HIDROCICLONES HORIZONTAIS ESTUDO DE CASO : SEÇÃO DE DEPURAÇÃO CENTRÍFUGA DA MÁQUINA MP-7 DA KLABIN-PR

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1 HIDROCICLONES HORIZONTAIS ESTUDO DE CASO : SEÇÃO DE DEPURAÇÃO CENTRÍFUGA DA MÁQUINA MP-7 DA KLABIN-PR V. M. OLIVEIRA 1, E. S. MENDES 2, N. C. PEREIRA 2 e O. C. MOTTA LIMA 2 1 Aluna M.Sc. PEQ/UEM; Bolsista Klabin - PR 2 Professor DEQ/UEM Av. Colombo 5790, Bloco D90, CEP , Maringá PR Tel.: (0xx-44) , FAX: (0xx-44) , nehemias@deq.uem.br RESUMO- O processo de depuração centrífuga na MP7-Klabin-PR tem a função de retirar impurezas presentes na polpa de celulose, principalmente areia. Este processo é realizado por conjuntos de hidrociclones horizontais, agrupados em cinco estágios, operando em sistema de cascata. A polpa de celulose alimentada no primeiro destes estágios apresenta, consistência ou teor de sólidos totais em suspensão entre 1,2 e 1,7 %, temperatura igual a 60ºC, diferencial de pressão entre a alimentação e o overflow de 1,5 bar e vazão de alimentação em torno de 75 m 3 /h. Neste trabalho, o estágio estudado é o primeiro, devido à polpa da linha de overflow seguir para as outras etapas da fabricação de papel necessitando, portanto, conter o mínimo de impurezas. Amostras das linhas de alimentação, overflow e underflow deste estágio foram retiradas e analisadas as quantidades de areia e o teor de sólidos presentes em cada uma. Com estes resultados procurou-se conhecer as características e os principais parâmetros operacionais da planta industrial que afetam a separação da areia. Para a determinação das condições ótimas de trabalho do processo de depuração centrífuga foi montado uma unidade piloto utilizando-se um módulo do conjunto de hidrociclones da bateria industrial. INTRODUÇÃO Na maioria das indústrias de papel e celulose a principal matéria prima é a madeira. Na Klabin Paraná Papéis S.A. são utilizados dois tipos de madeira: Eucalipto (fibra curta) e Pinnus (fibra longa). O papel produzido na máquina de papel sete (MP7) da Klabin-Pr possui três camadas: cobertura (mistura de fibra longa e curta branqueada), meio e base (fibra longa não branqueada). Este papel é utilizado principalmente para embalagens de alimentos, necessitando por isso de alto grau de limpeza. A madeira passa por diversos processos químicos e mecânicos, até tornar-se polpa de celulose ou pasta mecânica. A primeira é fabricada com o objetivo de retirar a maior quantidade de extrativos (terpenenos, graxas, ceras, fenóis) e de lignina, resultando apenas a polpa com grande quantidade de celulose. Já a pasta mecânica é resultante apenas de um processo mecânico, conservando a maioria de seus extrativos. A produção de celulose, independente do processo, contém impurezas prejudiciais à fabricação do papel. Além disso, a celulose por si só não resulta em um papel de boa qualidade. Com o objetivo de conferir certas características as fibras da polpa, torna-se necessário que esta seja submetida à alguns processos: refinação, depuração, aditivação e diluição, antes que siga para a máquina de papel. Na Figura 1 é apresentado um esquema básico do processo de fabricação de polpa de celulose e papel. O processo de depuração pode ser pressurizado ou centrífugo. A depuração centrífuga, além de desflocular as fibras para

2 que estas estejam dispostas para melhor formar a folha de papel, tem como principal objetivo a retirada de impurezas. Estas são constituídas de materiais vindos da matéria-prima ou do processo de fabricação da celulose. Dentre estes materiais temos a resina denominada "pitch", grupos de fibras ("shives"), palitos ("slives"), partículas de casca, areia, partículas metálicas, plásticos, ferrugem, etc. POLPA MECÂNICA POLPAÇÃO MECÂNICA ADITIVOS FABRICAÇÃO DE POLPA MADEIRA POLPAÇÃO QUÍMICA BRANQUEAMENTO POLPA CELULÓSICA FABRICAÇÃO DE PAPEL REFINAÇÃO DEPURAÇÃO CENTRÍFUGA DEPURAÇÃO PRESSURIZADA MÁQUINA DE PAPEL PAPEL Figura 1: Esquema básico da industrialização de celulose e papel. Os equipamentos utilizados na depuração centrífuga são conjuntos de hidrociclones. Estes conjuntos são agrupados em estágios que operam em sistema de cascata. O número de estágios depende do processo e da necessidade de recuperação de fibras. Na fabricação de papel, os hidrociclones foram inicialmente utilizados apenas para retirada de fragmentos da suspensão de fibras. Na década de 70 sofreram modificações para retirada de contaminantes com menor densidade (Hagemeyer e Manson, 1992). A eficiência na remoção de partículas e as características operacionais dos hidrociclones são influenciadas por vários parâmetros: diâmetro interno, comprimento, dimensões internas da entrada e das saídas, rugosidade interna, queda de pressão, consistência da alimentação (teor de sólidos em suspensão), razão de líquido (razão entre a vazão do underflow e a alimentação), temperatura de operação e configuração hidrodinâmica (Hagemeyer e Manson, 1992). Estas variáveis determinam o tipo de hidrociclone mais adequado à separação de diferentes suspensões. O pouco conhecimento do fenômeno físico que ocorre no processo de depuração centrífuga e condições operacionais instáveis neste processo justificaram a realização deste trabalho. Para tanto procurou-se analisar experimentalmente o processo de separação de sólidos, principalmente areia, nos hidrociclones da depuração centrífuga da MP7 e, posteriormente, determinar condições estáveis de trabalho para esta depuração, através da montagem de um equipamento piloto. MATERIAiS E MÉTODOS Materiais Planta Industrial - Depuração Centrífuga: Para cada camada do papel da MP7 existe uma linha de depuração e alimentação de polpa de celulose com cinco estágios operando em sistema de cascata, constituídos de módulos Twincleaner TC 133 da Ahlstrom Corporation-Stock Preparation posicionados horizontalmente. O projeto destes módulos combina dois corpos de hidrociclones com entrada e overflow em comum. Um exemplo de um estágio é visto na Figura 2.

3 As características de projeto do módulo Twincleaner TC 133 são apresentadas na Figura 3. Figura 2: Desenho ilustrativo de um estágio da planta de depuração centrífuga da MP7. Equipamento Piloto: Com o objetivo de determinar condições estáveis para o processo de depuração centrífuga, montou-se um equipamento piloto constituído de um único módulo da bateria industrial. A alimentação é realizada por uma tubulação conectada à planta industrial, com uma entrada de água em linha que permite variar sua consistência e uma bomba usada para variar a pressão na entrada dos hidrociclones. Nas linhas de alimentação, água e aceite, foram instalados medidores de vazão, nas de aceite e alimentação, um medidor diferencial de pressão e nas de alimentação, aceite e rejeito, válvulas para controle de fluxo e amostragem. A Figura 4 representa esquematicamente a unidade piloto L1(comprimento da parte cilindrica do hidociclone) = 45 cm 2- Do (diâmetro do "overflow") = 8,8 cm 3- l (comprimento do "vortex finder") = 13,6cm 4- L (comprimento total do hidrociclone,metade do módulo TC 133) = 123,5 cm 5- D1 (diâmetro da alimentação) = 3,8 cm 6- Du (diâmetro do "underflow") = 1,55cm 7- Alimentação do modulo = 7,6 cm 8- "overflow" = 7,6cm 9- Dc (diâmetro do hidrociclone) = 13 cm 10- Conicidade = 16,44º * 7 e 8 estão sobrepostas 3 4 Figura 3: Twincleaner TC Dimensões características.

4 2 Água ponto de amostragem 2 2 "underflow" Planta Industrial 1 Polpa de Celulose Twincleaner TC Válvula guilhotina 2 - Válvula esfera 3 - Válvula retenção 4 - Medidor de vazão 5 - Medidor diferencial de 6 - Bomba centrífuga pressão pressão ponto de amostragem ponto de amostragem 1 2 "overflow" Figura 4: Equipamento piloto. Métodos Planta Industrial - Depuração Centrífuga: A amostragem foi realizada nas três linhas de material do primeiro estágio da depuração centrífuga: alimentação, overflow e underflow. Neste material coletado foram determinadas a quantidade de areia presente e a consistência em cada linha. A polpa de celulose alimentada na planta industrial, composta de fibra longa de celulose, apresentava consistência entre 1,2 e 1,7 %. O diferencial de pressão entre a alimentação e o aceite estava em torno de 1,5 bar e a razão de líquido média igual a 12 %. Unidade Piloto: A operação da unidade piloto era feita do seguinte modo: após aberta a válvula de alimentação, conectada à planta industrial, ajustava-se as vazões de polpa de celulose e de água, mantendo a vazão de alimentação em torno de 74 m 3 /h, o diferencial de pressão de 1 bar e temperatura igual à 60ºC. Estabelecido o regime contínuo, eram coletadas amostras dos fluxos de alimentação, overflow e underflow. A vazão de amostragem era 1% da vazão do equipamento para evitar que esta interferisse na operação deste. Foram variados os valores de vazão de polpa de celulose e de água, com objetivo de encontrar a consistência de alimentação, que resultasse na melhor eficiência de coleta da areia. Para caracterizar os fluxos de massa da planta industrial e do equipamento piloto, foram realizados as seguintes análises: - Consistência (Cw %): Teor de sólidos em suspensão (Tappi T240 om, 1998). - Teor de areia (Csw %) (Tappi 618 cm, 1984). - Classificador de fibras Bauer-McNett: classificação de partículas utilizando peneiras (TAPPI T 233 cm,1995). RESULTADOS E DISCUSSÃO Classificação de Fibras Quanto ao Tamanho Planta Industrial - Depuração Centrífuga: A Figura 5 que ilustra a classificação de fibras, realizada com as amostras da planta industrial no classificador Bauer-McNett, mostra a distribuição acumulativa de polpa de celulose em função do diâmetro médio da peneiras do classificador.

5 Fração Acumulativa 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Cw = 1,61% P = 1,52 bar 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 d# (mm) ALIMENTAÇÃO "OVERFLOW" "UNDERFLOW" Figura 5 - Distribuição acumulativa de polpa de celulose em função do diâmetro médio de peneiras do classificador Bauer-McNett - Planta Industrial Com os resultados das distribuições acumulativas de polpa de celulose, testou-se alguns modelos matemáticos da literatura. A Tabela 1 mostra um comparativo entre os modelos Rosin-Rammler-Bennet (RRB) e Gates- Gaudin-Shuman (GGS) aplicados à classificação de fibras das linhas de alimentação e underflow, nas diversas consistências Tabela 1: Modelos GGS e RRB - Industrial Cw % Fluxo R 2 Teste F 1,25 1,42 1,57 1,61 1,78 GGS 0, ,2 RRB 0, ,4 GGS 0, ,6 RRB 0, ,0 GGS 0, ,5 RRB 0, ,9 GGS 0, ,0 RRB 0, ,6 GGS 0, ,8 RRB 0, ,7 Quanto mais próximo de 1 o valor de R 2 e maior o valor do teste F, melhor será o ajuste do modelo aos dados experimentais. Pela Tabela 1 observa-se que o modelo que melhor se ajusta à classificação de fibras é o GGS, representado pela Equação 1: m D X (1) k onde X é a fração acumulativa de polpa de celulose, D é o tamanho característico da partícula, neste caso é o comprimento da fibra e é igual ao diâmetro de abertura da peneira (d#). Os parâmetros m e k do modelo são determinados a partir dos dados experimentais. A Tabela 2 apresenta os parâmetros do modelo GGS para os dados das correntes de alimentação e underflow da planta industrial, nas diversas consistências. Tabela 2: Modelo GGS Parâmetros Cw % Fluxo m (adm) k (mm) 1,25 1,42 1,57 1,61 1,78 alimentação 0,575 3,756 underflow 0,608 2,345 alimentação 0,389 4,892 underflow 0,316 5,638 alimentação 0,533 2,558 underflow 0,543 2,887 alimentação 0,499 4,788 underflow 0,543 3,236 alimentação 0,921 2,457 underflow 0,400 6,236 Equipamento Piloto: A Figura 6 ilustra a classificação de fibras, realizada com as amostras do equipamento piloto no classificador Bauer-McNett, mostra a distribuição acumulativa de polpa de celulose em função do diâmetro médio de peneiras do classificador.

6 Fração Acumulativa 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Cw = 0,86% P = 1 bar 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 d# (mm) ALIMENTAÇÃO "OVERFLOW" "UNDERFLOW" Figura 6 - Distribuição acumulativa de fibras de celulose em função do diâmetro médio de peneiras do classificador Bauer-McNett - Equipamento Piloto A Tabela 3 apresenta uma comparação entre os modelos Rosin-Rammler-Bennet (RRB) e Gates-Gaudin-Shuman (GGS) aplicados à classificação de fibras das linhas de alimentação e underflow, para as amostras do equipamento piloto, nas diversas consistências. O modelo GGS também forneceu o melhor ajuste para estas amostras. Tabela 3: Modelos GGS e RRB - Piloto Cw % Fluxo R 2 Teste F 1,15 1,05 0,86 0,63 0,54 GGS 0, ,2 RRB 0, ,0 GGS 0, ,0 RRB 0, ,1 GGS 0, ,9 RRB 0, ,1 GGS 0, ,5 RRB 0, ,2 GGS 0, ,7 RRB 0, ,2 A Tabela 4 apresenta os parâmetros do modelo GGS encontrados para as correntes de alimentação e underflow, considerando cada valor de consistência. Tabela 4: Modelo GGS - Parâmetros Cw % Fluxo m k 1,15 1,05 0,86 0,63 0,54 0,5 alimentação 0,3175 4,6317 underflow 0,2750 5,4244 alimentação 0,5598 5,4612 underflow 0,7986 2,8315 alimentação 0,4459 1,4849 underflow 0,5907 1,9330 alimentação 0,5838 4,2762 underflow 0,5342 4,5741 alimentação 0,5526 4,8242 underflow 0,4641 6,8243 alimentação 0,6348 1,9251 underflow 0, ,248 Analisando os resultados da distribuição de tamanhos, para planta industrial e para o equipamento piloto, observa-se que a composição das três correntes: alimentação, overflow e underflow são semelhantes. Portanto existem fibras boas que são rejeitadas, este fato justifica a existência de estágios subsequentes para recuperação destas fibras.

7 Et % Et % Influência da Consistência de Alimentação na Eficiência de Separação da areia Cálculo da Eficiência de Separação da Areia (Et%): Após a medida da porcentagem de areia contida em cada uma da três correntes: alimentação, overflow e underflow, obtêm-se a massa de areia alimentada e a massa de areia separada no rejeito de acordo com a Equação 2: w = (Cw%/100) x Qv x x (Cws%/100) (2) Com estes valores de vazão mássica a eficiência de separação de areia é calculada pela Equação 3. wu Et (3) w Planta Industrial- Depuração Centrífuga: A consistência da alimentação é o parâmetro operacional mais importante, na obtenção da eficiência de separação da areia. A este parâmetro estão ligados outros parâmetros operacionais: vazão de alimentação, diferencial de pressão entre alimentação e o overflow e razão de líquido. A Figura 7 apresenta os resultados da eficiência de separação da areia da planta industrial para diferentes valores de consistência, diferencial de pressão em torno de 1,5 bar e razão de líquido (RL) média igual a 12 % ,80 1,78 1,61 1,57 1,42 1,25 C O N S I S T Ê N C I A % Figura 7: Eficiência de separação - Planta Industrial. Como podemos observar existe instabilidade de operação da planta industrial. Esta instabilidade pode ser provocada por alguns fatores operacionais, como problemas nos processos anteriores à depuração, mas um fator importante é o entupimento dos hidrociclones. Este entupimento ocorre devido aos altos valores de consistência empregados na depuração centrífuga, levando a uma diminuição do número de hidrociclones efetivos no estágio. Deste modo, ocorre um aumento excessivo da vazão para os hidrociclones não entupidos, fazendo com que o equipamento funcione apenas como um separador de fluxo. Unidade Piloto: Na unidade piloto variou-se a consistência da alimentação entre um máximo (1,41%) e um mínimo (0,49%), valores estes permitidos industrialmente. Determinou-se então, como a eficiência varia com a consistência fixando o diferencial de pressão em 1 bar. Este baixo valor do diferencial de pressão, que foi limitado pelo equipamento piloto, levou a baixas eficiências de separação. A Figura 8 apresenta os resultados da eficiência de separação da areia no equipamento piloto para diferentes valores de consistência, diferencial de pressão em torno de 1 bar e RL médio igual á 4 %. 9,6 8 6,4 4,8 3,2 1,6 0 1,41 1,32 1,15 1,15 1,05 1,01 0,86 0,86 0,63 0,55 0,54 0,5 0,5 0,49 C O N S I S T Ê N C I A % Figura 8: Eficiência de separação - Equipamento Piloto. Observa-se, nesta Figura, que existe uma região de maior eficiência para a separação de

8 areia, correspondendo a uma consistência em torno de 0,8 %. As Figuras 7 e 8 não podem ser comparadas, quando se analisa eficiência de coleta. Isto, porque as condições operacionais da planta industrial, devido à limitações do equipamento piloto, não puderam ser reproduzidas. CONCLUSÕES Classificação de Fibras Quanto ao Tamanho Observando-se as curvas resultantes da classificação de fibras realizadas com as amostras da planta industrial e do equipamento piloto, no classificador Bauer-McNett, nota-se que as curvas paras as três linhas: alimentação, underflow, overflow são equivalentes. Isto confirma a utilização de estágios adicionais ao primeiro, na depuração centrífuga, com o objetivo de recuperar fibras que são rejeitadas. Verifica-se também que as partículas mais densas que as fibras de celulose não estão sendo separadas. Planta Industrial - Depuração Centrífuga O perfil apresentado na Figura 7 demostra a instabilidade de operação da planta industrial. Os processos anteriores à depuração transmitem as suas variações de fluxo para este processo. Um fator de aumento desta instabilidade operacional é o entupimento dos módulos de hidrociclones, isto devido aos altos valores de consistência empregados na depuração centrífuga. Este entupimento acarreta diminuição do número efetivo de hidrociclones em cada estágio, causando um aumento excessivo da vazão para os hidrociclones não entupidos, fazendo com que o equipamento funcione apenas como um separador de fluxo e que a polpa forme um emaranhado de fibras que carregam areia. Como a vazão do overflow é maior nestas condições, a areia segue junto com este fluxo. pico para a eficiência de separação de areia, que corresponde a uma consistência em torno de 0,8 %. Este valor de consistência seria o ideal para a planta industrial, nas mesmas condições de diferencial de pressão e RL do equipamento piloto. NOMENCLATURA Cw - Porcentagem de sólidos presentes na suspensão alimentada(consistência). Cws - porcentagem de areia na corrente de alimentação D - Tamanho característico da partícula, mm. d# - Diâmetro de abertura da peneira, mm. k - Parâmetro empírico, mm. m - Parâmetro empírico, adimensional - densidade da suspensão g/cm 3 Qv - vazão volumétrica alimentada m 3 /h X - Fração acumulativa de polpa de celulose. w - vazão mássica de areia alimentada ton/h wu - vazão mássica de areia no underflow ton/h REFERÊNCIAS HAGEMEYER, R. W and MANSON, D. W., (1992), Pulp and Paper Manufacture- Stock Preparation, v.6. The joint texbook comunit of the paper industry,pp TAPPI TESTE METHODS, (1984), Cal Industrial-618 cm., Atlanta, Geórgia, U.S.A TAPPI TESTE METHODS., (1985), POLPAS- Classificação de Fibras Bauer-McNet-T233 cm, Atlanta, Geórgia, U.S.A TAPPI TESTE METHODS, (1988), POLPAS- Teor seco, consistência T 240-om Atlanta, Geórgia, U.S.A Equipamento Piloto Com o equipamento piloto obteve-se o comportamento da eficiência de coleta quando é variada a consistência. Este comportamento é visto na Figura 8. Observa-se que existe um