REFINAÇÃO DE PASTA EM BAIXA CONSISTÊNCIA EM SISTEMA TRICÔNICO

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1 1 REFINAÇÃO DE PASTA EM BAIXA CONSISTÊNCIA EM SISTEMA TRICÔNICO Élcio Donizeti de Castro 1, José Mangolini Neves 2, Marisa E.T. Koga 3 1 Engenheiro Mecânico e de Segurança do trabalho - Pilão S. A. Máquinas e Equipamentos 2 Brasil, Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo IPT, DPF- Agrupamento de Celulose e Papel. EPUSP-Depto. Engenharia Química. ESALQ/USP-ÁREA: Ciência e Tecnologia da Madeira. Universidade Presbiteriana Mackenzie-Engenharia de Materiais. Escolas Osvaldo Cruz-Engenharia Química. 3 Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo IPT, DPF- Agrupamento de Celulose epapel - Consultora Resumo O presente artigo descreve de forma genérica o processo de refinação e seus efeitos sobre as pastas celulósicas, além de tecer comentários sobre as principais variáveis que influem no referido processo. Fornece ainda dados sobre uma comparação entre refinadores, utilizando um sistema com dois refinadores de discos operando em série com um refinador triconic operando em paralelo a estes dois. Introdução A refinação de massa corresponde à fase do processo de fabricação do papel na qual a polpa é tratada mecanicamente e, em alguns casos também quimicamente, mediante a adição de aditivos químicos, de modo a estar apta à formação da folha na máquina (1). A polpa ou celulose, branqueada ou não, produzida nas fábricas não apresenta ainda as características adequadas à manufatura do papel. A folha obtida com este material fibroso terá pouca resistência à tração, um volume específico alto e apresentará irregularidades na formação, podendo, quando ainda úmida, desintegrar-se devido às ligações fracas entre fibras. A transformação das fibras em pasta se dá na área de preparação da massa através da moagem (beating) e refinação (refining), termos que na maioria das vezes, são utilizados indistintamente para descrever os vários tipos de tratamento mecânico a que são submetidas as pastas celulósicas. Os principais variáveis e efeitos da refinação foram sumarizados por NEVES ( 2 ) e reproduzidos na Figura 1. Os efeitos sobre as características das pastas, de um modo geral, são conhecidos e se comportam conforme apresentado na Figura 2 ( 3 ). O equipamento utilizado para se efetuar a ação de refino sobre as massas um elemento muito importante no processo. Sobre este, pode-se dizer que existem três tipos básicos: o moinho e os refinadores cônico e de disco ( Figura 3) ( 4). De um modo mais restrito, moagem se refere ao tratamento mecânico da massa em moinhos, realizado em regime contínuo ou descontínuo. O moinho mais conhecido e utilizado em escala industrial é a holandesa (5, 6). Refinação refere-se ao tratamento mecânico da massa em refinadores (5).

2 2 Figura 1 - Variáveis e efeitos do processo de refinação ou moagem (2) Figura 2 - Evolução das características das pastas com a aplicação da ação de refino ( 3 )

3 3 Figura 3 - Tipos básicos de moinhos ( beaters ) e refinadores cônicos ( conical ) e de disco ( disk ) ( 4 ) O processo de refino começa com T'Sai Lun, inventor do processo de fabricação do papel, por volta de 101 D.C., ao bater sobre as fibras molhadas de amoreira com um porrete a fim de melhorar suas características de conformação na folha. Em 750 D.C., os árabes já produziam papel de linho, batendo e macerando suas fibras úmidas, com martelos de madeira e na Espanha, por volta do ano de 1150, moinhos com toretes de madeira maçavam e batiam (refinavam) em água fibras de trapos de algodão. Um cilindro dentado, de madeira, movido por força hidráulica, faziam com que os toretes caíssem repetidas vezes sobre o material fibroso transformando-o em pasta (5). Os holandeses, motivados pela escassez de recursos hidráulicos desenvolveram no século XVII o moinho hoje denominado de holandesa. Tratava-se de um tanque oblongo, dividido por uma parede central, tendo ainda em um dos lados um mecanismo de moagem. Esse mecanismo consistia de um cilindro móvel de madeira, tendo assentado sobre a sua superfície barras de ferro. A massa era colocada no tanque e a moagem se dava pela sua passagem entre as extremidades das barras do cilindro e o fundo do tanque (5). Embora tenha incorporado uma série de desenvolvimentos, a holandesa ainda hoje tem o formato original e é utilizada atualmente na preparação da massa de fibras que requerem longos tempos de moagem, por exemplo, na moagem de trapos, fibras de linho, de manilha (1) e sisal. De um modo geral, o consumo específico de energia do moinho está compreendido entre 200 e 1000 kwh/t de papel acabado, sendo que parte considerável dessa energia é gasta somente para movimentar a pasta dentro da cuba (1). O tipo de moagem é determinado principalmente pelo número, largura e tipo de facas, tanto do rolo como da placa de assento, e ainda pela intensidade de moagem que é controlada pela pressão mantida entre o rolo e a placa (7). Mais recentemente, foram desenvolvidos os refinadores que podem ser classificados em três tipos básicos: os refinadores cônicos (Jordans); os refinadores de alta velocidade, também denominados de refinadores de grande ângulo; e, os refinadores de discos (1, 5, 6). Os refinadores de disco subdividem-se ainda em refinadores de disco simples e refinadores de disco duplo.

4 4 Os refinadores cônicos ou Jordans, consistem basicamente de um rotor cônico, equipado com facas metálicas (ou barras) assentadas sobre a superfície cônica deste rotor, o qual é acionado dentro de uma carcaça também cônica, também provida de facas ou barras por toda sua superfície interna (1, 5, 6). O ângulo do cone utilizado, situa-se entre 15 e 17 ( 8 ); as velocidades utilizadas são da ordem de 300 a 600 rpm (1, 6) e a espessura das facas varia desde 3,17 mm (1/8 ) até 12,7 mm (1/2 ) (5). Na Figura 4 são apresentados detalhes deste tipo de equipamento. Figura 4 Detalhes de um refinador cônico A massa, sob pressão, é alimentada pela extremidade menor do equipamento e passa entre o rotor (cone) e a carcaça, saindo pela extremidade maior (1). As fibras da massa fluem paralelamente à direção das facas, tanto do cone como da carcaça; fluxo que é diferente do que ocorre nos moinhos, onde a direção da massa é perpendicular à disposição das facas (1). Esse detalhe provoca menos corte nas fibras. A massa é alimentada no refinador a consistências que variam de 2 a 5% ( 5, 6 ), sob pressões de 2,1 a 3,5 kpa/cm 2 (1). Os refinadores de alta velocidade ou de grande ângulo são também refinadores cônicos que apresentam as facas com uma inclinação de cerca de 60 com um eixo axial do rotor; são mais curtos que os Jordans e trabalham a velocidades superiores que estes, 800 a 1000 rpm (1, 5). Por cortar menos e hidratar mais as fibra, estes equipamentos têm substituído tanto as holandesas como os refinadores Jordans (1). Segundo GALSL (9) este tipo de refinador apresenta as seguintes vantagens em relação a um Jordan: a) Para uma mesma área refinadora, ocupa menos espaço; b) Permite a utilização de facas mais altas; c) As chances de atrito entre o rotor e a carcaça são menores; d) As características de fluxo são melhores; e) Para uma mesma rotação do cone (rpm) consegue-se as velocidades periféricas mais altas.

5 5 Com relação aos refinadores de disco, GLASL (9) comenta que a área refinadora de um grande ângulo equivale-se à apresentada por um refinador de disco duplo. Relata ainda que na refinação de 150 t/dia de uma massa contendo 70% de fibras curtas e o restante de fibras longas, trabalhando-se em série com dois refinadores de grande ângulo, cada um com potência de 250 kw, consome-se cerca de 80 kwh/t de pasta. Os refinadores de disco, de um modo geral, possuem dois discos, um estator e outro rotor. A massa é alimentada sob pressão através de um orifício que está no centro do disco estator e, em seguida, é obrigada a passar entre os discos, onde é refinada (1). Na Figura 5 apresentam-se detalhes deste tipo de equipamento. Figura 5 Detalhes de um refinador de disco (10, 11 ) Podem ser enquadrados como refinadores de disco os seguintes tipos: de disco simples (com um disco móvel e um estacionário); de contra-rotação (com os dois discos móveis, um girando contra o outro) e de disco duplo (com dois discos estacionários e um móvel, central e de face dupla de refinação) (1, 5 ). Este último, também é denominado Tridisc ( 10 ). Quanto ao tipo de fluxo da massa no refinador, aparecem vários tipos, tais como, os pressurizados ou não, de fluxo simples e os pressurizados, de duplo disco, com fluxos simples( mono-flux) ou duplo (duo-flux). conforme mostrados na Figura 6 ( 4). Figura 6 - Tipos de fluxo em refinadores de disco

6 5 Mais recentemente, a Pilão projetou um refinador cônico amplo com três discos, procurando tirar proveito da grande área de refino que este equipamento apresenta. Nas Figuras 7, 8 e 9 são apresentados detalhes deste tipo de equipamento (10 ). Figura 7 Detalhes do refinador tricônico : carcaça e tampa.( 10 ) Figura 8 Detalhes do refinador tricônico : discos e áreas refinadoras ( 10 ) Figura 9 Detalhes do refinador tricônico : fluxo de massa ( 10 )

7 6 Objetivo Este trabalho teve por objetivo comparar os efeitos da aplicação de refino sobre uma mesmo tipo de pasta utilizando-se para isto dois refinadores de disco dispostos em série e um refinador cônico amplo, do tipo triconic, instalados em paralelo numa planta industrial que opera com massa de aparas. Materiais e métodos Amostras Foram tomadas na planta quatro amostras de pasta celulósica, matéria prima OCC e aparas de caixas, respectivamente denominadas: - Amostra A, sub-dividida em três sub-amostras A 1, A 2 E A 3 - Amostra B, sub-dividida em três sub-amostras B 1, B 2 E B 3 - Amostra C, sub-dividida em duas sub-amostras C 1 E C 2 - Amostra D, sub-dividida em três sub-amostras D 1, D 2 E D 3 A amostra A é uma pasta bruta, sem refinação; a amostra B, foi coletada após refino em equipamento denominado TriConic ; a amostra D, foi coletada após refino em equipamento denominado refinador 1 ; e, a amostra C, foi coletada após refino em equipamento denominado refinador 2. As operações de refino da massa bruta, efetuadas nos refinadores 1 e 2, foram executadas em série. Na Figura 10 apresenta-se o esquema de retirada de amostras. Figura 10 Esquema de coleta de amostras Caracterização das propriedades das pastas A resistência à drenagem das pastas foi determinada no aparelho SHOPPER - RIEGLER NBR 14031:98 e foram preparadas folhas manuais para ensaios físicos - Método RAPID KÖTHEN - ISO :1998. As folhas formadas foram condicionadas e ensaiadas à umidade relativa de (50 ± 2)% e à temperatura de (23 ± 1) ºC, quando tiveram suas características analisadas segundo as normas NBR 5981:92, 9160:85, 6039:92, 9160:85, 7536:81, 7150:93, 7538:82 E 7538:82.

8 7 Resultados Resultados de coletados na fábrica A faixa de amplitude de variação dos resultados de resistência à drenagem (ºSR) de amostras de pastas coletadas ao longo do tempo nos pontos de amostragem amostra C e amostra D, da Figura 10, tornou-se mais estreita para as pastas que haviam passado pelo refinador Tricônico, mostrando que aplicação de energia sobre a pasta é muito mais homogênea, conforme exemplificado na Figura 11. Refinadores a Disco Limite de Controle Superior Limite de Controle Limite de Controle Inferior Refinador TriConic Limite de Controle Superior Limite de Controle Limite de Controle Inferior Figura 11 Controle estatístico do Processo de Resistência a Drenagem (ºSR) Resultados de Laboratório Nas Tabelas 1 a 4 são apresentados os valores médios das propriedades físicas das pastas. Na Tabela 5 têm-se os valores médios das propriedades de todas as pastas.

9 8 Tabela 1 Propriedades da Amostra A (PASTA BRUTA) SUB-AMOSTRAS Ensaios A1 A2 A3 MÉDIA D.P. MÉDIA D.P. MÉDIA D.P. Resistência à drenagem SR Gramatura g/m 2 59,67-60,41-60,76 - Teor seco % 91,8-91,7-91,8 - Espessura mm 0,147 0,003 0,149 0,005 0,152 0,004 Densidade aparente g/cm 3 0,41 0,01 0,40 0,01 0,40 0,01 Volume específico cm 3 /g 2,46 0,05 2,47 0,08 2,50 0,06 Índice de tração N.m/g 33,36 4,82 35,41 5,81 34,65 6,76 Alongamento % 0,95 0,28 0,85 0,24 1,00 0,33 Índ. arrebentamento kpa.m 2 /g 1,64 0,22 1,98 0,18 2,18 0,17 Índice de rasgo mn. m 2 /g 15,83 1,12 15,48 0,77 15,13 1,55 Permeância ao ar, Gurley s/100 ml 2,92 0,23 3,12 0,26 2,42 0,31 Tabela 2 Propriedades da Amostra B (TRICONIC) SUB-AMOSTRAS Ensaios B1 B2 B3 MÉDIA D.P. MÉDIA D.P. MÉDIA D.P. Resistência à drenagem SR Gramatura g/m 2 61,44-61,26-62,15 - Teor seco % 92,1-92,2-92,5 - Espessura mm 0,149 0,005 0,148 0,003 0,147 0,002 Densidade Aparente g/cm 3 0,41 0,01 0,41 0,01 0,42 0,01 Volume Específico cm 3 /g 2,42 0,09 2,41 0,05 2,36 0,02 Ìndice de tração N.m/g 48,84 7,56 40,66 6,76 51,86 6,89 Alongamento % 1,50 0,33 1,10 0,21 1,35 0,24 Índ. Arrebentamento kpa.m 2 /g 2,41 0,24 2,37 0,17 2,41 0,24 Índice de rasgo mn. m 2 /g 13,64 0,67 13,88 1,00 12,62 0,50 Permeância ao ar, Gurley s/100 ml 6,76 1,57 8,56 0,87 6,94 0,61

10 9 Tabela 3 Propriedades da Amostra C (REFINADOR 1) SUB-AMOSTRAS Ensaios C1 C2 MÉDIA D.P. MÉDIA D.P. Resistência à drenagem SR Gramatura g/m 2 61,26-62,87 - Teor seco % 92,0-92,2 - Espessura mm 0,145 0,003 0,150 0,004 Densidade Aparente g/cm 3 0,42 0,01 0,42 0,01 Volume Específico cm 3 /g 2,37 0,05 2,38 0,06 Índice de tração N.m/g 40,66 4,10 50,54 3,44 Alongamento % 1,20 0,26 1,50 - Índ. Arrebentamento kpa.m 2 /g 2,18 0,25 2,28 0,17 Índice de rasgo mn. m 2 /g 12,86 0,89 12,43 0,84 Permeância ao ar, Gurley s/100 ml 8,60 1,24 10,06 1,71 Tabela 4 Propriedades da Amostra D (REFINADOR 2) SUB-AMOSTRAS ENSAIOS D1 D2 D3 MÉDIA D.P. MÉDIA D.P. MÉDIA D.P. Resistência à drenagem SR Gramatura g/m 2 62,49-61,56-62,08 - Teor seco % 92,0-92,0-92,2 - Espessura mm 0,148 0,003 0,148 0,004 0,148 0,003 Densidade Aparente g/cm 3 0,42 0,01 0,42 0,01 0,42 0,01 Volume Específico cm 3 /g 2,37 0,05 2,41 0,07 2,38 0,04 Ìndice de tração N.m/g 45,82 9,66 45,98 4,48 46,65 7,82 Alongamento % 1,25 0,26 1,25 0,26 1,40 0,21 Índ. Arrebentamento kpa.m 2 /g 2,29 0,22 2,34 0,21 2,50 0,23 Índice de rasgo mn. m 2 /g 14,46 1,51 13,15 1,27 11,37 0,62 Permeância ao ar, Gurley s/100 ml 5,32 0,68 4,92 0,47 7,76 0,78

11 10 Tabela 5 Valores médios das propriedades das Amostras A, B, C e D AMOSTRAS ENSAIOS A B C D média D.P. média D.P. média D.P. média D.P. Resistência à drenagem SR 23,0-34,3-39,0-30,3 - Gramatura g/m 2 60,28-61,62-62,07-62,04 - Teor seco % 91,8-92,3-92,1-92,1 - Espessura mm 0,150 0,007 0,148 0,006 0,148 0,005 0,148 0,006 Densidade Aparente g/cm 3 0,40 0,02 0,42 0,02 0,42 0,01 0,42 0,02 Volume Específico cm 3 /g 2,48 0,11 2,40 0,10 2,39 0,08 2,39 0,10 Ìndice de tração N.m/g 34,47 10,14 47,12 12,26 45,60 5,35 46,15 13,21 Alongamento % 0,93 0,50 1,32 0,46 1,35 0,26 1,30 0,43 Índ. Arrebentamento kpa.m 2 /g 1,93 0,33 2,40 0,38 2,23 0,30 2,38 0,38 Índice de rasgo mn. m 2 /g 15,48 2,06 13,38 1,30 12,65 1,22 12,99 2,07 Permeância ao ar, Gurley s/100 ml 2,82 0,47 7,42 1,90 9,33 2,11 6,00 1,14 Nas Figuras 12 a 19 são apresentados de forma gráfica, as correlações mais importantes entre os resultados obtidos para as pastas estudadas. Comentários Analisando-se os resultados obtidos pode-se dizer que a aplicação da ação de refino sobre uma pasta através de um refinador Tricônico se realiza de uma forma que contribui para a redução da variabilidade das características finais da pasta, contribuindo assim para se ter um nível de qualidade assegurado. Observando as figuras sob uma mesma resistência à drenagem ( SR), pode-se concluir que a pasta bruta ao passar pelo refinador Triconic atinge mais rapidamente um nível adequado de resistência à drenagem ( Figura 13 ), apresentando características mecânicas que poderiam evoluir mais ( Figuras 12 a 16, 18 e 19 ), sem degradar muito as fibras (Figura 17).

12 11 Alongamento (%) x Resistência à drenagem ( SR) Alongamento (%) 1,40 1,20 1,00 0,80 1,00 0,95 0,93 * 1,50 1,50 1,35 1,40 1,35 * 1,30 * 1,25 1,30* 1,25 1,20 0,85 1, A B D C Resistência à drenagem ( SR) (*) VALORES MÉDIOS. Figura 12 Alongamento (%) x Resistência à drenagem ( SR) Resistência à drenagem ( SR) x Amostra Resist. drenagem ( SR) A 1 2 B C 3 4 D 5 Ensaio 1 Ensaio 2 Ensaio 3 Média (*) VALORES MÉDIOS. Figura 13 Resistência à drenagem ( SR) x amostra

13 12 Índice de Tração (N.m/g) x Resistência à drenagem ( SR) Índ. de Tração (N.m/g) , ,98 46,66 45,82 46,15* 45,60* 40, ,66 34,48* 35, , A B D C Resistência à drenagem ( SR) (*) VALORES MÉDIOS Figura 14 Índice de tração (N.m/g) x Resistência à drenagem ( SR) Índice de Arrebentamento (kpa.m 2 /g) x Resistência à drenagem ( SR) Índice de Arrebenta-mento (kpa.m 2 /g) 2,50 2,30 2,10 1,90 1,70 1,50 2,18 1,64 1,93* 2,34 1,98 2,29 2,41 2,50 2,37 2,41 2,40* 2,38* 2,28 2,23* 2, Resistência à drenagem ( SR) A B C D (*) VALORES MÉDIOS Figura 15 Índice de Arrebentamento (kpa.m 2 /g) x Resistência à drenagem ( SR)

14 13 Índice de Rasgo (mn.m 2 /g) x Resistência à drenagem ( SR) 16 Índice de Rasgo (mn.m 2 /g) ,83 15,48* 15,13 15,48 14,46 13,15 12,99* 13,64 13,38* 12,62 11,37 13, A B C D Resistência à drenagem ( SR) (*) Valores médios. Figura 16 Índice de Rasgo (mn.m 2 /g) x Resistência à drenagem ( SR) Permeância ao ar, Gurley (s/100ml) x Resistência à drenagem (ºSR) Permeância ao ar, Gurley (s/100ml) 11,00 9,00 7,00 5,00 3,00 1,00 2,92 2,42 2,82* 5,32 4,92 3,12 7,42* 6,94 6,76 6,00* 8,56 7,76 10,06 9,33* 8, A B C D Resistência à drenagem (ºSR) (*) VALORES MÉDIOS. Figura 17 Permeância ao ar, Gurley (s/100ml) x Resistência à drenagem ( SR)

15 14 Índice de Rasgo (mn.m 2 /g) x Índice de tração (N.m/g) Índice de Rasgo (mn.m 2 /g) 16 15,83 *15, ,13 15,48 13,88 12,86 14,46 13,15 12,65* 11,37 13,64 13,38* 12,99* 12,62 12, Índice de tração (N.m/g) A B C D (*) Valores médios. Figura 18 Índice de Rasgo (mn.m 2 /g) x Índice de Tração (N.m/g) Índ. de arrebentamento (kpa.m 2 /g) x índ. tração (N.m/g) Índ. de arrebenta-mento (kpa.m 2 /g) 2,50 2,41 2,41 2,50 2,37 2,38 * 2,40 * 2,30 2,34 2,29 2,28 2,10 2,23 * 2,18 2,18 1,90 1,93 * 1,98 1,70 1,64 1, Índice de tração (N.m/g) A B C D (*) VALORES MÉDIOS. Figura 19 Índice de Arrebentamento (kpa.m2/g) x Índice de Tração (N.m/g)

16 15 BIBLIOGRAFIA 1. ROOT, E. M.; Ciência y Tecnologia sobre pulpa y papel, ed. por LIBBY, C. E.; tomo II, Papel, Comp. Ed. Continental S. A., NEVES, J. M. ; Refinação de pasta celulósica fatores que influem no processo e que são afetados por esta etapa da preparação de massa. O Papel, V. 47, n o 5, p , VOLPATO, A. V. Refinação : notas de aula do curso Preparação de Massa. ABTCP Apostila. 17 p. 5. SPENCER, H. S., TUCH, N. G. M., GORDON, R. W.; Papermaking and Paperboard Making. MACDONALD, R. G. e FRANKLIN, J. N.; Papermaking and Paperboard, vol. III, McGraw Hill Book Co., SWANSON, J. W.; Handbook of Pulp and Paper Technology; ed. BRITT, K. W.; Reinhold Publs, Corp PILLING, G.; Refining in stocks preparation (2); Paper, V. 188, n.7, p , PEARSON, A. J.; TROUT, G. J.; SIBLY, P. R. e TYLER, A. G.; Refiner pulp from P. radiata. Intern. Mech. Pulping Conf., Helsinki, Finlândia, GLASL, E. C.; The wider-angle refiners; Appita, V. 28, n. 5, p , PILÃO S. A. MÁQUINAS E EQUIPAMENTOS. Conceitos fundamentais de refinação de papel e celulose. Apostila. Junho p. 11. LEIDER, P.J. Refiner operation. MidWest Conf. Application of retention and refining technology. The Institute of Paper Chemistry. Chicago, Illinois, USA.. April 4, Proceedings p