FLVIO MARCELO CORREIA

ANLISE DE DISTRBIOS DE COMPACTAO DE CAVACOS DE EUCALIPTO

EM DIGESTORES CONTNUOS FASE VAPOR

Dissertao apresentada Universidade Federal de Viosa,

como parte das exigncias do Programa de Ps-Graduao do

Mestrado Profissional em Tecnologia de Celulose e Papel, para

obteno do ttulo de Magister Scientiae.

VIOSA

MINAS GERAIS BRASIL

2010

FLVIO MARCELO CORREIA

ANLISE DE DISTRBIOS DE COMPACTAO DE CAVACOS DE EUCALIPTO

EM DIGESTORES CONTNUOS FASE VAPOR

Dissertao apresentada Universidade Federal de Viosa,

como parte das exigncias do Programa de Ps-Graduao do

Mestrado Profissional em Tecnologia de Celulose e Papel, para

obteno do ttulo de Magister Scientiae.

APROVADA: 02 de Julho de 2010.

Prof. Jos Lvio Gomide Prof. Adair Jos Regazzi

(Co-orientador) (Co-orientador)

Prof. Jorge Luiz Colodette

(Orientador)

ii

A Esperana ...

No morre !

minha esposa Cludia,

Aos meus filhos Vtor e Mariana...

iii

AGRADECIMENTOS

CENIBRA, pela oportunidade.

Ao professor Jos Lvio Gomide, pelas agradveis reflexes nos ltimos 20 anos sobre

Filosofias de Cozimento.

Ao professor Adair Jos Regazzi, pela ajuda imprescindvel durante a anlise

estatstica dos dados.

Ao professor Jorge Luiz Colodette pela amizade, incentivo e pacincia nas

orientaes.

s professoras do Departamento de Engenharia Qumica da UFMG, Odete Gonalves

e Solange Vaz, pela aprendizagem e exemplo de postura.

Ao amigo e tcnico Ricardo Antunes Accio, quem primeiro me ensinou o conceito e

aplicao da palavra DETERMINAO.

Aos amigos Jos Vicente, Juan Canellas, Robson Monteiro, Rodrigo Rincn (em

memria) e Vincius Almeida pelos momentos de inspirao.

Turma PCPB pelas experincias de communio.

iv

NDICE

LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................... vi

LISTA DE TABELAS ........................................................................................................ viii

TERMOS TCNICOS UTILIZADOS: ................................................................................. ix

SIGLAS ................................................................................................................................ xi

RESUMO ............................................................................................................................ xii

ABSTRACT ....................................................................................................................... xiii

1 - INTRODUO ................................................................................................................ 1

2 - REVISO DA LITERATURA ......................................................................................... 4

2.1 - Processo Kraft ............................................................................................................ 4

2.2 - Digestor Contnuo ...................................................................................................... 6

2.2.1 - Histrico .............................................................................................................. 7

2.2.1.1 - Lavagem Hi-Heat ................................................................................................... 14

2.2.1.2 - Cozimento Contracorrente ...................................................................................... 17

2.2.2 - Tecnologia de Cozimentos Modificados ............................................................. 21

2.2.2.1 - Cozimento MCC .................................................................................................... 22

2.2.2.2 - EMCC .................................................................................................................... 23

2.2.2.3 - ITC ........................................................................................................................ 24

2.2.2.4 - KOBUDO MARI

COOKING .................................................................................... 25

2.2.2.5 - COMPACT COOKING TM

.................................................................................... 26

2.2.2.6 - LO-SOLIDS TM

COOKING ................................................................................... 26

2.2.3 - Digestor Contnuo Fase vapor ............................................................................ 28

2.3 - Fatores que afetam a Qualidade do Cozimento da Polpa Kraft: ................................. 33

2.3.1 - Temperatura ....................................................................................................... 33

2.3.2 - Reagentes Qumicos de Cozimento .................................................................... 33

2.3.3 - Qualidade da Madeira ........................................................................................ 33

2.3.4 - Tempo de Residncia ......................................................................................... 34

2.3.5 - Compactao da Coluna de Cavacos .................................................................. 36

2.3.5.1 - Coluna de Cavacos ................................................................................................. 36

2.3.5.2 - Compactao de Cavacos ....................................................................................... 38

2.4 - Fatores que afetam a Compactao de Cavacos ........................................................ 40

2.4.1 - Tamanho dos Cavacos: ...................................................................................... 40

2.4.2 - Densidade dos Cavacos ...................................................................................... 41

2.4.3 - Espessura dos Cavacos ..................................................................................... 411

2.4.4 - Vaporizao dos Cavacos ................................................................................... 43

2.4.5 - Relao Lquido/Madeira (L/W Ratio) ............................................................... 45

2.4.6 - Fator de Diluio ............................................................................................... 45

2.4.7 - Foras de Superfcie ........................................................................................... 45

2.4.7.1 - Presso do Licor ..................................................................................................... 46

2.4.7.2 - Presso dos Cavacos .............................................................................................. 46

2.4.8 - Fluxo de Licor ................................................................................................... 53

2.4.9 - Peneiras de Extrao / Circulao ...................................................................... 59

2.4.10 - Fluxo de Cavacos ............................................................................................. 60

2.4.11 - Grau de Deslignificao ................................................................................... 64

2.4.12 Temperatura de Cozimento .............................................................................. 65 2.4.13 - Diferena de nvel de licor e cavacos ................................................................ 66

v

2.5 - Controle do nvel de cavacos: ................................................................................... 67

2.6 - Distrbios de Compactao de Cavaco ..................................................................... 69

2.7 - Simulao e Modelos de Predio em Digestor Contnuo ......................................... 71

2.7.1 - Modelos do Movimento Hidrulico e Compactao da Coluna de Cavacos ........ 73

2.8 - Diagnstico de Falhas .............................................................................................. 75

2.8.1 - Diagnstico de Falhas em Polpao Qumica ..................................................... 76

3 - MATERIAIS E MTODOS ........................................................................................... 81

3.1 - Materiais .................................................................................................................. 81

3.1.1 - Cavaco de Eucalipto........................................................................................... 81

3.1.2 - Digestor 1 .......................................................................................................... 81

3.1.3 - Digestor 2 .......................................................................................................... 83

3.2 - MTODOS .............................................................................................................. 85

3.2.1 - Dados de Processo ............................................................................................. 85

3.2.2 - ndice de Distrbios de Compactao ................................................................. 85

3.2.3 - Composio do ndice de Distrbios de Compactao ........................................ 86

3.2.4 - Avaliaes estatsticas dos dados compilados ..................................................... 89

4 - RESULTADOS E DISCUSSO.............91

4.1 - Dados do Digestor 1 ................................................................................................. 91

4.2 - Dados do Digestor 2 ................................................................................................. 94

4.3 - Perdas de Produo .................................................................................................. 97

4.4 - Comparativo entre os Digestores .............................................................................. 98

4.5 - Avaliao das variveis de Processo ....................................................................... 100

4.6 - Recomendaes durante os Distrbios de Compactao de Cavacos de Eucaliptos em

Digestor Contnuo em Fase Vapor .................................................................................. 100

5 - RESUMO GERAL E CONCLUSES .......................................................................... 104

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................................................ 106

ANEXOS ........................................................................................................................... 115

vi

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Processo Kraft. ........................................................................................................ 6

Figura 2: Primeiros prottipos de digestor contnuo (DUNBAR 1928). .................................. 8

Figura 3: Digestor Contnuo Bauer Messing-Durkee fase vapor (RYDHOLM, 1967). ............ 9

Figura 4: Digestor Durkee Duplo Tubo (CLAYTON, 1969). ................................................ 10

Figura 5: Digestor Esco (CLAYTON, 1969). ....................................................................... 11

Figura 6: Cozimento Correspondente Patente Sueca de 1938 (RICHTER 1981). ............... 12

Figura 7: Planta Piloto de Cozimento para 8 t/dia (RICHTER, 1981). .................................. 12

Figura 8: Equipamentos auxiliares do digestor contnuo proposto por Richter (1949). .......... 13

Figura 9: Parte interna de um alimentador de alta presso. ................................................... 14

Figura 10: Fluxo simplificado com lavagem Hi-Heat. ........................................................ 15

Figura 11: Evoluo da altura dos digestores (LAAKSO, 2008). .......................................... 16

Figura 12: Evoluo da altura da zona de lavagem (LAAKSO, 2008). ................................. 17

Figura 13: Digestor contnuo Kamyr Tpico. ........................................................................ 18

Figura 14: Instalao tpica de um silo de cavacos com adio de vapor ou licor flash para

pr-vaporizao (Metso Automation, 2005). ................................................................. 19

Figura 15: Detalhamento dos equipamentos acessrios do digestor Kamyr. .......................... 20

Figura 16: Digestor hidrulico EMCC vaso duplo. ............................................................... 23

Figura 17: Digestor Cozimento ITC. .................................................................................... 24

Figura 18: Cozimento KOBUDO MARI

com fluxos invertidos das circulaes (CORREIA,

2001). ........................................................................................................................... 25

Figura 19: Digestor Compact Cooking TM

. ........................................................................... 26

Figura 20: Efeito do perfil de concentrao de lignina dissolvida comparativo com cozimento

EMCC ao longo do digestor (MARCOCIA, 1996). ....................................................... 27

Figura 21: Cozimento convencional e cozimentos modificados. ........................................... 28

Figura 22 A: Separador de Topo digestor Hidrulico (invertido). 22 B: Separador de Topo

digestor Fase Vapor. 22 C: Separador de Topo digestor Fase Vapor. ............................. 30

Figura 23: Modelo do tempo de residncia associado s taxas de produo em digestor

industrial (RANTANEN & KORTELA, 2006). ............................................................. 35

Figura 24: Digestor industrial aplicados ao Modelo de RANTANEN & KORTELA (2006). 35

Figura 25: Foras em ao no fluxo de movimento da coluna de cavaco (MIYANISHI, 2001).

..................................................................................................................................... 37

Figura 26: Perfil de compactao de cavaco ao longo do digestor (MICHELSEN, 1995). .... 38

Figura 27: Perfil da Presso do cavaco e seus impactos na compactao (AVEHLAMPI e

UUSITALO). ................................................................................................................ 39

Figura 28: Variao da Densidade do Cavaco e Licor ao longo do Digestor (MICHELSEN,

1995). ........................................................................................................................... 41

Figura 29: Cavaco como meio poroso (LEE, 2006). ............................................................. 43

Figura 30: Incremento da densidade pela adequada vaporizao do cavaco. ......................... 44

Figura 31A: Presso de cavaco (m coluna gua). 31B: Frao de volume de cavaco (%)

(HARKONEN, 1987). .................................................................................................... 48

Figura 32: Perfil de compactao de cavaco ao longo do digestor (BARTHYIA et al., 2003),

com variao do coeficiente da eq. 2. ......................................................................... 49

vii

Figura 33: Perfil do nmero kappa ao longo do digestor (BARTHYIA et al., 2003), com

variao do coeficiente da eq. 2. ................................................................................. 49

Figura 34: Variao da presso de Cavaco (MICHELSEN, 1995). ....................................... 50

Figura 35: Equipamentos especiais de solda. ........................................................................ 51

Figura 36: Equipamentos Especiais de solda em atividade. ................................................... 51

Figura 37: Vista da parede reparada e normal. ...................................................................... 52

Figura 38: Detalhe da parede reparada.................................................................................. 52

Figura 39: Perfil Axial da Velocidade de Cavaco (www.psl.bc.ca). ...................................... 53

Figura 40: Direo de fluxos de licor em relao ao fluxo de cavaco. ................................... 54

Figura 41: Desempenho do digestor em relao densidade de fluxo de circulao. ............ 55

Figura 42: Perfil de velocidade do licor (HE 1999). .............................................................. 58

Figura 43 A: Desenho de Peneira convencional. 43B: Desenho de Peneira convencional. 43C:

Supescreen .. .............................................................................................................. 60

Figura 44: Perfil de velocidade de Cavaco e Licor ao longo do digestor. .............................. 62

Figura 45: Perfil de velocidade axial de cavaco e licor (HE, 1999). ...................................... 63

Figura 46: Perfil da Densidade do Cavaco e Licor ao longo do digestor (MICHELSEN, 1995).

..................................................................................................................................... 64

Figura 47: Representao esquemtica da compactao de cavacos conforme evoluo das

reaes de deslignificao (JANSSON et al., 2008). ..................................................... 64

Figura 48: Perfil de Compactao e Nmero Kappa ao longo do digestor. ............................ 65

Figura 49: Perfil da presso de cavaco ao longo do digestor ( LAAKSO, 2008). .................. 66

Figura 50 A: Detalhamento Apalpador Mecnico / Vista Frontal. 50 B: Detalhamento

Apalpador Mecnico / Vista Lateral. ............................................................................. 67

Figura 51: Detalhamento dos recursos para controle de nvel de cavaco e licor..................... 68

Figura 52A: Nvel de Cavaco controlado 52B: Nvel de Cavaco alterado. 52C: Variaes do

Nvel de Cavaco de 0 a 100 %, em momentos de distrbios .......................................... 70

Figura 53: DDS: Sistema de Diagnstico do Digestor proposto por Ahvenlampi et al. (2005).

..................................................................................................................................... 78

Figura 54: Digestor 1- Cozimento Industrial ........................................................................ 82

Figura 55: Digestor 1- Equipamentos auxiliares ................................................................... 82

Figura 56: Digestor 2 - Cozimento Industrial........................................................................ 83

Figura 57: Digestor 2 - Equipamentos auxiliares .................................................................. 84

Figura 58: Digestor 2 - Detalhe das circulaes/extrao ...................................................... 84

Figura 59: Visualizao on line do ndice de Distrbios de Compactao de Cavacos .......... 97

Figura 60: Variao das perdas de produo antes e aps a utilizao do aplicativo do ndice

de distrbios de compactao. ....................................................................................... 98

viii

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Exemplos de coeficientes de compressibilidade - Eq.3 (RANTANEN e KORTELA,

2006) ............................................................................................................................ 57

Tabela 2: Exemplos de constantes k da frao de cavaco (Eq.4 - RANTANEN e KORTELA,

2006) ............................................................................................................................ 57

Tabela 3: Identificao das variveis de processo nas equaes ............................................ 90

Tabela 4: Estatstica descritiva das variveis do ndice de Distrbios de compactao (Y) ... 91

Tabela 5: Distribuio de frequncia do ndice de distrbios de compactao ...................... 92

Tabela 6: Correlao das variveis com o ndice de Distrbios de Compactao (Y) ............ 92

Tabela 7: Resumo das variveis de seleo da equao ...................................................... 933

Tabela 8: Estatstica descritiva das variveis do ndice de Distrbios de Compactao (Y)... 94

Tabela 9: Distribuio de Frequncia do ndice de Distrbios de Compactao (Y) ............ 954

Tabela 10: Correlao das variveis com o ndice de Distrbios de Compactao (Y) .......... 95

Tabela 11: Resumo das variveis de seleo da equao ...................................................... 96

Quadro 1: Limites de Referncia de Contribuio ao ndice de Distrbios de Compactao . 89

ix

TERMOS TCNICOS UTILIZADOS:

AA lcali Ativo: Soluo que possui os componentes qumicos ativos da soluo do

cozimento. Constitudo de NaOH e Na2S. Pode ser expresso em g/l de Na2O ou NaOH

AE lcali Efetivo: Soluo que possui os componentes qumicos efetivos da

soluo de cozimento Kraft. Expresso como as concentraes de NaOH + Na2S , como

resultado da reao de hidrlise do Sulfeto em soluo aquosa: Na2S + H2O NaOH +

NaSH. Pode ser expresso em g/l de Na2O ou NaOH.

lcali Total: Total dos compostos de sdio no sistema de cozimento/recuperao

qumica. Constitudo de NaOH + Na2S + Na2CO3 + Na2SO4 + Na2SO3. (No inclui NaCl).

Pode ser expresso em g/l de Na2O ou NaOH.

Downflow: Fluxo vertical na direo descendente.

Sulfidez: Razo entre as concentraes de Na2S e lcali Ativo (ou lcali total). Sua

concentrao precisa expressar em qual base se refere. Expressa em percentual, como base em

NaOH ou Na2O.

% = Na2S / (AA)

Lignina: Substncia qumica que confere rigidez parede da clula da madeira,

agindo como agente de ligao entre as clulas, gerando uma estrutura resistente ao impacto,

compresso e dobra.

Carbohidratos: So as substncias sintetizadas pelos organismos vivos, de funo

mista polilcool-aldedo ou polilcool-cetona. No contexto da indstria de celulose e papel,

so constitudas pelas celulose, e hemi-celuloses.

Celulose: Polissaricardeo formado por unidades do monossacardeo -D-glucose, que

ligam entre si atravs dos carbonos 1 e 4, dando origem a um polmero linear

Hemiceluloses: Mistura de polmeros polissacardeos de baixa massa molecular, os

quais esto intimamente associados com a celulose no tecido das plantas

Licor Branco: Licor utilizado no cozimento. Constitudo de soluo qumica de

hidrxido de sdio e sulfeto de sdio. Utilizado industrialmente nas concentraes de 100 a

120 g/l.

x

Licor Verde: Licor resultante das reaes de reduo da caldeira de recuperao

qumica. a matria prima para processamento na caustificao visando gerar o Licor

Branco. Constitudo de soluo qumica de carbonato de sdio e sulfato de sdio.

Licor Negro: Fase lquida resultante do processo de cozimento. Conforme sua

concentrao de slidos denominado LICOR NEGRO FRACO (antes de evaporado,

concentrao abaixo de 20 %), ou LICOR NEGRO FORTE (depois de evaporado

concentrao acima de 50 %). Algumas fbricas utilizam ainda a denominao LICOR

NEGRO DILUDO, referindo-se ao licor resultante da lavagem, com concentrao abaixo de

10 %. Contm uma grande variedade de produtos qumicos, incluindo os produtos como

lignina, celulose, hemicelulose e os resultantes da degradao de carbohidratos.

Madeira Softwood: Termo genrico utilizado para as madeiras conferas.

Biologicamente so aquelas a partir de rvores gimnosprmicas (plantas com sementes sem

cobertura). Exemplos destas para aplicaes na indstria de celulose e papel so os pinheiros.

Possuem densidade menor do que as hardwood, normalmente possuem dois tipos de clulas

(traquedos e clulas transversais). Seu teor de hemicelulose predominante so as

glucomananas, ao contrrio das xilanas para as madeiras hardwood.

Madeira Hardwood: Termo genrico utilizado para as madeiras de folhosas.

Biologicamente so as denominadas angiosprmicas (plantas que produzem sementes com

algum tipo de cobertura). Exemplos destas para aplicaes na indstria de celulose e papel so

os Eucaliptos. Uma das caractersticas que a diferenciam, a presena de elementos de vaso,

alm das clulas presentes na softwood.

Nmero Kappa: Termo utilizado para definir o grau de deslignificao de uma polpa.

Normalmente medido em laboratrio, e em algumas fbricas de instrumentao moderna,

com analisadores on-line na polpa de descarga, ou mesmo na parte interna do digestor (mid-

kappa). A medida realizada atravs de uma reao de oxidao com permanganato de

potssio (KMnO4), que fornece a quantidade de material oxidvel em uma amostra.

Upflow: Fluxo vertical na direo ascendente.

xi

SIGLAS

DDS - Sistema de Diagnstico do Digestor (Digester Diagnosis System)

EMCC- Cozimento Contnuo Modificado Estendido (Extend Modified Continuous

Cooking)

GPC - Controle Preditivo Generalizado (Generalized Predictive Control)

ITC - Cozimento Isotrmico (Iso Thermal Cooking )

LB - Licor Branco

LN - Licor Negro

LND - Licor Negro Diludo

MCC - Cozimento Contnuo Modificado (Modified Continuous Cooking)

PIMS - Sistema de Gerenciamento de Informaes de Processo (Process Information

Management System)

TAPPI - Associao Tcnica das Indstrias de Celulose e Papel EUA (Technical

Association of Pulp and Paper Industries)

SDCD - Sistema Digital de Controle Distribudo

UKP - Polpa Kraft No Branqueada (Unbleached Kraft Pulp)

xii

RESUMO

CORREIA, Flvio Marcelo, M.Sc., Universidade Federal de Viosa, Julho de 2010. Anlise

de distrbios de compactao de cavacos de eucalipto em digestores contnuos fase

vapor. Orientador: Jorge Luiz Colodette. Co-orientadores: Adair Regazzi e Jos Lvio

Gomide

Um dos principais problemas de operao do digestor contnuo (em particular nos

digestores em fase vapor) o adequado controle de nvel de cavaco. Esta varivel de

significativa importncia, pois vrios fatores afetam seu resultado, e a ela est associado o

tempo de reteno de cozimento e, por conseguinte, o controle das reaes de deslignificao.

Havendo problemas de desequilbrio no grau de compactao da coluna de cavacos e

instabilidades no movimento hidrulico desta no interior do digestor, perde-se por completo o

controle do tempo de reao. Assim, consequncias significativas refletem sobre a produo,

qualidade e uniformidade do produto. Trabalhos publicados de vrios autores, j mostraram as

relaes entre as diferentes variveis de processo e suas reaes de cintica qumica,

desenvolvendo diferentes modelos de reaes de cozimento. No obstante, tais modelos s

so aplicveis s condies de processo estacionrio e de continuidade do digestor. Vrias so

as possveis causas de instabilidade no controle de nvel de cavaco, e quase sempre no

possvel identificar ou atuar na causa fundamental imediatamente, considerando a

complexidade das diferentes variveis de processo (ainda que fortemente automatizadas) e a

sinergia entre elas. Este trabalho teve como objetivo agrupar em uma varivel as principais

informaes de processo relacionadas compactao de cavacos de eucaliptos em um

digestor contnuo fase vapor, avaliar a interao entre elas e os seus efeitos em distrbios

operacionais. Os resultados obtidos permitiram um melhor entendimento das ocorrncias de

reteno da coluna de cavacos, facilitando o controle operacional do equipamento durante

instabilidades, pela antecipao das aes nas alternativas manipuladas principais, e

minimizao das perdas de produo e de qualidade do produto.

xiii

ABSTRACT

CORREIA, Flvio Marcelo, M.Sc., Universidade Federal de Viosa, July, 2010. Eucalyptus

Chip compaction disturbance analysis in a vaphor phase continuous digesters.

Adviser: Jorge Luiz Colodette. Co-Adivisers: Adair Jos Regazzi and Jos Lvio Gomide.

A major operation issue at the continuous digester operation (particularly in the vapor

phase digesters) is the appropriate chip level control. This is a significant variable, concerning

the association with the cooking retention time. If there are problems in the chip compaction

bed, affecting chip level, the reaction time is out of control. Significant effects occurs on the

production, quality and uniformity product as result. Published papers of several authors, have

already demonstrated the relationships between the different process variables and their

reactions to chemical kinetics, developing different models of cooking reactions. However,

such models are applicable only to digester equilibrium conditions. There are several possible

causes of chips compaction disturbances in the continuous digesters, and often it is difficult to

identify and act on them immediately, considering the variables complexity (even if highly

automated), and synergy between them. This study aimed to cluster in one variable the

different key process information that affect Eucalyptus chip compaction disturbance in a

vapor phase continuous digester, evaluate the interaction between them and their effects in

chip bed retention disturbances. From results, expected to get a better understanding of chip

bed packing , making it possible to optimize liquor and chip flow in the digester, by doing

modifications in advance of the main manipulated alternatives, and thereby ensuring uniform

fiber quality and production efficiency.

1

1 - INTRODUO

O mercado mundial de celulose tem apresentado demanda crescente nas ltimas

dcadas. A produo tem acompanhado a demanda, com a criao de novas fbricas de porte

cada vez maior. Visando minimizar investimentos, os fabricantes tm projetado instalaes

em linha nica, construindo equipamentos de capacidade muito elevadas.

Em relao aos digestores, o incremento deste equipamento comeou aumentando a

altura, construindo equipamentos acima de 60 m, tendo como exemplo, a fbrica de Gruvon

na Sucia que construiu um digestor com 81 m em 1969.

Com os problemas apresentados pelos digestores de altura elevada, o incremento

passou a ser atravs do aumento do dimetro, chegando a atingir 10 m, como por exemplo, a

fbrica de Joutseno em 1999 (KNUTSEN reportado por LAAKSO, 2008).

Est previsto para entrar em operao em meados de 2010, um dos maiores do mundo,

que tem capacidade de projeto de 5.100 tSA/dia na China, com altura de 68 m e dimetro de

12,5 m.

O controle de nvel de cavaco e licor em um digestor contnuo uma das mais difceis

tarefas operacionais (MICHELSEN, 1995, PUOLAKKA et al, 2005, LAAKSO, 2008), e

passou a ficar ainda mais difcil com o perfil destas novas construes.

A qualidade da polpa resultante do cozimento normalmente determinada atravs da

medio do nmero Kappa.

Esta anlise realizada na descarga do digestor, sendo que as principais variveis de

processo esto localizadas no topo do digestor (nvel, temperatura e lcali).

Desta forma, considerando a varivel de controle em relao varivel manipulada,

apresenta-se com uma defasagem do tempo de reteno do digestor (normalmente superior a

quatro horas).

O controle do nmero kappa o item mais importante para o cozimento, e

determinante para as etapas subsequentes do processo (depurao e branqueamento), tendo

impactos significativos para os custos, o meio ambiente e a qualidade da celulose final. Neste

contexto, a modelagem matemtica tem sido aplicada ao processo kraft, em diferentes nveis

de complexidade para minimizar a variabilidade. A cintica de reaes qumicas, a influncia

2

do cavaco e tipo de madeira, impactos da temperatura, lcali, relao licor/madeira possuem

vastas informaes na literatura em relao aos processos de cozimento.

No entanto, o grau de compactao de cavacos, o controle de nvel de licor e cavaco,

bem como sua relao com o tempo de residncia (e consequente interferncia com o grau de

cozimento), so relativamente pouco explorados (WISNEWSKI, 1997).

Se o grau da compactao da coluna de cavacos conhecido no digestor, os distrbios

de processo so mais fceis de identificar e corrigir, adequando o processo s condies

padro de operao. Este um problema de controle tpico em digestores contnuos, com

nfase particular aos de processo fase vapor.

Modelos que explicam os fenmenos de compactao de cavacos em digestor

contnuo foram estudados por alguns pesquisadores utilizando madeiras de fibra longa, como

os apresentados por Harkoonen (1987), onde explicou as interaes entre a compactao de

cavacos e as demais variveis do digestor, descrevendo o movimento hidrulico vertical da

coluna de cavacos de um digestor fase vapor. Nesta descrio, aborda o fluxo de licor atravs

do leito de cavacos. Considera o licor como incompressvel e o leito de cavacos ao contrrio,

como um meio poroso compressvel, elstico e reversvel.

Na realidade, o tempo de permanncia ao longo do digestor, que uma

importantssima varivel, dependente da taxa de produo e o grau de compactao de

cavaco, que por sua vez no calculado por meio algum quando em condies adversas.

Ahvenlampi e Uusitalo (2006) estudaram a influncia do plugging de peneiras de

extrao e variaes no nvel de cavaco e licor com utilizao de dados industriais, visando

diagnosticar problemas quando em condies anormais de operao (isto , fora do estado

estacionrio). Avaliaram trs abordagens para o diagnstico de funcionamento normal e

anormal, considerando o fluxo de extrao, a compactao de cavaco e lgica fuzzy para o

diagnstico.

O objetivo deste trabalho foi agrupar em uma varivel, o conjunto das variveis de

processo relevantes na operao do digestor contnuo, atravs das variveis: temperatura da

polpa descarga, fluxo extrao de licor, fluxo de descarga, nvel apalpador cavaco, nvel

parcial e total do licor, diferencial de presso da extrao e descarga, corrente do raspador de

fundo, temperatura da circulao de cozimento e diferena de densidade do cavaco.Tais

variveis foram coletadas atravs do SDCD, e aplicadas a um teste de lgica, associadas a

limites empricos de variaes, resultando em um ndice de monitoramento dos distrbios de

compactao de cavacos.

3

O conhecimento da tendncia deste ndice de referncia, a interao das variveis de

processo uma com as outras, bem como a ponderao de cada varivel de processo, permitiu

antecipar decises visando minimizar os impactos das variaes do tempo de reteno na

qualidade da polpa produzida e do ritmo de produo.

4

2 - REVISO DA LITERATURA

2.1 - Processo Kraft

O processo Kraft (ou sulfato) com cozimento contnuo tem sido o processo dominante

de produo de celulose.

Suas origens se remontam ao final do sculo 19. As primeiras patentes que tratam da

deslignificao de madeira atravs de uma soluo de hidrxido de sdio e sulfeto de sdio

foram obtidas por A.K. Eaton em 1870 e 1871 atravs das patentes Improvement in the

manufacture of paper pulp - US Patent 106 143 em 09 de agosto de 1870 e da patente

Improvement in the manufacture of paper pulp- US Patent 119 224 de 26 de setembro de

1871 (SJOHOLM, 1999).

Nesta patente, o carbonato de sdio substitudo pelo sulfato de sdio (de menor

custo).

Apesar disso, usualmente creditado como o inventor do processo kraft, ao qumico

pesquisador C.F. Dahl, da cidade de Danzig, Alemanha. Ele descobriu a possibilidade da

substituio do carbonato de sdio por sulfato de sdio para reposio dos qumicos de

cozimento. Inicialmente os resultados no foram satisfatrios, e finalmente obteve a patente

deste mtodo (US Patent 296 935) em 15 de abril de 1884 (CLAYTON, 1969).

O grande efeito positivo ao novo mtodo (at ento realizado com hidrxido de sdio)

foi justificado s melhorias das propriedades de resistncia da polpa. Os primeiros processos

de utilizao industrial foram realizados com madeiras de conferas da Escandinvia, e o

primeiro papel foi produzido na Sucia na fabrica de Munkjo in Jonkopping em 1885. Este

papel apresentou propriedades de maior resistncia, passando a ser conhecido como processo

kraft, pela derivao da palavra sueca (e germnica) para o conceito de resistncia.

A primeira fbrica Kraft na Amrica do Norte foi feita na Brompton Paper Company,

East Angus em Quebec no Canad, em 1907. Logo em seguida, a primeira fbrica nos

Estados Unidos foi criada em 1911 em Pensacola, Flrida, atravs da converso do processo

soda ento existente por E.H. Mayo.

O processo Kraft (ou sulfato) passou a competir com o processo sulfito. Teve

progresso contnuo atravs do desenvolvimento das operaes unitrias nas reas de

5

evaporao e queima de licor. O avano efetivo aconteceu na dcada de 1930, atravs do

Forno de Recuperao de Tomlinson, onde a evaporao final e a queima do licor negro,

gerao de vapor e recuperao dos qumicos de cozimento foram incorporados em uma nica

unidade na caldeira de recuperao qumica. Prosseguindo este desenvolvimento no final da

dcada de 1930 e da dcada de 1940, passou-se a utilizar industrialmente o digestor contnuo,

a lavagem por difuso de polpa dentro do digestor, os processos de recuperao do carbonato

em fornos de cal, os processos de caustificao, tratamento de efluente etc.

Termos tcnicos especficos do jargo industrial foram criados para este processo,

padronizados por associaes tcnicas do setor (TAPPI Information Sheet 061-05).

Extensa literatura disponvel sobre as caractersticas do processo Kraft, dentre elas,

Kleppe (1970) descreve a cintica de deslignificao, rendimento de polpa e suas variveis

com carga alcalina, sulfidez, tamanho de cavaco, temperatura de cozimento, nmero kappa,

qualidade da madeira, reaes de carboidratos, adsoro de hemiceluloses, propriedades da

polpa, aspectos de poluio etc., para dados de polpa de madeiras softwood.

O processo Kraft associado aos gases odorosos, principalmente organo sulforosos,

que possuem odor caracterstico de alta sensibilidade humana.

De uma forma geral, uma moderna indstria de processo Kraft de celulose de mercado

possui as etapas de descascamento, picagem de cavacos, cozimento, depurao, lavagem,

branqueamento e secagem indicados na Figura 1 a seguir. O foco do trabalho direcionado

para a etapa de cozimento, conforme destaque:

6

Figura 1: Processo Kraft.

2.2 - Digestor Contnuo

Para produo de Celulose, pode-se utilizar digestores batch ou contnuo. Digestor

contnuo o equipamento em que se processam as reaes de cozimento em processo

contnuo.

Os digestores batch foram os primeiros utilizados (seja em grande ou pequena escala).

So vasos pressurizados que recebem uma batelada de licor e cavaco, processa-se o

aquecimento, e aps o tempo de reao so descarregados. Geralmente so fabricados em ao

carbono, com espessura especiais conforme o tamanho.

7

De uma forma geral os fatores que favorecem aos digestores batch esto vinculados

maior confiabilidade da produo, flexibilidade de operao, flexibilidade de mix de matria

prima (hard wood / soft wood) em produo em bateladas de cada uma delas, fcil start up e

paradas e menores custos de manuteno (PATTON, 1981).

Por outro lado, os fatores que favorecem os digestores contnuos so relevantes, como

o menor consumo de vapor, menor consumo de energia, menor demanda de espao fsico

(mais compacto), melhor tratamento dos gases gerados e principalmente o determinante fator

para empresas de grande porte, que so os menores custos de instalao (SMOOK, 1998).

O digestor contnuo um reator tubular, onde ocorre deslignificao de cavacos de

madeira com lcali em altas temperaturas e presso. Apresenta simultaneamente as fases

slida, lquida e vapor, cujo comportamento fortemente dependente dos fenmenos de

transporte de calor e massa, bem como da evoluo das reaes qumicas em seu interior.

constitudo de trs regies distintas: zona de impregnao (onde ocorre a

impregnao de cavacos com licor aquecido), zona de cozimento (onde ocorrem as reaes de

deslignificao) e zona de lavagem (onde ocorrem as fases de lavagem, resfriamento e

remoo da lignina residual). O parmetro fundamental de controle do digestor o nmero

kappa (que indica o teor residual de lignina na polpa).

Ao longo dos anos, tem ocorrido evoluo nos projetos dos digestores visando atender

a necessidade do incremento de produo. Esta evoluo levou ao crescimento do tamanho

fsico dos digestores contnuos, assim como o aumento da produo por rea do equipamento.

A sinergia negativa entre a elevao das taxas de produo e o aumento fsico dos

digestores fez aumentar tambm a quantidade de situaes de falha nos mesmos

(PUOLAKKA et al., 2005).

As perdas econmicas para a fbrica de celulose podem ser significativas se tais

situaes no forem controladas, correndo o risco real de afetar o volume de produo.

2.2.1 - Histrico

No digestor contnuo, os cavacos e licores de cozimento so alimentados em taxas

controladas em um vaso tubular vertical pressurizado. Os cavacos se movem em fluxo

descendente, sendo descarregados ao fundo em forma de polpa.

A introduo do digestor contnuo veio consolidar o processo Kraft, viabilizando sua

larga utilizao industrial.

8

Os principais obstculos iniciais para a operacionalidade do equipamento, eram como

alimentar cavacos continuamente em um vaso de presso, e como fazer para descarregar a

polpa em alta temperatura deste vaso presso atmosfrica.

As plantas de descascamento, picagem, depurao e tambm as mquinas de papel j

eram contnuas desde o sculo 19. Os conceitos das plantas de branqueamento contnuo

vieram a fortalecer e incentivar ao desenvolvimento dos conceitos de digestor contnuo.

Os primeiros desenvolvimentos deste cozimento foram realizados no final da dcada

de 1920, atravs da patente de Dunbar nos Estados Unidos em 1928, conforme Figura 2:

Figura 2: Primeiros prottipos de digestor contnuo (DUNBAR 1928).

Outro conceito de projeto das tecnologias iniciais foi o conceito do digestor Messing-

Durkee reportado por Rydholm (1965), conforme Figura 3. Nesta unidade, um reator

constitudo de um tubo inclinado de aproximadamente 1,5 m de dimetro e 15 m de

comprimento, possuindo em seu interior uma corrente para fazer o transporte de cavacos, seja

em fase lquida ou em fase vapor, com tempo de reteno de aproximadamente 1 hora. Pelas

caractersticas do equipamento, permitia um pequeno volume de produo.

9

Figura 3: Digestor Contnuo Bauer Messing-Durkee fase vapor (RYDHOLM, 1967).

Pode se observar na figura a presena de equipamento tipo vlvula-rotativa para

separar diferentes zonas de presso.

Estes digestores podem tambm ser conectados em srie, sendo um para impregnao

e outro para cozimento, conforme Figura 4:

10

Figura 4: Digestor Durkee Duplo Tubo (CLAYTON, 1969).

Pode se observar neste equipamento, conceitos importantes que permanecem nos

equipamentos atuais, como a rosca medidora de cavacos, o vaso de vaporizao, o controle de

nvel de licor e um tanque de descarga.

Outros digestores foram desenvolvidos tambm pelas empresas Pandia (Chemipulper),

Defibrator (Asplund), estes particularmente aplicados a sistemas semi-qumicos, bem como

Escher-Wyss, Impco (alimentado pelo fundo) e o digestor Esco conforme Figura 5:

11

Figura 5: Digestor Esco (CLAYTON, 1969).

Apesar das diferentes tentativas das demais empresas, grande desenvolvimento do

processo contnuo de cozimento kraft foi conduzida pela empresa, Kamyr.

O nome Kamyr provm de duas Empresas AB Karlstads Mekaniska Werkstad da

Sucia e Myrens Verkstad da Noruega. Estas duas empresas se fundiram em 1920, e

desenvolveram vrios projetos na rea de produo de celulose, resultando na patente

registrada na Sucia 106 660 de 07 de abril de 1938. Esta patente tinha como conceito um par

de vasos superpostos, com lavagem intermediria na zona de cozimento, fluxo cocorrente de

licor, descarregado na mesma temperatura de cozimento, conforme Figura 6:

12

Figura 6: Cozimento Correspondente Patente Sueca de 1938 (RICHTER 1981).

Em seu trabalho de 1981, Richter relata os fatos que fizeram a criao do projeto do

digestor Kamyr. O autor relata historicamente os desafios e sucessos, em que foram

apresentados os primeiros conceitos sobre cozimento contnuo em Buffalo, Estados Unidos

em um encontro da TAPPI em 1948. Reporta a evoluo dos projetos de pesquisa , com

alguns equipamentos de alimentao e descarga que deram origem aos hoje existentes,

conforme Figura 7:

Figura 7: Planta Piloto de Cozimento para 8 t/dia (RICHTER, 1981).

13

Foram dcadas para se resolver os problemas mecnicos e outros envolvidos na

construo de um digestor de porte. O primeiro digestor comercial comeou com uma

produo de 30 t/ dia em Fengersfors na Sucia em 1950. Sua operao encerrou 20 anos

depois, pois era muito pequeno para ser econmico. Cavacos e licor de cozimento eram

alimentados no topo do digestor, com uma circulao de aquecimento separado para aquecer

o licor. O volume total do digestor era de cerca de 100-200 m3.

O problema chave para a operao do digestor contnuo era a dificuldade em alimentar

o digestor em alta presso. A Kamyr resolveu este problema construindo um alimentador a

alta presso, tendo registro atravs da patente de Johan Richter de 06 de outubro de 1970 nos

Estados Unidos. Nesta patente, Richter dispe um fluxograma bsico de um digestor

conforme Figura 8.

Figura 8: Equipamentos auxiliares do digestor contnuo proposto por Richter (1949).

14

O alimentador de alta presso evoluiu tecnologicamente, tendo seu desenho como um

cilindro esfrico adequadamente perfurado para passagem de licor e cavaco, conforme

indicado na Figura 9:

Figura 9: Parte interna de um alimentador de alta presso.

Em seus relatos, Richter registra que inicialmente os digestores no estavam

apresentando boas propriedades da polpa por baixa resistncia da fibra. Ele chegou a assumir

em um encontro tcnico em Estocolmo em 1956, que o digestor contnuo teria qualidades da

polpa inferiores ao digestor batch.

Uma das razes para isso era a forte variao de temperatura ao descarregar a polpa

para presso atmosfrica.

Aps novos desenvolvimentos, verificou-se que se resfriando a polpa abaixo de 100

C antes de sua expanso, obtinha-se melhoras significativas na qualidade.

O resfriamento poderia ser feito com a adio de um filtrado em menor temperatura no

fundo do digestor.

2.2.1.1 - Lavagem Hi-Heat

Em 1960 na Austrlia, um digestor com cozimento soda (instalado em 1956), foi

equipado com lavagem contracorrente com sistema de filtrado em menor temperatura

(RICHTER, 1981). O fluxo contracorrente era esperado para ajudar ao fluxo descente da

coluna de cavaco, diminuindo o atrito do cavaco com a parede, minimizando a possibilidade

de variao do nvel da coluna de cavaco conforme Figura 10:

15

Figura 10: Fluxo simplificado com lavagem Hi-Heat.

(setas contnuas fluxo de cavaco; setas tracejadas fluxo de licor).

Este sistema foi denominado de Lavagem Hi-Heat (marca registrada da Kamyr Inc.),

considerando seu significado em ingls de lavagem a quente.

Para as fbricas que buscavam investir em capacidade extra, as opes nos anos 60

eram comprar digestores adicionais batch, ou implantar um contnuo. Os digestores adicionais

exigiam mais espao, e o sistema de lavagem existente normalmente no eram suficientes

para se ajustar ao aumento da produo.

Neste caso, a fbrica tinha que investir tambm em acrscimo de capacidade. Desta

forma, um digestor contnuo j equipado com a etapa de lavagem tornou-se uma adequada

opo para incremento de produo com investimentos menores.

Outra item que contribuiu para aumentar o nmero de digestores contnuos, foi a

mudana de processo pelas fbricas de sulfito convertendo a sulfato.

Alm destes fatores, a simplicidade, a reduo nos consumos de lcali e vapor, bem

como a facilidade da manuteno do cozimento contnuo contribuiu significativamente em

tornar este processo dominante comercialmente.

16

Apesar do inconveniente de aumentar o tamanho do digestor para acomodar um

estgio extra de lavagem, a possibilidade de descarregar a polpa em menor temperatura

promoveu sinergias em seus efeitos para melhorar a lavagem, melhorar as propriedades da

polpa e facilitar a operao do digestor. A utilizao da lavagem Hi-Heat veio se tornar um

padro em sistemas de cozimento contnuo Kamyr a partir de 1962, com as zonas de

impregnao, aquecimento, cozimento e lavagem.

Ao aumentar o tamanho do digestor para o novo estgio de lavagem, houve tambm a

demanda de aumento da capacidade de produo, tendo como resultado aumento significativo

na altura dos digestores. At ento os digestores tinham entre 20 a 30 metros de altura, e os

digestores instalados no princpio dos anos 70 tinham 70 a 80 medidores de altura. Por

exemplo, o digestor da fbrica de Gruvn (Figura 11) medindo mais de 80 m de altura.

Figura 11: Evoluo da altura dos digestores (LAAKSO, 2008).

Este incremento na altura da coluna de cavacos fez aumentar tambm os distrbios de

compactao de cavacos no digestor.

17

Consequentemente, os fabricantes de digestor comearam a procurar alternativas para

reduzir os problemas de compactao de cavaco e aumentar a produo, sem comprometer os

resultados de lavagem. As opes eram aumentar o dimetro do digestor ou construir um vaso

de impregnao em separado.

A utilizao de vaso de impregnao em separado para o cozimento contnuo foi

desenvolvida nos anos 60, permitindo reduzir a altura do digestor, e em consequncia

diminuir a compactao de cavacos.

Conforme reportado por Laakso (2008), uma nova tendncia no final dos anos 1980

foi o aumento temperatura da zona Hi-Heat, ficando prxima temperatura de cozimento.

Esta por sua vez, foi reduzida gradativamente. Desta forma, a altura da seo Hi-Heat foi

reduzida para aproximadamente 10 metros conforme Figura 12.

Figura 12: Evoluo da altura da zona de lavagem (LAAKSO, 2008).

2.2.1.2 - Cozimento Contracorrente

Uma extenso lgica da lavagem contracorrente, o cozimento contracorrente. Neste

cozimento, o licor branco aquecido introduzido diretamente acima da zona de lavagem do

digestor, direcionando em fluxo contrrio ao fluxo de cavacos conforme indicado na Figura

13. Este sistema foi inicialmente aplicado na Austrlia, com cozimento de eucalyptus com

soda, aumentando a alvura e reduzindo o consumo de lcali (CLAYTON, 1969).

18

Figura 13: Digestor contnuo Kamyr Tpico.

Neste sistema de cozimento Kamyr tpico, os cavacos so alimentados atravs de

correias transportadoras para um silo de cavacos (que podem ser de diversos tipos).

Aps o silo, os cavacos so direcionados ao dosador de cavacos (equipamento em que

ocorre a medida do volume de cavaco alimentado ao digestor). atravs desta informao

que se faz todos os controles do digestor para avaliao da madeira alimentada (detalhamento

na Figura 14).

Nesta fase, ocorre a etapa de remoo do ar do interior dos cavacos para prepar-los

para receber o licor de cozimento. atravs desta importante operao, que se consegue fazer

o cavaco mover-se em fluxo descendente no interior do digestor.

19

Figura 14: Instalao tpica de um silo de cavacos com adio de vapor ou licor flash para

pr-vaporizao (Metso Automation, 2005).

Em seguida, os cavacos so direcionados para um alimentador de baixa presso,

passando da presso atmosfrica para uma zona de baixa presso. Posteriormente

alimentado a um vaso de impregnao, em que os cavacos so impregnados com vapor para

remoo do ar (instalaes modernas dispensam este equipamento, quando a pr-vaporizao

for realizada no prprio silo ou em vaso a parte).

Os cavacos pr-vaporizados, seguem para o alimentador de alta presso, em que

encaminhado ao interior do digestor (presso aproximada de 7 kg/cm2). No interior do

digestor, segue em fluxo descendente procedendo s reaes de deslignificao.

Detalhamento destes equipamentos auxiliares apresentado na Figura 15.

20

Figura 15: Detalhamento dos equipamentos acessrios do digestor Kamyr.

A Kamyr, teve dominncia nos processos de patentes relativas alimentao e

descarga de digestor contnuo de cavacos., tendo se expandido com instalaes industriais em

vrios pases do mundo.

Dentre as principais modificaes tecnolgicas deste fornecedor, destacam-se a

converso de descarga a quente para descarga a frio (1958), o desenvolvimento do digestor

em fase vapor, desenvolvimento do separador de topo inclinado (1967), a incluso de um

estgio de lavagem por difuso (1962), a incluso de um silo com pr-vaporizao de cavacos

(1974), e finalmente o desenvolvimento de cozimento em dois vasos separados - de

impregnao e digestor (1972).

A Kamyr se estabeleceu na Amrica do Norte em 1953 como uma filial denominada

Kamyr Incorporation. A empresa era especializada na produo de digestores contnuos para

21

o mercado norte-americano. J a Kamyr AB continuou a sua produo de digestores na

Sucia, Noruega e Finlndia.

A Kamyr AB se especializou em construo de digestores em fase vapor e a Kamyr

Inc. na produo de digestores hidrulicos. Em 1989, um dos trs scios fundadores vendeu

suas aes, resultando na ciso das empresas Kamyr AB com base em Karlstad, na Sucia e

Kamyr Inc. sendo propriedade da Ahlstrom nos Estados Unidos. Aps a separao, Kamyr

AB foi rebatizada com o nome de Kvaerner Pulping, e a Kamyr Inc. comeou a usar o nome

Ahlstrm Machinery.

As fuses entre fornecedores de mquinas de celulose e papel continuaram. Logo

depois da separao Kamyr, a Ahlstrm foi adquirida pela Andritz (2001) e Kvaerner Pulping

tornou-se parte da Metso (2006).

Os novos equipamentos e melhorias do sistema de lavagem marrom, os processos

tecnolgicos buscando cozimento com menor nmero kappa, bem como desenvolvimento de

novas peneiras para circulao e extrao do digestor, minimizaram a razo da lavagem Hi-

Heat. Ela foi praticamente transformada em uma seo de cozimento, denominado pelos

fornecedores de cozimento downflow, ou cozimento cocorrente.

Neste caso, o fluxo de licor da seo final, passa tambm a ter direo descendente,

isto , no mesmo sentido do fluxo de cavacos. Esta varivel significativa para estabilizar o

movimento da coluna de cavacos.

2.2.2 - Tecnologia de Cozimentos Modificados

O cozimento contnuo convencional considerado aquele em que toda a carga de

lcali necessria ao cozimento adicionada junto ao sistema de alimentao de cavacos em

um nico ponto. Desta forma, a impregnao e cozimento ocorrem simultaneamente em uma

nica zona, em fluxo cocorrente de licor e cavaco. Neste caso, para que se processe a mxima

remoo de lignina, ocorria tambm uma elevada degradao dos carbohidratos, reduzindo o

rendimento da polpa e tambm suas propriedades de resistncia. Esta foi a principal razo

para o desenvolvimento de Cozimentos Modificados no final dos anos 1970, com

aplicaes no incio da dcada de 1980.

Um dos aspectos relevantes do cozimento kraft, a demanda em remover a lignina,

sem atacar os carbohidratos da madeira. Nos esforos de fazer o cozimento em nmero kappa

mais baixo (minimizando carga ao efluente e consumo de qumicos do branqueamento) e ao

22

mesmo tempo no ter perdas de qualidade da polpa produzida, que surgiram os diversos

tipos de cozimento modificados abaixo descritos.

De uma forma geral so estas suas principais caractersticas:

O perfil do lcali no digestor deve ser tal para que se evite elevadas concentraes no

incio do cozimento, e no ser baixa na fase final.

A concentrao de lignina dissolvida e de ons sdio no licor de cozimento deve ser a

mais baixa possvel, especialmente na fase final do cozimento. A lignina dissolvida no licor

acompanhando a polpa pode diminuir a viscosidade da polpa e suas propriedades de

resistncia, aumentar o consumo de lcali e diminuir a branqueabilidade da polpa.

De uma forma geral, a temperatura deve ser a mais baixa possvel, especialmente no

incio e fase final do cozimento.

Para atingir os objetivos acima, as alternativas tcnicas utilizadas foram o

parcelamento das adies de licor branco, e utilizao de mtodos de cozimento em

contracorrente para minimizar a concentrao de lignina no final do cozimento. Em

comparao ao cozimento kraft convencional, os cozimentos modificados comeam com uma

concentrao reduzida de lcali e termina a uma concentrao mais alta, visando diminuir a

concentrao de lignina dissolvida na fase final do cozimento.

Dentre outras modernizaes tecnolgicas, vale ressaltar os processos de incremento

na qualidade da polpa atravs do desenvolvimento de novos equipamentos e novos processos

de cozimento, os quais so destacados a seguir.

2.2.2.1 - Cozimento MCC

Modified Continuous Cooking (Andritz -Ahlstrom, Kvaerner):

Foi desenvolvido pelo Swedish Forest Products Research Institute STFI, e Royal

Institute of Technology da Sucia e utilizado pela primeira vez em 1983 em uma fbrica da

Finlndia.

A zona de cozimento dividida em duas zonas: a zona cocorrente (aproximadamente

90 minutos com 80 % da carga alcalina aplicada) e zona contracorrente (aproximadamente

com 60 min. e o restante da carga de lcali).

Esta segunda adio de licor branco durante o cozimento faz uma reposio do lcali

consumido, e assim reduz a chance de re-precipitao de lignina nas fibras, propiciada pela

23

reduo do pH. Alm disso, o processo permite cozimento com maior seletividade comparado

ao cozimento convencional.

2.2.2.2 - EMCC

Extended Modified Continuous Cooking (Andritz -Ahlstrom, Kvaerner):

uma extenso do cozimento MCC, utilizando a zona de lavagem para aumentar a

deslignificao. Faz uma diviso maior em diversos pontos do lcali adicionado. A carga

alcalina distribuda percentualmente junto ao cavaco, topo, segunda (MCC) e terceira

circulao (EMCC). Com esta distribuio, inicia-se o cozimento com uma carga alcalina

menor, dificultando as reaes de degradao dos carbohidratos. Ao mesmo tempo, termina-

se o cozimento com uma alcalinidade maior, diminuindo a concentrao de lignina na fase

final para a etapa de lavagem e branqueamento. Conforme Figura 16, o cozimento dividido

em quatro zonas de cozimento.

Figura 16: Digestor hidrulico EMCC vaso duplo.

24

2.2.2.3 - ITC

Iso Thermal Cooking (KVAERNER)

O cozimento ITC, expande o EMCC com uma circulao adicional (circulao ITC).

Esta circulao opera em um volume elevado de fluxo, e exige um tipo especial de peneiras

para permitir adequadas taxas de circulao, permitindo cozinhar ainda mais em

contracorrente. Em comparao com EMCC, a concentrao de soda inicial menor, tendo

em vista mais um ponto de adio de licor branco. A temperatura no digestor menor e quase

uniforme em todo o digestor. Aumenta-se a temperatura da zona de lavagem, buscando

aproximar das duas primeiras zonas. Com isso permite uma menor temperatura global,

buscando melhorar a qualidade da polpa, reduzir o consumo de vapor, menor teor de rejeitos e

melhoria do rendimento. A temperatura mais alta alcanada pela adio de um segundo

trocador de calor de licor conforme Figura 17.

Figura 17: Digestor Cozimento ITC.

25

2.2.2.4 - KOBUDO MARI

COOKING

Processo de tecnologia da Kvaerner, cuja caracterstica principal a adio direta de

licor branco ao topo do digestor, e inverso da circulao dos filtrados (o licor retirado na

primeira peneira devolvido aps a segunda, e o licor retirado na segunda peneira,

devolvido aps a primeira (Figura 18). Esta inverso tem o objetivo de propiciar a

reprecipitao das xilanas dissolvidas no licor, tendo como resultado um incremento do

rendimento (CORREIA, 2001). Alguns trabalhos de cozimento em laboratrio com polpa de

eucalipto (ROBLES, 2005), indicam um rendimento depurado e um consumo de lcali

equivalente ao cozimento LO-SOLIDS TM

para o mesmo nmero kappa.

Figura 18: Cozimento KOBUDO MARI

com fluxos invertidos das circulaes (CORREIA,

2001).

26

2.2.2.5 - COMPACT COOKING TM

Processo desenvolvido por Kvaerner Pulping AB. Caracteriza-se pelas altas taxas de

relao lquido/madeira durante as fases iniciais da etapa de cozimento, com um nvel muito

alto de licor negro presente no licor de cozimento. Opera em cozimentos em temperaturas

menores do que seus concorrentes, buscando maximizar o rendimento e propriedades da

polpa. Os equipamentos principais, so mostrados na Figura 19.

Figura 19: Digestor Compact Cooking TM

.

2.2.2.6 - LO-SOLIDS TM

COOKING

Desenvolvido pela ANDRITZ-AHLSTROM.

Considerando que o MCC e EMCC tenta reduzir a presena de slidos dissolvidos da

madeira durante o cozimento final, o cozimento LO-SOLIDS TM

busca reduzir os slidos

dissolvidos no incio e durante o cozimento. Ele deriva seu nome dos mltiplos fluxos de

extrao, reduzindo as concentraes de lignina dissolvida e ons de sdio, melhorando assim

a seletividade, para este fim, licor branco e licor do filtrado marrom so adicionados em

substituio ao licor extrado.

Principal vantagem divulgada pelo fabricante, refere-se a maior viscosidade da polpa e

menor consumo de lcali (MARCOCCIA, 1996), obtido pela remoo dos slidos dissolvidos

em toda a extenso do cozimento, conforme Figura 20:

27

Figura 20: Efeito do perfil de concentrao de lignina dissolvida comparativo com cozimento

EMCC ao longo do digestor (MARCOCIA, 1996).

Por outro lado, alguns crticos deste mtodo (LINDSTROM e SNEKKENES, 2008),

reportam que este sistema sofre a desvantagem de que pode causar um menor rendimento,

causada pelo fato de que com a retirada de material orgnico como a lignina, tambm ocorre a

retirada de material que contm carboidratos principalmente a hemicelulose.

Sumariando, os mtodos de cozimentos MCC, EMCC e ITC so baseados nos

princpios de que o perfil de lcali deve ser o mais uniforme em todo o cozimento. Alm

disso, a concentrao de sulfeto de hidrognio deve ser elevada na fase inicial e tambm no

incio da fase principal do processo de deslignificao. A temperatura deve ser mantida to

baixa quanto possvel, especialmente no incio do cozimento.

Por outro lado, os cozimentos Compact CookingTM

e KOBUDOMARI

COOKING

buscam a melhoria da seletividade deslignificao, mantendo as concentraes dos ons de

hidrxido e sulfeto de hidrognio em ambas as fases inicial e de cozimento o mais alto

possvel. Consequentemente, as reaes da fase final se procedem mais lentamente e,

portanto, esperado um maior rendimento de polpa.

A Figura 21 faz uma comparao dos diferentes tipos de digestores, com os

respectivos pontos de adio de licor branco, bem como os fluxos de licor e cavaco:

28

Figura 21: Cozimento convencional e cozimentos modificados.

Em relao ao nmero de vasos, atualmente existem quatro tipos de cozimento

contnuo: vaso simples hidrulico, vaso simples fase vapor, vaso duplo hidrulico e vaso

duplo fase vapor.

2.2.3 - Digestor Contnuo Fase vapor

Os digestores contnuos so classificados como hidrulicos ou em fase vapor. O

primeiro um vaso pressurizado, totalmente preenchido com licor e cavacos. J o digestor em

fase vapor, possui uma regio no topo em que coexistem as fases gasosa (pelo vapor

adicionado direto ao topo), lquida (pelo licor branco de cozimento) e fase slida (pelo

cavaco). Esta regio , portanto, uma zona compressvel, e a presso dentro do digestor em

fase vapor determinada pela presso do vapor adicionado.

Os primeiros desenvolvimentos com fase vapor foram realizados em digestores em

batelada. Deste modo, os benefcios em termos de tempo do processo no foram grandes (os

perodos de enchimento, aquecimento e descarga do digestor levava muito tempo, reduzindo

os ganhos de uma fase rpida de reao). Houve, no entanto, significativa economia no

consumo de vapor nos primeiros testes.

A investigao sobre os diferentes aspectos de polpao teve boa parte dos trabalhos

realizados em institutos de pesquisas do Canad. Os trabalhos iniciaram no final dos anos

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1950 e incio dos anos 1960, culminando em uma srie de patentes, dentre elas a de Bryce, de

19/07/1963.

No incio das aplicaes industriais, houve problemas de elevada quantidade de

rejeitos e dificuldades de operao a alta sulfidez. Embora com bons resultados em planta-

piloto, houve um longo perodo para adequao aos ritmos de grandes escalas, sendo as

principais razes voltadas para o desgaste de peas mecnicas, problemas de obstruo das

peneiras na zona de impregnao causados pela maior concentrao de slidos dissolvidos na

fase de impregnao (ENQVIST, 2006). Estas dificuldades levaram reduo das

expectativas dos benefcios esperados pelo novo processo no sistema fase vapor.

Na dcada de 1970, o processo fase vapor teve novos incrementos, principalmente os

concebidos para aprimoramento dos equipamentos auxiliares (RICHTER, 1970). Duas

dcadas depois, surgem os trabalhos buscando elevao do rendimento, como exemplo o de

Bofeng (1995), que destaca os efeitos da impregnao de fase vapor de polpao kraft de fibra

longa, buscando o maior rendimento (melhor reteno de hemiceluloses), menor taxa de

rejeitos, e menor consumo de lcali.

Em geral, o interesse para cozimento fase vapor foi crescendo gradativamente,

acompanhando o incremento da produo dos grandes digestores comerciais, pela facilidade

de aquecimento e obteno da temperatura.

O nvel de cavaco superior fase lquida, deve ser o mais estvel possvel, para no

causar diferenas na compactao do leito de cavacos, e em consequncia variabilidade na

polpa produzida.

No incio da dcada de 1990, novas pesquisas neste processo foram implementadas,

buscando maximizar o rendimento do processo. Alternativas como divises da carga de lcali

durante um estgio inicial da fase de vapor e uma adio posterior em uma das circulaes,

visando aumentar a viscosidade da polpa, foram idealizadas.

J no final desta dcada, trabalhos patenteados por Laakso e Stromberg (1999),

mostraram que realizando o cozimento em menor temperatura de topo (120 a 130 C), obtm-

se uma menor degradao dos carbohidratos, resultando em melhor rendimento. Neste

contexto, dados industriais reportados por CORREIA et al. (2000) mostraram ganhos da

ordem de 1,7 % no rendimento, ao se reduzir a temperatura de topo de 145 para 125 C.

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Quanto ao sistema de alimentao, ambos os digestores possuem equipamentos

similares quanto vaporizao/desaerao, aquecimento e alimentao ao sistema de alta

presso.

No caso do digestor hidrulico, a suspenso de cavacos e licor introduzido no

digestor em um transportador helicoidal dirigido para baixo ou inclinado, conhecido como

separador de topo" (Figura 22 A). Na fase vapor, a suspenso de cavacos e licor

transportada pelo separador de topo, dirigido para cima, caindo como overflow no interior

do digestor conforme Figura 22B/22C:

Figura 22 A: Separador de Topo digestor Hidrulico (invertido). 22 B: Separador de Topo

digestor Fase Vapor. 22 C: Separador de Topo digestor Fase Vapor.

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O nvel do cavaco deve ser controlado para ficar em contato com a fase gasosa

(portanto acima do nvel de licor).

As reaes qumicas de deslignificao requerem temperaturas superiores a 140C.

Uma vez que a soluo de licor branco entraria em ebulio presso atmosfrica nestas

temperaturas, faz-se necessrio pressurizar o reator (pelo menos a 5 atm).

Uma das diferenas entre os dois tipos de digestores a maneira como a polpa de

cozimento aquecida at a temperatura de cozimento. No digestor hidrulico, os cavacos e o

licor de cozimento so normalmente aquecidos por meio de circulaes. O licor removido

do digestor, passando por peneiras, bombeado e aquecido com vapor atravs de um trocador

de calor indireto, e ento re-introduzidos ao digestor atravs do tubo central. No digestor fase

de vapor, alm das circulaes, os cavacos so aquecido diretamente com vapor vivo na parte

superior do digestor. Por esta razo, normalmente um digestor hidrulico tem um nmero

maior de peneiras de circulao para permitir um maior fluxo de licor pelos trocadores de

calor.

Alm da diferena no aquecimento, naturalmente h diferena nos mtodos utilizados

para monitorar e controlar o nvel de licor e cavaco no digestor.

Como o digestor hidrulico completamente preenchido com licor, apenas o nvel de

cavaco precisa ser controlado.

O nvel de cavaco em um digestor hidrulico normalmente controlado por meio de

apalpador mecnico, e seus desvios so detectados por sensores. Normalmente, dois ou mais

desses dispositivos eletro-mecnicos esto localizados na superfcie interna do digestor

hidrulico. A presena ou ausncia de cavacos ao nvel do apalpador determinada pelo grau

de defleco deste.

O operador pode variar o nvel de cavaco, variando a alimentao de cavaco ou a sada

de polpa do digestor.

J no digestor em fase vapor, dois nveis devem ser controlados: o nvel de cavacos

(semelhante ao digestor hidrulico) e o nvel do licor.

Comparativamente, existem vantagens e desvantagens entre o cozimento em digestor

hidrulico e o em fase vapor.

Dentre as desvantagens para o cozimento em fase vapor, a principal se refere

exposio direta de cavaco ao vapor. Este aumento repentino de temperatura pode causar no

uniformidade na deslignificao do cavaco, causado pela desuniformidade da impregnao.

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Se os cavacos no forem uniformemente impregnados com produtos qumicos de cozimento,

o aumento da temperatura pode causar reao no uniforme, tendo como consequncia em

aumento da variabilidade do nmero kappa, e propriedades de resistncia da polpa.

O aquecimento mais uniforme previsto pelo digestor hidrulico menos propenso a

causar um tratamento no uniforme do cavaco, visto que estar submerso em licor. A outra

significativa caracterstica do digestor em fase de vapor a sua sensibilidade s variaes

relativas dos nveis de cavaco e licor. Uma variao do nvel de cavaco exposto temperatura

de topo tem uma reduo equivalente quantidade de calor recebido pelo cavaco e, em

consequncia, reduo da temperatura necessria para as reaes. Portanto, num digestor em

fase vapor, o nvel de cavaco deve ser sempre mantido suficientemente acima do nvel do

licor para garantir aquecimento adequado. No havendo este tempo adequado, corre-se o risco

de incremento de rejeitos do digestor, com expressivos problemas na rea de depurao

marrom.

Por este motivo, o operador do digestor em fase vapor deve continuamente monitorar e

controlar o nvel de licor e nvel de cavaco. Este problema no ocorre no hidrulico, cujo

aquecimento procedido atravs das circulaes. Outro item relevante no cozimento em fase

vapor, que o nvel de cavaco ficando acima do nvel do licor, ocorre uma distribuio de

presso no-uniforme na coluna de cavaco, e em consequncia um movimento no-uniforme

vertical de cavaco no interior do digestor.

Enquanto imerso em lquidos, o peso do cavaco tem uma fora contrria pela fora de

empuxo do lquido. No entanto, os cavacos no submersos, exercem uma presso sobre o leito

de cavacos, alterando a distribuio de cavacos no digestor. Uma vez que os cavacos so

normalmente introduzidos na parte central do digestor, tem-se uma curva cnica imaginria

como resultado da carga de cavaco do centro at as paredes do digestor. Esta carga adicional

no centro, em conjunto com o atrito da parede do vaso, promove um movimento em fluxo

preferencial do cavaco pelo centro do digestor, conhecido como "channeling flow".

O movimento no-uniforme de cavaco, o expe a um tratamento no uniforme,

manifestando variaes nas caractersticas da polpa produzida. Novamente, no hidrulico este

problema praticamente inexiste.

No entanto, justamente esta capacidade de variar o nvel de cavaco acima do nvel do

licor, pode ser til ao operador quando ele precisa promover intencionalmente um aumento na

velocidade do fluxo descendente da coluna de cavaco.

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2.3 - Fatores que afetam a Qualidade do Cozimento da Polpa Kraft:

A qualidade da polpa do cozimento est essencialmente definida pelas seguintes

variveis:

2.3.1 - Temperatura

o item necessrio para se atingir a energia de ativao da reao de deslignificao.

Esta temperatura tem como referncia a zona de cozimento.

Temperaturas de topo e da zona de lavagem so importantes no contexto de

preservao dos carboidratos e rendimentos.

2.3.2 - Reagentes Qumicos de Cozimento

A quantidade de lcali efetivo adicionado (expresso pela carga alcalina), o teor de

sulfidez do licor branco, a concentrao do lcali efetivo no licor de alimentao (e suas

interferncias na relao lquido/madeira) bem como a distribuio e pontos de alimentao

ao digestor contribuem para a adequada condio das reaes qumicas de cozimento

(GOMIDE, 1979).

2.3.3 - Qualidade da Madeira

Em termos de uso industrial, existem dois tipos de madeiras, Softwood e Hardwood.

A qumica e anatomia da madeira variam pouco com as espcies de rvores, mas h

semelhanas muito fortes entre as duas classificaes acima. Gulichsen (2000), reporta como

as principais caractersticas da matria prima a espcie (e as variaes da sua composio

qumica), a idade, o tempo de corte e armazenamento, as propriedades morfolgicas do

cavaco (espessura e sua distribuio de tamanho), o teor de impurezas do cavaco, o teor de

umidade e a densidade.

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2.3.4 - Tempo de Residncia

A degradao da lignina diretamente dependente do tempo de residncia dentro do

digestor. O tempo de residncia vai indicar o tempo em que os cavacos ficam expostos s

variveis acima indicadas de temperatura e concentrao de reagentes qumicos, e est

diretamente relacionado ao grau de compactao de cavacos.

Normalmente nas aplicaes industriais, o tempo de residncia dos cavacos

calculado com base na taxa de produo e no volume do digestor, considerando-se um fator

de compactao constante, geralmente fornecido pelo fabricante do equipamento. Este fator

de compactao dinmico e depende de muitas variveis.

O processo kraft tem sido amplamente investigado, e as condies timas de

cozimento em escala de laboratrio so bem conhecidas. No entanto, um problema tpico

que o cozimento em escala industrial, no tem as mesmas condies reproduzidas com

fidelidade. Esta uma consequncia da natureza complexa e heterognea do processo

industrial de cozimento. Grandes dimenses dos equipamentos (altura e dimetro),

dificuldades e inadequao de medies, variaes de qualidade das matrias-primas, altas

taxas de produo e elevado tempo de residncia, so algumas das razes para isso .

O tempo de reteno fortemente dependente do grau de compactao da coluna.

Rantanen e Kortela (2006) realizaram trabalhos de investigao do tempo de reteno

em funo da taxa de produo para um digestor contnuo em fase vapor, e comparou com os

valores de referncia do fabricante.

O tempo de residncia (Figura 23) foi calculado como uma funo da frao de

volume do cavaco conforme a Eq. 4 indicada no item 2.4.8 (Fluxo de Licor). Os resultados

foram comparados com os de um digestor industrial vaso duplo com ritmos normais de

operao. A converso do volume de cavaco em volume de polpa foi calculada considerando

um rendimento de 48% para softwood, e de 53 % para hardwood, com densidades

aproximadas de cavaco de 490 e 570 kg/m3 para softwood e hardwood, respectivamente.

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Figura 23: Modelo do tempo de residncia associado s taxas de produo em digestor

industrial (RANTANEN & KORTELA, 2006).

As curvas D1, D2, D3, D4, D5 e D6 indicadas na Figura 23 referem-se s posies do

digestor, conforme a Figura 24:

Figura 24: Digestor industrial aplicados ao Modelo de RANTANEN & KORTELA (2006).

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Observa-se que o tempo de residncia no tem linearidade com as taxas de produo.

Variaes na produo da ordem de 40 % (1000 para 1400 tSA/d), no tem a mesma variao

nos diferentes pontos de medida.

2.3.5 - Compactao da Coluna de Cavacos

2.3.5.1 - Coluna de Cavacos

A coluna de cavacos formada dentro do vaso do digestor, e constituda pela

suspenso de licor e bilhes de cavacos.

Estes cavacos contm material solvel, material insolvel e lquido. Dentro do vaso do

digestor, os cavacos perdem materiais solveis, os quais so repostos por lquido. Se as foras

externas aos cavacos so pequenas, eles mantm as caractersticas de volume. Entretanto, se

estas foras externas forem suficientemente fortes, os cavacos alteram suas formas e volumes.

Se o volume alterado, apenas a frao de volume do lquido dentro do cavaco modificada

(e no a parte insolvel e a parte slida). A frao de volume do lquido e cavacos, tambm

altera dentro do digestor. Uma parte dos cavacos dentro do digestor pode adquirir um volume

menor do que eles estavam quando alimentados. Os cavacos se apresentam em diferentes

formas (diferentes tamanhos, espessuras, densidades etc.).

Alm disso, o perfil do cavaco significativamente alterado conforme sua posio no

digestor (parte superior ou inferior), conforme se processa as reaes de cozimento.

medida que se tenha uma maior quantidade de cavacos pequenos, a coluna ocupa

menos espao, aumentando o grau de compactao.

Aumentando o grau de compactao, modifica-se o fluxo de licor dentro do digestor.

A coluna de cavacos assumida como elstica e compressvel, e a elasticidade da

coluna pode ser reversvel ou irreversvel (HARKONEN, 1987).

A flexibilidade da coluna de cavacos, afeta consideravelmente os espaos vazios

existentes. Diferentes foras afetam a presso total da coluna e sua compactao, conforme

Figura 25:

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Figura 25: Foras em ao no fluxo de movimento da coluna de cavaco (MIYANISHI, 2001).

Como a fora gravitacional direciona a coluna para baixo, se ela est em equilbrio de

fluxo contnuo, o grau de compactao aumenta na parte inferior do digestor.

Ao ocorrer o movimento para baixo da coluna, atua-se uma fora de atrito entre a

parede do digestor e o fluxo descendente de cavaco.

Da mesma forma, h fora de atrito entre o fluxo do licor e a coluna de cavacos em

direo contrria. O valor do atrito dependente dos sentidos e dos valores relativos dos

fluxos de cavaco e do licor dentro do digestor.

Outro fator relevante a constituio qumica dos cavacos.

Na parte inicial, os cavacos no reagiram, tendo em sua constituio a lignina ainda

no dissolvida.

J na fase final aps a zona de cozimento, as reaes de deslignificao j ocorreram,

tornando o cavaco mais macio e, portanto mais compactado.

Este um item relevante no controle da compactao e dos distrbios por ela

provocados.

Uma adequada compactao permite um adequado fluxo de cavaco no interior do

digestor e, por consequncia, um adequado tempo de reteno e seus reflexos de reao.

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2.3.5.2 - Compactao de Cavacos

O termo compactao de cavaco usado para expressar a intensidade que o cavaco

foi comprimido dentro do digestor, em relao ao seu volume na alimentao.

Pode ser definido como a relao entre o peso seco de madeira por m3 no digestor e na

alimentao.

Seu perfil pode ser visto na Figura 26 proposto por Michelsen (1995). Observa-se que

a compactao diminui medida que se aproxima do topo, e tambm ela ser maior para um

baixo ritmo de produo quando comparado a um alto ritmo de produo, como era de se

esperar:

Figura 26: Perfil de compactao de cavaco ao longo do digestor (MICHELSEN, 1995).

baixo ritmo de produo

alto ritmo de produo.

J na Figura 27, observa-se o mesmo perfil de tendncia em relao distncia da base

e topo, em relao presso do cavaco:

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Figura 27: Perfil da Presso do cavaco e seus impactos na compactao (AVEHLAMPI e

UUSITALO).

Quanto maior a compactao, maior ser a resistncia ao fluxo nos espaos livres entre

os cavacos. E da suas consequncias negativas em relao ao necessrio fluxo de licor para

as reaes de deslignificao.

Um dos maiores problemas em digestor contnuo a compactao anormal dos

cavacos e, consequentemente, seus distrbios do movimento hidrulico da coluna de cavacos.

Tais problemas so particularmente mais frequente em cozimentos de madeiras hardwood

(PUOLAKKA, 2005).

Os problemas de compactao de cavacos podem ocorrer em excessiva compactao

(over-compac), ou baixa compactao (under-compact).

Ambos os casos causam problemas no desempenho operacional, na variao do tempo

de reteno, na variao do grau de cozimento e consequentemente na forte influncia da

uniformidade das propriedades da polpa.

Esta variao do grau de compactao, afeta o tempo de reteno, o fluxo de cavaco e

o fluxo do licor dentro do digestor.

medida que as reaes de cozimento vo se processando ao longo do digestor, estas

caractersticas vo se alterando, aumentando a maciez dos cavacos. As reaes de

dissoluo da lignina alteram as caractersticas de compactao da coluna de cavacos,

alterando os fluxos de licor entre e dentro dos cavacos. Assim, o grau de compactao

aumenta, conforme diminui o teor de lignina dos cavacos.

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2.4 - Fatores que afetam a Compactao de Cavacos

2.4.1 - Tamanho dos Cavacos:

Alm da importncia econmica, na minimizao dos rejeitos (finos e overs) do

peneiramento de cavacos, o tamanho dos cavacos tem uma significativa importncia para o

equilbrio dentro do digestor.

Devido heterogeneidade da madeira, em suas caractersticas qumicas e

morfolgicas, as caractersticas dos cavacos tambm so naturalmente no uniformes.

Por exemplo, em uma mesma rvore, ocorrem diferentes densidades em seu perfil

longitudinal. Em uma mesma rvore, as fibras possuem diferentes idades (a rvore cresce na

gema apical), e, portanto caractersticas muito variveis em um mesmo indivduo.

Assim, o difcil objetivo de se atingir a uniformidade dos cavacos tem uma

significativa importncia para garantir a tambm difcil uniformidade nas variveis do

cozimento.

A variao do tamanho de cavaco pode interferir no desempenho do digestor atravs

dos finos, over e lascas.

Lascas podem interferir nos equipamentos de alimentao de cavaco (filtros da

circulao de funil), bem como na reduo do fluxo das peneiras de extrao e circulao do

digestor.

Alm disso, uma alta percentagem de material fino pode causar problemas na

extrao/circulao de licor, e com isso prejudicar o fluxo natural de licor e cavacos da

coluna.

J os cavacos sobre dimensionados, podem causar dificuldades de deslignificao,

podendo provocar rejeitos por cavacos mal cozidos.

Em seus trabalhos de otimizao de digestor contnuo, Janson et al. (2008),

modelaram equaes para avaliao do impacto do tamanho de cavaco no grau de

compactao.

Os cavacos normalmente retm suas dimenses fsicas originais atravs do processo

de cozimento, e no se transformam em fibras at a descarga final.

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Eles normalmente contm duas fases: Uma fase slida constituda das fibras, e uma

fase lquida entre elas (licor). A frao slida do cavaco de aproximadamente 0,1 a 0,35

(MARCOCCIA, 2000). Esta variao depende de fatores como densidade da madeira, grau de

vaporizao e extenso das reaes de cozimento (a frao slida vai diminuindo ao longo das

reaes). No quesito da compactao de cavaco, a espessura o item mais relevante.

2.4.2 - Densidade dos Cavacos

A varivel densidade est normalmente associada facilidade de impregnao, e pela

facilidade de difuso do licor pelos espaos vazios. Maior a densidade, menor os espaos

vazios e, portanto, mais difcil a difuso. J dentro do digestor, a densidade do cavaco vai

diminuindo em toda a extenso do digestor medida que as reaes de cozimento vo

ocorrendo.

Da mesma forma, a densidade do licor tambm varivel ao longo do digestor, pelos

fluxos de extrao e lavagem. Trabalhos de Michelsen (1995), reportam a sua variao

conforme Figura 28:

Figura 28: Variao da Densidade do Cavaco e Licor ao longo do Digestor (MICHELSEN,

1995).

2.4.3 - Espessura dos Cavacos

A espessura a menor dentre as trs dimenses do cavaco.

Ela a dimenso mais crtica em polpao kraft, e ainda mais crtica quando o cozimento

terminado em maior nmero Kappa. O comprimento por sua vez tem uma influncia menos

pronunciada e a influncia da largura do cavaco desprezvel (AKHT