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 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.
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
• 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
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.
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
- Cl2
- NaOH
- NaClO
- ClO2
- O2 e NaOH
- 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)
Exemplo: estágios do branqueamento
Esquema do processo de branqueamento
Esquema do processo de branqueamento
Esquema do processo de
branqueamento
Esquema do processo de
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
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= k0 x e(-E/RT)
Onde:
k0 = constante – fator de frequência
E = energia de ativação para a reação
R = constante dos gases
T = 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
373oK

T
T = 100oC =
• ln K = B – 16161,62
 373
K=1
ln1 = 0
• 0 = B - 43,33  B = 43,33
• A velocidade de reação para
temperatura é calculada como:
• ln1 = ( 43,33 – 16161,62
•K=e
qualquer
T)
( 43,33 – 16161,62  T )
outra
K=e
( 43,33 – 16161,62  T )
• Com esta equação pode-se construir uma
tabela de velocidade de reação relativa a
qualquer temperatura:
T
FATOR H
H  e
( 43 , 33 16161 , 62 /T )
0
1000
900
800
700
600
500
H
400
300
200
100
0
0
20
40
60
80
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 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 = 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.