nova tecnologia para refinação em baixa consistência

M.L.O. D´Almeida ; C.E.B. Foekel; S.W. Park; C.L.C. Marques; P.K. Yasumura and V. Manfredi (Editors),
Proceedings of the ABTCP 2012 + VII CIADICYP
The 45th ABTCP International Pulp and Paper Congress and VII IberoAmerican Congress on Pulp and Paper Research
October, 9-11. 2012, Sao Paulo Brazil. © 2012 ABTCP and © 2012 RIADICYP. All rights reserved.
NOVA TECNOLOGIA PARA REFINAÇÃO EM BAIXA
CONSISTÊNCIA
Luiz F Almeida 1
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Metso Paper South America. Brasil
ABSTRACT
O estágio de refinação tem um papel importante no desenvolvimento das propriedades da massa para produção de
papel. O tratamento apropriado no refinador tem um grande efeito na produtividade da máquina de papel e na
qualidade do produto final. Na medida em que as economias de escala tem empurrado à fabricação de unidades
cada vez maiores, o conceito básico de refinação tem mudado muito pouco – até agora. Um novo e revolucionário
conceito de refinação foi introduzido. Os principais benefícios são a redução de 50% na carga a vazio do motor de
acionamento; um refinador com novo conceito pode substituir dois refinadores tradicionais e ainda apresentar
economia de 20% em energia elétrica; toda massa é tratada uniformemente propiciando melhor eficiência
energética. Será apresentado um caso, um com aplicação da nova tecnologia para refinação de fibras de eucalipto
branqueada.
Keywords: refinador de baixa consistência, preparação de massa, novo refinador cônico.
1. INTRODUÇÃO
Refinação é o tratamento mecânico das fibras entre barras metálicas e na presença de água.
O estágio de refinação, no preparo de massa, tem uma função crucial no desenvolvimento das
propriedades das fibras para produção de papel, tendo grande efeito na produtividade da
máquina de papel e na qualidade final do papel.
Na refinação convencional a fibra tem que percorrer toda extensão da zona de refino e sofre
excessivos impactos o que resulta no aumento dos finos, enfraquecendo as fibras refinadas e
aplicando de forma ineficiente a energia às fibras.
Algumas fibras, chegando a 70% nos refinadores de discos em uma passagem, podem não ser
tratadas.
1.1 Tipos de refinadores
A primeira máquina construída para refinar foi a Holandesa. Holandesas são ainda utilizadas
em algumas aplicações especiais como, por exemplo, cortar fibras longas de algodão antes
dos refinadores pressurizados.
Depois da Holandesa diferentes tipos de refinadores foram desenvolvidos. Os refinadores de
baixa consistência modernos podem ser classificados em dois tipos principais – tipo cônico e
tipo discos.
O ângulo de cone para refinadores tipo Jordan é 10º, enquanto o refinador tipo Conflo tem 20º
e o refinador tipo Claflin tem ângulo de cone de 30º.
Existem três tipos básicos de configuração para refinadores de discos, o mais antigo é de disco
simples. Depois dos refinadores de disco simples vieram os refinadores de disco duplo e o
mais recente, que tem múltiplos rotores, chamado multidiscos.
Corresponding author: Luiz F Almeida. Metso Paper South America. Rua Pedro Alcântara Meira, 1301.Araucaria.
83704-530.Brasil. +55-41-99410365. e-mail [email protected].
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L.F. Almeida.
Refinadores Cônicos
Cone Longo
Ângulo Agudo
“Jordan”
Cone Curto
Ângulo Agudo
“Conflo”
Refinadores de Discos
Cone Curto
Ângulo Grande
“Claflin”
Disco
Simples
Disco
Duplo
Multidiscos
Figura 1: Tipos de refinadores
1.2 Principais diferenças entre refinadores cônicos e de discos.
Primeiro, com o refinador cônico existe apenas um gap, comparado a dois (refinadores discos
duplos) ou mais gaps (refinadores multidiscos).
Com refinadores de discos duplos os gaps nunca são iguais, isto é, o gap 1 não é igual ao gap
2. Isto acontece porque a pressão gera forcas maiores no lado esquerdo do rotor devido ao fato
de que o eixo reduz a área onde a pressão será aplicada no outro lado. Esta força maior
empurra o rotor flutuante na direção do lado do eixo até que um equilíbrio seja alcançado. Isto
pode ser facilmente reconhecido quando trocamos os discos gastos – os discos do lado do eixo
estão mais desgastados que os do outro lado.
Segundo, o ajuste dos refinadores cônicos é mais preciso do que em refinadores de disco. Isto
se deve a fato de que um movimento axial de 1,0 mm do rotor significa uma mudança de 0,3
mm no gap, enquanto que o mesmo movimento no refinador de discos duplos significa uma
mudança teórica de 0,5 mm no gap.
Um gap estável permite obter uma massa com propriedades homogêneas na saída do
refinador cônico.
Figura 2: Controle do gap
Terceiro, um tempo de retenção mais longo aumenta a probabilidade de fibras individuais
serem tratadas e também aumenta o número de fibras nas barras resultando em aumento na
possibilidade das fibras de melhor suportar os impactos de refinação sem serem cortadas.
Nova tecnologia para refinação em baixa consistência
Quando comparamos tamanhos similares de refinadores, refinador Conflo JC-01 e refinador de
discos duplos de 20”, nós temos as dimensões abaixo. O diâmetro do refinador de discos é
levemente maior do que o diâmetro do Conflo. Se assumirmos que o tempo de retenção de
uma fibra individual no refinador de discos é 1 s, podemos calcular o tempo de retenção para o
refinador Conflo baseado na relação do comprimento das zonas de refino. A velocidade do
fluxo no gap do refinador de discos é a metade devido aos dois gaps. Com a ajuda de um
calculo simples podemos concluir que o tempo de retenção é 1,4 vezes maior no Conflo do que
no refinador de discos e por isso as fibras são mais tratadas no refinador Conflo dando melhor
capacidade de ligações a elas.
Figura 3: Tempo de retenção
Quarto, a carga a vazio pode ser calculada por uma formula onde a velocidade de rotação é
elevada a potencia 2 e o diâmetro a quarta potência. A carga a vazio é medida com água, de
tal forma que os segmentos estão totalmente abertos e o gap é fechado lentamente. O valor da
carga a vazio é determinado logo antes da potencia do refinador começar a aumentar.
Abaixo exemplo de valores calculados para refinador Conflo JC-01 e refinador de discos duplos
de 20”, ambos com a mesma rotação, 1000 rpm. Para o refinador JC-01 a carga a vazio é 50
kW e a fórmula dá o valor de 74 kW para o refinador de discos, o que também é confirmado
pela literatura.
Figura 4: Carga a vazio
Quinto, as condições hidráulicas criadas entre rotor e estator no refinador tipo cônico e o
aproveitamento da força centrífuga, asseguram uma alta cobertura de fibras entre as barras.
Figura 5: Condições hidráulicas nos refinadores
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1.3 Energia de Refinação
A energia especifica de refinação (SRE) é calculada dividindo-se a potencia liquida pela vazão
mássica. Isto descreve quanta energia liquida as fibras receberam.
Figura 6: Energia específica de refinação
A intensidade de refinação (SEL) representa quanta energia é aplicada às fibras da borda do
rotor a borda do estator quando as bordas das barras se aproximam uma a outra.
Isto é calculado dividindo a potencia líquida pela velocidade de corte.
Figura 7: Determinação da SEL
Esta teoria é largamente utilizada devido a sua simplicidade. Ela não leva em consideração
quão bem as fibras receberam a energia. Nem presta atenção a fatores como energia aplicada
por passagem, consistência, largura das barras, condições dos discos, gap, tempo de retenção
das fibras no refinador, etc.
A teoria da carga especifica superficial (SSL) foi desenvolvida posteriormente pelo Sr. Jorma
Lumiainen partindo da teoria de carga especifica de borda (SEL). Esta teoria assume que a
energia de refino é transferida também quando as barras do estator e do rotor passam umas
pelas outras, não somente quando suas bordas das barras se aproximam.
Figura 8: Comprimento de impacto
Nova tecnologia para refinação em baixa consistência
Primeiro temos que explicar como o comprimento de impacto é definido. A largura media das
barras do estator e rotor são divididas por cos /2 onde é o ângulo de contato entre as barras
do rotor e estator. Na prática este é o comprimento da área de contato, formado pelas barras
do rotor e estator enquanto passam umas pelas outras.
A carga especifica superficial leva em conta a largura da barra e é a energia aplicada as fibras
a partir da superfície da barra do rotor a superfície da barra do estator. Quanto menor o gap
maior a carga de superfície. É natural que tipos de fibras diferentes tenham capacidades
diferentes de suportar a energia (carga de superfície) antes que as barras tenham contato e
comecem a colidir.
Esta teoria não leva em consideração se os flocos de fibras cobrem toda a barra ou não, nem
se as bordas das barras estão afiadas, nem a altura das barras, etc., mas complementa muito
bem a teoria de carga especifica de borda (SEL).
Figura 9: Cálculo da SSL
1.4 O refinador de nova geração
O sucesso na refinação depende da adequada aplicação de carga sobre as fibras (colchão de
fibras). O pré requisito para um colchão de fibras resistente é que um numero suficiente de
fibras seja acumulado e retido nas bordas das barras, as fibras retidas sejam movimentadas
entre as barras onde as forças de pressão de passagem das barras as esticam e então soltar
as fibras.
Figura 10: O mecanismo da refinação
O mecanismo de refinação permanece o mesmo no novo refinador.
A base para o desenvolvimento do novo conceito de refinação foram os dados recebidos da
refinação convencional. Como já mencionado estudos chegaram ao resultado de que apenas
uma pequena parte das fibras terá sido tratada quando são empurradas uma única vez através
do refinador. Novamente, em um refinador de discos apenas 30% das fibras são refinadas na
primeira passagem.
Adicionalmente foi verificado que das fibras tratadas quando passam no refinador, estas não
são tratadas de forma homogênea, algumas receberão um tratamento extremamente duro
causando danos as fibras e produção de finos, e outras serão tratadas muito suavemente.
Baseado também em simulações de fluxo constatou-se que em um refinador convencional a
massa flui principalmente pelas ranhuras da alimentação para a saída, e devido a turbulência e
fluxo contrario somente no lado do estator algumas fibras serão retidas entre as barras.
Concluiu-se que mesmo refinadores cônicos de gap simples poderiam ser muito mais
eficientes se mais fibras pudessem ser tratadas mais homogeneamente.
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L.F. Almeida.
Diferentemente dos refinadores convencionais, o novo refinador alimenta a massa de maneira
uniforme através das barras diretamente na zona de refinação onde o tratamento das fibras
acontece. Toda massa é tratada uniformemente, proporcionando um alto carregamento de
refinação e melhor eficiência energética. Este método de alimentação é chamado principio “flow
through”.
O melhor carregamento do refinador pode ser visto como maiores gaps dos segmentos, um
colchão mais espesso para um tratamento gentil, especialmente importante para celuloses de
fibra curta.
2. MÉTODO
Em Agosto de 2010 amostras de massa da Sappi Bieberist foram enviadas para o centro de
tecnologia em Anjalankoski na Finlândia. Testes em máquina piloto foram executados para
provar não apenas a viabilidade da aplicação da nova tecnologia como também para prover
parâmetros de garantias de performance para a subseqüente instalação.
Figura 11: Centro de tecnologia
Os seguintes métodos de ensaio foram utilizados:
Desagregação a 20°C
ISO 5263:1995
Conteúdo de sólidos
ISO 638:1978
Freeness CSF
ISO 5267-2:1999
Shopper Riegler
ISO 5267-1:1999
Gramatura
ISO 536:1995
Densidade
ISO 534:1994
Índice de rasgo
ISO 1974:1990
Índice de tração
ISO 1924-2:1994
TEAI
ISO 1924-2:1994
Elongamento a ruptura
ISO 1924-2:1994
Permeabilidade ao ar Bendtsen SCAN-P 60:87
2.1 Determinação das curvas de refino
Diferentes cargas foram aplicadas e as principais propriedades da massa foram medidas.
Os testes também serviram para determinar os desenhos dos seguimentos a serem utilizados
no refinador.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os ensaios confirmaram que era plenamente possível alcançar as metas de economia de
energia, e redução de consumo de fibra longa ao mesmo tempo em que atendia os requisitos
de qualidade do papel.
Nova tecnologia para refinação em baixa consistência
Figura 12: Curvas de refino
O start up aconteceu em meados de Novembro de 2010 na fabrica da Sappi em Biberist,
substituindo quatro refinadores cônicos convencionais em uma linha de preparação de massa
para fibras de eucalipto na máquina de papel fino revestido. A fábrica de Biberist produz papel
de fibra virgem revestido (CWF) para artes gráficas e para a indústria de offset, bem como
papel de fibra virgem não revestido (UWF) para impressos para escritórios, e aplicações offset.
Stefan Franke, Engenheiro de Desenvolvimento da Sappi Biberist, diz que os objetivos da
fábrica de economia de energia e melhoria da qualidade foram alcançados, “As economias de
energia são as esperadas com bom desenvolvimento da resistência e melhoria da resistência
com a mesma energia especifica de refinação (SRE).”
Quatro refinadores cônicos convencionais foram substituídos por um único refinador cônico de
novo conceito.
Figura 13: Fluxograma antes e depois da instalação do novo refinador
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L.F. Almeida.
Figura 14: Antes e depois da instalação do novo refinador
Na comparação feita pela fábrica entre o refinador cônico de novo conceito e o refinador cônico
convencional verificou-se que as propriedades físicas do papel com o novo refinador, tração e
rasgo, são claramente melhores do que com os refinadores convencionais.
Figura 15: Resultados na fábrica
Em 12 de Dezembro a meta de energia especifica foi aumentada para 75 kWh/t. O grau de
refino aumentou para 25º SR. Refinando mais o eucalipto permitiu reduzir o uso de fibra longa
e a energia para refinação de fibra longa. No total a potencia para refinação foi reduzida em
200 kW.
Tabela 1. Sumário dos principais parâmetros
Amostra
4xClaflin 101
Novo refinador
Variação
Potencia total [kW]
465
305
-34%
Vazão [l/min]
1500
1350
Consistência [%]
4,2
5,3
Produção [t/h]
3,8
4,3
13%
SRE [kWh/t] (a)
60
60
0%
oSR
20
24
20%
Porosidade Bendtsen
3300
2300
-30%
Bulk [cm3/g]
1,85
1,76
-5%
Elongamento [%]
1,66
1,11
-33%
Breaking length [km]
2,9
3,7
29%
Rasgo [mNm] (80 g/m2)
362
747
106%
(a) Carga a vazio Claflin 101= 4 x 60 kW, Carga a vazio novo refinador= 50 kW
Nova tecnologia para refinação em baixa consistência
Apenas dois meses após entrarem em operação, em Janeiro de 2011, a fábrica confirmou que
o novo refinador alcançou as garantias operacionais.
O desenvolvimento das fibras com o novo refinador foi igual ou melhor do que os testes em
laboratório realizados previamente na Finlândia. No start up a meta de refinação foi o mesmo
nível (17 a 23º SR) como com os quatro refinadores cônicos antigos em série, o que significa
cerca de 25 kWh/t de uso de energia de refinação (cerca de 150 kW potencia reduzida). Neste
momento, a redução de energia prometida de 60% pôde ser vista.
4. CONCLUSÕES
Os refinadores tipo cônico são claramente superiores aos refinadores de discos para refinação
em baixa consistência. Refinadores tipo cônico são mais eficientes do ponto de vista
energético, produzem uma massa mais homogênea e são mais fáceis de controlar. Um novo
conceito de refinador tipo cônico está agora disponível, oferecendo uma eficiência energética
ainda maior enquanto produz uma massa homogênea de igual ou melhor qualidade quando
comparada aquela obtida com refinadores cônicos convencionais. Ganhos adicionais
significativos são obtidos com a redução do número de refinadores para uma mesma produção,
além disso, o projeto o novo refinador tem dimensões menores quando comparado a um
refinador cônico convencional de mesma capacidade, permitindo significativas economias de
espaço.
REFERENCIAS
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vol. 78, num. 2, pp.147-153, (1995).
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8. Sanches, L., “OptiFiner Pro un Nuevo e innovador Refino” no Seminario Interno MPSA, Sorocaba, Brasil.
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11. Vanhala, P.J. “Energy savings in refining”, Seminario para Clientes, Bangkok, Tailândia. (2012)
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