mestrado em celulose e papel
DESCRIPTION
Apresentação da dissertação de mestrado sobre modelagem matemática para avaliação do consumo específico de madeira e insumos energéticos na indústria de celulose e papel.TRANSCRIPT
UNIARA – Centro Universitário de Araraquara
Programa de Mestrado Profissional em Engenharia de Produção
Francisco de Assis Bertini Moraes
Araraquara, SP
Dezembro / 2010
Orientador : Prof. Dr. Claudio Luis Piratelli
MODELO PARA AVALIAÇÃO DO CONSUMO ESPECÍFICO DE MADEIRA E INSUMOS
ENERGÉTICOS NO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE CELULOSE E PAPEL
SUMÁRIO DA APRESENTAÇÃO
• CONTEXTUALIZAÇÃO
• MOTIVAÇÃO PARA O TEMA ABORDADO
• OBJETIVOS DO TRABALHO
• JUSTIFICATIVA DA ESCOLHA DO TEMA
• METODOLOGIA
• REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
• OBJETO DO ESTUDO DE CASO
• CONSTRUÇÃO DO MODELO ESTRUTURAL
• MODELAGEM DO PROCESSO DE CELULOSE E PAPEL
• EXEMPLOS DE SIMULAÇÕES
• CONSIDERAÇÕES FINAIS
2
• O segmento de celulose e papel no Brasil :
- 3,7 milhões de hectares de eucalipto em reflorestamento, 14,3 milhões ton, 3,5% do PIB,
- US$ 4,8 bilhões em impostos e US$ 6,1 bilhões em exportações
- Emprega 4,6 milhões de pessoas ou 5% da população economicamente ativa do Brasil
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1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020
Prod
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de
Celu
lose
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s t
• Nos últimos 30 anos, significativo investimento em P&D pelas empresas brasileiras propiciou :
- Aumento na produtividade florestal de 25 para 40 a 60 m3-madeira/hectare.ano,
- O aprimoramento genético do eucalipto e melhoria de tecnologia de produção : > rendimento
Maior rendimento : Maior produção de celulose com menor quantidade de madeira,
Menor consumo específico de madeira (m3 de madeira por tonelada de celulose produzida).
• Maior produtor mundial de celulose de fibra curta,
• 4º. Maior produtor mundial de celulose,
• 100% da produção de celulose com reflorestamento,
• Estado da arte na tecnologia implantada,
• Crescimento de 50% na produção até 2022,
Investimentos US$ 20 bilhões, 22 milhões toneladas
• Está incluso entre os mais energointensivos do setor industrial,
Óleo combustível, Gás natural, Madeira para energia e Energia elétrica,
Perfil energético adequado aos processos mais eficientes de cogeração e autosuficiência,
Desenvolvimento tecnológico para a utilização de biomassa e queima de licor negro,
Investimentos para se ter uma indústria com alta eficiência na assimilação de carbono.
CONTEXTUALIZAÇÃO
3
MOTIVAÇÃO PARA O TEMA ABORDADO
• Literatura sobre o consumo específico de madeira com foco no rendimento e polpação,
(Barrichelo, 1985), (Foelkel, 1990), (Garcia, 1995), (Colodette et al., 2002), (Trugilho et al., 2004), (Gomide et al., 2005),
(Sansigolo et al., 2007), (Silva et al., 2007), (Sacon et al., 2007), (Ribeiro, 2007), (Polowski, 2009), (Mokfienski et al., 2008)
• A indústria de celulose e papel é gerida operacionalmente em três grandes áreas :
Linha de Fibras, Recuperação & Utilidades e Produção de Papel,
- Prática da gestão operacional sem a suficiente análise de interação entre estas áreas,
podendo representar benefícios para uma área e prejuízos para outra, sendo o resultado
obtido nem sempre favorável ao negócio como um todo.
• Literatura para redução do custo de insumos energéticos são específicos a cada área.
Poucas pesquisas nos setores da linha de fibras e produção de papel para ações de
redução no consumo de vapor e sem analisar o impacto no processo como um todo.(Brito e Barrichelo, 1978), (Muramoto et al., 1983), (Coelho et al., 1996), (Cardoso, 1998), (CGEE– Secretária Técnica do Fundo
Setorial de Energia, 2001), (Silva, 2002), (Quirino et al., 2004), (Barcellos et al., 2005), (Muller et al., 2006), (Velázquez, 2006),
(Brand, 2007), (Rendeiro et al., 2008), (Berni et al., 2008), (Francis et al., 2008), (Bajay et al., 2010).
• Pouca atenção tem sido dada na avaliação mais abrangente da inter-relação entre as
variáveis do processo industrial.
Identifica-se, portanto, oportunidade de elaboração de estudo avaliando o impacto
econômico na utilização da madeira de eucalipto como fonte de matéria prima e energia
na indústria de celulose e papel e as influências das inúmeras variáveis do processo.4
• Fornecer subsídios à International Paper para melhorias no seu processo industrial, em
relação ao seu consumo específico de madeira e de insumos energéticos, direcionando
melhor seus recursos para ações de redução de custos , tanto para iniciativas de ações
com baixo ou nenhum investimento ou para viabilizar projetos de dispêndio de capital.
OBJETIVOS DO TRABALHO
5
• Apresentar aos profissionais do setor acadêmico e industrial do segmento de celulose e
papel, uma visão mais abrangente e crítica de inter-relação das variáveis de influência nos
custos de produção, através da técnica de regressão linear múltipla aplicada à construção
de modelos de predição para um caso real (este é o maior aporte desta dissertação), e
• Construir um modelo matemático, por meio da regressão linear múltipla, que correlacione
as diversas variáveis que influenciam no consumo específico de madeira para celulose e
no consumo de insumos energéticos comprados (madeira para energia, óleo combustível
e energia elétrica) do objeto de estudo,
Nesta dissertação, pretende-se :
JUSTIFICATIVA DA ESCOLHA DO TEMA
• O custo de madeira e o custo de energia 40 a 60% do custo variável da celulose
• Modelos com regressão linear múltipla como alternativa aos modelos teóricos com base
fenomenológica, permitindo estimar uma série de equações por regressão múltipla
separadas, mas interdependentes, simultaneamente, pela especificação do modelo
estrutural previamente construído pelo pesquisador.
Custo de Produção da Celulose - US$/t.cel
Países Madeira Energia Químicos Trabalho Outros Custo Total
Brasil 85 31 25 16 40 197
Portugal 139 6 44 43 45 277
Canadá 120 21 32 50 49 272
Espanha 154 7 30 43 43 277
EUA 106 21 40 58 79 304
6
• Gerenciamento pela produção de madeira, atuando-se diretamente na gestão florestal.
• Minimizar madeira para celulose e maximizar o uso da biomassa e madeira para a produção de energia.
•Menor dependência : de grandes áreas florestais e da compra de insumos energéticos
• O pesquisador baseia-se em teoria, experiência prévia e nos objetivos da pesquisa, para distinguir quais
variáveis independentes prevêem cada variável dependente.
METODOLOGIA
De acordo com a classificação de Silva e Menezes (2001),
• Do ponto de vista de sua natureza, a presente pesquisa é aplicada, pois objetiva gerar
conhecimentos para aplicação prática dirigidos à solução de problemas específicos.
• Considerando a forma de abordagem do problema, essa pesquisa é quantitativa, pois
visa coletar e analisar variáveis dependentes e independentes por meio de técnicas
estatísticas.
• Com relação aos seus objetivos, essa pesquisa é classificada como descritiva, pois visa
descrever o estabelecimento de relações entre variáveis através da construção de um
modelo matemático.
• Do ponto de vista dos procedimentos técnicos essa pesquisa caracteriza-se como
pesquisa bibliográfica e estudo de caso, pois o conhecimento dos fenômenos são
articulados de forma teórica usando conceitos, modelos, experiência prévia e proposições
bem definidos. Neste caso, o tratamento dos dados é conduzido com o objetivo específico
de testar a adequação dos conceitos desenvolvidos e a validade das fronteiras dos modelos
(modelo estrutural).
7
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA , Madeira de Eucalipto
AnelCrescimento
Poro
VasoLenhoso
Raio
Raio
Fibras
Fibra
Tora de Eucalipto
LamelaMédia
Parede
Primária
ParedeSecundária
S3
S2
S1
P
LM
A madeira : ~75% de polissacarídeos (50 a 80% de celulose e 5 a 30% de hemicelulose) e 25% de lignina.
A maior concentração de lignina encontra-se na lamela média e a de celulose na parede secundária, no
entanto, apesar da menor concentração, a maior quantidade de lignina encontra-se também na parede
secundária, existindo uma forte interação entre lignina-hemicelulose-celulose. 8
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA , Madeira de Eucalipto para Celulose
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
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12 13 14 15 16 17 18 19 20
Re
nd
ime
nto
da
Mad
eir
a, %
Carga de Álcali Efetivo, % (Proporcional ao teor de lignina na madeira)
Polpa oriunda de 10 clones distintos de eucaliptos
Cozimento para kappa = 18 na polpa (Teor Lignina ~ 3,5 %)
100 kg (base seca) de madeira de Eucalyptus grandis
Extrativos2,1 kg
Cinzas0,4 kg
Lignina26,5 kg
Hemicelulose
20,8 kgCelulose50,2 kg
50 kg (base seca) de Fibras Marrons (50% de rendimento)
Extrativos0,15 kg(7,1%)
Cinzas0,1 kg
(25,0%)
Lignina0,75 kg(2,8%)
Hemicelulose
8,0 kg(38,5%)
Celulose
41,0 kg(81,7%)
50 kg (base seca) dissolvidos no licor preto
Extrativos1,95 kg(92,9%)
Cinzas0,3 kg
(75,0%)
Lignina25,75 kg(97,2%)
Hemicelulose
12,8 kg(61,5%)
Celulose9,2 kg
(18,3%)
Cozimento kraft com #kappa 16 (3,2 % lignina) e Rendimento 50%
Quanto menor o teor de lignina na madeira, menor o requisito de álcali (soda cáustica e sulfeto de sódio)
requerido para o cozimento (polpação) e consequentemente maior o rendimento obtido.
9
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA , Madeira de Eucalipto para Energia
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
% Lignina na madeira, base seca
% Carbono Fixo, Carvão Vegetal10 espécies de eucaliptos
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
PCS (Brand, 2007)
PCI (Brand, 2007)
PCI (Barcellos, 2005)
Teor de umidade da madeira, %
Poder Calorífero, kcal/kg
PCS
PCI
(Brito e Barrichelo, 1977)
• Ao contrário da madeira para celulose, quanto maior o teor de lignina, maior o teor de carbono fixo no
carvão produzido e consequentemente maior teor energético é obtido da madeira.
• Na madeira para celulose, o maior teor de umidade favorece a impregnação de álcali nos cavacos de
madeira e consequente um cozimento mais uniforme com maior rendimento. No entanto, na madeira
destinada a produção de energia o maior teor de umidade reduz consideravelmente o poder calorífero.
10
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA , Processo de fabricação de celulose
O processo kraft de produção
de celulose tem como função
dissolver e extrair a lignina da
madeira, com o objetivo de liberaras fibras com o mínimo de
degradação dos carboidratos
(celulose e hemicelulose).
Preparaçãode Madeira
Cadeira deRecuperação
Evaporador
CaustificaçãoNa2CO3 + CaO NaOH +
CaCO3
Forno de CalCaCO3 CaO + CO2
Oxidação deLicor Branco
TurboGerador
Caldeira deBiomassa
TratamentoÁgua - Caldeira
Tratamentode Água
Tratamentode Efluentes
Produção deCarbonato de Cálcio
Produção de Oxigênio
Produção deDióxido de
Cloro
Cozimento
Pré Lavageme Depuração
Deslignificaçãocom Oxigênio
Pós Lavagem
Branqueamento
SecagemMáquina de
Papel
Toras de Madeira
Cavacosp/ Cel.
Polpa Marrome Licor Preto
Polpa Marrom
Polpa MarromDeslignificada
ÁguaTratada
Filt
rad
oR
eje
ito
sFi
ltra
do
CeluloseBranqueada
LicorPreto
Licor PretoRCH-Na
ClO2
Carbonato de CálcioCaCO3
LicorVerde
Na2CO3Na2S
Licor BrancoNaOHNa2S
CalCaO
Lama CalCaCO3
GásCarbônico
CO2
EfluenteEfluenteTratado
ÁguaBruta
Rio
Clorato SódioÁcido SulfúricoMetanol
ArO2
NaOH
Energia ElétricaGerada
VaporAlta
Pressão
VaporAlta
Pressão
VaporBaixa Pressão
Água Tratada
Cascas e Resíduos
ÓleoCombustível
ÓleoCombustível
Energia ElétricaComprada
Cavacosp/ Energia
11
O processo, pode ser dividido em
•Linha de Fibras
•Utilidades
•Recuperação
•Máquina de Papel
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA , Distribuição de vapor e energia elétrica
Caldeirade
Recuperação
Caldeirade
Biomassa
Turb
ina
Licor Preto
Biomassa
Cas
cas
eR
esí
du
os
Gerador
Linha de Fibras
Secadora de Celulose200 t/d
Recuperação Química
Utilidades
Vapor
Vapor
60 bar12 bar
4 bar
Energia ElétricaGerada
Energia Elétricade Mercado
Óleo CombustívelForno de Cal
220 t/h
45 t/h50 t/h
10 t/h
2 t/h
65 t/h15 t/h
23 t/h15 t/h
115 t/h
335 t/h
243 t/h
92 t/h
38 MW
Fábrica de Celulose , 1200 t/d celulose e 1000 t/d de papel para impressão
1740 tss/d
34 t/d
22 MW
3 MW
15 MW
13 MW
9 MW
Total
60 MW
535t.seca/dia
cogeração com turbina a extração e contrapressão
Máquinas de Papel10 t/h
100 t/h20 MW
Cav
aco
s d
eM
ade
ira
720m3-sólido/dia
Caldeirade
Recuperação
Caldeirade
Biomassa
Turb
ina
Licor Preto
Biomassa
Cas
cas
eR
esí
du
os
Gerador
Linha de Fibras
Secadora de Celulose200 t/d
Recuperação Química
Utilidades
Vapor
Vapor
60 bar
12 bar
4 bar
Energia ElétricaGerada
Energia Elétricade Mercado
Óleo CombustívelForno de Cal
220 t/h
45 t/h
50 t/h
10 t/h
2 t/h
65 t/h15 t/h
23 t/h15 t/h
270 t/h
490 t/h
243 t/h
92 t/h
60 MW
1740 tss/d
34 t/d
0 MW
3 MW
15 MW
13 MW
9 MW
Total
60 MW
535t.seca/dia
cogeração com turbina a extração, contrapressão e condensação (CEST)
Máquinas de Papel10 t/h
100 t/h20 MW
Cav
aco
s d
eM
ade
ira
2200m3-sólido/dia
Condensador160 t/h Energia Elétrica
para Mercado
0 MW
12
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA , Modelagem com regressão linear múltipla
X1
X2
Y1
Y2X3
Y3
X4
Y5
Y4
X5
Y1 = a1 + a2 X1 + a3 X2 + є1
Y2 = a4 + a5 X3 + a6 Y1 + є2
Y3 = a7 + a8 Y1 + є3
Y4 = a9 + a10 X4 + є4
Y5 = a11 + a12 X5 + a13 Y2 + a14 Y3 + a15 Y4 + є5
Y variáveis endógenas , X variáveis exógenas , є erro
O modelo estrutural é o modelo de “caminhos”, que
relaciona variáveis independentes com dependentes.
Em tais situações, teoria, experiência prévia ou
outras orientações permitem ao pesquisador
distinguir quais variáveis independentes prevêem
cada variável dependente.
O modelo de mensuração permite ao pesquisador
examinar uma série de relações de dependência
simultaneamente, sendo particularmente útil
quando uma variável dependente se torna
independente em subseqüentes relações de
dependência.
A modelagem fornece a técnica de estimação para uma série de equações de
regressão múltipla separadas estimadas simultaneamente
13
X1
X2
Y1
Y2X3
Y3
X4
Y5
Y4
X5
Y1 = a1 + a2 X1 + a3 X2 + є1
Y2 = a4 + a5 X3 + a6 Y1 + є2
Y3 = a7 + a8 Y1 + є3
Y4 = a9 + a10 X4 + є4
Y5 = a11 + a12 X5 + a13 Y2 + a14 Y3 + a15 Y4 + є5
Y variáveis endógenas , X variáveis exógenas , є erro
OBJETO DO ESTUDO DE CASO
A IP - International Paper do Brasil Ltda., (Mogi Guaçu-SP, Luiz Antonio-SP e Três Lagoas-MS) possui
capacidade de 820 mil toneladas/ano de celulose e 1,0 milhão de toneladas/ano de papel para imprimir
e escrever. Cerca de 50% das vendas são destinadas ao mercado externo.
14
100% do suprimento de madeira de eucalipto para produção de celulose e energia, provém de
florestas plantadas (90% próprias) oriundas de um raio médio de 40 km (80% clones , urograndis).
Unidade Luiz Antonio, que atualmente atua de forma integrada com produção de 1200 t/d de celulose
e 1000 t/d de papel, com linha única de produção de celulose e 2 máquinas de papel.
CONSTRUÇÃO DO MODELO ESTRUTURAL
Cadeia de suprimentos de madeira e insumos energéticos para o processo de fabricação de celulose e papel.
15
Preparaçãode Madeira
Celulose
UTILIDADES E RECUPERAÇÃO-Caldeira de Biomassa e Óleo-Caldeira de Recuperação Química-Forno de Cal
PRODUÇÃO DE CELULOSE-Cozimento-Lavagem-Pré Branqueamento-Branqueamento
Turbo Geradoresde
Energia Elétrica
PRODUÇÃO DE PAPEL-Máquinas de Papel-Acabamento do Papel
Extratorade
Celulose
PRODUTOPAPEL
PRODUTOCELULOSE
Toras de Madeirapara Celulose
Toras de Madeirapara Energia(Pontas Árvore)
Cavacos para CeluloseBiomassa para Energia
-Cavacos para Energia-Cascas para Energia
Energia Elétrica Comprada
ÓleoCombustível
VaporAlta
Pressão
VaporBaixa eMédia
Pressão
EnergiaElétricaGerada
Licor Negro
Suspensãode Celulose
Suspensãode Celulose
Lenha Comprada
Preparaçãode Madeira
Energia
Cascas
16
DENSIDADEBÁSICA
RESÍDUOSPREPARAÇÃO
MADEIRA
RENDIMENTODA MADEIRA
CONSUMOVAPOR DE
BAIXA PRESSÃO
CONSUMOVAPOR DE
MÉDIA PRESSÃO
CONSUMODE ENERGIA
ELÉTRICA
PRODUÇÃODE
CELULOSEE
PAPEL
TEOR SECOMADEIRA
CONSUMOESPECÍFICOMADEIRACELULOSE
TEORSECOCASCA
PRODUÇÃOVAPOR
CALDEIRARECUPERAÇÃO
PRODUÇÃOVAPOR
CALDEIRABIOMASSA
PRODUÇÃOVAPORALTA
PRESSÃO
GERAÇÃOENERGIAELÉTRICA
CONSUMOMADEIRAENERGIA
CONSUMOÓLEO
COMBUSTÍVEL
COMPRAENERGIAELÉTRICA
CARGA ALCALINAE SULFIDEZ
FORNODE CAL
Fluxo básico de interdependências de variáveis de influência no consumo de madeira e insumos energéticos
Modelo Estrutural
Preparação
de
Madeira p/
Celulose
Digestor / Lavagem /
Pré-Branqueamento-O2
Máquina
de Papel
LAN1
Máquina
de Papel
LAN2
Evaporação
VCE
e
Evaporação
de Placas
Caldeiras
Combinadas
Óleo
e
Biomassa
1 e 2
Forno de Cal
Ca2CO3+calor
-> CaO+CO2
Estoque
Biomassa
Picada
Preparação de
Madeira p/
Energia
Caldeira
Óleo
Baixa
Pressão
3
Redutora
Licor
Negro
16%
Licor
Branco
Licor
Verde
Utilidades
Desaerador
com Recuperação
Calor
Stripper
Outros
Outros
UtilidadsC
O
L
ET
O
R
12
b
a
r
Recuperação
Turbo
Gerador
atm
-
+
cinzas
9 %
AC
AB
AM
EN
TO
Turbina
VCE
C
O
L
ET
O
R
65
b
a
r
Tanque
Acumulador
Redutora
Turbina
Bomba
Agua
Preparação
de
Biomassa p/
Energia
Refugo
Dessup.
CaustificaçãoCa2CO3+NaOH<-
CaO+Na2CO3 Na2CO3
Na2S
NaOH
Na2S
Na2CO3
RCHO-Na/S
Máquina
Desaguadora
de CeluloseBranqueamento
C
O
L
E
TO
R
4.
5
b
a
r
1
6
0
C
Caldeira de
Recuperação
RCHO-Na/S , O2
, CO2 ->
-> calor , Na2S
, Na2CO3...
(19 t/h sopragem)
Dessup.
TS-Cav RENDCEM
DB
DATS-Mad
TS-BiomTR-ÚmidoTR-Seco
Res.Ger
CAE
SULFATIV
CAA
RSP
TSS
Ger.Vapor.Rec
Produção.Cel
Vapor.Rec
Óleo-7A
CaO
AAC
Prod.Bruta-1
Prod.Bruta-2
Prod.Acab.Pap
Veloc-1g/m2-1
Veloc-2g/m2-2
%Cel-1
Cons.Cel-1
VBP-Cel
%Cel-2
Cons.Cel-2
Prod.Acab.Cel
VMP-Cel
VBP-Outr
VMP-Outr
VBP-Evp
VMP-Evp
DES-VBP
DES-VMP
Vatm
VBP-Strip
VBP-Rec
VBP-Uti
VBP-Des
VMP-Uti
VMP-Maq
VMP-M-1
VMP-M-2
VMP-M-2
VMP-M-1
VBP-Tot
VMP-Tot
Cons.Mad.EneNo.Enr
Cons.Óleo.CB
Cons.Biom
VAP
V.Cald.Biom
RED-VMP
RED-VBP
VMP-EXT
VBP-CPR
VAP-ADM
GEE
CEE
TEE
CALD3
VCE-VBP
TAC-VBP
TB-VBP
Óleo-3A
Mad.Ene
Est.BiomÓleo3A.CALD3
18
Densidade
Básica
kg.seco/m3
Teor Seco
Cavacos
%
Teor Seco
Biomassa
%
Teor Resíduo
Úmido
%
Teor Resíduo
Seco
%
Consumo
Específico
Madeira
m3/Adt
Rendimento
%
Densidade
Aparente
Madeirakg.umido/m3
Teor Seco
Madeira
%
Geração
Específica
Biomassa
kg.seco/Adt
Carga Álcali
Efetivo
% s/mad.
Carga Álcali
Ativo
kg.NaOH/Adt
Relação
Sólidos/Polpa
tss/Adt
Produção de
Celulose
Adt/d
Sulfidez
Licor Branco
%
Produção
Forno de Cal
t.Cao/Adt
Consumo
Óleo Combustível
Forno de Cal
t.óleo/t.CaO
Atividade
Licor Branco
%
Geração Vapor
Cald.Rec.
t/tss
Queima de
Licor Preto
tss/d
Geração Vapor
Cald.Rec.
t/h
Gramatura e
Velocidade
Máq.Papel-1
Produção Bruta
Máq.Papel-1
t/d
Consumo
Cel.Máqs.Papel-1/2
t/d
Gramatura e
Velocidade
Máq.Papel-2
Produção Bruta
Máq.Papel-2
t/d
Produção Acabada
de Papel
t/d
Produção Acabada
de Celulose
t/d
Vapor p/ atm
t/h
Consumo VBP
Máqs.Papel
t/h
Consumo VBP
Área Celulose
t/h
Consumo VBP
Área Utilidades
t/h
Consumo Total
VBP
t/h
Consumo VBP
Área Recuperação
t/h
Energia Elétrica
Consumo Total
MW
Consumo VMP
Máqs.Papel
t/h
Consumo VMP
Área Celulose
t/h
Energia Elétrica
Comprada
MW
Redutora
VAP p/ VMP
t/h
Consumo VMP
Área Utilidades
t/h
Consumo Total
VMP
t/h
Consumo VMP
Área Recuperação
t/h
Redutora
VAP p/ VBP
t/h
Extração VMP
Turbogerador
t/h
Geração
Energia Elétrica
t/h
Turbina VCE
VAP p/ VBP
t/h
Contrapressão VBP
Turbogerador
t/h
Turbo-bombas
VAP p/ VBP
t/h
Alimentação VAP
p/ Turbogerador
t/h
Consumo
Madeira
Cald.Biomassa
t.madeira/t.vapor
Tq. Acumulador
VAP p/ VBP
t/h
Consumo Total
VAP
t/h
Geração Vapor
Cald.Biomassa
t/h
Consumo
Óleo Combustível
Cald.Biomassa
t.óleo/t.vapor
Diagrama de Caminhos
..........
Construção das Equações por Regressão Linear Múltipla e por Balanço de Massa
19
..........Energia Elétrica
Consumo Total
MW
Consumo Total
VBP
t/h
Energia Elétrica
Comprada
MW
Redutora
VAP p/ VMP
t/h
Consumo Total
VMP
t/h
Redutora
VAP p/ VBP
t/h
Extração VMP
Turbogerador
t/h
Geração
Energia Elétrica
t/h
Turbina VCE
VAP p/ VBP
t/h
Contrapressão VBP
Turbogerador
t/h
Turbo-bombas
VAP p/ VBP
t/h
Alimentação VAP
p/ Turbogerador
t/h
Tq. Acumulador
VAP p/ VBP
t/h
20
•Custo.Mad.Cel (R$/d) = CEM(m3/Adt) . Prod.Cel(Adt/d) . Preço.Mad.Cel(R$/m3)
•Custo.Esp.Mad.Cel (R$/Adt) = CEM(m3/Adt) . Preço.Mad.Cel(R$/m3)
•Custo.Esp.Mad.VCel (R$/t.vend) = Custo.Mad.Cel(R$/d) / Prod.Vend(t/d)
•Custo.Óleo7A (R$/d) = Kg.Óleo-7A/d(kg/d) . Preço.Óleo7A(R$/kg)
•Custo.Óleo3A (R$/d) = Óleo-3A(kg/t.vapor) . V.Cald.Biom(t/h) . 24(h/d) . Preço.Óleo3A (R$/kg)
•Custo.Óleo3A.CALD3 (R$/d) = CALD3(t/h) . 24(h/d) . Óleo3A.CALD3(kg/t.vapor) . Preço.Óleo3A(R$/kg)
•Custo.Mad.Ene (R$/d) = Cons.Mad.Ene(kg/t.vapor) . V.Cald.Biom(t/h) . 24(h/d) . Preço.Mad.Ene(R$/m3)
•Custo.CEE (R$/d) = CEE(ME) . 24(h/d) . Preço.CEE(R$/MWh)
•Custo.T.Ene (R$/d) = Custo.Óleo7A (R$/d) + Custo.Óleo3A (R$/d) + Custo.CEE (R$/d) + Custo.Óleo3A.CALD3 (R$/d) + Preço.Mad.Ene(R$/m3)
•ENE.Óleo7A (MMBTU/d) = Kg.Óleo-7A/d . PCS.ÓLEO7A(MMBTU/kg)
•ENE.Óleo3A (MMBTU/d) = Kg.Óleo-3A/d . PCS.ÓLEO3A(MMBTU/kg)
•ENE.Óleo3A.CALD3 (MMBTU/d) = Kg.Óleo-3ACALD3/d . PCS.ÓLEO3A(MMBTU/kg)
•ENE.Mad.Ene (MMBTU/d) = Mad.Ene(m3/d) . PCS.Mad.Ene(MMBTU/kg)
•ENE.CEE (MMBTU/d) = CEE(MWh/d) . PCS.Mad.Ene(MMBTU/MWh)
•Total.ENE (MMBTU/d) = ENE.Óleo7A (MMBTU/d) + ENE.Óleo3A (MMBTU/d) + ENE.Óleo3A.CALD3 (MMBTU/d)
+ ENE.Mad.Ene (MMBTU/d)+ ENE.CEE (MMBTU/d)
•Custo.ENE.Esp (R$/MMBTU) = Custo.T.Ene(R$/d) / Total.Ene(MMBTU/d)
•Custo.T.Ene.Esp (R$/t.vend) = Custo.T.Ene(R$/d) / Prod.Vend(t/d)
•Custo.Total (R$/d) = Custo.Mad.Cel (R$/d) + Custo.T.Ene (R$/d)
•Custo.Total.Esp (R$/t.vend) = Custo.Total(R$/d) / Prod.Vend(t/d)
Equações para Cálculo de Custos
21
Queima de sólidos na Caldeira de Recuperação TSS/dia TSS TSS Produção de Celulose Adt/dia Produção .C el Produção .C el
Rendimento da madeira (50 a 58%) % R EN D R EN D Produção de Celulose Acabada Adt/dia Prod .A cab .C el Prod .A cab .C el
Densidade básica da madeira (460 a 530 kg/m3) kg/m3 D B D B Produção de Papel Acabado t/dia Prod .A cab .Pap Prod .A cab .Pap
% Seco da madeira picada (50 a 64%) % TS- C av TS- C av Produção de Produto Vendável (Papel+Celulose) t/dia Prod .A cab .V end Prod .A cab .V end
Carga de álcali efetivo sobre madeira,16,5-18,5% % C A E C A E
Atividade do licor branco (81 a 87%) % A TIV A T IV Consumo de madeira para celulose m3/dia M ad.C el M ad .C el
Sulfidez do licor branco (29 a 32%) % SU LF SU LF Consumo de óleo combustível 7A, fornos-cal t/dia Óleo7A - Forno Óleo7A - Forno
Consumo de óleo combustível 3A, caldeiras1/2 t/dia Óleo3 A - C B Óleo3 A - C B
Gramatura do papel - Máquina 1 (60 a 100 g/m2) g/m2 g / m2 - 1 g / m2 - 1 Consumo de óleo combustível 3A,caldeira 3 t/dia Óleo3 A - C 3 Óleo3 A - C 3
Gramatura do papel - Máquina 2 (45 a 75 g/m2) g/m2 g / m2 - 2 g / m2 - 2 Energia elétrica comprada MWh/dia C EE C EE
Consumo total de energia comprada MMBTU/dia Tot al.EN E Tot al.EN E
Vapor para redutora de 65 p/ 12 bar t/h R ED - V M P R ED - V M P
Vapor para redutora de 65 p/ 4,5 bar t/h R ED - V B P R ED - V B P Custo de madeira para celulose R$/dia C ust o .M ad .C el C ust o .M ad .C el
Vapor para tanque acumulador de vapor t/h TA C - V B P TA C - V B P Custo de madeira para celulose - específico R$/Adt C ust o .Esp .M ad .C el C ust o .Esp .M ad .C el
Vapor para turbina da bomba de água t/h TB - V B P TB - V B P Custo de madeira para celulose - específico R$/t.vend C ust oEsp .V mad .C el C ust oEsp .V mad .C el
Vapor de 4,5 bar para atmosfera t/h V at m V at m
Produção de vapor da caldeira-3 t/h C A LD 3 C A LD 3 Custo de madeira para energia R$/dia C ust o .M ad .Ene C ust o .M ad .Ene
Custo de cavacos para energia R$/dia C ust o .C av.Ene C ust o .C av.Ene
Consumo madeira para energia-máx. 300 m3/d m3/dia M ad.Ene M ad .Ene Custo de óleo combustível 7A, fornos-cal R$/dia C ust o .Óleo7A .Forno C ust o .Óleo7A .Forno
Consumo cavacos para energia-máx. 200 ton/d t/dia C av.Ene C av.Ene Custo de óleo combustível 3A, caldeiras 1/2 R$/dia C ust o .Óleo3 A .C B C ust o .Óleo3 A .C B
Consumo total de energia elétrica (45 a 65 MW) MW TEE TEE Custo de óleo combustível 3A, caldeira 3 R$/dia C ust o .Óleo3 A .C 3 C ust o .Óleo3 A .C 3
Custo da energia elétrica comprada R$/dia C ust o .C EE C ust o .C EE
Preço da madeira para celulose R$/m3 Preço .M ad .C el Preço .M ad .C el Custo total da energia comprada R$/dia C ust o .T .Ene C ust o .T .Ene
Preço da madeira para energia R$/m3 Preço .M ad .Ene Preço .M ad .Ene Custo total da energia comprada - específico R$/MMBTU C ust o .Esp .EN E C ust o .Esp .EN E
Preço dos cavacos para energia R$/t Preço .C av.Ene Preço .C av.Ene Custo total da energia comprada - específico R$/t.vend C ust o .EspV .EN E C ust o .EspV .EN E
Preço da energia elétrica R$/Mw h Preço .C EE Preço .C EE
Preço do óleo combustível 3A R$/t Preço .Óleo3 A Preço .Óleo3 A Custo total: madeira-celulose e energia comprada R$/dia C ust o .To t al C ust o .To t al
Preço do óleo combustível 7A R$/t Preço .Óleo7A Preço .Óleo7A Custo total: madeira-celulose e energia comprada R$/t.vend C ust o .To t al.Espec. C ust o .To t al.Espec.
Valores-2
RESULTADOS
Unidades Valores-1Dados de Entrada Unidades Valores-1 Dados de SaídaValores-2
22
Dados disponibilizados para o estudo de caso
23
No. Amostras Média DP
jan/04 a jun/09 Mensal Mensal A-Square P-value
Densidade básica da madeira kg.seco/m3 66 498,990 10,180 -0,466 -0,024 0,440 0,287
Densidade aparente da madeira kg.úmido/m3 66 944,200 25,010 0,451 -0,267 0,560 0,142
Teor seco da biomassa % 66 51,263 3,978 -0,131 -0,402 0,150 0,961
Teor seco dos cavacos % 66 54,894 1,706 -0,245 -0,610 0,490 0,214
Teor de resíduo umido % 66 15,695 2,122 0,167 -0,222 0,160 0,947
Teor de resíduo seco % 66 14,756 1,778 0,225 -0,422 0,250 0,737
Rendimento da madeira t.seca/Odt 66 52,664 1,998 0,589 -0,440 1,210 < 0,005
Consumo específico da madeira m3/Adt 66 4,045 0,223 0,364 -0,596 0,430 0,295
Carga de álcali ativo kg.NaOH/Adt 66 367,450 12,170 2,665 8,246 5,700 < 0,005
Atividade do licor branco % 66 84,020 1,345 -0,250 -0,671 0,790 0,039
Sulfidez do licor branco % 66 26,710 2,026 0,526 -0,436 7,920 < 0,005
Relação sólidos/polpa tss/Adt 66 1,468 0,066 -0,129 -0,963 0,570 0,133
Produção de celulose t/d 66 1185,700 111,500 -4,926 31,138 6,960 < 0,005
Geração de vapor na caldeira de recuperação t/h 66 3,024 0,082 -0,024 -1,089 0,790 0,039
Produção de cal no forno de cal kg.CaO/Adt 66 232,150 10,700 1,094 2,461 0,940 0,016
Consumo de óleo combustível no forno de cal kg/Adt 66 30,179 1,391 1,112 2,227 0,890 0,282
Gramatura da máquina-1 g/m2 66 77,080 5,147 0,184 4,768 5,150 < 0,005
Gramatura da máquina-2 g/m2 66 67,184 8,726 -0,548 -1,526 7,130 < 0,005
Consumo de VBP na celulose t/h 66 43,856 2,901 -4,249 25,627 4,750 < 0,005
Consumo de VBP na evaporação t/h 66 59,991 5,373 -2,775 13,517 2,580 < 0,005
Consumo de VBP na recuperação t/h 66 9,053 0,771 -4,747 29,728 6,450 < 0,005
Consumo de VBP no stripper t/h 66 3,650 0,340 -4,303 26,195 4,320 < 0,005
Consumo de VBP na utilidades t/h 66 7,984 0,979 -2,014 6,294 2,590 < 0,005
Consumo de VBP no desaerador t/h 66 9,459 1,804 -0,692 0,517 1,400 < 0,005
Consumo de VBP na máquina-1 t/h 66 50,685 1,236 0,759 1,703 2,250 < 0,005
Consumo de VBP na máquina-2 t/h 66 44,791 2,977 -0,498 -1,428 4,860 < 0,005
Consumo de VMP na celulose t/h 66 48,085 3,556 -2,537 11,618 1,960 < 0,005
Consumo de VMP na utilidades t/h 66 9,697 1,161 -1,992 6,163 2,570 < 0,005
Consumo de VMP na máquina-1 t/h 66 3,914 0,123 0,247 5,063 6,840 < 0,005
Consumo de VMP na máquina-2 t/h 66 3,693 0,078 -0,127 0,105 1,010 0,011
Consumo de biomassa na caldeira de biomassa kg.seco/t.vapor 41 241,470 33,160 -0,934 0,718 0,730 0,053
Consumo de madeira na caldeira de biomassa kg.seco/t.vapor 41 64,883 22,630 0,315 0,848 0,360 0,423
Consumo de óleo combustível na cald. de biomassa kg/t.vapor 41 15,188 11,370 1,123 1,003 1,240 < 0,005
Admissão de VAP no turbogerador t/h 41 269,280 23,220 -1,899 3,897 2,450 < 0,005
Extração de VMP no turbogerador t/h 41 58,496 18,493 -0,952 0,465 1,240 < 0,005
Geração de energia elétrica no turbogerador MW 41 30,815 2,590 -2,109 4,604 3,320 < 0,005
Compra de energia elétrica MW 41 28,950 2,190 1,494 4,423 1,000 0,011
Anderson-Darling Normality TestVariável Unidade Skewness Kurtosis
Histórico do Consumo Específico de Madeira e Insumos Energéticos
24
MODELAGEM DO PROCESSO DE CELULOSE E PAPEL , Critérios
• Técnica estatística : Modelagem com Regressão Linear Múltipla
• As hipóteses são confrontadas com o nível de significância de 5,0 %, seguindo os seguintes critérios :
Se na análise de variância da regressão, F > Fp,n-p ou valor-p < 0,05 , rejeita-se Ho e conclui-se que o
modelo estimado pelo procedimento de regressão apresenta significância ao nível de α = 0,05. Isto indica que no mínimo um
coeficiente do modelo é diferente de zero
Se os valores para os coeficientes das variáveis independentes apresentam valor-p < 0,05, isto é um
indicativo que elas são significamente relacionadas com a variável dependente.
Coeficiente de determinação representa se o modelo tem uma adequada habilidade de predição compararando os valores de
R-Sq , R-Sqadj e R-Sqpred e verificar se os seus valores não se diferem significativamente
Colinearidade entre as variáveis independentes : o Fator de inflação de variância (VIF) > 4, e o Coeficiente de Durbin-
Watson (DW) < 0,5 , indica a existência de variáveis correlacionadas.
Normalidade dos resíduos é utilizado as observações dos gráficos de distribuição normal dos resíduos
padronizados em escala logaritimica e do histograma dos resíduos padronizados
Variância constante dos termos do erro ou resíduos (Homoscedasticidade), utiliza-se as observações dos gráficos
dos resíduos em função dos valores preditos e das observações.
Pontos discriminantes (outliers), verifica-se o gráfico o dos resíduos padronizados em função dos valores preditos, verificando os
pontos que existem fora do intervalo entre -2 a +2. São admitidos em no máximo 5% do total de observações. 25
MODELAGEM DO PROCESSO DE CELULOSE E PAPEL , Exemplo de Ajuste
CEM - Real
CEM
- P
red
ito
4,754,504,254,003,753,50
4,75
4,50
4,25
4,00
3,75
3,50
Consumo específico de madeira Predito x Real
3,5
3,7
3,9
4,1
4,3
4,5
4,7
3,5
3,7
3,9
4,1
4,3
4,5
4,7
j/04 j/05 j/06 j/07 j/08 j/09
CEM-Predito CEM-Real
26
Predição do Consumo específico da madeira (CEM)
Standardized Residual
Pe
rce
nt
420-2-4
99,9
99
90
50
10
1
0,1
Fitted Value
Sta
nd
ard
ize
d R
esid
ua
l
4,504,254,003,753,50
2
1
0
-1
-2
Standardized Residual
Fre
qu
en
cy
210-1-2
12
9
6
3
0
Observation Order
Sta
nd
ard
ize
d R
esid
ua
l
65605550454035302520151051
2
1
0
-1
-2
Normal Probability Plot of the Residuals Residuals Versus the Fitted Values
Histogram of the Residuals Residuals Versus the Order of the Data
Residual Plots for CEM
Análise de Regressão : CEM x DB , TR-Seco , REND
Equação da regressão :
CEM = 12,4844 - 0,0108365 DB + 0,035583 TR-Seco - 0,067814 REND
Preditor Coef. SE Coef. T P VIF
Constant 12,484400 0,495700 25,190000 0,0000 -
DB -0,010837 0,000877 -12,360000 0,0000 1,2
TR-Seco 0,035583 0,008221 4,330000 0,0000 1,2
REND -0,067814 0,004230 -16,030000 0,0000 1,1
S = 0,06492 R-Sq = 91,9 % R-Sq(adj) = 91,4 %
PRESS = 0,2944 R-Sq(pred) = 90,8 %
Durbin-Watson statistic = 1,81267
Análise de Variança
Source DF SS MS F P
Regression 3 2,951040 0,983680 233,4100 0,0000
Residual
Error 62 0,261290 0,004210
Total 65 3,212320
Source DF Seq SS
DB 1 1,744640
TR-Seco 1 0,123260
REND 1 1,083140
Outliers
Total (0 %)
MODELAGEM DO PROCESSO DE CELULOSE E PAPEL , Equações Ajustadas
Equações do Modelo Ajustadas Estatisticamentevalor-p
Regressão
valor-p
preditores
Maior Valor
R^2 R^2-adj R^2-predVIF
Maior Valor
TS-Biom (%) = -56,694 + 1,9661 . (TS-Cav) 0,0000 0,0000 77,4000 77,1000 76,0000 -
TR-Úmido = 37,0076 - 0,40844 TS-Biom 0,0000 0,0000 87,9000 87,7000 87,1000 -
CEM = 12,32 - 0,01036385 DB + 0,036903 TR-Seco - 0,069508 REND 0,0000 0,0000 91,2000 90,7000 90,0000 1,2000
DA = 1455,59 - 0,37897 DB - 12,8988 TS-Madeira 0,0000 0,0000 89,3000 89,0000 89,0000 1,3000
RSP = 0,2821 + 0,62895 (100-REND)/REND + 0,0015977 kg.Na2CO3/AD0,0000 0,0130 85,3000 84,8000 83,9000 1,7000
+ 0,0013791 kg.AA-NaOH/Adt
Ger.Vapor.Rec(t/tss) = 4,64117 + 1,10047 . RSP 0,0000 0,0000 87,0000 86,8000 86,2000 -
Kg.CaO/Adt = - 56,694 + 0,8558 Kg.AAC/Adt 0,0000 0,0350 95,9000 95,9000 95,7000 -
Kg.Óleo-7A/t.CaO = 102,474 + 0,128959 Kg.CaO/Adt 0,0000 0,0000 97,8000 97,8000 97,6000 -
%Cel-1 = 303,0 - 7,539 g/m2-1 + 0,08481 g/m2-1^2 - 0,000319 g/m2-1^3 0,0000 0,0000 100,0000 100,0000 100,0000 -
%Cel-2 = 84,87 + 0,3927 g/m2-2 - 0,008117 g/m2-2^2 + 0,000029 g/m2-2^3 0,0000 0,0000 100,0000 100,0000 100,0000 -
VBP-Cel = 13,3 + 0,0258 Prod.Cel 0,0000 0,0000 96,7000 96,6000 96,2000 -
VMP-Cel = 13,80 + 0,02881 Prod.Cel 0,0000 0,0000 97,2000 97,1000 96,8000 -
VBP-Rec = 0,9977 + 0,006793 Prod.Cel 0,0000 0,0000 98,8000 98,8000 98,2000 -
VBP-Strip = 0,3401 + 0,002789 Prod.Cel 0,0000 0,0000 96,2000 96,1000 95,7000 -
VBP-Evap = 11,26 + 0,04094 Prod.Cel 0,0000 0,0000 95,7000 95,6000 95,2000 -
VMP-Rec (t/h) = 1,0 - - - - -
VBP-UTI = - 0,481 + 0,00408 Prod.Cel0,0000 0,0350 98,1000 98,0000 97,9000 1,0000
+ 0,0237 g/m2-1 + 0,0278 g/m2-2
VBP-Des = - 0,711 + 0,00597 Prod.Cel0,0000 0,0200 98,4000 98,4000 98,2000 1,0000
+ 0,0362 g/m2-1 + 0,0404 g/m2-2
VMP-UTI = - 0,596 + 0,00514 Prod.Cel0,0000 0,0250 98,4000 98,3000 98,2000 1,0000
+ 0,0302 g/m2-1 + 0,0353 g/m2-2
VBP-Maq1 = 27,71 + 0,2971 g/m2-1 0,0000 0,0000 91,9000 91,8000 90,9000 -
VBP-Maq2 = 22,18 + 0,3365 g/m2-2 0,0000 0,0000 97,3000 97,2000 96,8000 -
VMP-Maq1 = 3,041 + 0,01092 g/m2-1 0,0000 0,0000 91,5000 91,3000 91,1000 -
VMP-Maq2 = 3,212 + 0,006429 g/m2-2 0,0000 0,0000 95,9000 95,8000 95,5000 -
VBP-Outr = - 0,264 + 0,00222 Prod.Cel0,0000 0,0200 98,5000 98,4000 98,2000 1,0000
+ 0,0135 g/m2-1 + 0,0150 g/m2-2
VMP-Outr = - 0,0746 + 0,000628 Prod.Cel0,0000 0,0220 98,4000 98,3000 98,2000 1,0000
+ 0,00373 g/m2-1 + 0,00429 g/m2-2
Óleo-3A = 84,0 + 0,427 V.Cald.Biom - 1,85 TS-Biom0,0000 0,0000 97,6000 97,3000 96,8000 1,2000
- 0,224 Cons.Mad.Ene + 0,638 No.Enr
Kg.Biom.Seca/t.vapor = 395 - 2,61 Óleo-3A - 1,54 Cons.Mad.Ene 0,0000 0,0000 97,9000 97,8000 97,5000 1,3000
GEE(MW) = - 1,18 + 0,126 VAP-ADM (t/h) - 0,0336 VMP-EXT (t/h) 0,0000 0,0290 99,1000 99,0000 98,9000 1,300027
MODELAGEM DO PROCESSO DE CELULOSE E PAPEL , Equações do Modelo
TS-Biom (%) = -56,694 + 1,9661 . (TS-Cav)
TR-Úmido = 37,0076 - 0,40844 TS-Biom
TR-Seco = (TR-Úmido * TS-Biom)/TS-Mad
CEM = 12,32 - 0,01036385 DB + 0,036903 TR-Seco - 0,069508 REND
TS-Mad (%) = TS-Cav . (1 – TR/100) + TS-Biom . TR/100
DA = 1455,59 - 0,37897 DB - 12,8988 TS-Madeira
Res.Ger (kg.seco/Adt) = DA . CEM . TS-Mad . TR-seco
RSP = 0,2821 + 0,62895 (100-REND)/REND + 0,0015977 kg.Na2CO3/AD
+ 0,0013791 kg.AA-NaOH/Adt
Produção.Cel (ADt/d) = TSS / RSP
Ger.Vapor.Rec(t/tss) = 4,64117 + 1,10047 . RSP
Vapor.Rec (t;/h) = Ger.Vapor . TSS/24
AAC (kg.NaOH/ADt) = CAA – (CAA . SULF/100)
Kg.CaO/Adt = - 56,694 + 0,8558 Kg.AAC/Adt
Kg.Óleo-7A/t.CaO = 102,474 + 0,128959 Kg.CaO/Adt
Prod.Bruta-2 (t/d) = (Veloc-2*4,45*g/m2-2*1440)*0,965/(1000000)
Prod.Acab (t/d) = 0,946 . (Prod.Bruta-1 + Prod.Bruta-2)
%Cel-1 = 303,0 - 7,539 g/m2-1 + 0,08481 g/m2-1^2 - 0,000319 g/m2-1^3
%Cel-2 = 84,87 + 0,3927 g/m2-2 - 0,008117 g/m2-2^2 + 0,000029 g/m2-2^3
Cons.Cel-1 (ADt/d) = %Cel-1 . Prod.Bruta-1 / 100
Cons.Cel-2 (ADt/d) = %Cel-2 . Prod.Bruta-2 / 100
Prod.Acab.Cel (ADt/d) = Prod.Cel – (Cons.Cel-1 + Cons.Cel-2)
VBP-Cel = 13,3 + 0,0258 Prod.Cel
VMP-Cel = 13,80 + 0,02881 Prod.Cel
VBP-Rec = 0,9977 + 0,006793 Prod.Cel
VBP-Strip = 0,3401 + 0,002789 Prod.Cel
VBP-Evap = 11,26 + 0,04094 Prod.Cel
VMP-Rec (t/h) = 1,0
VBP-UTI = - 0,481 + 0,00408 Prod.Cel
+ 0,0237 g/m2-1 + 0,0278 g/m2-2
VBP-Des = - 0,711 + 0,00597 Prod.Cel
+ 0,0362 g/m2-1 + 0,0404 g/m2-2
VMP-UTI = - 0,596 + 0,00514 Prod.Cel
+ 0,0302 g/m2-1 + 0,0353 g/m2-2
Equações do Modelo
VBP-Maq1 = 27,71 + 0,2971 g/m2-1
VBP-Maq2 = 22,18 + 0,3365 g/m2-2
VMP-Maq1 = 3,041 + 0,01092 g/m2-1
VMP-Maq2 = 3,212 + 0,006429 g/m2-2
VBP-Outr = - 0,264 + 0,00222 Prod.Cel
+ 0,0135 g/m2-1 + 0,0150 g/m2-2
VMP-Outr = - 0,0746 + 0,000628 Prod.Cel
+ 0,00373 g/m2-1 + 0,00429 g/m2-2
VBP-Tot (t/h) = VBP-Cel + VBP-Rec + VBP-Strip
+ VBP-Evp + VBP-Util + VBP-Des
+ VBP-Maq1 + VBP-Maq2
+ VBP-Outr + Vatm
VMP-Tot (t/h) = VMP-Cel + VMP-Rec + VMP-Util
+ VMP-Maq1 + VMP-Maq2 + VMP-Outr
V.Cons (t/h) = VBP-Tot + VMP-Tot
V.Cons.Cel (t/h) = VBP-Cel + VMP-Cel
V.Cons.Rec (t/h) = VBP-Rec + VBP-Strip + VBP-Evp + VMP-Rec
V.Cons.Util (t/h) = VBP-Util + VBP-Des + VMP-Util
V.Cons.Máqs (t/h)=VBP-Maq1+VBP-Maq2+VMP-Maq1+VMP-Maq2
V.Cons.Indet (t/h) = VBP-Outr + VMP-Outr
VAP (t/h) = V.Cons – DES.VBP – DES.VMP
V.Cald.Biom (t/h) = VAP - V.Cal.Rec
Cons.Mad.Ene (kg/t.vapor)=Cons.Mad.Ene(m3/dia).
24.0,8.0,7/ (100.24.V.Cald.Biom)
Óleo-3A = 84,0 + 0,427 V.Cald.Biom - 1,85 TS-Biom
- 0,224 Cons.Mad.Ene + 0,638 No.Enr
Kg.Biom.Seca/t.vapor = 395 - 2,61 Óleo-3A - 1,54 Cons.Mad.Ene
VBP-CPR (t/h) = VBP-Tot – DES-VBP – RED-VBP – VCE-VBP
– TB-VBP – TAC-VBP – CALD3-VBP
VMP-EXTR = VMP-Tot - DES.VMP - RED.VMP
VAP-ADM (t/h) = VMP-EXTR + VBP-CPR
GEE(MW) = - 1,18 + 0,126 VAP-ADM (t/h) - 0,0336 VMP-EXT (t/h)
CEE (MW) = TEE – GEE
Equações do Modelo
28
Exemplo-1 de Simulação
Queima de sólidos na Caldeira de Recuperação TSS/dia 170 0 ,0 0 170 0 ,0 0 Produção de Celulose Adt/dia 12 3 5,10 12 3 5,10
Rendimento da madeira (50 a 58%) % 55,0 0 55,0 0 Produção de Celulose Acabada Adt/dia 3 9 8 ,53 3 9 8 ,53
Densidade básica da madeira (460 a 530 kg/m3) kg/m3 50 0 ,0 0 50 0 ,0 0 Produção de Papel Acabado t/dia 9 72 ,8 2 9 72 ,8 2
% Seco da madeira picada (50 a 64%) % 58,00 50,00 Produção de Produto Vendável (Papel+Celulose) t/dia 13 71,3 5 13 71,3 5
Carga de álcali efetivo sobre madeira,16,5-18,5% % 17,50 17,50
Atividade do licor branco (81 a 87%) % 8 5,0 0 8 5,0 0 Consumo de madeira para celulose m3/dia 4735,94 4897,59
Sulfidez do licor branco (29 a 32%) % 3 0 ,0 0 3 0 ,0 0 Consumo de óleo combustível 7A, fornos-cal t/dia 3 4 ,58 3 4 ,58
Consumo de óleo combustível 3A, caldeiras1/2 t/dia 0,00 55,37
Gramatura do papel - Máquina 1 (60 a 100 g/m2) g/m2 75,0 0 75,0 0 Consumo de óleo combustível 3A,caldeira 3 t/dia 0 ,0 0 0 ,0 0
Gramatura do papel - Máquina 2 (45 a 75 g/m2) g/m2 6 8 ,0 0 6 8 ,0 0 Energia elétrica comprada MWh/dia 6 6 7,6 8 6 6 7,6 8
Consumo total de energia comprada MMBTU/dia 6 .3 0 8 ,3 3 8 .8 2 6 ,4 8
Vapor para redutora de 65 p/ 12 bar t/h 0 ,0 0 0 ,0 0
Vapor para redutora de 65 p/ 4,5 bar t/h 0 ,0 0 0 ,0 0 Custo de madeira para celulose R$/dia 355.195,74 367.319,08
Vapor para tanque acumulador de vapor t/h 0 ,0 0 0 ,0 0 Custo de madeira para celulose - específico R$/Adt 287,58 297,40
Vapor para turbina da bomba de água t/h 0 ,0 0 0 ,0 0 Custo de madeira para celulose - específico R$/t.vend 259,01 267,85
Vapor de 4,5 bar para atmosfera t/h 0 ,0 0 0 ,0 0
Produção de vapor da caldeira-3 t/h 0 ,0 0 0 ,0 0 Custo de madeira para energia R$/dia 20.141,25 22.500,00
Custo de cavacos para energia R$/dia 0 ,0 0 0 ,0 0
Consumo madeira para energia-máx. 350 m3/d m3/dia 268,55 300,00 Custo de óleo combustível 7A, fornos-cal R$/dia 2 7.6 6 2 ,4 3 2 7.6 6 2 ,4 3
Consumo cavacos para energia-máx. 200 ton/d t/dia 0 ,0 0 0 ,0 0 Custo de óleo combustível 3A, caldeiras 1/2 R$/dia 0,00 47063,05
Consumo total de energia elétrica (45 a 65 MW) MW 6 1,0 1 6 1,0 1 Custo de óleo combustível 3A, caldeira 3 R$/dia 0 ,0 0 0 ,0 0
Custo da energia elétrica comprada R$/dia 150.228,68 150.228,44
Preço da madeira para celulose R$/m3 75,0 0 75,0 0 Custo total da energia comprada R$/dia 198.032,36 247.453,92
Preço da madeira para energia R$/m3 75,0 0 75,0 0 Custo total da energia comprada - específico R$/MMBTU 3 1,3 9 2 8 ,0 4
Preço dos cavacos para energia R$/t 14 5,0 0 14 5,0 0 Custo total da energia comprada - específico R$/t.vend 144,41 180,45
Preço da energia elétrica R$/Mw h 2 2 5,0 0 2 2 5,0 0
Preço do óleo combustível 3A R$/t 8 50 ,0 0 8 50 ,0 0 Custo total: madeira-celulose e energia comprada R$/dia 553.228,10 614.773,00
Preço do óleo combustível 7A R$/t 8 0 0 ,0 0 8 0 0 ,0 0 Custo total: madeira-celulose e energia comprada R$/t.vend 403,42 448,30
Valores-2
*** / *** --> O consumo de óleo nas calds.1/2 não deve ser negativo, sendo necessário ajustar o consumo de madeira e/ou cavacos para energia, de forma a obter no mínimo zero em consumo de óleo.
Unidades Valores-1Dados de Entrada Unidades Valores-1 Dados de SaídaValores-2
29
T o ras de Eucaliptus R end iment o To t al C avaco s de Eucaliptus
3,83 m3/ A dt 4 7,2 4 % 2 0 2 1,0 7 t on.seca/ d ia P ro dução C elulo se C elulo se A cabada
4 73 5,9 4 m3 / d ia % Seco R end iment o ,% 12 3 5,10 A dt/ dia 3 9 8 ,53 A D t / d ia
2 3 53 ,0 8 t on.seca/ d ia 58,00 55,00
D ensidade B ásica 2 3 8 ,9 0 t / h
500,00 kg .seco / m3 15 , 8 5
D ensidade A parent e Ú mida B iomassa C arga A lcalina 4 ,6 9 t / h 50 ,2 2 t / h
9 0 7,9 3 kg .úmido / m3 17,50 % A E,N aOH 56 5,8 1 t / d ia
D ensidade A parent e Seca % Seco 2 0 ,59 % A A ,N aOH 4 5,12 t / h 3 ,8 7 t / h 75,00 g/ m2
50 0 ,11 kg .seco / m3 57,3 4 3 3 6 ,9 0 kg .N aOH.A A / A dt 6 2 ,2 6 t / h1220 m/min
D ensidade A parent e Á gua Teor R esí duos Ú mido ,% A t ividade Licor B ranco 6 9 ,3 5 t / h 4 5,0 6 t / h4 53 ,11
4 0 7,8 2 kg .água/ m3 13 ,4 7 85,00 % 2 ,0 8 t / h 10 ,13 t / h 4 6 2 ,54 t / d ia
% Seco Teor R esí duos Seco ,% 59 ,4 5 kg .N a2 C O3 / A dt 1,15 t / h 3 ,70 t / h 68,00 g/ m2
57,9 1 % 13 ,0 0 Sulf idez Licor B ranco TSS/ A dt 7,56 t / h1100 m/min
kg .b iomassa.seca/ A dt 30,00 % 1,3 76 4 3 8 3 ,4 6
2 6 8 ,8 1 Á lcali A t ivo C onvert ido Queima, TSS/ d ia 4 9 ,50 t / h 3 ,79 t / h 9 4 ,6 2 t / h, V apor C el.
t .seca/ d ia 2 3 5,8 3 kg .N aOH.A A / A dt 170 0 ,0 01,0 0 t / h C onsumo 10 2 ,8 5 t / h, V apor Papel
3 3 2 ,0 0 6 1,0 1 Energ ia 9 ,3 9 t / h 110 ,79 t / h, V apor U t i/ R ec
0 ,0 0 t / hM W
Elét r ica 3 0 8 ,2 5 t / h, V apor To t al
0,00 t / h 2 3 8 ,9 0 t / h, V apor B aixa Pressão
Óleo - 7A0 ,0 0
6 7,2 7 t / h Energ ia 6 9 ,3 5 t / h, V apor M éd ia Pressão
13 0 ,0 0 kg / t .C aO Elét r ica 0 ,0 0 t / h
2 8 ,0 0 kg / A dt 2 15,3 55 kg .C aO/ A dt V apor/ t ss, t / t 3 0 6 ,17 ? Gerada Energ ia Elét r ica C omprada
34,58 t/dia 2 6 6 ,0 t .C aO/ d ia 3 ,12 50V apor, t / h M W 3 3 ,19 27,82 MW
221,36 2 9 0 ,3 2 9 8 ,1% 2 2 3 ,0 5 t / h 8 ,3 5 t / h 667,68 MWh/dia
B iomassa V apor, t / h 15,8 5 15,8 5 t / h 10 ,0 2 t / h
t .seca/ d ia 159 ,3 6 kg .seco / t .vapor 84,81
7,6 13 2 4 ,3 9 t .seca/ d ia 0 ,0 0 0,00 t / h
C avacos ( 70 % seco ) 57,3 4 % Seco 0,00 t / h 6 9 kg / t .vapor
0,00 t/dia 0 ,0 0 0,00 t / h 0,000 t / d ia
M adeira ( 70 % seco ) Óleo - 3 A , t / d ia
268,55 m3/dia M adeira, kg .seco / t .vapor No.Buchas 4 0 ,0 0 0,00 t / h 0,002
73 ,8 8 kg / t .vapor t / d ia
0 ,0 0 0,002
Preparaçãode
Madeira p/ Celulose
Digestor / Lavagem / Pré-Branqueamento-O2
Máquina de Papel LAN1
Caldeirade
RecuperaçãoRCHO-Na/S , O2 , CO2 ->
-> calor , Na2S , Na2CO3...
(19 t/h sopragem)
Máquina de Papel LAN2
MáquinaDesaguadora
de CeluloseBranqueamento
EvaporaçãoVCE
e
Evaporação
de Placas
CaldeirasCombinadas
Óleo
e
Biomassa1 e 2
Forno de CalCa2CO3+calor->CaO+CO2
EstoqueBiomassa
Picada
Preparação deMadeira p/ Energia
COLETO
R
4.5
bar
160
C
Caldeira ÓleoBaixa Pressão
3
Redutora
˜
LicorNegro16%
LicorBranco
LicorVerde
Utilidades
Desaerador com Recuperação
Calor
Stripper
Outros
Outros
Util.COLETO
R
12
bar Recuperação
Dessup.
TurboGerador
atm
+
-
cinzas9 %
ACABAMENTO
TurbinaVCE
COLET
OR
65
bar
TanqueAcumulado
Redutora
TurbinaBomba Agua
Preparaçãode
Biomassa p/ Energia
Refugo 5,4 %
Dessup.
CaustificaçãoCa2CO3+NaOH<-CaO+Na2CO3 Na2CO3
Na2S
NaOHNa2SNa2CO3
RCHO-Na/S
Situação - 1
30
Situação - 2
T o ras de Eucaliptus R end iment o To t al C avaco s de Eucaliptus
3,97 m3/ A dt 4 5,6 6 % 2 0 2 1,0 7 t on.seca/ d ia P ro dução C elulo se C elulo se A cabada
4 8 9 7,59 m3 / d ia % Seco R end iment o ,% 12 3 5,10 A dt/ dia 3 9 8 ,53 A D t / d ia
2 4 3 4 ,3 4 t on.seca/ d ia 50,00 55,00
D ensidade B ásica 2 3 8 ,9 0 t / h
500,00 kg .seco / m3 15 , 8 5
D ensidade A parent e Ú mida B iomassa C arga A lcalina 4 ,6 9 t / h 50 ,2 2 t / h
10 3 1,56 kg .úmido / m3 17,50 % A E,N aOH 56 5,8 1 t / d ia
D ensidade A parent e Seca % Seco 2 0 ,59 % A A ,N aOH 4 5,12 t / h 3 ,8 7 t / h 75,0 0 g/ m2
4 8 0 ,3 8 kg .seco / m3 4 1,6 1 3 3 6 ,9 0 kg .N aOH.A A / A dt 6 2 ,2 6 t / h1220 m/min
D ensidade A parent e Á gua Teor R esí duos Ú mido ,% A t ividade Licor B ranco 6 9 ,3 5 t / h 4 5,0 6 t / h4 53 ,11
551,18 kg .água/ m3 19 ,6 6 85,00 % 2 ,0 8 t / h 10 ,13 t / h 4 6 2 ,54 t / d ia
% Seco Teor R esí duos Seco ,% 59 ,4 5 kg .N a2 C O3 / A dt 1,15 t / h 3 ,70 t / h 6 8 ,0 0 g/ m2
4 8 ,3 5 % 17,8 8 Sulf idez Licor B ranco TSS/ A dt 7,56 t / h1100 m/min
kg .b iomassa.seca/ A dt 30,00 % 1,3 76 4 3 8 3 ,4 6
3 3 4 ,6 1 Á lcali A t ivo C onvert ido Queima, TSS/ d ia 4 9 ,50 t / h 3 ,79 t / h 9 4 ,6 2 t / h, V apor C el.
t .seca/ d ia 2 3 5,8 3 kg .N aOH.A A / A dt 170 0 ,0 01,0 0 t / h C onsumo 10 2 ,8 5 t / h, V apor Papel
4 13 ,2 7 6 1,0 1 Energ ia 9 ,3 9 t / h 110 ,79 t / h, V apor U t i/ R ec
0 ,0 0 t / hM W
Elét r ica 3 0 8 ,2 5 t / h, V apor To t al
0,00 t / h 2 3 8 ,9 0 t / h, V apor B aixa Pressão
Óleo - 7A0 ,0 0
6 7,2 7 t / h Energ ia 6 9 ,3 5 t / h, V apor M éd ia Pressão
13 0 ,0 0 kg / t .C aO Elét r ica 0 ,0 0 t / h
2 8 ,0 0 kg / A dt 2 15,3 55 kg .C aO/ A dt V apor/ t ss, t / t 3 0 6 ,17 ? Gerada Energ ia Elét r ica C omprada
34,58 t/dia 2 6 6 ,0 t .C aO/ d ia 3 ,12 50V apor, t / h M W 3 3 ,19 27,82 MW
221,36 2 9 0 ,3 2 9 8 ,1% 2 2 3 ,0 5 t / h 8 ,3 5 t / h 667,68 MWh/dia
B iomassa V apor, t / h 15,8 5 15,8 5 t / h 10 ,0 2 t / h
t .seca/ d ia 111,51 kg .seco / t .vapor 84,81
18 6 ,2 92 2 6 ,9 8 t .seca/ d ia 0 ,0 0 0,00 t / h
C avacos ( 70 % seco ) 4 1,6 1 % Seco 0,00 t / h 6 9 kg / t .vapor
0,00 t/dia 0 ,0 0 0,00 t / h 0,000 t / d ia
M adeira ( 70 % seco ) Óleo - 3 A , t / d ia
300,00 m3/dia M adeira, kg .seco / t .vapor No.Buchas 4 0 ,0 0 0,00 t / h 55,368
8 2 ,53 kg / t .vapor t / d ia
2 7,2 0 55,368
Preparaçãode
Madeira p/ Celulose
Digestor / Lavagem / Pré-Branqueamento-O2
Máquina de Papel LAN1
Caldeirade
RecuperaçãoRCHO-Na/S , O2 , CO2 ->
-> calor , Na2S , Na2CO3...
(19 t/h sopragem)
Máquina de Papel LAN2
MáquinaDesaguadora
de CeluloseBranqueamento
EvaporaçãoVCE
e
Evaporação
de Placas
CaldeirasCombinadas
Óleo
e
Biomassa1 e 2
Forno de CalCa2CO3+calor->CaO+CO2
EstoqueBiomassa
Picada
Preparação deMadeira p/ Energia
COLETO
R
4.5
bar
160
C
Caldeira ÓleoBaixa Pressão
3
Redutora
˜
LicorNegro16%
LicorBranco
LicorVerde
Utilidades
Desaerador com Recuperação
Calor
Stripper
Outros
Outros
Util.COLETO
R
12
bar Recuperação
Dessup.
TurboGerador
atm
-
+
cinzas9 %
ACABAMENTO
TurbinaVCE
COLET
OR
65
bar
TanqueAcumulado
Redutora
TurbinaBomba Agua
Preparaçãode
Biomassa p/ Energia
Refugo 5,4 %
Dessup.
CaustificaçãoCa2CO3+NaOH<-CaO+Na2CO3 Na2CO3
Na2S
NaOHNa2SNa2CO3
RCHO-Na/S
31
Exemplo-2 de Simulação
3,0
3,2
3,4
3,6
3,8
4,0
4,2
4,4
4,6
4,8
5,0
285 290 295 300 305 310 315
200
220
240
260
280
300
320
340
285 290 295 300 305 310 315
120
140
160
180
200
220
240
260
285 290 295 300 305 310 315
380
400
420
440
460
480
500
520
285 290 295 300 305 310 315
Consumo de Vapor , t/h
Redução
Consumo de Vapor , t/h
Redução
Consumo de Vapor , t/h
Redução
Consumo de Vapor , t/h
Redução
TS-Mad = 50% TS-Mad = 50%TS-Mad = 60%TS-Mad = 60%
TS-Mad = 50%Preço CEE = 350
TS-Mad = 50%Preço CEE = 225
TS-Mad = 60%Preço CEE = 350
TS-Mad = 60%Preço CEE = 225
TS-Mad = 50%Preço CEE = 350
TS-Mad = 50%Preço CEE = 225
TS-Mad = 60%Preço CEE = 350
TS-Mad = 60%Preço CEE = 225
CEM , m3/ADt Custo Esp. Madeira , R$/t.vend.
Custo Esp. Energéticos , R$/t.vend. Custo Esp. Total , R$/t.vend.
Toda redução no consumo de vapor da fábrica, antes de ser efetivado, deve ser avaliado qual o
impacto no sistema de cogeração, pois apesar de reduzir combustível na caldeira de biomassa
em contrapartida ocorre perda de geração de energia elétrica e consequentemente maior
compra da concessionária.
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Custo Total
395
420
445
470
495
520
48 30252 29656 Cons.Vapor290TS-Mad 60
Custo Total de Madeira para Celulose e Insumos Energéticos
Preço da Energia Elétrica Comprada de 225,00 R$/MWhR$/t.vend
Custo Total
395
420
445
470
495
520
48 30252 29656 Cons.Vapor290TS-Mad 60
Custo Total de Madeira para Celulose e Insumos Energéticos
Preço da Energia Elétrica Comprada de 350,00 R$/MWhR$/t.vend
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34
CONSIDERAÇÕES FINAIS, Conclusões
Importância de analisar o processo de produção de celulose e papel envolvendo todas
as suas etapas de fabricação, quando decisões setoriais de alterações em variáveis do
processo de fabricação são levadas adiante.
Verificar se a utilização da técnica de modelagem com regressão linear múltipla seria
uma ferramenta viável, alternativa aos modelos teóricos (com base fenomenológica), na
modelagem de um processo de complexidade reconhecida na interdependência entre as
inúmeras variáveis que possam influenciar no resultado econômico do negócio.
Com base nos resultados obtidos, é possível concluir que a utilização da modelagem com
a utilização da técnica de regressão linear múltipla é uma ferramenta válida e de fácil
utilização para a avaliação de resultados econômicos em processo de produção de
celulose, quando alterações de variáveis ou de preços de madeira de eucalipto e insumos
energéticos ocorrem.
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• Decisões para contraposições podem ser melhor avaliadas se adequadamente
quantificadas economicamente, como por exemplos REAIS :
• Em 2009, numa fábrica integrada, uma redução na produção de celulose de
mercado, mantendo a produção de papel, face a dificuldades do mercado de celulose, pode
reduzir custos de inventário, no entanto, a conseqüente redução na geração de vapor da
caldeira de recuperação e no consumo de vapor, pode representar maior consumo de
combustíveis e menor geração de energia elétrica, aumentando o custo de fabricação de
celulose e papel, dependendo dos preços destes insumos.
Após análise econômica, a decisão foi de manter a produção de celulose e aumentar
os estoques, mantendo os custos de fabricação.
• Em 2010 na renovação do contrato de compra de energia elétrica ocorreu considerável
aumento de preço face a alta demanda no mercado. Redução no consumo de vapor e/ou
produção na fábrica, poderia representar redução no consumo de combustíveis das
caldeiras e forno de cal compensando o aumento de custo na energia elétrica.
No entanto, a redução nos turbo-geradores, de geração de energia elétrica associada ao
menor consumo de vaporimplicava em aumentar a compra de energia elétrica.
A decisão foi aquisição de um secador de biomassa (programa capital com TIR de 25%
ROI de 32% e PB 2,8 anos) para redução no consumo de madeira de energia.
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Destaca-se, portanto, pelos exemplos citados e pelas simulações efetuadas a importância
da análise de maior abrangência antes de tomadas de decisões nas alterações de variáveis
de processo e estratégias operacionais, sendo esta demonstração com a utilização de
técnicas estatísticas, o principal aporte desta dissertação de mestrado.
Espera-se que este trabalho possa beneficiar profissionais, estudantes, professores e
pesquisadores do setor de fabricação de celulose e papel, contribuindo para esclarecer
as potencialidades no aprimoramento das decisões operacionais no processo industrial.
Ressalta-se que um ponto de preocupação sempre presente neste trabalho foi de alertar
para que o uso de técnicas estatísticas não seja feita de forma indiscriminada e
descuidada, sendo de fundamental importância que antes de sua aplicação, o modelo
estrutural proposto seja fortemente fundamentado nos conceitos inerentes a engenharia do
processo estudado, face ao caráter descritivo deste tipo de pesquisa.
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CONSIDERAÇÕES FINAIS, Perspectivas Futuras
• Estudo e aplicação de modelos estatísticos adaptáveis a pequenas diferenças de processo
entre fábricas.
• Construção de modelos de predição utilizando-se de uma estrutura de rede neural,
estudando a melhor arquitetura de redes para o modelo estrutural.
• Ampliar a abrangência deste trabalho para as demais variáveis de importância econômica
no processo de produção de celulose e papel, tais como o consumo de químicos no
branqueamento e outras utilidades.
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