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Avaliação do efeito da precisão dos medidores de vazão sobre o valor do rendimento fermentativo

Avaliação do efeito da precisão dos medidores de vazão sobre o valor do rendimento fermentativo

Introdução

A determinação com exatidão do rendimento fermentativo das plantas industriais vem sendo tentada a anos sem contudo ter-se chegado a uma solução consistente. A oscilação do valor deste parâmetro quando determinado por balanço de massa fez com que uma alternativa criada para este fim nos processos contínuos fosse adotado por inumeras unidades. Este método chamado rendimento fermentativo por subproduto foi criado quando do surgimento das unidades de fermentação contínua na década de 80 e que impossibilitava a realização de balanço de massa para obtenção deste parâmetro, já que não se podia mais medir os volumes de vinho e fermento tratado pelos volumes das dornas e cubas como feito nos processos batelada. Assim, esta alternativa foi criada para se ter um valor de referência para o desempenho dos processos de fermentação contínua que não possuiam medidores de vazão. Apesar de apresentar menor variação e sempre dentro de uma faixa aceitável, este parâmetro não serve como referência, pois, nem sempre representa adequadamente o que está ocorrendo no processo.

Após varias tentativas, foi proposto por nós um método de determinação de rendimento fermentativo que se baseia no volume de etanol realmente produzido e na quantidade de ART alimentado ao processo fermentativo. Este método chamado de balanço global - BioContal reduz significativamente o número de variáveis utilizado na determinação deste parâmetro, diminuindo a possibilidade de erros e permitindo que se concentre na determinação das poucas variáveis utilizada para a sua determinação. O cálculo do rendimento fermentativo por este método, está descrito no informativo de título "CÁLCULO DO RENDIMENTO FERMENTATIVO POR BALANÇO DE MASSA" contido neste “site”, depende somente do volume de etanol produzido, perdas de etanol pela vinhaça e flegmaça e massa de ART alimentado ao processo fermentativo. Das três variáveis necessária ao cálculo encontra-se problema somente na determinação da massa de ART alimentada ao processo fermentativo, já que o volume de etanol produzido é muito bem controlado, pois, se trata do produto final e as perdas na flegmaça e vinhaça interferem muito pouco no resultado. A determinação da quantidade de ART alimentado ao processo fermentativo depende do volume de mosto enviado para os fermentadores e a concentração de ART (Açúcares Redutores Totais) do mesmo. As análises de dados de diferentes unidades industriais por várias safras seguidas mostram que o valor deste parâmetro obtido por esta metodologia apresentam valores muitas vezes fora da faixa esperada para este tipo de processo. No entanto, observa-se que o erro observado é sempre para o mesmo sentido e o comportamento do mesmo é constante ao longo da safra. Este fato caracteriza um erro sistemático geralmente provocado por desvios na leitura de equipamentos. Este fato fez com que nossas atenções se voltassem para os medidores de vazão, a priori a causa mais provável destes desvios.

Pelo exposto acima, se torna imprescindível à realização de um estudo de comportamento destes medidores de vazão para entender o quanto preciso podem ser o valor de rendimento fermentativo obtido por balanço de massa.

Descrição dos ensaios

Os ensaios foram realizados em uma destilaria autônoma por apresentar uma maior simplicidade no processo produtivo, facilitando a identificação de distorções nos valores dos parâmetros de desempenho fornecido pelo balanço de massa.

Os estudos foram divididos em duas etapas, sendo elas: determinação da variação dos valores de vazão fornecidos pelos medidores de vazão e avaliação da consistência dos valores dos parâmetros de desempenho. A forma como esta análise foi realizada está descrita a seguir.

Determinação da variação dos resultados de vazão fornecido pelos medidores de vazão.

Em uma mesma linha de mosto foram instalados dois medidores de vazão, sendo um de 8 polegada de diâmetro e o outro de 10 polegadas. A vazão nesta linha variou de 200 a 800 m3/h. Os ensaios iniciaram-se no mês de agosto e prosseguiram até novembro. Os dados médios diários fornecidos pelos dois medidores foram correlacionados visando observar não somente a variação dos valores entre os mesmos, mas também o comportamento destas variações ao longo da safra.

Avaliação da consistência dos valores dos parâmetros de desempenho

Além de determinar se as medições obtidas entre os medidores de vazão são consistentes, foi ainda avaliado se as mesmas apresentavam valores corretos. Para tanto dividiu-se a planta industrial em duas áres: a primeira englobando os setores de recebimento de cana (pátio), extração e tratamento de caldo e o segundo composto pela fermentação. Assim, calculou-se a eficiência da primeira área com base na quantidade de ART entrado na industria através da massa de cana processada e a sua concentração de ART e na quantidade de ART alimentada ao processo fermentativo, determinada pelo volume de mosto fornecido pelo medidor de vazão e a concentração de ART do mosto. Da mesma forma foi determinado o rendimento fermentativo por balanço de massa, utilizando a mesma quantidade de ART alimentado ao processo fermentativo utilizado na determinação da eficiência da primeira área. Os parâmetros de desempenho destas duas áreas são complementares e usados para avaliar desvio dos valores de vazão fornecida pelo medidor de vazão através de analise de consistência destes parâmetros.

Resultados

Inicialmente analisou-se a consistência dos resultados de vazão gerados pelos medidores de vazão instalados na linha de mosto. Para facilitar a apresentação dos resultados chamou-se o medidor de vazão de 8 polegadas de diâmetro de "Medidor 1" e o de 10 polegadas " Medidor 2". Os medidores utilizados são magnéticos.

A Figura 1, 2, 3, 4 e 5 mostram as correlações entre as medidas de vazão dos dois medidores de vazão para os meses de agosto, setembro, outubro e novembro e de safra respectivamente.

Figura 1. Correlação entre os valores de vazão média diária fornecido pelos Medidor 1 e Medidor 2 para o mês de agosto

 

Figura 2. Correlação entre os valores de vazão média diária fornecido pelos Medidor 1 e Medidor 2 para o mês de setembro

 

Figura 3. Correlação entre os valores de vazão média diária fornecido pelos Medidor 1 e Medidor 2 para o mês de outubro

 

Figura 4. Correlação entre os valores de vazão média diária fornecido pelos Medidor 1 e Medidor 2 para o mês de novembro

Figura 5. Correlação entre os valores de vazão média diária fornecido pelos Medidor 1 e Medidor 2 para safra

 

Observa-se por estas Figuras que o valor do coeficiente de correlação (r2) estão muito próximo de 1 para todos os meses avaliados, mostrando que existe uma excelente correlação entre as medidas de vazão dos dois medidores. O valor de inclinação da equação da reta de regressão fornece a relação entre as medidas de vazão dos dois medidores, já que o coeficiente linear desta equação é zero. Quanto mais próximo do valor 1, mais próximas são os valores de vazão obtidos pelos dois medidores. Estes dados mostram um pequeno desvio entre os valores obtidos pelo medidor 1 e medidor 2, sendo que os valores obtidos pelo medidor 1 são sempre maiores que aqueles obtidos pelo medidor 2.

A Tabela 1 mostra os desvios entre os valores de vazão fornecido pelo medidor 1 (referência sempre como 1.000 L) e medidor 2.

Tabela 1. Variação entre as vazões fornecida pelo medidor de vazão 1 e 2 em cada mês estudado e para a safra

Observa-se pelos dados da Tabela 1 que para cada 1000 L medido pelo medidor 1 no mês de agosto, o medidor 2 registrou 996,5 L, um erro de 0,35%. O valor deste desvio variou ao longo dos meses analisados, sendo o maior desvio de 1,73%, ou seja, 17 litros para cada 1.000 litros. Considerando que as correlações entre as vazões obtidas pelos dois medidores foram muito boas, esperava-se que as diferenças entre as medições se mantivesse constante para todos os períodos avaliados. Caso isto ocorresse, poderia com certeza atribuir a diferença entre as medições à calibração dos equipamentos. No entanto, foi observada uma variação entre as diferenças para cada período avaliado, que apesar de pequena afeta o valor de rendimento fermentativo e mostra que a precisão dos medidores fica próxima de 1,5%.

Para se ter uma ideia de como está pequena variação afeta o rendimento fermentativo, a Tabela 2 mostra a variação do mesmo somente devido a variação de vazão observada entre os dois medidores.

 Tabela 2. Variação nos valores de rendimento fermentativo devido somente a variação da vazão de mosto ocorrida entre os dois medidores

Considerando a produção de etanol e o ART do mosto de forma que o rendimento fermentativo obtido pela vazão fornecida pelo medidor 1 seja 90,02%, calculou-se o rendimento fermentativo utilizando a vazão fornecida pelo medidor 2. Comparando os resultados entre os dois medidores, a maior diferença observada foi de 1,58%, ou seja, o rendimento pela vazão do medidor 1 foi de 90,02% e pela fornecida pelo medidor 2 foi 91,6%. Na análise de desempenho de um processo fermentativo, variação desta ordem é suficiente para considera-los diferentes, pois, a faixa de variação permitida para o rendimento fermentativo é muito estreita (88% a 92%). Sendo assim, fica claro que o problema não é a precisão do medidor de vazão, mas sim a precisão que exigimos do rendimento fermentativo. Analisando os valores de rendimento fermentativo nos diferentes períodos avaliados quando se utiliza a vazão fornecida pelo medidor 2, observa-se que os mesmos variam significativamente, chegando a 1,24% do seu valor entre os meses de agosto e setembro. Esta variação afeta a avaliação de desempenho, pois, uma fermentação com 90,36% de rendimento é considerada diferente de uma fermentação de 91,6%.

Pelo exposto neste trabalho fica claro que existem diferenças entre os valores de vazões fornecidas por diferentes medidores e esta diferença não é constante para intervalos distintos. Considerando sua magnitude, as variações encontradas são pequenas e condizentes com as características do tipo de equipamento utilizado. No entanto, estas pequenas diferenças levam a uma variação no valor de rendimento fermentativo suficientemente grande para considerar o desempenho do processo distinto. Pelos dados obtidos nesta avaliação conclui-se que oscilações de até 1,5% no valor de rendimento fermentativo podem ser considerados iguais quando utilizado para avaliação de desempenho de processo, ou seja, a precisão do rendimento fermentativo não é menor que 1,5%, levando-se em conta somente a variação dos medidores de vazão.

Seguindo a análise, agora da consistência dos dados de desempenho das áreas 1 e 2 que estão mostradas na Tabela 3, observa-se uma discrepância significativa nos valores obtidos entre os valores de desempenho da fermentaçãi e da Área 1.

Tabela 3. Dados de desempenho das Áreas 1 (pátio, estração e tratamento de caldo) e 2 (fermentação)

Os dados contidos na Tabela 3 mostram que o valor de rendimento fermentativo ficou acima do  esperado em grande parte dos meses avaliado. Por outro lado, o valor médio de safra da eficiência da Área 1, utilizando os dados de perdas contido no boletim de controle da unidade avaliada, deveria estar perto de 93,7% e não de 89,75% como obtido. Este fato indica que a massa de ART alimentado ao processo fermentativo obtida pela vazão de mosto está abaixo do valor real, o que implica em dizer que a vazão fornecida pelo medidor 1 utilizado neste cálculo apresenta um erro entre o valor fornecido e o esperado de -4%.

Estes resultados mostram claramente um desvio entre os valores de vazão obtida e real. Considerando a analise de desempenho dos medidores de vazão realiza anteriormente, pode-se afirmar que um erro desta magnitude somente pode ocorrer devido a falha na calibração do equipamento, ou seja, o sinal gerado pelo equipamento esta correto, mas ao traduzi-lo para vazão ocorre um desvio que parecer ser constante se considerarmos a precisão do equipamento. Assim, fica claro que a calibração de bancada do medidor de vazão com água carrega um erro quando o mesmo é utilizado para medir mosto. É interessante que esta calibração seja verificada no campo, nas condições de utilização e se necessário ajustada. Somente assim será possível obter valores de rendimento próximo do valor esperado.

Conclusão

  • Os dois medidores de vazão mostraram uma excelente correlação entre os valores obtidos, mostrando que ambos responderam de forma satisfatória e igual às variações de vazão.
  • Foi observado uma variação nas diferenças das vazões medidas pelo medidor 1 e 2 e que esta não foi constante para todos os períodos avaliados. Isto mostra que além da diferença causada pela calibração dos equipamentos ainda existe uma variação entre as medidas para as diferentes condições de trabalho.
  • As variações nas medidas avaliadas são pequenas e condizentes com o tipo de equipamento utilizado.
  • As análises de desempenho dos medidores de vazão mostraram que existe uma diferença de medida entre eles e de cada um dependendo das condições de utilização. Estas diferenças são no máximo de 1,73% entre eles e de 1,38% dele mesmo em diferentes períodos avaliados.
  • Os dados obtidos neste trabalho mostra que a precisão do medidor de vazão magnético é menor que 1,5%, dentro do esperado para este equipamento. O problema é que esta imprecisão causa uma variação de mesma magnitude no valor de rendimento fermentativo cuja margem de variação é muito pequena. Variação desta magnitude na analise de desempenho do processo fermentativo os coloca em patamares diferentes.
  • Para este tipo de metodologia, valores de rendimentos fermentativo menores que 1,5% podem ser considerados iguais.
  • A analise de consistência de dados mostrou que apesar de estarem funcionando bem e mostrarem pouca variação entre seus valores obtidos, as vazão fornecida pelo medidor 1 está aparentemente 4% menor que a esperada. Isto pode estar vinculado com erros na calibração deste equipamento.
  • Com base nos dados apresentado neste trabalho pode-se concluir que os medidores de vazão estão respondendo adequadamente às variações de vazão e emitindo o sinal correto, mas quando o mesmo é traduzido para vazão ocorre um desvio, distorcendo o resultado do rendimento fermentativo e demais parâmetro de desempenho que dele faz uso. Assim, pode-se afirmar que o valor absoluto do rendimento fermentativo contém um erro, mas este erro é constante tornando possível avaliar variação de desempenho com base na variação deste parâmetro e da margem de erro de 1,5%.
  • Aparentemente, a calibração de medidores de vazão realizada em bancada com água carrega um erro para o mesmo equipamento nas condições de trabalho industrial. É necessário criar um procedimento para avaliar esta variação e ajustar a calibração do mesmo para obter valores de rendimento fermentativo dentro da faixa esperada.

 

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