Modelização de um digestor contínuo de cozimento kraft

Abstract

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.

Paper is present in everyday life of human society with a wide range of functions from product packing to personal hygiene. But it especially is a privileged means of recording and transmission of knowledge. The permanent advances of information technology have not dismissed paper from this prominent position but rather have incremented its consumption. Everything indicates that the pulp and paper industry will strengthen more and more and keep its relevant role in worldwide economy and, at a more local level, in European and Portuguese economies. This economical importance possibly explains the considerable scienti c investment in this area in the last decades. It is indispensable to understand better the complex processes for pulp and paper production in order to make this industry even more competitive. As part of that global e ort, this thesis aims at contributing to increase the knowledge about the most important chemical process of pulp production. In fact, this dissertation concerns the kraft cooking transforming wood to raw pulp. It consists of the modeling and computational simulation of the key piece of equipment of a pulp mill: the digester. Notwithstanding the fact that this thesis title suggests the exclusive study of continuous digesters, the work has been extended in order to also cover the discontinuous operation. Indeed, in addition to the model of a continuous digester, a second model was created, this time of a batch digester. In the rst phase, the transient model of a continuous digester and of its mill environment was developed. The digester under study was a single vessel hydraulic digester located at the Setúbal site of the grupo Portucel-Soporcel. This common type of pulp digesters corresponds to about 67% of the continuous digesters worldwide and it is equipped with the so-called isothermal cooking ITC . The heterogeneous model takes into consideration three di erent phases: the solid matrix of wood, the entrapped liquid in the porous of wood chips, and the free liquid where the chips are immersed. It regards each of these three phases as being homogeneous in each axial position of the digester, that is, it is a unidimensional model. The model comprises fteen state variables to describe composition and temperature of each phase along the reactor. It considers that the solid matrix is formed by three organic species (lignin, cellulose and hemicellulose) and that this materials also appear dissolved in both liquors. Besides, the inorganic reactants (e ective alkali and hidrogenosul de ion), together with the temperatures of both the free liquid and the chips are considered. Additionally, the model predicts an extensive number of other variables that are important from an industrial point of view (kappa number, yield, solids content) as they furnish interesting auxiliary information, some of them being even indispensable to compute the state variables (interstitial velocity of the liquid, velocity of the chips bed, liquid and solid ows, porosities of the bed and of the chips, volumic masses of the free and entrapped liquids, residence time, dead load and extractables, individual and collective rates of reaction and of mass transfer). A steady-state version of this model was subsequently implemented in a computer program. The study about the performance of the simulator was made for Eucalyptus globulus, a hardwood, since it is the species almost exclusively processed at the mill. The kinetic model proposed previously by Nóbrega e Castro (1997) was used after a readjustment of kinetic parameters based on information from the industrial unit. The study performed reveals that the simulator captures quite well the behavior of the real digester not only in static operating scenarios but also in what concerns the sensitivity to the di erent operating conditions. The model exhibits great accuracy in predicting the thermal behavior of the digester as well as in the evolutive description of the deligni cation process from the top until the digester base. The model answer in terms of sensitivity to the main operating conditions is excellent, in spite of a very light excess relatively to the alkaline charge under constant relative alkali distribution. Based on the performance of the simulator created, it is possible to antecipate promising advantages that can result from its application: either from a perspective of operating conditions optimization or in a future aplication of model predictive control to the digester. In parallel, the present work tackles the problem of the pulp heterogeneity that largely conditions pulp quality. This was carried out by way of an unidimensional intraparticular heterogeneous model that takes into account the transport phenomena occurring inside the chips as well as between them and the free liquid, along the cooking process. The system modeled is a discontinuous digester which, therefore, operates in transient mode where the free liquid is under permanent recirculation. In order to exemplify the model capabilities, the kinetic model proposed by Mirams e Nguyen (1996) was used. However, the digester model was developed in a general way to handle any kinetic law. It is noteworthy that the computational code is also able to accommodate any kinetic model, independently of the number of organic and inorganic species it uses. This digester model represents a new perspective of the intraparticular phenomena that occurs along the cooking of the wood. Besides the intraparticular di usion, usually considered, it also takes into account the phenomenon of intraparticular convection. The permanent degradation of the solid matrix of the immersed wood chips provokes a liquid ow from the outside into the chips, lling up the void created as a result of the chemical reactions. This work suggests the use of a convective term that is dependent of the chemical reaction rate and develops a mechanistic way of quantifying such dependency. Although the di usion is the main phenomenon in the wood cooking, the convective ow is not insigni cant relatively to the total ow. A comparison of the performance of the model purely di usional (proposed previously by several authors) and the convective model (suggested in this work) reveals that the rst, relatively to the second, overestimates the heterogeneity of the pulp. The ability to account for the convection induced by the increase in chip porosity allows to describe the process in a way that is more realistic and potentially more accurate. Besides considering the convection originated indirectly by chemical reaction, the proposed model is also able to handle a size distribution of chips. That is, it can consider the coexistence of chips with di erent dimensions, present in (eventually) di erent amounts, in a simultaneous cooking inside the same digester which is what happens in the industrial cooking process. From this study it was possible to conclude that the main source of heterogeneity of the pulp is not the limitations associated with intraparticular transport phenomena, but rather the size distribution of wood chips that enter the digester. The assumption that all the chips have the same thickness (given by the weighted average thickness of all the chips) completely disguises the degree of pulp heterogeneity predicted by an intraparticular model, resulting in values that do not match the ones obtained if that assumption is not made. Based on the heterogeneity of the industrial chips, it is essential to incorporate the size distribution in order to achieve an acceptable prediction of the degree of pulp uniformity.