Modelização de um digestor contínuo de cozimento kraft

Palavras-chave: Modelização,Digestores,Cozimento kraft,Eucalyptus globulus,Homogeneidade

O papel faz parte do quotidiano da sociedade actual, com funções tão diversas como o acondicionamento de produtos ou a higiene pessoal. Mas, sobretudo, é um meio privilegiado de armazenamento e transmissão de saber. Os permanentes avanços das tecnologias da informação, longe de destituirem o papel desta posição de destaque, têm fomentado o seu consumo. Tudo leva a crer que a indústria de pasta e papel se fortaleça cada vez mais e continue a ter um impacto relevante na economia mundial e, a um nível mais local, nas economias europeia e nacional. Tal importância económica explica, porventura, o elevado investimento cientí co na área ao longo das últimas décadas. É imprescindível entender melhor os complexos processos envolvidos na produção de papel para tornar esta indústria ainda mais competitiva. Inserido nesse considerável esforço global, o presente trabalho pretende contribuir para aumentar o conhecimento acerca do mais importante processo químico de produção de pasta. Com efeito, esta dissertação versa sobre o cozimento kraft da madeira com vista à produção de pasta crua. Consiste na modelização e simulação computacional do equipamento-chave da fábrica de pasta: o digestor. Não obstante o título desta tese sugerir a análise exclusiva de digestores contínuos, o trabalho foi estendido por forma a abarcar também a operação em descontínuo. Efectivamente, além do modelo desenvolvido para o digestor contínuo criou-se, adicionalmente, um segundo modelo, desta feita do digestor descontínuo. Numa primeira fase, desenvolveu-se um modelo em estado transiente de um digestor industrial contínuo e da sua envolvente fabril. O digestor que serviu como objecto de estudo é um digestor hidráulico de vaso simples existente na fábrica de Setúbal do grupo Portucel-Soporcel. Trata-se de um tipo de digestor de grande representatividade, correspondendo a cerca de 67% dos digestores contínuos a nível mundial. O digestor está equipado de modo que permite a operação em condições de cozimento isotérmico, ITC . O modelo acima referido é heterogéneo e contempla três fases distintas: a matriz sólida da madeira, o líquido retido nos poros das aparas e o líquido que circunda as aparas. Considera-se cada uma destas fases como sendo homogénea para cada posição axial do digestor, isto é, é um modelo unidimensional. Recorre-se a quinze variáveis de estado para descrever a composição e a temperatura de cada fase ao longo do reactor. O modelo considera que a matriz sólida é formada por três espé- cies orgânicas (lenhina, celulose e hemicelulose) e que esses materiais orgânicos estão dissolvidos em ambos os licores. O conjunto das variáveis de estado completa-se com a composição dos líquidos em reagentes inorgânicos (alcali efectivo e ião hidrogenossulfureto), além da temperatura do líquido livre e da que se veri ca no interior das aparas. Adicionalmente, o modelo prevê um numeroso rol de variáveis que, não sendo de estado, são importantes do ponto de vista industrial (índice kappa, rendimento, teor de sólidos) por fornecerem informação auxiliar interessante, sendo algumas indispens áveis ao cálculo das próprias variáveis de estado (velocidade intersticial do líquido, velocidade do leito de aparas, caudais de líquidos e de sólido, porosidades do leito e das aparas, massas volúmicas dos líquidos livre e retido, tempo de residência, carga morta e concentração de extractáveis, taxas individuais e colectivas de reacção e de transferência de massa). A versão estacionária do modelo transiente desenvolvido foi implementada computacionalmente. O estudo do desempenho do simulador foi realizado para Eucalyptus globulus, uma folhosa, por ser esta a espécie quase exclusivamente processada pela fábrica. O modelo cinético proposto previamente por Nóbrega e Castro (1997) foi usado após ter sido sujeito a um reajuste de parâmetros cinéticos levado a cabo com base em informação proveniente do processamento industrial. O estudo feito revela que o simulador captura bastante bem o comportamento do digestor real não só em cenários estáticos de operação mas também no que concerne à sensibilidade às várias condições operatórias. O modelo exibe grande acuidade na captação do comportamento térmico do digestor assim como na descrição evolutiva do processo de deslenhi cação desde o topo até à base. O modelo responde de forma exemplar em termos de sensibilidade às principais condições operatórias, havendo apenas a registar um ligeiro excesso relativamente à carga alcalina em regime de distribuição relativa de alcali constante. Perante o desempenho do simulador criado, é possível antecipar promissoras vantagens que podem resultar da sua aplicação: numa perspectiva de optimização das condições operatórias ou numa futura aplicação de controlo preditivo ao digestor. Em paralelo, o presente trabalho debruça-se sobre a problemática da heterogeneidade da pasta factor deveras condicionador da sua qualidade. Para tal, desenvolveu-se um modelo heterogéneo intraparticular unidimensional que contabiliza os fenómenos de transporte ocorridos no interior das aparas bem como entre estas e o licor livre, durante o cozimento. O sistema modelizado é um digestor descont ínuo que opera, portanto, em regime transiente e onde o líquido envolvente das aparas está sujeito a recirculação permanente. A título exempli cativo, recorre-se às leis cinéticas propostas por Mirams e Nguyen (1996). Contudo, o modelo do digestor foi desenvolvido de forma geral de modo que esteja apto para lidar com qualquer lei cinética. Enfatize-se que, em consonância, o código computacional foi escrito por forma a poder albergar qualquer modelo cinético, independentemente do número de espécies que este usa. Este modelo do digestor traduz uma nova perspectiva dos fenómenos intraparticulares ocorridos ao longo do processo de cozimento da madeira. Além da difusão intraparticular comummente considerada tem também em conta o fenómeno de convec ção intraparticular. A continuada degradação da matriz sólida de aparas submersas provoca um uxo de líquido do exterior para o interior das aparas, de modo que se preencham os espaços vazios criados por reacção química. No presente trabalho propõe-se um termo convectivo dependente da taxa de reacção química e desenvolve se uma forma mecanística capaz de quanti car tal dependência. Apesar da difusão ser o fenómeno de transporte predominante no cozimento da madeira, o uxo convectivo não é desprezável face ao uxo total. Uma comparação entre o desempenho do modelo puramente difusional (proposto previamente por vários autores) e do modelo convectivo (sugerido no presente trabalho) revela que o primeiro sobrestima a heterogeneidade da pasta relativamente ao segundo. A contabilização da convecção, induzida pelo aumento da porosidade da apara, permite descrever o processo de forma mais realista e potencialmente mais exacta. Além de incluir a convecção originada indirectamente por reacção química, o modelo proposto consegue lidar com uma distribuição de tamanhos de aparas. Pode considerar, assim, a coexistência de aparas de diferentes dimensões, presentes em (eventualmente) diferentes quantidades, em cozimento simultâneo no mesmo digestor  o que constitui a realidade do cozimento industrial. Concluiu-se que a maior fonte de heterogeneidade da pasta não são as limitações associadas aos fenómenos de transporte intraparticular, mas reside antes na distribuição de tamanhos das aparas que alimentam o digestor. O pressuposto de considerar que todas as aparas sob cozimento têm a mesma espessura (igual ao valor da espessura média ponderada) camu a completamente o grau de heterogeneidade da pasta previsto por um modelo intraparticular, sugerindo valores muito aquém dos obtidos se tal pressuposto não for considerado. Atendendo à heterogeneidade das aparas industriais, é essencial incorporar a distribuição de tamanhos de aparas com vista a uma previsão aceitável do grau de uniformidade da pasta.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias