vidro) Figura 6.8 - Detalhes do condensador secundário. 134 Capítulo VI Outra opção para aqueles que desejam diversificar a produção de derivados alcoólicos de caldos adocicados e que não querem ou podem investir em vários equipamentos especiais, é utilizar um equipamento que incorpora, em uma única estrutura as funções de alambique simples, pré-destilador e coluna de retificação para álcool de alto grau (Figura 6.9). Basicamente, o equipamento possui três saídas: saída para aguardente (ponto inferior da coluna); para pré-destilado (álcool inferior a 80%), que é produzido em um ponto intermediário da coluna; e finalmente o álcool combustível que sai no topo da coluna. Portanto, o equipamento pode funcionar como alambique simples, como pré-destilador e como coluna de retificação e, ainda, produzir os três produtos segundo a seqüência operacional: 1. Adicione o vinho até o nível correspondente a 2/3 do volume da panela para que não ocorra o que é conhecido com vômito do alambique. 2. Aqueça a panela até a temperatura de 90 a 95oC com os registros inferior e intermediário fechados e com o superior aberto para condensar em álcool de alto grau, que corresponde à cabeça da destilação (controlar a temperatura do refluxo superior a 78oC). A quantidade desse destilado deve corresponder a 15% do álcool contido, inicialmente, no vinho; pode ser usada como álcool combustível. Quando isso ocorrer, feche o registro superior. 3. Com o registro superior fechado, abra o registro inferior, mantendo a temperatura do refluxo inferior a 70oC, e condensar os vapores correspondentes ao coração da destilação que deve ser encaminhada para o envelhecimento. A quantidade de álcool contido no coração da destilação ou aguardente deve corresponder a 70% do álcool inicial contido no vinho. 4. Feche o registro inferior e abra o registro intermediário, mantendo a temperatura do refluxo superior abaixo de 70oC. Continue a destilar até que o teor alcoólico do condensado, saindo do condensador, atinja valor inferior a 10 oGL. A partir desse ponto, praticamente não existira mais álcool no vinho. Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 135 5. Esgote o vinhoto da panela e reinicie o processo, caso haja mais vinho a ser destilado. Se o vinho já estiver pré-aquecido, o tempo da nova destilação será reduzido. 6. Caso contrário junte quantidade suficiente de destilado de cauda ou de final de destilação, coloque na panela e transforme o prédestilado em álcool combustível, mantendo os registros inferior e intermediário fechados e o controle de refluxo superior em 78 oC. 7. Toda vez que o processo de destilação deva ser interrompido por períodos superiores a um dia, deve-se lavar todo o conjunto. A lavagem deve ser feita com água, sob pressão, injetada via tubo de saída do destilado que passa pelo registro superior. 8. Quando for drenar a panela, mantenha o registro de carga aberto para evitar pressão negativa dentro do sistema. Figura 6.9 - Vista geral e detalhes do sistema multifuncional (alambique, pré-destilador e coluna de alto grau). 136 Capítulo VI Muitos dos componentes da coluna multifuncional são semelhantes e construídos com os mesmos materiais do pré-destilador visto na Figura 6.3. Por exemplo, a panela (Figura 6.5), os cones coletores para prédestilado (superior) e para aguardente (Figura 6.6) e o condensador secundário (Figura 6.8) têm as mesmas funções e dimensões que aparecem no pré-destilador. A diferença básica é que a coluna multifuncional possui dois controladores de refluxos: um superior (Figura 6.10 a), para manter a temperatura que permita a obtenção de álcool de alto grau (78oC); e um inferior (Figura 6.10 b), para provocar a condensação dos vapores que constituem a aguardente (manter o mais frio possível). Tanto o controle inferior como o superior pode ser construído com a mesma arquitetura, ou seja, com serpentina ou com tubos. O coletor de álcool e o coletor de cachaça (opcional) são parecidos semelhantes e formados por dois troncos de cones enclausurados em um cilindro. O troco de cone superior permite que o líquido descendente seja depositado no tronco de cone inferior ou funil que, por sua vez é conectado com o condensador (figuras 6.11 a e 6.11b) Os detalhes e dimensões dos outros componentes da coluna multifuncional podem ser vistos na Figura 6.12a e Figura 6.12b. O corpo da coluna deve ser provido, na base, de uma grade ou chapa perfurada (furos retangulares) para suportar o recheio de bolinhas de gude. A área perfurada da grade deve corresponder a, no mínimo, 60% da área transversal do corpo da coluna. Para completar o sistema, o topo da coluna, em forma de uma calota, deve ser conectada, por meio de tubo inox de 25mm ou (1"), ao registro superior ou registro de saída de álcool (Figura 6.13). Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo Figura 6.10 - Controladores de refluxo (a) superior e (b) inferior. Figura 6.11 - Detalhes internos e externos do coletor de destilados. 137 138 Figura 6.12 - Detalhes e dimensões do corpo da coluna. Figura 6.13 - Detalhes do topo da coluna. Capítulo VI Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 139 Figura 6.14 - Detalhes das tubulações, conexões e registros do sistema. C APÍTULO VII Microdestilador com Dupla Coluna para Aproveitamento de Resíduos da Cachaça Juarez de Sousa e Silva Roberta Martins Nogueira Carlos Alberto Pinto Geraldo Lopes de Carvalho Filho A produção de cachaça artesanal, de qualidade, é muito parecida com a de álcool, feita a partir da fermentação do caldo, uma vez que as etapas se repetem. Nesse caso, é preciso fazer: o preparo do “pé-decuba”, a moagem da cana, a decantação e a diluição do caldo, a fermentação; e a destilação. Contudo, a destilação da cachaça é feita em alambiques tradicionais (Figura 2.6). Já o álcool é destilado em equipamentos especiais, denominados coluna de retificação (Figura 2.7). A produção de cachaça de qualidade resulta na obtenção de subprodutos com teor alcoólico considerável e que, geralmente, não são devidamente aproveitados. Estamos falando dos pré-destilados, constituídos pela cabeça e pela cauda da destilação. A cabeça se refere ao início da destilação, que possui elevado teor alcoólico, geralmente acima de 50 oGL. Além disso, essa fração da destilação possui também outros componentes, como aldeídos, ésteres e álcoois superiores em altas concentrações, que não devem fazer parte da cachaça de qualidade. 142 Capítulo VII De forma semelhante, a fração final (cauda) possui, entre outros elementos, o óleo fúsel, que é o principal causador de ressaca. Assim, na produção de uma boa cachaça, o processo consiste em eliminar a cabeça e a cauda, que consiste na separação de 10 a 15% no início e todo o final da destilação, até o ponto em que a concentração do álcool recuperado atinja 10 oGL. Portanto, em cada alambicada são desconsiderados mais de 25% de pré-destilado rico em álcool, que pode ser passado em um pequeno sistema de retificação (Figuras 7.1 e 7.2) para ser transformado em álcool combustível. Dessa forma, em vez de serem considerados como resíduos de pouco valor financeiro ou simplesmente descartados, a cabeça e a cauda e parte da água fraca serão transformada, indiretamente, em rendimento extra para a propriedade, por evitar gastos com a compra de combustível para os veículos da propriedade e da família do agricultor. Figura 7.1 - Vista geral e esquema de uma minicoluna para 10 L/h. Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 143 Além de reduzir gastos com a aquisição de combustível para movimentar os veículos da fazenda, o que torna a produção de aguardente, em alambiques simples, um processo altamente vantajoso, o produtor de aguardente pode - em períodos de ociosidade na fabricação de aguardente - produzir uma espécie de pré-destilado, sem a necessidade de separar a cabeça e a cauda da destilação de cachaça, e destinar o produto à fabricação de álcool em sistema cooperativo. Figura 7.2 - Detalhes gerais do evaporador, das minicolunas e dos condensadores. Como dito em outros capítulos, um produtor de aguardente pode, também, produzir um pré-destilado e enviar esse material para ser transformado em álcool em uma pequena central de retificação pertencente a uma cooperativa. Outra opção para os pequenos produtores de aguardente é trabalhar em parceria com as associações de produtores 144 Capítulo VII rurais e de taxistas do município, visando a produção do álcool para auto-sustentação da frota. Esta opção vem sento trabalhada, em caráter experimental, com um pequeno produtor e cinco taxistas de um município vizinho a Viçosa-MG. Componentes do microdestilador O microdestilador e todos os seus componentes devem ser construídos em chapa de aço inoxidável (2 mm) ou em cobre e apresentar os seguintes elementos: a) Aquecedor ou Panela: consta de um cilindro, disposto horizontalmente, provido de dois registros para carga do vinho e descarga do resíduo ou vinhoto. Na parte superior do cilindro é adaptada uma caixa convenientemente vedada, onde são acopladas as duas colunas de retificação (Figura 7.3). Caso a destilaria de cachaça seja aquecida por meio de caldeira, podese dotar o cilindro aquecedor com um sistema de serpentina para aquecer o pré-destilado. Caso contrário, o cilindro deve ser, convenientemente, adaptado sobre uma fornalha para ser aquecido diretamente pela queima de bagaço ou lenha. b) Colunas 1 e coluna 2: a coluna 1é formada por um tubo de 3” (inox ou cobre) e composta de um segmento de refluxo, contendo bolas de gude (1,5 cm de diâmetro), até a altura de 1,2 m. A partir desse ponto, ligado por um par de flanges, está o sistema de condensação primário, o qual é adaptado acima do coletor de destilado, que, por sua vez, é ligado à coluna 2 por um tubo de 12 mm (½’’) de diâmetro. Já a coluna 2 é constituída de um tubo (2 m) semelhante ao da coluna 1, que é totalmente preenchido com bolas de gude (Figura 7.4). O extremo superior da coluna 2 é conectado por um tubo 12mm (½”) ao condensador secundário, por onde é drenado o álcool produzido. Deve-se lembrar que na base de cada coluna será adaptada uma tela inox, para evitar que as bolinhas desçam para a caixa que une a panela às colunas. Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 145 Figura 7.3 - Detalhes e dimensões de um cilindro evaporador. c) Condensador primário: consta de um cilindro constituído por um tubo de 25 mm (1’’) e 40 cm de comprimento, fechado na base por um cone e conectado a um tubo de 75mm (3’’) (15 cm de comprimento) que é flangeado ao topo, aberto, da coluna 1 (Figura 7.5). Pelo tubo condensador desce um tubo de 12 mm (½”) e 50 cm de comprimento, que conduz a água de refrigeração até a base inferior do refrigerador. Na parte superior do condensador primário é adaptado um tubo de 12 mm (½’’), para drenagem da água de refrigeração. d) Condensador secundário: consta de um cilindro em aço inox ou galvanizado, com 30 cm de diâmetro e 50 cm de altura. No interior do cilindro deve ser adaptada uma serpentina de cobre de 12 mm (½’’) com, no mínimo, 10 m de comprimento, que deve ser conectada ao topo da coluna 2. Ao cilindro devem-se adaptar tubos para entrada e saída da água de refrigeração (Figura 7.6). 146 Capítulo VII e) Fornalha: a fornalha deve ser construída em alvenaria de tijolos e provida de uma chaminé. Deve ser construída de forma que isole o cilindro aquecedor do meio ambiente, a fim de evitar gasto excessivo de lenha ou bagaço e variações bruscas de temperatura. A grelha deve ficar a 30 cm de distância do aquecedor. A figura 7.7 dá idéia de uma fornalha simples, que poderá ser usada para aquecer o microdestilador. Figura 7.4 - Ligação das colunas e detalhes do recheio interno. Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 147 Figura 7.5 - Detalhes do condensador primário. Figura 7.6 - Detalhes do evaporador secundário para a mini-coluna 148 Capítulo VII Figura 7.7 - Vista interna da fornalha, com detalhes do aquecedor. f) Seqüência operacional: 1. Junte quantidade suficiente de destilado de cauda ou de final de destilação. 2. Adicione o pré-destilado (mistura de cabeça e cauda) até um nível correspondente a dois terços do volume do cilindro aquecedor. 3. Aqueça o cilindro até a temperatura de 90 oC para evaporar e condensar o pré-destilado em álcool de alto grau; manter o topo da coluna 1 em temperatura inferior a 70 oC. 4. Mantenha a temperatura do condensador o mais baixo possível. 5. Recolha o álcool oriundo do condensador em um recipiente apropriado e com segurança contra incêndio. 6. Continue a destilar até que o teor alcoólico do condensado caia para 85 oGL. Deste ponto em diante, até 10 oGL, colete o condensado em outro depósito (abaixo de 85 oGL o produto deve ser redestilado, junto com a batelada seguinte); o Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 149 condensado – abaixo de 10 oGL significa que, praticamente, não existirá mais álcool no cilindro aquecedor. 7. Esgote a cilindro abrindo os registros de carga e descarga e reinicie o processo se houver mais pré-destilado para ser transformado em álcool combustível. 8. Finalizando o processo de destilação, limpe a fornalha e lave o cilindro aquecedor com água limpa. Se não for usar o equipamento por muito tempo, esgote a água do condensador. 9. A lavagem da coluna deve ser feita com água, sob pressão, injetada via tubo de saída do destilado. R EREFÊNCIAS ANCIÃES, A. W. F.; FIGUEIREDO, D. B; CASSIOLATO, J. E.; PINTO, L. C. G.; PAULA, M.C. S.; ZAMBONI, S. P. Avaliação tecnológica do álcool etílico. Brasília, CNPq, 1981. 514 p. ABRAMOWITZ, M.; STEGUN, I. A. Handbook of mathematical functions. New York: Dover, 1972. 104 p. BORZANI, V. Engenharia bioquímica, São Paulo, Universidade de São Paulo, 1988. 300 p. CLEMENTE, P.R. Fermentação alcoólica. Lavras. UFLA, Departamento de Ciência dos Alimentos. 1995. 31p. CHAVES, J. B. P. Cachaça – produção artesanal de qualidade, Minas Gerais. Viçosa. Centro de produções técnica – CTP, 2002. 144 p. DELGADO, A. A. Operações preliminares da fabricação do álcool. In: I SEMINÁRIO SOBRE TECNOLOGIA E ECONOMIA DO ÁLCOOL. São Paulo, 1980, p. 9 - 12. GEANKOPLIS, C. J. Transport process and unit operations. Boston, 1978, 650 p. HANDBOOK OF CHEMISTRY AND PHYSICS. The chemical rubber CO.1973, D-227. HORII, J. Características gerais das leveduras: classificação, morfologia, citologia, reprodução e fisiologia. In: I Seminário sobre tecnologia e economia do álcool. São Paulo, 1980. 27 - 35 p. HOLMAN, J.P. Heat Transfer. New York: McGraw-Hill Kogakusha, Ltd.,1976. 530p. INCROPERA, F.P.; DEWITT, D.P. 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A PÊNDICE A Programa Computacional PROGRAM JULIO1; {ESTE PROGRAMA DETERMINA AS DIMENSOES DE UM TROCADOR DE CALOR} {COMPOSTO DE UM EVAPORADOR HORIZONTAL COM 14 COMPARTIMENTOS} {USADO NA DESTILACAO DE ALCOOL} {**********************INPUTS***************************} {*********VARIAVEIS ENVOLVIDAS***********************} {**** VAZAO MASSICA L/h ****} {L[I] = DA MISTURA (LIQUIDA) ENTRANDO NO COMPARTIMENTO I} {L[I+1] = DA MISTURA (LIQUIDA) SAINDO DO COMPARTIMENTO I} {V[I+1] = DO VAPOR SAINDO DO COMPARTIMENTO I} {**** CONCENTRACAO ALCOOLICA - TEOR DE ALCOOL ****} {XX[I] = CONCENTRACAO (EXPERIMENTAL) DA MISTURA NO COMPARTIMENTO I} {XXS[I] = CONCENTRACAO OBTIDA A PARTIR DE AJUSTE DE XX} {YA[I] =FRACAO EM MASSA DO ETANOL EM VAPOR NO COMPARTIMENTO I (TABELADO)} {XA[I] = FRACAO EM MASSA DO ETANOL EM LIQUIDO NO COMPARTIMENTO I (TABELADO)} {TOT = VAZAO DE VAPOR EM CADA COMPARTIMENTO} {TOTV = VAZAO TOTAL DE ALCOOL EVAPORADO DURANTE PROCESSO} {YB[I] = CONCENTRACAO DO ALCOOL NO FINAL DO PROCESSO (VAPOR)} 154 Apêndice {XCAL[I] = CONCENTRACAO CALCULADA DO BALANCO} {**** TEMPERATURA oC*****} {TEMP[I] = TEMPERATURA DA MISTURA NO COMPARTIMENTO I} {TM = TEMPERATURA MEDIA NA CHAPA} {**** EQUILIBRIO LIQUIDO-VAPOR ****} {ESTADO = PROCEDURE PARA DEFINICAO DO ESTADO DA MISTURA} {**** PROPRIEDADES FISICAS ****} {CT = CONDUTIVIDADE TERMICA} {CAL= CALOR ESPECIFICO} {VI = VISCOSIDADE} {RE = NUMERO DE REYNOLDS} {RE12 = NUMERO DE REYNOLDS ^(1/2)} {PR = NUMERO DE PRANDTL} {PR13 = NUMERO DE PRANDTL ^(1/3)} {RO = DENSIDADE} {TSU = TENSAO SUPERFICIAL} {GRA = ACELERACAO DA GRAVIDADE} {TSAT = TEMPERATURA DO LIQUIDO SATURADO} {VEL = VELOCIDADE DO FLUIDO —m/S} {CSF = CONSTANTE SUPERFICIE-LIQUIDO} {CSAT = CALOR ESPECIFICO DO LIQUIDO SATURADO} {**** OUTROS ****} {DIST[I] = DISTANCIA EM QUE OS DADOS EXPERIMENTAIS FORAM OBTIDOS} {QTOT[I] = TAXA DE TRANSFERENCIA DE CALOR TOTAL EM UM COMPARTIMENTO} {HFH[I] = ENTALPIA DE VAPORIZACAO } {A[I] = AREA DE TRANSFERENCIA DE CALOR DE CADA COMPARTIMENTO} {TP = TEMPERATURA DA PELICULA} {MIL = VISCOSIDADE DO LIQUIDO} {TM = TEMPERATURA MEDIA NA CHAPA} Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 155 {XC = COMPRIMENTO CRITICO} {HT = COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR } {QADC[I] = TAXA DE CALOR (POR AREA) TRANSFERIDA POR CONVECCAO} {QEBU = TAXA DE CALOR DEVIDO A EBULICAO POR UNIDADE DE AREA} {ERRO = ERRO RELATIVO (%) DO TEOR DE ALCOOL NA SAIDA} {DLSAT = DENSIDADE DO LIQUIDO SATURADO} {DVSAT = DENSIDADE DO VAPOR SATURADO} {PRSAT= NUMERO DE PRANDTL PARA LIQUIDO SATURADO} {********************************************************} USES CRT; TYPE STR80 = STRING[100]; MATRIZ = ARRAY[1..50,1..50] OF REAL; {***********************VARIAVEIS*******************} VAR ENT,UNT:TEXT; I, J, NPOINTS, CONTA :INTEGER; L, XX, XER, XXS, Q, A :ARRAY[1..15] OF REAL; YB, ETOTV, TOTV, TOT, TM,CSF,TSU,HFH,GRA,ET, TSAT,DLSAT,DVSAT, PRLSAT :REAL; MIL, QEBU,DUO, CSAT, YBC, ERRO,ERRO1,ERRO20,ERRO21,ERRO22,ERRO23 :REAL; COF1, COF2, COF3, COF4, COF5, COF6, COF7, COF8:REAL; QTOT, XCAL, TEMP, DIST, FMAS, YA, XA, TT :ARRAY[1..100] OF REAL; TP,CT,CAL, VI,RE,RE12, PR13, RO, XC, PR,HT, QDAC, VEL, LL:ARRAY[1..100] OF REAL; KT1, KT2, MIT1, MIT2, MIT3,MIT4,MIT5, CET1, CET2, CET3,CET4,CET5,CET6:REAL; 156 Apêndice ROR1, ROR2, ROR3,ROR4, QE1, ERRO2, ERRO5, ERRO8, ERRO11, ERRO15 : REAL; ANT, ONT, INT: TEXT; HEADER: STR80; LABEL 300; {****INICIO DE PROCEDURE PARA DEFINICAO DO ESTADO DA MISTURA******} {**XA FRACAO LIQUIDA EM MASSA DO ALCOOL} PROCEDURE ESTADO; LABEL 200; BEGIN {****CONCENTRACOES ALCOOLICAS DE VAPOR E DE LIQUIDO EM EQUILIBRIO*******} {*************DETERMINACAO DAS CONCENTRACOES DE EQUILIBRIO} { PARA CADA UM DOS COMPARTIMENTOS} IF TEMP[J] < 78.1 THEN BEGIN XA[J]:=XX[1]; WRITELN(ENT,J,’ LIQUIDO ‘,’ ‘, TEMP[J]:4:2,’ ‘, XXS[J]:6:4,’ ‘, XA[J]:3:2); GOTO 200; END; IF TEMP[J] >= 78.1 THEN BEGIN YA[J]:= 6.5663E-06*SQR(TEMP[J])*SQR(TEMP[J]) - 2.5097E03*SQR(TEMP[J])*TEMP[J] + 3.5611E-01*SQR(TEMP[J]) 2.2289E+01*TEMP[J] + 5.2086E+02; XA[J]:= 5.4405E-06*SQR(TEMP[J])*SQR(TEMP[J]) - 2.1118E03*SQR(TEMP[J])*TEMP[J] + 3.0747E-01*SQR(TEMP[J]) 1.9913E+01*TEMP[J] + 4.8432E+02; {XA[J]:=XX[1]*XA[J];} WRITELN(ENT,J,’ LIQUIDO SATURADO ‘,’ ‘, TEMP[J]:4:2,’ ‘, XXS[J]:8:6,’ ‘, XA[J]:3:2); END; 200: END; Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 157 {*************FINAL DO PROCEDURE ESTADO********************} BEGIN CLRSCR; {************** SAIDA DO PROGRAMA *****************} ASSIGN(ENT,’SAIDA1.PAS’); REWRITE(ENT); ASSIGN(ANT,’SAIDA2.PAS’); REWRITE(ANT); ASSIGN(ONT,’SAIDA3.PAS’); REWRITE(ONT); ASSIGN(INT,’SAIDA4.PAS’); REWRITE(INT); {****************LEITURA DE INFORMACOES DE ENTRADA************} ASSIGN(UNT,’ENTRA8.PAS’); {ARQUIVO COM DADOS} RESET(UNT); READLN(UNT,HEADER); READLN(UNT,XX[1],XX[5],XX[8],XX[11],XX[15]);{CONCENTRACOES EXPERIMENTAIS} READLN(UNT,TT[1],TT[5],TT[8],TT[11],TT[15]);{TEMPERATURAS EXPERIMENTAIS} READLN(UNT,COF1,COF2,COF3,COF4);{COEFICIENTES REGRESSAO/CONCENTRACAO} READLN(UNT,COF5,COF6,COF7,COF8);{COEFICIENTES REGRESSAO/TEMPERATURA} READLN(UNT,L[1], L[15],ETOTV, YB); {VAZOES DA MISTURA NA ENTRADA E NA SAIDA, VAZAO DO ALCOOL NA SAIDA E SEU TEOR} READLN(UNT,TM); {TEMPERATURA DA CHAPA} READLN(UNT,KT1, KT2); {COEFICIENTES PARA EQUACAO DE CONDUTIVIDADE TERMICA} READLN(UNT,MIT1, MIT2, MIT3,MIT4, MIT5); {COEFICIENTES PARA EQUACAO DE VISCOSIDADE} 158 Apêndice READLN(UNT,CET1, CET2, CET3,CET4,CET5,CET6); {COEFICIENTES PARA EQUACAO DE CALOR ESPECIFICO} READLN(UNT,ROR1, ROR2, ROR3,ROR4); { COEFICIENTES PARA EQUACAO DE DENSIDADE} READLN(UNT,CSF, TSU, HFH, TSAT); {CONSTANTE SUPERFICIELIQUIDO,TENSAO SUPERFICIAL, ENTALPIA DE VAPORIZACAO,TEMPERATURA DE SATURACAO} READLN(UNT,DLSAT,DVSAT,CSAT); {DENSIDADE DO LIQUIDO SATURADO, DENSIDADE DO VAPOR SATURADO, CALOR ESPECIFICO DO LIQUIDO SATURADO} READLN(UNT,PRLSAT, MIL, GRA); {PRANDTL DO LIQUIDO SATURADO, VISCOSIDADE DO LIQUIDO, GRAVIDADE} {*********************************************************} {*************** EQUACOES DE REGRESSAO **************} {TEMPERATURA EM CADA COMPARTIMENTO } {*** CONCENTRACAO EM CADA COMPARTIMENTO ***} {*** AJUSTE DE CURVA ***} DIST[1]:= 0; DIST[2]:=0.15; DIST[3]:=0.30; DIST[4]:=0.44; DIST[5]:=0.59; DIST[6]:=0.66; DIST[7]:=0.73; DIST[8]:=0.80; DIST[9]:=0.91; DIST[10]:=1.01; DIST[11]:=1.12; DIST[12]:=1.20; DIST[13]:=1.29; DIST[14]:=1.37; Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 159 DIST[15]:=1.45; WRITELN(ANT,’**** VALORES DE CONCENTRACAO E TEMPERATURA EXPERIMENTAIS ****’); WRITELN(ANT,’——————————————————————— ———————’); WRITELN(ANT,’COMPT. 1 COMPT.5 COMPT. 8 COMPT. 11 COMPT.15'); WRITELN(ANT,’——————————————————————— ———————’); WRITELN(ANT,’ ‘,XX[1]:5:3,’ ‘,XX[5]:5:3,’ ‘,XX[8]:4:3,’ ‘,XX[11]:4:3,’ ‘,XX[15]:4:3); WRITELN(ANT,TT[1]:7:2,’ ‘,TT[5]:7:2,’ ‘,TT[8]:7:2,’ ‘,TT[11]:7:2,’ ‘,TT[15]:7:2); WRITELN(ANT,’——————————————————————— ———————’); WRITELN(ANT,’VALORES AJUSTADOS PARA TAMPERATURA E CONCENTRACAO’); WRITELN(ANT,’COMPARTIMENTO ‘, ‘ DISTANCIA (m) ‘,’ TEMP(C) ‘,’ CONCENTRACAO ‘); FOR I:= 1 TO 15 DO BEGIN TEMP[I]:= COF5*DIST[I]*DIST[I]*DIST[I]+COF6*DIST[I]*DIST[I]+COF7*DIST[I]+COF8; XXS[I]:=(COF1*DIST[I]*DIST[I]*DIST[I]+COF2*DIST[I]*DIST[I]+COF3*DIST[I]+COF4)/ 100; WRITELN(ANT,’ ‘,I,’ ‘,DIST[I]:2:1,’ ‘,TEMP[I]:2:1,’ ‘,XXS[I]:6:5); END; WRITELN(ANT); {*********************************************************} {* DETERMINA€AO DA QUANTIDADE TOTAL DE ALCOOL EVAPORADO *} { BALANCO GLOBAL} 160 Apêndice {BALANCO DE MASSA: L[1]=L[15]+(V1+V2+V3+...+V15)= L[15]+TOTV} { CONCENTRACAO (ALCOOL): L[1].X[1]=L[15].X[15]+(V2+V3+...+V15).YB} TOTV:=L[1]-L[15]; YBC:= (L[1]*XX[1]-L[15]*XX[15])/TOTV; ERRO:=100*ABS(YBC-YB)/YB; WRITELN(ANT,’VAZAO MEDIA DO ALCOOL EVAPORADO (EXP. E CALC.)= ‘,ETOTV:4:1,’ E ‘,TOTV:4:1); ERRO1:=100*ABS(ETOTV-TOTV)/ETOTV; WRITELN(ANT,’ERRO1 (%) NA VAZAO DO ALCOOL)= ‘,ERRO1:4:1); WRITELN(ANT,’CONCENTRACAO DO ALCOOL EVAPORADO (EXPER. E CALC.)= ‘,YB:4:2,’ E ‘,YBC:4:2); WRITELN(ANT,’ERRO (%) NA CONCENTRACAO DO ALCOOL EVAPORADO)= ‘,ERRO:4:1); WRITELN(ANT,’FIM DO ATO 1', ERRO,ERRO,ERRO,ERRO,ERRO,ERRO,ERRO); {*********************************************************} {*******TAXA DE TRANSFERENCIA DE CALOR***********} {*******DETEMINACAO DO ESTADO DA MISTURA********} WRITELN(ENT,’COMPART.———MISTURA EH————TEMP.— XXS———XA’); FOR J:=1 TO 15 DO BEGIN ESTADO; END; WRITELN(ENT,’&&&&&&&&&&&&&&&&&&’,TEMP[5], TEMP[5],TEMP[5], TEMP[5],TEMP[5], TEMP[5]); {************FIM DA DETERMINACAO DO ESTADO**********} {********************************************************} {DETERMINACAO DA VAZAO E VELOCIDADE DO LIQUIDO } {*****EM CADA COMPARTIMENTO ***********} TOT:= TOTV/14 ; {VAZAO DE VAPOR IGUAL EM CADA COMPARTIMENTO} Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 161 LL[15]:=L[15]; FOR J:=1 TO 14 DO L[J+1]:=L[J] - TOT; FOR I:= 1 TO 15 DO BEGIN VEL[I]:=L[I]*0.001/(3600*0.05*0.1); {VAZAO EM L/h,VEL EM m/s} END; WRITELN(ONT,’ COMPART. VAZOES (L/h) VELOCIDADE (m/s) ***’); {********* ERROS ********} WRITELN(ONT,’ COMPART. VAZOES (L/h) VELOCIDADE (m/s) XXS XA’); FOR I:= 1 TO 15 DO WRITELN(ONT,’ ‘,I,’ ‘,L[I]:3:2,’ ‘,VEL[I]:6:5,’ ‘,XXS[I]:3:2,’ ‘,XA[I]:3:2); ERRO2:=100*ABS(L[15]-LL[15])/LL[15]; WRITELN(ONT,’ERRO NA VAZAO DE SAIDA (%) = ‘,ERRO2:4:3); ERRO20:=100*ABS(TEMP[5]-TT[5])/TT[5]; WRITELN(ONT,’ERRO NA TEMPERATURA-PONTO 5 (%) = ‘,ERRO20:4:3,’ *TEMP= ‘,TEMP[5]:3:2,’ *TT= ‘,TT[5]:3:2); ERRO21:=100*ABS(TEMP[8]-TT[8])/TT[8]; WRITELN(ONT,’ERRO NA TEMPERATURA-PONTO 8 (%) = ‘,ERRO21:4:3,’ *TEMP= ‘,TEMP[8]:3:2,’ *TT= ‘,TT[8]:3:2); ERRO22:=100*ABS(TEMP[11]-TT[11])/TT[11]; WRITELN(ONT,’ERRO NA TEMPERATURA-PONTO 11 (%) = ‘,ERRO22:4:3,’ *TEMP= ‘,TEMP[11]:3:2,’ *TT= ‘,TT[11]:3:2); ERRO23:=100*ABS(TEMP[15]-TT[15])/TT[15]; WRITELN(ONT,’ERRO NA TEMPERATURA-PONTO 15 (%) = ‘,ERRO23:4:3,’ *TEMP= ‘,TEMP[15]:3:2,’ *TT= ‘,TT[15]:3:2); ERRO5:=100*ABS(XXS[5]-XX[5])/XX[5]; WRITELN(ONT,’ERRO NA CONCENTRACAO-PONTO 5 (%) = ‘,ERRO5:3:1,’ *XXS= ‘,XXS[5]:3:2,’ *XX= ‘,XX[5]:3:2); ERRO8:=100*ABS(XXS[8]-XX[8])/XX[8]; 162 Apêndice WRITELN(ONT,’ERRO NA CONCENTRACAO-PONTO 8 (%) = ‘,ERRO8:3:1,’ *XXS= ‘,XXS[8]:3:2,’ *XX= ‘,XX[8]:3:2); ERRO11:=100*ABS(XXS[11]-XX[11])/XX[11]; WRITELN(ONT,’ERRO NA CONCENTRACAO-PONTO 11 (%) = ‘,ERRO11:3:1,’ *XXS= ‘,XXS[11]:3:2,’ *XX= ‘,XX[11]:3:2); ERRO15:=100*ABS(XXS[15]-XX[15])/XX[15]; WRITELN(ONT,’ERRO NA CONCENTRACAO-PONTO 15 (%) = ‘,ERRO15:3:1,’ *XXS= ‘,XXS[15]:3:2,’ *XX= ‘,XX[15]:3:2); {*********************************************************} {TAXA DE TRANSF. DE CALOR EM CADA COMPARTIMENTO} {***** q/A = [q/A]conv + [q/A]ebul **************} {**** DETERMINACAO DE q/A]conv **********} {***** TEMPERATURA DA PELICULA *******} {MEDIA GERAL NA CHAPA oC} WRITELN(ONT,’COMP.—TEMP. PEL.’); FOR I:= 1 TO 14 DO BEGIN TP[I]:= (TM+TEMP[I+1])/2; WRITELN(ONT,I,’ ‘, TP[I]:5:2); END; {** PROPRIEDADES DO MATERIAL A TEMPERATURA DA PELICULA **} WRITELN( ONT,’COMP.—CONDUT.—VISCOS. —C.ESPEC.— M.ESPEC. ‘); FOR I:= 1 TO 14 DO BEGIN {*** CONDUTIVIDADE TERMICA ***} CT[I]:= KT1*(XXS[I]*100) + KT2; {*** VISCOSIDADE ***} VI[I]:= MIT1*TEMP[I]+MIT2*TEMP[I]*TEMP[I]+MIT3*(XXS[I]*100)+MIT4*(XXS[I]*100*XXS[I]*100)+MIT5; {*** CALOR ESPECIFICO ***} CAL[I]:=CET1*TEMP[I]*TEMP[I]+CET2*TEMP[I]+ Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 163 CET3*(XXS[I]*100*XXS[I]*100)+CET4*(XXS[I]*100)+CET5*TEMP[I]*(XXS[I]*100)+CET6; {*** MASSA ESPECIFICA ***} RO[I]:=ROR1*(XXS[I]*100*XXS[I]*100*XXS[I]*100)+ROR2*(XXS[I]*100*XXS[I]*100) +ROR3*(XXS[I]*100)+ROR4; WRITELN(ONT,I,’ ‘, CT[I]:7:4,’ ‘,VI[I]:8:6,’ ‘,CAL[I]:5:2,’ ‘,RO[I]:6:5); END; WRITELN(ONT,’&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ‘,L[I],VEL[I],L[I],VEL[I],L[I],VEL[I]); {*********************************************************} WRITELN(INT,’COMP.—REYNOLDS———X CRIT.—H MEDIO ‘); FOR J:=1 TO 14 DO BEGIN {*** DETERMINACAO DO NUMERO DE REYNOLDS NO FINAL DO COMPARTIMENTO ***} RE[J]:=(VEL[J]*0.735*RO[J])/VI[J]; {*** COMPRIMENT0 CRITICO RE CRITICO: REc = 500000 ***} XC[J]:=(500000*VI[J])/(RO[J]*VEL[J]); {*** DETERMINACAO DO COEFICIENTE MEDIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR ***} RE12[J]:=EXP((1/2)*LN(VEL[J]*0.735*RO[J]/VI[J])); PR13[J]:=EXP((1/3)*LN(VI[J]*CAL[J]/CT[J])); HT[J]:= (CT[J]/0.735)*RE12[J]*0.664*PR13[J]; END; {*********************************************************} {*** DETERMINACAO DA TAXA DE CALOR ***} FOR J:= 1 TO 14 DO BEGIN QDAC[J]:=HT[J]*(TM-TEMP[J]); IF J < 10 THEN WRITELN(INT,J,’ ‘, RE[J]:5:2,’ ‘,XC[J]:3:2,’ ‘,HT[J]:5:2) ELSE WRITELN(INT,J,’ ‘, RE[J]:5:2,’ ‘,XC[J]:3:2,’ ‘,HT[J]:5:2); 164 Apêndice END; {**TRANSFERENCIA DE CALOR-REGIME DE EBULICAO NUCLEADA**} DUO:=EXP(3*LN(CSAT*(TM-TSAT)/ (HFH*CSF*EXP(1.7*LN(PRLSAT))))); QEBU:=(MIL*HFH)*SQRT(GRA*(DLSAT-DVSAT)/TSU)*DUO; WRITELN(INT); WRITELN(INT,’COMPART——TAX.CAL.CONV.———— TAX.CAL.EBUL.———TAX.CAL.TOTAL’); FOR I:= 1 TO 14 DO BEGIN IF TEMP[I]<78.1 THEN BEGIN QE1:=0; QTOT[I]:= QDAC[I]; GOTO 300; END; QE1:=QEBU; QTOT[I]:= QDAC[I] + QEBU; 300: IF I <10 THEN WRITELN(INT,I,’ ‘,QDAC[I],’ ‘,QE1,’ ‘,QTOT[I]) ELSE WRITELN(INT,I,’ ‘,QDAC[I],’ ‘,QE1,’ ‘,QTOT[I]); END; WRITELN(INT,’FIM&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&’,QEBU,QEBU,QEBU, QEBU,QEBU,QEBU); END . Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo 165 Tabela 1C - Dados de equilíbrio de sistema etanol-água a 1 atm. Equilíbrio líquido-vapor Temperatura [oC] 100 98,1 95,2 91,8 87,3 84,7 83,2 82 81 80,1 79,1 78,3 78,2 78,1 78,2 78,3 Fração em massa de etanol xA yA 0 0 0,02 0,192 0,05 0,377 0,1 0,527 0,2 0,656 0,3 0,713 0,4 0,746 0,5 0,771 0,6 0,794 0,7 0,822 0,8 0,858 0,9 0,912 0,94 0,942 0,96 0,959 0,98 0,978 1 1 166 Apêndice A PÊNDICE B Propriedades Físicas da Mistura Etanol-Água Tabela 1B - Condutividade térmica de mistura álcool-água para diferentes teores de álcool na temperatura de 20 oC (McCABLE; SMITH, 1976) Temperatura (oC) 20 20 20 21,4 Álcool na mistura (%) 100 60 20 0 Condutividade térmica (W m-1.K-1) 0,182 0,305 0,486 0,599 Tabela 2B - Valores da viscosidade da soluçãocom diferentes teores de álcool e temperaturas (GEANKOPLIS, 1978) Álcool na mistura(%) 100 100 100 100 95 95 95 95 40 40 40 40 0 0 0 0 Temperatura(oC) 40 60 70 75 40 60 70 75 40 60 70 75 40 60 70 75 Viscosidade(Pa.s) 0,0008 0,0006 0,0005 0,00046 0,00095 0,0007 0,00056 0,0005 0,0017 0,0009 0,00066 0,0006 0,000656 0,000569 0,000406 0,00038 167 Produção de álcool na fazenda e em sistema cooperativo Tabela 3B - Valores de calor específico da mistura álcool-água a diferentes teores de álcool e temperaturas (McCABLE; SMITH, 1976) Álcool Mistura Temp Calor Específico Álcool Mistura Temp. Calor Específico (%) (oC) (J kg-1 K-1) (%) (oC) (J kg-1 K-1) 100 100 100 95 95 95 50 50 50 100 100 100 100 100 100 100 95 95 95 -3,6 10,3 24,2 -3,6 10,3 24,2 -3,6 10,3 24,2 38,1 46,4 54,8 63,1 65,9 71,4 77,0 38,1 46,4 54,8 2050,2 2217,5 2384,9 2301,2 2468,6 2677,8 3556,4 3681,9 3807,4 2635,9 2740,5 2845,1 3012,5 3054,3 3117,1 3179,8 2928,8 3054,3 3179,8 95 95 95 95 50 50 50 50 50 50 50 0 0 0 0 0 0 0 63,1 65,9 71,4 77,0 38,1 46,4 54,8 63,1 65,9 71,4 77,0 38,1 46,4 54,8 63,1 65,9 71,4 77,0 3263,5 3347,2 3430,9 3556,4 3933,0 4016,6 4100,3 3974,8 4184,0 4811,6 5230,0 4181,0 4182,2 4184,6 4188,2 4189,7 4193,0 4196,8 168 Apêndice Tabela 4B - Valores de densidade da mistura álcool-água a 20 oC (HANDBOOK OF CHEMISTRY AND PHYSICS, 1977) Álcool mistura (%) 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 11,0 12,0 Densidade (kg m-3) Álcool mistura (%) Densidade (kg m-3) 998,2 997,3 996,3 995,4 994,5 993,6 992,7 991,8 991 990,2 989,3 988,5 987,8 987 986,2 985,5 984,7 984 983,3 982,6 981,9 980,5 979,2 13,0 14,0 15,0 16,0 17,0 18,0 19,0 20,0 22,0 24,0 26,0 28,0 30,0 32,0 34,0 36,0 38,0 40,0 42,0 44,0 46,0 48,0 50,0 977,8 976,5 975,2 973,9 972,6 971,3 970 968,7 966 963,2 960,2 957,1 953,9 950,4 946,8 943,1 939,2 935,2 931,1 926,9 922,7 918,3 913,9