Engenharia Industrial Madeireira polpa e papel OBTENO DA

Engenharia Industrial Madeireira polpa e papel OBTENÇÃO DA PASTA CELULÓSICA E PAPEL Umberto Klock

FIBRAS PARA PAPEL

INDÚSTRIA DE CELULOSE E PAPEL

Objetivo: Descrever de forma geral os procedimentos de obtenção de pastas celulósicas, seus usos

O que é polpação?

O que é polpação? Polpação é o processo pelo qual a madeira é reduzida a uma massa fibrosa. Isto significa romper as ligações entre as estruturas da madeira separando as fibras.

TIPOS DE POLPAÇÃO • Existem duas maneiras de romper as ligações na madeira e liberar as fibras: • Mecânicamente e, • Quimicamente. • Também existem hibridos desses dois métodos: • Quimiomecanico, Termomecânico e, • Semi-químico.

POLPAÇÃO MEC NICA • Utiliza energia mecânica, com pouco ou nenhuma substância química. • Dividem-se em dois processos: • Desfibramento: toretes de madeira são forçados contra uma pedra em revolução que possue superfície abrasiva. (Processo mecânico convencional). (SGW) • Refinação: cavacos de madeira são lançados entre dois discos metálicos de superfícies abrasivas, sendo que um deles em revolução. • (Processo Mecânico de Refinador) (RMP)

Polpação Mecânica – Pasta Mecânica • Maioria dos constituintes da madeira permanecem; • Resulta em alto rendimento – 85 a 95% • Papel pouco resistente, é necessário misturar fibras químicas longas; • Descolore rapidamente e facilmente; • Processo consome muita energia.

Produtos de Pasta Mecânica • • Papel jornal, Papéis de impressão, Papéis revestidos; Misturas em papéis.

Obtenção de pasta mecânica

Polpação Química • Utiliza produtos químicos e calor para dissolver lignina; • A celulose permanece quase intacta, uma fração de polioses permanece na polpa. • Principais processos: • Kraft ou Sulfato, • Soda e, • Sulfito.

Polpação Química • PROCESSO KRAFT • Na. OH e Na 2 S • PROCESSO SODA • Na. OH • PROCESSO SULFITO • SO 2 e bases : Mg(OH)2, Ca(OH)2, NH 4(OH)

Alguns dados: • • Produção de polpas na América do Norte: Pastas mecânicas - 24% Polpas químicas - 70% Semiquímicas 6% • • Produção de polpas nos EUA Pastas mecânicas 9% Polpas químicas 85% Semiquímicas 6%

• POLPAÇÃO KRAFT

POLPAÇÃO KRAFT • KRAFT significa forte em alemão, • É a polpa de maior resistência • Processo dominante nos EUA, Brasil e no mundo em geral; • Flexível, e possui tecnologia eficiente de recuperação dos produtos químicos; • Rendimento na faixa de 40 a 50%; • Larga faixa de classificação: de branqueada a não branqueada.

Produtos de polpa Kraft • • • Papel cartão, Papel para copiadoras, Papéis para alimentos, Muitos outros tipos, È uma fonte de fibras resistentes.

A polpação kraft • Produtos químicos utilizados: • Na. OH e Na 2 S • Operação: • Químicos e cavacos de madeira são carregados em um digestor; • Temperaturas se elevam a 170°C, • Cozimentos são de 2 a 4 horas, dependendo da quantidade de lignina a ser removida.

A polpação kraft • Operação: • A polpa e licor negro são expelidos do digestor no final do cozimento; • • Licor negro consiste de: Químicos utilizados, Lignina dissolvida e, Carbohidratos.

Equipamentos • Digestores contínuos • Digestores por batelada (Batch)

Exemplos: Digestor por batelada de aquecimento direto

Digestor em batelada

Sistema em batelada

Exemplo: Sistema Kamir de Vaso digestor simples

Sistema contínuo

Recuperação química • Para cada tonelada de polpa produzida tem-se de 9000 a 15000 litros de licor negro. • O licor negro contem: • Material orgânico – componentes da madeira que foram dissolvidos e, • Material inorgânico – químicos do cozimento na forma inativa.

Recuperação química • Por razões economicas e ambientais, o licor negro precisa ser recuperado – daí o SISTEMA DE RECUPERAÇÃO QUÍMICA. • Objetivos: • Queimar material orgânico para gerar energia, • Converter material inorgânico inativo em material de cozimento ativo.

Recuperação química • O licor negro é retirado da polpa em sistemas de lavagem de polpa marrom, • Este licor negro fraco é engrossado pela retirada de água em sistemas de evaporação; • O licor negro resultante chamado de forte é então queimado em caldeira, chamada de caldeira de recuperação.

Caldeira de Recuperação • O calor gerado pela incineração do licor negro forte é usado para produzir vapor super aquecido, • Este vapor é utilizado na polpação (cozimento) e na fabricação do papel e ainda para produzir energia elétrica.

Fluxograma simplificado do Processo Kraft

BRANQUEAMENTO

O QUE É BRANQUEAMENTO? • Branqueamento é o processo químico aplicado as polpas celulósicas para aumentar suas alvuras. • A celulose e as polioses não contribuem na coloração das polpas pois são naturalmente brancas, • A lignina, sujeira, feixes de fibras, rejeitos, contribuem na cor escura.

Objetivos do branqueamento • Atacar e remover a lignina residual, • Atacar e destruir moléculas causadoras da cor escura, • Atacar e remover/descolorir sujeiras e feixes de fibras, • Aumentar a alvura da polpa e também promover sua limpeza.

Mensurar a alvura A Alvura é medida por incidir luz sobre uma folha e medir quanto dessa luz incidente é refletida – Unidade %.

Alvura do papel • TIPO DE PAPEL • Impressão/cópia • Jornal • Embalagem (sacos) ALVURA %ISO 80 -90 60 -70 25 -30

Como a polpa é branqueada? • Os alvejantes mais comuns são oxidantes, • Na maioria dos casos esses oxidantes são fortemente eletrolíticos, roubam elétrons da lignina e de outras moléculas, quebrando as ligações existentes.

Principais químicos branqueadores nas diferentes etapas: • • • Cloração Extração Hipocloração Dióxido de Cloro Oxigênio Peróxido de Hidrog- C E H D O P - Cl 2 - Na. OH - Na. Cl. O - Cl. O 2 - O 2 e Na. OH - H 2 O 2

Sequências típicas do branqueamento • • Kraft (CD)(EO)DED – comuns até 1995 D(EOP)DED – requeridas por legislação OD(EOP)D – requeridas por legislação • Mecânicas • PY (Y = Hidrosulfito)

Exemplo: estágios do branqueamento

Esquema do processo de branqueamento

Torres de branqueamento

Impactos ambientais do branqueamento • Efluentes de qualquer tipo de sequência que usa cloro não pode ser queimado na caldeira de recuperação, causam corrosão e explosões. • Efluentes precisam ser tratados e despejados no ambiente, afetam a vida aquática.

O branqueamento sem cloro • Mudança para sequências que usam apenas oxigênio como base, ex. ozônio, peróxido, etc. • Permitem que o efluente possa ser encaminhado para a Caldeira de recuperação, • Podem promover o circuito fechado de produção: sem a necessidade de água fresca, sem efluentes para fora do sistema.

Papel

FORMAÇÃO DO PAPEL

Formação do papel

Formação do papel • www. bracelpa. org. br • www. abtcp. org. br

Polpação Kraft • Ciência Fundamental, • Conceito da polpação, • Cinética da reação química.

Balanço de massa – processo Kraft Madeira – Pinus spp Licor branco Polpa Sulfat (Kraft)

No processo kraft os carboidratos são atacados a uma temperatura relativamente baixa, o que ocasiona eliminação dos grupos acetila antes que se alcance a temperatura máxima de cozimento. A reatividade dos polissacarideos varia dependendo de suas acessibilidade e de sua estrutura, por exemplo, devido a que a celulose é de natureza cristalina e tem um alto grau de polimerização, sofrem menos perdas que as hemiceluloses.

O que é Cinética? • Cinética é a razão na qual a reação química ocorre, • Pode ser descrita por uma equação, que é útil no dimensionamento do equipamento para o processo químico, • Pesquisadores tentam obter dados que poderão resolver a razão cinética por equação.

Razão cinética • Usualmente, a razão ou a velocidade de uma reação é afetada por dois fatores: • Concentração dos reagentes; • Temperatura da reação. • A velocidade da reação deve portanto levar estes aspectos em consideração.

Exemplo de uma reação simples de dois componentes • A + B C

Equação de velocidade para uma reação com dois componentes

Equação de velocidade para uma reação com dois componentes Dizemos que a reação é de : Primeira ordem com respeito ao reagente A Primeira ordem com respeito ao reagente B E de segunda ordem pelo geral. (o termo ordem refere-se ao expoente associado com o termo concentração)

A equação K – “ de Arrhenius” é geralmente aceita como a fórmula para a constante de velocidade da reação: k= k 0 x e(-E/RT) Onde: k 0 = constante – fator de frequência E = energia de ativação para a reação R = constante dos gases T = temperatura de reação

A equação k k= k 0 x (-E/RT) e • Desde que todos os termos, exceto T são constantes, pode-se ver que aumentando a temperatura ocorrerá um aumento em k (o termo exponente tornar-se-á um número negativo menor), o que por sua vez deverá aumentar a razão (velocidade) da reação se a concentração dos reagentes for a mesma. • Concluindo: aumentando a temperatura em 10 graus, a velocidade da reação dobrará.

Cinética da Polpação Alcalina • Demonstrou-se então que a polpação alcalina é de primeira ordem com respeito a concentração do OH- no licor de cozimento: • - d. L = k x [ OH-] dt Dessa forma a velocidade da polpação pode ser aumentada tanto por aumento da concentração do Na. OH ou pelo aumento da temperatura.

“Fator H”. • Arrhenius encontrou em 1924, baseando-se em experimentos de polpação de S. Schmidt-Nielsen e J. Bruun, que a dissolução de "incrustantes" da madeira durante o processo kraft era uma reação de primeira ordem com respeito aos "incrustantes”.

“Fator H”. • Posteriormente, em 1941, G. L. Larocque e O. Maas determinaram ao final de um cozimento kraft, com um conteúdo de lignina menor que 2%, que uma reação cinética de primeira ordem não era válida; estabeleceram também que a energia de ativação para o processo era de 32 000 cal/mol.

“Fator H”. • Como o tempo e a temperatura são variáveis interdependentes “Vroom” por volta de 1956 desenvolveu um procedimento para expressar o tempo de cozimento e a temperatura com uma só variável, a qual chamou de • “Fator H”.

• Vroom” sugeriu então exprimir o tempo e a temperatura de reação como variáveis ao empregar a versão modificada da equação de Arrhenius: • ln. K = B – A T

• A velocidade global para a deslignificação, pode aproximar-se da seguinte equação: - d. L/dt = k. L • onde L é o conteúdo de lignina na fibra no tempo t, e k é a constante de velocidade. • Com base em dados experimentais de k a várias temperaturas, o valor da energía de ativação (Ea) pode ser calculada da equação de Arrhenius: • ln k = ln A – (Ea/RT)

ln. K = B – A T • K é a velocidade de reação, • T é a temperatura absoluta (o. K) e, • A e B são constantes. • A=E R • E = energia de ativação 32. 097 cal/mol • R = constante dos gases perfeitos 1, 986.

• A velocidade de reação a 100 o. C foi arbitrariamente definida como unidade relativa e todos os valores são calculados nesta base e a equação assume então, a seguinte forma: • ln K = B - 32097 1, 986 T • ln K = B – 16161, 62 T T = 100 o. C = 373 o. K

• ln K = B – 16161, 62 373 K = 1 ln 1 = 0 • 0 = B - 43, 33 B = 43, 33 • A velocidade de reação para qualquer outra temperatura é calculada como: • ln 1 = ( 43, 33 – 16161, 62 T ) • K = e ( 43, 33 – 16161, 62 T )

K = e ( 43, 33 – 16161, 62 T ) • Com esta equação pode-se construir uma tabela de velocidade de reação relativa a qualquer temperatura:

FATOR H H A área sob a curva, denominada de fator H, pode ser empregada como medida de ajustagem do programa temperatura/tempo para qualquer cozimento, obtendo dessa maneira, o grau de cozimento desejado.

Exemplo: Como exemplo de cálculo do fator H, considera-se um cozimento no qual a elevação da temperatura de 800 C a 1700 C foi realizado em 1, 8 h e o tempo à temperatura de 1700 C, foi de 0, 65 horas.

Calculando temos: -Temperatura inicial = 80 o. C -Temperatura máxima = 170 o. C -Tempo para atingir a temperatura = 1, 8 h -Tempo na temperatura máxima = 0, 65 h logo: 1700 C - 800 C = t 108 min = 6 leituras t = 900 C 900 C / 6 LEITURAS = 150 C

Exercícios Num digestor pequeno são necessários 2 000 unidades de H para se alcançaar um cozimento satisfatório a uma temperatura de 170°C. O aumento da temperatura foi o seguinte: Tempo (h) 0, 00 0, 25 0, 50 0, 625 _________________________ Temperatura (°C) 80 138 162 170

a. Qual é o tempo no digestor na temperatura máxima para completar o cozimento? b. Qual será o tempo total de cozimento?

Os cálculos do fator H são tradicionalmente feitos da seguinte maneira: utilizando a expressão K = e [43, 33 - (16161, 62/T)] se calcula o valor da velocidade relativa para cada tempo (ou ponto). O valor da velocidade é dividido por dois e se multiplica pelo intervalo para obter-se o valor de H.

Para ilustrar a construção da tabela os cálculos para a temperatura de 162°C em 30 minutos (0, 50 horas) são mostrados a seguir: K = e [43, 33 - (16 161, 62/(162+273))] = 480 K/2 = 480/2 = 240 Velocidade acumulada = K/2 a 138°C + K/2 a 162°C = 27 + 240 = 267 Intervalo = Tempo para 162°C - Tempo para 138°C = 0, 50 – 0, 25 = 0, 25 horas H = (Velocidade acumulada) x (Intervalo) = (267) (0, 25) = 66, 75

Tabela A temperatura de 170°C será alcançada em 0, 625 horas (0: 37: 30), obtendo-se um valor para H de 6, 88 + 67, 06 + 92, 39 = 166, 33. Portanto faltam 2 000 – 166, 33 = 1 833, 67 unidades de H. Da Tabela de Velocidade, para 170°C, K = 941, 80, portanto: Tempo de cozimento a 170°C = H/K = 1833. 67/941. 80 = 1. 95 horas (1: 57: 00) Tempo total de cozimento = 0. 625 + 1. 95 = 2. 58 horas (2: 34: 48)

Grupos de Trabalho Montar Tabela de Velocidade Relativa: Intervalos de 5 minutos – de 100 a 180 graus centígrados. Condições de cozimento para os grupos serão decididos em reunião após os cavacos estarem prontos.