engenharia industrial madeireira polpa e papel obtenÇÃo da pasta celulÓsica e papel umberto klock
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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 MECÂNICA
• 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.
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• NaOH e Na2S
• PROCESSO SODA• NaOH
• PROCESSO SULFITO• SO2 e bases : Mg(OH)2, Ca(OH)2, NH4(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
• 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:• NaOH e Na2S
• 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.
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.
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 ALVURA %ISO
• Impressão/cópia 80-90• Jornal 60-70• Embalagem (sacos) 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 - C - Cl2
• Extração - E - NaOH• Hipocloração - H - NaClO• Dióxido de Cloro - D - ClO2
• Oxigênio - O - O2 e NaOH• Peróxido de Hidrog- P - H2O2
Sequências típicas do branqueamento
• Kraft• (CD)(EO)DED – comuns até 1995• D(EOP)DED – requeridas por legislação• OD(EOP)D – requeridas por legislação
• Mecânicas• P• PY (Y = Hidrosulfito)
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.
Formação do papel
• www.bracelpa.org.br • www.abtcp.org.br
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.
Equação de velocidade para uma reação com dois componentes
Dizemos que a reação é de :Primeira ordem com respeito ao reagente APrimeira ordem com respeito ao reagente BE 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= k0 x e(-E/RT)
Onde:k0 = constante – fator de frequênciaE = energia de ativação para a reaçãoR = constante dos gasesT = temperatura de reação
A equação k
k= k0 x e(-E/RT) • 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:
• - dL = k x [ OH-] dt Dessa forma a velocidade da polpação
pode ser aumentada tanto por aumento da concentração do NaOH 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:
• lnK = B – A T
• A velocidade global para a deslignificação, pode aproximar-se da seguinte equação:
- dL/dt = kL
• 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)
lnK = B – A T
• K é a velocidade de reação, • T é a temperatura absoluta (oK) 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 100oC 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 = 100oC = 373oK
• ln K = B – 16161,62 373 K = 1 ln1 = 0
• 0 = B - 43,33 B = 43,33
• A velocidade de reação para qualquer outra temperatura é calculada como:
• ln1 = ( 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
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 20 40 60 80
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.
T
TeH0
)/62,1616133,43(
Exemplo:
Como exemplo de cálculo do fator H, considera-se um cozimento no qual a elevação da temperatura de 800C a 1700C foi realizado em 1,8h e o tempo à temperatura de 1700C, foi de 0,65 horas.
Calculando temos: -Temperatura inicial = 80oC-Temperatura máxima = 170oC-Tempo para atingir a temperatura = 1,8 h-Tempo na temperatura máxima = 0,65 h
logo:
1700C - 800C = t 108 min = 6 leituras
t = 900 C
900C / 6 LEITURAS = 150C
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 = 240Velocidade acumulada = K/2 a 138°C + K/2 a 162°C = 27 + 240 = 267Intervalo = Tempo para 162°C - Tempo para 138°C = 0,50 – 0,25 = 0,25 horasH = (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.