Engenharia Industrial Madeireira polpa e papel

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Engenharia Industrial Madeireirapolpa e papel

• OBTENÇÃO DA PASTA CELULÓSICA E PAPEL
• Umberto Klock

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FIBRAS PARA PAPEL
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INDÚSTRIA DE CELULOSE E PAPEL
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ObjetivoDescrever de forma geral os
procedimentos de obtenção de pastas celulósicas,
seus usos
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O que é polpação?
6
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.
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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.

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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)

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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.

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Produtos de Pasta Mecânica

• Papel jornal,
• Papéis de impressão,
• Papéis revestidos
• Misturas em papéis.

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Obtenção de pasta mecânica
12
(No Transcript)
13
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.

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Polpação Química

• PROCESSO KRAFT
• NaOH e Na2S
• PROCESSO SODA
• NaOH
• PROCESSO SULFITO
• SO2 e bases Mg(OH)2, Ca(OH)2, NH4(OH)

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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

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• POLPAÇÃO KRAFT

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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.

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Produtos de polpa Kraft

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

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A polpação kraft

• Produtos químicos utilizados
• NaOH e Na2S
• Operação
• Químicos e cavacos de madeira são carregados em
  um digestor
• Temperaturas se elevam a 170C,
• Cozimentos são de 2 a 4 horas, dependendo da
  quantidade de lignina a ser removida.

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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.

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Equipamentos

• Digestores contínuos
• Digestores por batelada (Batch)

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Exemplos Digestor por batelada de aquecimento
direto
23
Digestor em batelada
24
Sistema em batelada
25
Exemplo Sistema Kamir de Vaso digestor simples
26
Sistema contínuo
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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.

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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.

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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.

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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.

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Fluxograma simplificado do Processo Kraft
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BRANQUEAMENTO
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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.

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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.

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

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

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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.

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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

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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)

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Exemplo estágios do branqueamento
41
Esquema do processo de branqueamento
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Esquema do processo de branqueamento
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Esquema do processo de branqueamento
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Esquema do processo de branqueamento
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Esquema do processo de branqueamento
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Torres de branqueamento
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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.

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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.

49
Papel
50
FORMAÇÃO DO PAPEL
51
Formação do papel
52
Formação do papel
53
Formação do papel

• www.bracelpa.org.br
• www.abtcp.org.br

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Polpação Kraft

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

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

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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.

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Exemplo de uma reação simples de dois componentes

• A B C

60
Equação de velocidade para uma reação com dois
componentes
61
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)
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A equação K de Arrheniusé 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

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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.

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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.

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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.

66
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.

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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.

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• 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

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• 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)

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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.

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• 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

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• 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 )

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K e ( 43,33 16161,62 ? T )

• Com esta equação pode-se construir uma tabela de
  velocidade de reação relativa a qualquer
  temperatura

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FATOR 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.
H
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ExemploComo 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.
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Calculando temos -Temperatura inicial
80oC-Temperatura máxima 170oC-Tempo para
atingir a temperatura 1,8 h-Tempo na
temperatura máxima 0,65 h logo1700C -
800C t 108 min 6 leituras?t
900 C 900C / 6 LEITURAS
150C 
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(No Transcript)
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ExercíciosNum digestor pequeno são necessários
2 000 unidades de H para se alcançaar um
cozimento satisfatório a uma temperatura de
170C. O aumento da temperatura foi o
seguinte Tempo (h) 0,00 0,25
0,50 0,625 _______________________________
__________________ Temperatura (C)
80 138 162 170
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a. Qual é o tempo no digestor na temperatura
máxima para completar o cozimento? b. Qual será
o tempo total de cozimento?
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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.
81
Para ilustrar a construção da tabela os cálculos
para a temperatura de 162C em 30 minutos (0,50
horas) são mostrados a seguir K e 43,33 -
(16 161,62/(162273)) 480 K/2 480/2
240 Velocidade acumulada K/2 a 138C K/2 a
162C 27 240 267 Intervalo Tempo para
162C - Tempo para 138C 0,50 0,25 0,25
horas H (Velocidade acumulada) x (Intervalo)
(267) (0,25) 66,75
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Tabela
A temperatura de 170C será alcançada em 0,625
horas (03730), 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 170C, K 941,80,
portanto Tempo de cozimento a 170C H/K
1833.67/941.80 1.95 horas (15700) Tempo total
de cozimento 0.625 1.95 2.58 horas
(23448)
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Grupos de TrabalhoMontar Tabela de Velocidade
RelativaIntervalos de 5 minutos de 100 a 180
graus centígrados.Condições de cozimento para
os grupos serão decididos em reunião após os
cavacos estarem prontos.
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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