WELLINGTON PEREIRA SANTOS
AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DE DIFERENTES DISCOS DE REFINAÇÃO EM POLPA KRAFT DE PINUS
Monografia apresentada à Universidade Federal de Viçosa, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação Lato Sensu em Tecnologia de Celulose e Papel, para obtenção do título de Especialista.
VIÇOSA MINAS GERAIS – BRASIL
2013
WELLINGTON PEREIRA SANTOS
AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DE DIFERENTES DISCOS DE REFINAÇÃO EM POLPA KRAFT
Monografia apresentada à Universidade Federal de Viçosa, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação Lato Sensu em Tecnologia de Celulose e Papel, para obtenção do título de Especialista.
Aprovada: 20 de Dezembro de 2013
Prof. Dra. Ann Honor Mounteer (Co-orientador)
Prof. Dr. Alfredo Mokfienski (Co-orientador)
Prof. Ph D. Rubens Chaves de Oliveira (Orientador)
ii
Dedico esta obra à minha Mulher Única e esposa Flávia, pelo
seu apoio incondicional, sua compreensão e paciência para me
ajudar a concluir tão importante etapa da minha vida
profissional; e à minha filha Rebeca, que com seu sorriso, e
suas demonstrações de afeto me deram forças para nunca
desistir e sempre seguir em frente.
iii
AGRADECIMENTOS
À Deus, porque sem Ele, eu sou nada. E com Ele, eu posso tudo;
Aos meus pais e irmãos, pelo incentivo em seguir esta jornada;
A MWV Rigesa, por acreditar e confiar em mim;
Aos meus funcionários da MP-4 e colegas de trabalho, que me ensinam todos
os dias a ser uma pessoa melhor.
iv
CONTEÚDO
Página
LISTA DE QUADROS .............................................................................................. vi LISTA DE FIGURAS ............................................................................................... vii RESUMO ................................................................................................................... x ABSTRACT ............................................................................................................. xii 1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 1 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................ 4�
2.1 CONCEITOS BÁSICOS SOBRE REFINAÇÃO............................................... 4�2.2 TEORIAS DE REFINAÇÃO ............................................................................ 9�
2.2.1 – TEORIA DA POTÊNCIA ESPECÍFICA DE CORTE ............................ 10�2.2.2 – TEORIA DA POTÊNCIA DA SUPERFÍCIE ESPECÍFICA................... 14�2.2.3 – TEORIA DA FREQUENCIA E INTENSIDADE ................................... 16�2.2.4 – TEORIA DO FATOR C ......................................................................... 17
3. MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................. 19�
3.1 MATERIAL .................................................................................................... 19�3.2 MÉTODOS ..................................................................................................... 21�
3.2.1 PLANO DE AMOSTRAGEM .................................................................. 21�3.2.2 AVALIAÇÃO DE PROPRIEDADES DA POLPA E FOLHAS
DE LABORATÓRIO ..................................................................................... 22�3.2.3 AVALIAÇÃO DOS RESULTADOS OBTIDOS ...................................... 23
v
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ........................................................................... 24�4.1 DESENVOLVIMENTO DAS PROPRIEDADES DA POLPA ........................ 24�
4.1.1 DRENABILIDADE .................................................................................. 24�4.1.2 ÍNDICE DE RETENÇÃO DE ÁGUA ....................................................... 26�4.1.3 ANÁLISE VISUAL VIA MICROSCÓPIO ELETRÔNICO ...................... 28�
4.2 DESENVOLVIMENTO DAS PROPRIEDADES DA FOLHA ....................... 32�4.2.1 GRÁFICOS DO DESENVOLVIMENTO DAS
PROPRIEDADES FÍSICAS ESCOLHIDAS PARA ANÁLISE – LINHA BASE ................................................................................................ 32�
4.2.2 GRÁFICOS DO GANHO DESEMPENHO DAS PROPRIEDADE FÍSICAS PARA ENERGIAS ESPECÍFICAS PRÉ-DETERMINADAS – LINHA BASE ............................................................. 34�
4.2.3 GRÁFICOS DO DESENVOLVIMENTO DAS PROPRIEDADES FÍSICAS ESCOLHIDAS PARA ANÁLISE – LINHA CAPA ............................................................................................... 36�
4.2.4 GRÁFICOS DO GANHO DESEMPENHO DAS PROPRIEDADE FÍSICAS PARA ENERGIAS ESPECÍFICAS PRÉ-DETERMINADAS – LINHA CAPA ............................................................. 38�
4.2.5 EQUAÇÕES E COEFICIENTES DE DETERMINAÇÃO ........................ 40�4.2.6 COMPARATIVO DO DESEMPENHO ENTRE DISCOS DA
LINHA CAPA E LINHA BASE .................................................................... 41 5. CONCLUSÕES .................................................................................................... 42�
vi
LISTA DE QUADROS
Página
Quadro 1 – Dados típicos de refinação de polpas químicas (fornecedor de máquinas e equipamentos "A") ................................................................................... 8� Quadro 2 – Dados típicos de refinação de polpas químicas (fornecedor de máquinas e equipamentos "B").................................................................................... 9� Quadro 3 – Caracterização da polpa Kraft alimentada aos refinadores estudados .................................................................................................................. 20� Quadro 4 – Caracterização dos refinadores estudados ............................................... 20� Quadro 5 – Procedimentos baseados nas normas TAPPI para avaliação de folhas formadas em laboratório ................................................................................. 22� Quadro 6 – Coeficientes da equação quadrática para estimação de parâmetros do Refinador #3 – Linha Base ................................................................. 40� Quadro 7 – Coeficientes da equação quadrática para estimação de parâmetros do Refinador #4 – Linha Capa................................................................. 40�
vii
LISTA DE FIGURAS
Página
Figura 1 – Segmentos de disco .................................................................................... 5� Figura 2 – Lâminas fundidas ao segmento de disco ..................................................... 5� Figura 3 – Tratamento mecânico dos feixes de fibras durante trajetória entre as lâminas do estator e do rotor de um refinador .......................................................... 6� Figura 4: Refinador tipo cônico ................................................................................... 7� Figura 5 – Refinador de discos paralelos ..................................................................... 8� Figura 6 – Mapa das inter-relações das principais variáveis que afetam o resultado final da refinação ......................................................................................... 9� Figura 7 – Desenho esquemático de um segmento de disco ....................................... 12� Figura 8 – Esquema simplificado do sistema de refinação ......................................... 19� Figura 9 – Desenvolvimento da drenabilidade em função da energia específica aplicada (Refinador #3 – Linha Base) ....................................................... 25� Figura 10 – Desenvolvimento da drenabilidade em função da energia específica aplicada (Refinador #4 – Linha Capa) ....................................................... 25� Figura 11 – Desenvolvimento do índice de retenção de água em função da energia específica aplicada (Refinador #3 – Linha Base) ........................................... 27�
viii
Figura 12 – Desenvolvimento do índice de retenção de água em função da energia específica aplicada (Refinador #4 – Linha Capa) .......................................... 27� Figura 13 – Amostra em branco da polpa alimentada aos refinadores estudados .................................................................................................................. 29� Figura 14 – Fotografia da polpa coletada no Refinador #3 - Linha Base, 450 KW @ 2400 L/min, PEC = 0,5 Ws/m ....................................................................... 29� Figura 15 – Fotografia da polpa coletada no Refinador #3 - Linha Base, 600 KW @ 3500 L/min, PEC = 0,8 Ws/m ....................................................................... 29� Figura 16 – Fotografia da polpa coletada no Refinador #3 - Linha Base, 850 KW @ 3500 L/min, PEC = 1,2 Ws/m ....................................................................... 30� Figura 17 – Fotografia da polpa coletada no Refinador #3 - Linha Base, 1000 KW @ 3500 L/min, PEC = 1,5 Ws/m ............................................................... 30� Figura 18 – Fotografia da polpa coletada no Refinador #4 - Linha Capa, 650 KW @ 3000 L/min, PEC = 2,0 Ws/m ....................................................................... 30� Figura 19 – Fotografia da polpa coletada no Refinador #4 - Linha Capa, 770 KW @ 3000 L/min, PEC = 2,0 Ws/m ....................................................................... 31� Figura 20 – Fotografia da polpa coletada no Refinador #4 - Linha Capa, 900 KW @ 3000 L/min, PEC = 2,0 Ws/m ....................................................................... 31� Figura 21 – Desenvolvimento do índice de SCT em função da energia específica aplicada (Refinador #3 – Linha Base) ....................................................... 32� Figura 22 – Desenvolvimento do índice de RCT em função da energia específica aplicada (Refinador #3 – Linha Base) ....................................................... 33� Figura 23 – Desenvolvimento do índice de Tração em função da energia específica aplicada (Refinador #3 – Linha Base) ....................................................... 33� Figura 24 – Ganho de desempenho em propriedades físicas para o Refinador #3 – Linha Base, operando à potência aplicada de 80 KWh/ton ................................. 34� Figura 25 – Ganho de desempenho em propriedades físicas para o Refinador #3 – Linha Base, operando à potência aplicada de 140 KWh/ton ............................... 35� Figura 26 – Desenvolvimento do índice de SCT em função da energia específica aplicada (Refinador #4 – Linha Capa) ....................................................... 36� Figura 27 – Desenvolvimento do índice de RCT em função da energia específica aplicada (Refinador #4 – Linha Capa) ....................................................... 37� Figura 28 – Desenvolvimento do índice de Tração em função da energia específica aplicada (Refinador #4 – Linha Capa) ....................................................... 37�
ix
Figura 29 – Ganho de desempenho em propriedades físicas para o Refinador #4 – Linha Capa, operando à potência aplicada de 80 KWh/ton ................................ 38� Figura 30 – Ganho de desempenho em propriedades físicas para o Refinador #4 – Linha Capa, operando à potência aplicada de 140 KWh/ton .............................. 39�
x
RESUMO
SANTOS, Wellington Pereira, Esp., Universidade Federal de Viçosa, dezembro de 2013. Avaliação da influência de diferentes discos de refinação em polpa kraft de pinus. Orientador: Prof. Ph D. Rubens Chaves de Oliveira. Co-orientadores: Prof. Dra. Ann Honor Mounteer, Prof. Dr. Alfredo Mokfienski
O Projeto de Expansão da MWV Rigesa no Brasil, entre os anos de 2010 e
2013 foi responsável pelo significativo aporte financeiro de recursos, dos quais cerca
de 25% em uma moderna máquina para produção de papéis kraftliner de alta
performance (MP-4). Somou-se a este investimento o desafio de utilizar também
fibras de origem reciclada (OCC) no processo de fabricação de papel, e a premissa
da redução de gramatura, mantendo os níveis de desempenho nas fabricas
convertedoras. Para endereçar soluções para este desafio, foram instalados
refinadores existentes na planta com desenhos de discos bastante conhecidos da
operação, para o tratamento da fração de fibras longas virgens (polpa Kraft de
pinus). Estes discos foram amplamente utilizados até então na fabricação de papéis
kraftliner em uma máquina já existente (MP-3). Para completar o sistema de
refinação da MP-4, novos refinadores e novos desenhos de discos foram adquiridos
e surgiu a necessidade de uma avaliação rigorosa para a medição do desempenho dos
diferentes discos de refinação empregados, que deveria servir para trabalhos futuros
de otimização de desenhos de discos. A disponibilidade de métodos simples para a
realização desta avaliação é relativamente fácil de ser encontrada e está baseada no
xi
emprego de teorias de refinação. Neste estudo, a Teoria da Potência Específica de
Corte foi empregada na comparação entre refinadores com discos de refinação com
diferentes intensidades de refinação e operando à mesma potência específica
aplicada. Os resultados demonstraram que, o refinador com menores intensidades de
refino (máximo 1,5 Ws/m) e potência aplicada de 140 KWh/ton obteve ganho de
propriedades físicas de 86% para SCT, 48% para RCT e 129% para Tração
(comparado com amostra em branco). Resultados superiores ao refinador operando
com maiores intensidades de refino (máximo 3,0 Ws/m), que conseguiu desenvolver
ganhos de 68% para SCT, 37% para RCT e 106% para Tração. Os número obtidos
também revelam que existem oportunidades para otimização de ambos os discos de
refinação através da alteração do comprimento das lâminas de corte, para que haja
maximização da relação custo com energia elétrica e benefícios em termos de
aumento de propriedades físicas.
Palavras-chave: polpa Kraft de pinus; teorias de refinação; potência específica de corte;
testes físicos em papel.
xii
ABSTRACT
SANTOS, Wellington Pereira, Esp., Universidade Federal de Viçosa, December 2013. Evaluation of the influence of different disc refiners on pine kraft pulp. Adviser: Rubens Chaves de Oliveira. Committee Members: Ann Honor Mounteer, Alfredo Mokfienski
The MWV Rigesa Expansion Project at Brazil, between 2010 and 2013 was
responsible for significant financial contribution of funds, of which approximately
25% of total investment on a modern machine for the production of high
performance kraftliner (PM#4). In addition of such big investment, the challenge of
recycled fiber (OCC) source usage in the papermaking process, and the premise of
reducing basis weight while keeping performance levels at box plants. To address
solutions to this challenge, existing refiners were installed with disc refiners very
known from operations team, in order to deal with the virgin fiber fraction
(softwood pine kraft) . These discs have been widely used so far in manufacturing
kraftliner on an existing machine (PM#3). To complete the PM#4 refining system,
new styles for disc refiners and new equipment were acquired and the need arose for
a thorough evaluation to measure the performance of different discs refiners, which
is intended for future work on optimization of disc styles. The availability of simple
methods for conducting this evaluation is relatively easy to find and is based on so-
called refining theories. In this study, the Specific Edge Load Theory was applied in
order to compare the performance of refiners with different refining intensity disc
xiii
styles installed, keeping the same net energy applied . The results showed that the
refiner at lower refining intensity (1.5 Ws/m maximum) and net energy of 140
KWh/ton achieved a physical properties performance improvement of 86% on SCT,
48% on RCT, and 129 % on Tensile (compared against unrefined sample). Those
results were better than the refiner operating at higher refining intensity (3.0 Ws/m
maximum) , which achieved the following performance improvement: 68 % on SCT,
37% on RCT and 106 % on Tensile. The results also reveal that there are
opportunities for optimization of both the refining discs by changing the cutting
edge length, looking for cost benefit ratio maximization, by reducing electrical
energy applied and physical properties improvement.
Keywords: pine Kraft pulp; refining theory; specific edge load; kraftliner physical tests.
1
1. INTRODUÇÃO
Em meados do ano de 2010, a Rigesa, fabricante de papéis e embalagens de
papelão ondulado e, subsidiária da empresa norte-americana MWV no Brasil, deu um
importante passo rumo à trajetória de crescimento da MWV na América Latina: trata-se
do início das obras do Projeto de Expansão da Rigesa, na cidade de Três Barras-SC, que
foi concluído em outubro de 2013 quando o último dos ativos previstos em projeto
(Forno de Cal No. 2) iniciou sua produção após a fase de comissionamentos.
Do total de investimentos realizados neste Projeto de Expansão, cerca de 25%
dos recursos foram destinados à instalação da mais moderna máquina de papel kraftliner
do Brasil, e seus processos adjacentes, como sistema de engrossamento de refugos e
clarificação de água.
A nova máquina de papel instalada, chamada de MP-4, teve seu início de
produção em 03/08/2012, com a produção dos primeiros rolos jumbos.
O projeto de operação desta máquina previa não somente o uso de fibras virgens
em seu processo de fabricação, mas também a adoção de fibras provenientes de material
a ser reciclado, chamado de aparas ou OCC (do inglês: old corrugated container).
Além disso, parte da estratégia da empresa com o advento do Projeto de
Expansão, era o de promover reduções significativas de gramatura dos papéis a serem
produzidos, mantendo as especificações de produto para os principais testes de
resistência físico-mecânica destes papéis.
Portanto, um cenário desafiador para a engenharia de processos deste projeto
havia sido formado:
2
- nova máquina, com inovações em seus processos de formação da folha;
- novas matérias-primas, com alterações em características de cozimento das
fibras virgens;
- novos produtos (redução de gramatura), com manutenção das propriedades
físico-mecânicas dos papéis;
Neste contexto, dos três grupos de variáveis acima, dois deles estavam definidos
e havia pouco ou nada a ser possível de alterar – o projeto da máquina estava
consolidado, os processos de cozimento foram adequados ao novo balanço mássico e
energético da planta ampliada. Restava a exploração dos recursos que estariam a
disposição para tratar adequadamente as matérias-primas para a fabricação da nova
linha de papéis. Mais especificamente, os recursos a serem explorados estavam
concentrados no sistema de refinação da MP-4.
Na MP-4, a fração de fibras virgens a ser utilizada foi considerada em projeto
apenas as fibras provenientes da polpa Kraft não branqueada de pinus, que são
normalmente conhecidas como fibras longas ou de softwood.
A experiência da Rigesa em Três Barras-SC, com outra máquina de papel, a MP-
3 que, até o advento da MP-4 era a máquina que produziu a linha de papéis kraftliner da
empresa, era até então bastante vasta no sentido de conhecer a refinação de polpa de
fibras longas, inclusive com desenhos de discos utilizados por anos na MP-3 com
grande sucesso.
Esta história de sucesso levou à liderança do Projeto de Expansão à adotar na
MP-4, parte dos refinadores disponibilizados pela MP-3 e parte sendo novos refinadores
(com novos desenhos de discos) baseado nas análises de engenharia de processos do
projeto. Sendo que a proposta dos novos discos de refinadores trazida pelo Projeto de
Expansão possuía desenho bastante diferente do que aquele usado até então pela MP-3.
Portanto, estava tornando-se claro que um objetivo a ser alcançado era o do
desenvolvimento adequado das resistências de polpa de fibras longas, que é maior em
condições de refino de menor intensidade, mas esta intensidade não deve ser muito
baixa porque as fibras longas requerem um nível adequado de forças dentro de um
refinador para serem tratadas e então disponibilizar seus sítios de ligação.
A partir desta demanda, este trabalho teve como objetivo, procedimentar uma
análise de engenharia estruturada, de tal maneira que fornecesse subsídios consistentes
para tomada de decisões envolvendo escolha de discos de refinadores, utilizando como
3
fundamento uma das principais teorias de refinação desenvolvidas até o momento – a
Teoria da Potência Específica de Corte, conhecida pela facilidade de uso pelo papeleiro.
O sistema de refinação da MP-4 da unidade de Três Barras-SC da MWV Rigesa,
foi utilizado como base para o estudo de caso apresentado.
4
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 CONCEITOS BÁSICOS SOBRE REFINAÇÃO
Refinação (ou moagem) de polpas químicas é uma importante operação unitária
que consiste num tratamento mecânico e modificação das fibras de tal maneira que um
papel ou cartão possa ser produzido de acordo com as características desejadas
(GULLICHSEN, J., FOGELHOLM, C-J., 2000).
O principal objetivo da refinação é o de incrementar a capacidade de ligação
entre fibras de tal maneira que elas possam formar uma rede forte e ao mesmo tempo
com superfície suave desejáveis para uma boa capacidade de impressão (SWINEHART,
2012)
O princípio mais usado para o desenvolvimento das fibras através da refinação é
o tratamento em meio aquoso com lâminas (ou barras) metálicas. Os discos, também
chamados de placas, são formados por segmentos de disco (Figura 1) onde as lâminas
podem ser fundidas ao segmento de disco (Figura 2) ou então soldadas à ele. Um
espaçamento entre as lâminas permite que haja um fluxo da suspensão de água e fibras
para que seja feito o transporte das fibras através das lâminas. O equipamento
responsável então por este tratamento conferido à polpa é chamado de refinador
(SWINEHART, 2012).
5
Figura 1 – Segmentos de disco Fonte: J&L, 2013
Figura 2 – Lâminas fundidas ao segmento de disco Fonte: J&L, 2013 (2)
A montagem dos segmentos de disco se dá em duas partes do refinador: no
estator e no rotor. Uma vez que apenas o rotor possui velocidade angular maior que
zero, a trajetória dos feixes de fibras na suspensão aquosa por entre as lâminas do
estator e rotor é caracterizada por diversas etapas que configuram o tratamento
mecânico das fibras (Figura 3).
6
Figura 3 – Tratamento mecânico dos feixes de fibras durante trajetória entre as lâminas do estator e do rotor de um refinador
Fonte: GULLICHSEN, J., FOGELHOLM, C-J., 2000
Um refinador possui basicamente dois tipos de configuração:
- Refinador do tipo cônico (Figura 4): o ângulo do cone destes refinadores é de
aproximadamente 10 graus e com segmentos com lâminas em geral mais espessas -
traduz-se em maior favorecimento do efeito "corte de fibras". Já no caso do emprego de
segmentos com lâminas mais delgadas este refinador consegue realizar um bom
desenvolvimento de fibras para praticamente todo tipo de matéria-prima. Entretanto,
devido à elevada dificuldade na manutenção destes refinadores (incluindo tempo e custo
para troca de segmentos) e a baixa capacidade de refinação (em termos de produção), o
número de unidades instaladas têm caído signficativamente ao longo dos últimos anos
(GABL et al, 2007);
7
Figura 4: Refinador tipo cônico Fonte: INFOCOM, 2013 (2)
- Refinador do tipo discos paralelos (Figura 5): neste grupo enquadram-se os
refinadores de disco simples, discos duplo e multiplos discos. Os refinadores de discos
simples são normalmente usados para refinação em alta consistência (> 8%) e os
refinadores de multiplos discos são usados para refinação ultra baixa nos últimos
estágios de refinação de polpas mecânicas. Assim, para refinação em baixas
consistências (3,5% - 6,0%) os refinadores de duplo disco são amplamente utilizados
(GABL et al, 2007).
8
Figura 5 – Refinador de discos paralelos Fonte: INFOCOM, 2013
Nos Quadros 1 e 2 são apresentados dados típicos de refinação de polpas
químicas em fábricas de papel, disponibilizados a partir de fornecedores de
equipamentos bastante conhecidos no meio papeleiro, codificados pelas letras A e B.
Quadro 1 – Dados típicos de refinação de polpas químicas (fornecedor de máquinas e equipamentos "A")
Fonte: GULLICHSEN, J., FOGELHOLM, C-J., 2000
Item de especificação Fibras Longas Fibras Curtas
Largura da lâmina 3,0 mm ou maior 2,0 mm
Intensidade de refinação –
medida como Potência
Específica de Corte
1,5 – 4,0 J/m < 1,0 J/m
Intensidade de refinação –
medida como Potência de
Superfície Específica
500 J/m² ou maior < 500 J/m²
Consistência de refinação 3,5 - 4,5% 4,0 - 6,0%
9
Quadro 2 – Dados típicos de refinação de polpas químicas (fornecedor de máquinas e equipamentos "B")
Fonte: GULLICHSEN, J., FOGELHOLM, C-J., 2000
Item de especificação Fibras Longas Fibras Curtas
Largura da lâmina 3,5 – 4,8 mm 2,4 mm – 3,5 mm
Intensidade de refinação –
medida como Potência
Específica de Corte
1,7 – 4,5 J/m 0,5 – 1,5 J/m
Intensidade de refinação –
medida como Potência de
Superfície Específica
370 – 720 J/m² 180 – 360 J/m²
Consistência de refinação 3,5 - 4,5% 4,0% - 5,5%
2.2 TEORIAS DE REFINAÇÃO
Muitas são as variáveis que afetam o resultado final da refinação das fibras
(GHOSH, 2004). O mapa na Figura 6 ilustra as principais variáveis.
Figura 6 – Mapa das inter-relações das principais variáveis que afetam o resultado final da refinação
10
Diversas teorias de refinação foram elaboradas com o objetivo de determinar
qual é o melhor arranjo do sistema de refinação e de controle de refino das fibras e
determinar a melhor condição de operação. O emprego de tais teorias nos remete a mais
de 1 século atrás, no ano de 1887 quando o pioneiro da refinação, JAGENBERG (1887)
introduziu por exemplo os termos "comprimento de corte por segundo" e "área de
moagem", uma vez que naquela época os refinadores eram de fato equipamentos que
faziam a moagem da fibra em batelada. É interessante notar que, ainda hoje, estes dois
termos são objetos de estudo e pesquisa atualmente.
Revisões interessantes e aprofundadas sobre teorias de refinação podem ser
apreciadas a partir da revisão feita por EBELING (1980).
Elemento comum dentre todas as teorias, é de que são independentes da escala
de produção envolvida na planta e podem ser aplicadas seja para refinadores cônicos
seja para refinadores de discos paralelos.
2.2.1 – TEORIA DA POTÊNCIA ESPECÍFICA DE CORTE
Uma das mais conhecidas e amplamente utilizadas teorias de refinação é
conhecida como Teoria da Potência Específica de Corte (do inglês: Specific Edge Load
Theory).
WULTSCH, F. & FLUCHER, W. (1958) introduziram o termo intensidade de
refino como sendo o quociente entre a potência útil do refinador (potência de fato
entregue para a refinação das fibras) e o comprimento de corte por segundo. Foi então
que BRECHT, W. & SIEWERT, W. H. (1966) definiram o termo intensidade de
refinação como Potência Específica de Corte, oito anos mais tarde.
Esta teoria é constituída basicamente de 2 parâmetros que caracterizam a
refinação de polpas. Estes parâmetros informam o quanto as fibras foram tratadas e com
que intensidade.
A energia específica de refinação (EER), quantifica a energia líquida aplicada à
polpa, posui unidades de KWh/ton seca, e é calculada através da equação [1]:
11
CFPnPt
CFPe
EER⋅
−=⋅
= [1]
(%) iaconsistênc(L/min) massa de fluxo
(KW)refinador do load)-no(ou carga sem potência(KW) refinação na absorvida totalpotência
(KW) refino de líquida)(ou efetiva potência
:que em
=====
CF
PnPt
Pe
Já a intensidade de refinação medida como potência específica de corte (PEC)
quantifica a natureza ou tipo de refinação através dos impactos de refinação sobre as
fibras, possui unidades de J/m, e é calculada pela equação [2].
( ) ( ) nlZstZrPe
nLPe
LsPe
PEC⋅⋅⋅
=⋅
== [2]
(km) opostas lâminas entre comum em contato de ocomprimentestator lado no lâminas de número
rotor lado no lâminas de número(1/s) rotação de velocidade
(Km/rev) corte de lâminas das ocompriment(Km/s) lâminas das corte de velocidade
:que em
==
====
lZst
Zr
n
L
Ls
Por inspeção das equações [1] e [2] acima para o cálculo de EER e PEC,
podemos facilmente entender que:
- EER é resultante de variáveis operacionais, ou seja, está sob o controle da
operação da máquina de papel (potência de refinação, vazão e consistência da polpa);
- PEC é resultante de variáveis de projeto dos discos de refinação e do próprio
refinador, uma vez que tanto o desenho dos discos quanto à rotação dos mesmos não
podem ser alterados pela operação da máquina de papel durante a produção.
O comprimento das lâminas de corte, por ser um parâmetro de comparação entre
diferentes tipos de refinadores (discos simples x discos duplos, paralelo x cônico), será
explicado a seguir.
12
Considere a Figura 7, que ilustra um disco composto por 12 diferentes
segmentos, com comprimentos de lâmina conhecido.
Figura 7 – Desenho esquemático de um segmento de disco Fonte: GULLICHSEN, J., FOGELHOLM, C-J., 2000
Ambos, rotor e estator, são feitos de 12 segmentos cada (360º dividido por 30º).
Cada segmento (Figura 7) possui:
- 4 lâminas de 315 mm de comprimento;
- 2 lâminas de 210 mm de comprimento;
- 2 lâminas de 105 mm de comprimento.
Ao término de cada lâmina, definem-se três regiões I1, I2 e I3 de comprimento
100 mm. Sendo que, o comprimento de lâmina contido em cada uma destas zonas é
calculado ela equação [3]:
3,2,1,cos
=iBA
Ii [3]
Quando o rotor gira no interior do refinador, uma revolução fornece o impacto
sobre as fibras entre as lâminas do rotor e estator e pode ser quantificada por zonas,
conforme abaixo:
13
- na zona Z1 = 8 lâminas do estator x 12 setores x 1 estator, vão impactar, cada
uma delas, em 8 lâminas do rotor x 12 setores x 1 rotor, com comprimento de 100 mm
dividido por cos(18º), que é igual à 105 mm (cada lâmina)
- por analogia: Z2 = 6 lâminas do estator x 12 setores x 1 estator, vão impactar,
cada uma delas, em 6 lâminas do rotor x 12 setores x 1 rotor, com comprimento de 100
mm dividido por cos(18º), que é igual à 105 mm (cada lâmina)
- finalmente: Z3 = 4 lâminas do estator x 12 setores x 1 estator, vão impactar,
cada uma delas, em 4 lâminas do rotor x 12 setores x 1 rotor, com comprimento de 100
mm dividido por cos(18º), que é igual à 105 mm (cada lâmina)
Logo, o comprimento das lâminas de corte por zona, é calculado da seguinte
forma:
- para zona Z1 = 96 lâminas do rotor x 96 lâminas do estator x 0,105 m = 967,7
m/rev
- para zona Z2 = 72 lâminas do rotor x 72 lâminas do estator x 0,105 m = 544,3
m/rev
- para zona Z3 = 48 lâminas do rotor x 48 lâminas do estator x 0,105 m = 241,9
m/rev
Sendo o comprimento total para um disco simples ou refinador cônico, a soma
dos número acima, que resulta em 1,754 Km/rev, ou o dobro deste valor (3,508 Km/rev)
para o caso de um refinador tipo discos duplos.
A partir de sua dedução, é possível verificar que a intensidade de refinação
medida como potência específica de corte (PEC) é uma medida da energia dispensada
por unidade de comprimento de lâminas que se cruzam. Este cálculo apenas indica a
quantidade de energia transferida por cada metro de lâmina que atravessa a polpa dentro
do refinador, ou seja, não dá nenhuma indicação de como as fibras estão recebendo esta
energia líquida.
A Teoria da Potência Específica de Corte é falha ao desconsiderar importantes
fatores que influenciam o resultado da refinação. Exemplos:
- consistência da refinação;
- largura das lâminas;
- condição físico-mecânica dos segmentos de discos.
14
Esta teoria apenas considera o comprimento das lâminas de corte e assume que o
resultado da refinação é independente dos fatores citados acima e até mesmo de outros
fatores não listados anteriormente.
Mesmo assim, esta teoria é muito utilizada em todo o mundo, porque é fácil de
ser aplicada: seus cálculos são simples e todos os fatores envolvidos estão facilmente
disponíveis para o papeleiro ou pesquisador. Os profissionais mais experientes sabem
muito bem que tipo de configuração de discos e intensidade de refino deveriam ser
usadas ou que trazem melhores resultados para certos tipos de polpa à determinadas
consistências, utilizando como orientação os resultados desta teoria.
2.2.2 – TEORIA DA POTÊNCIA DA SUPERFÍCIE ESPECÍFICA
A Teoria da Potência Específica de Corte foi posteriormente aprimorada.
LUMIAINEN (1990) apresentou sua Teoria da Potência da Superfície Específica.
assumindo em seu desenvolvimento que a energia é transferida para os feixes de fibras
durante o contato de curto espaço de tempo entre lâmina e lâmina (estator e rotor) bem
como durante a fase de contato lâmina e superfície.
Ainda de acordo com LUMIAINEN (1990), a refinação (energia líquida
aplicada) é o resultado do número de impactos de refinação e também do conteúdo
energético destes impactos (potência específica de corte). A natureza da refinação
(conteúdo energético) resulta da intensidade (medida como Potência da Superfície
Específica) e comprimento dos impactos de refinação. Por consequência, estes 3 fatores
(número, intensidade, e comprimento dos impactos) descrevem, segundo LUMIAINEN
(1990), a energia específica de refinação (EER), conforme equação [4].
ILPSENIEER ⋅⋅= [4]
Em que:
EER = energia específica de refinação (KJ/Kg)
NI = número dos impactos de refinação (Km/Kg)
PSE = potência da superfície específica (J/m²)
IL = fator de largura da lâmina (m)
15
O número de impactos de refinação é obtido através da divisão entre velocidade
de corte (número de impactos gerados) pelo fluxo mássico seco.
MLs
NI = [5]
Em que:
Ls = velocidade de corte das lâminas (Km/s)
M = fluxo mássico seco (Kg/s)
O comprimento dos impactos de refinação através das barras depende da largura
e dos ângulos de montagem das barras nos discos, conforme equação [6].
( )2/cos1
2 α⋅+= WstWr
IL [6]
Em que:
Wr = largura das lâminas do rotor (m)
Wst = largura das lâminas do estator (m)
α = ângulo de intersecção médio (graus)
Através da comparação de ambas teorias – Potência Específica de Corte e
Potência da Superfície Específica, podemos chegar à conclusão que estas teorias se
relacionam através da equação [7]
IL
PECPSE = [7]
Esta nova teoria substituiu parcialmente as aplicações da Teoria da Potência
Específica de Corte. Esta nova teoria aparenta fornecer resultados bastante bons quando
as lâminas são tão estreitas que os flocos de fibras quando recebem o impacto da
refinação cobrem por completo a superfície das barras. Entretanto, se as lâminas são
estreitas demais, então o efeito de refinação mais pronunciado é o corte das fibras, o que
invalida muitos dos resultados apresentados por esta teoria.
Já a Teoria da Potência Específica de Corte fornece melhores resultados quando
as larguras das lâminas são muito maiores do que o comprimento dos flocos de fibras.
Mesmo que estas duas teorias apresentem pontos fracos em sua aplicação, ambas
oferecem ferramentas muito práticas para seleção de discos ou parâmetros de refinação
em diversas aplicações.
16
2.2.3 – TEORIA DA FREQUENCIA E INTENSIDADE
Ao final da década de 60, DANFORTH (1969) desenvolveu duas expressões
independentes para descrever a refinação, e de acordo com sua teoria, a refinação pode
ser expressa como sendo a função de dois fatores: severidade (S) e número (N) dos
impactos de refino entre as lâminas do refinador. Suas equações estão abaixo.
1KRX
CRPMLsLrN
⋅⋅⋅⋅= [8]
( )
2KCLsLrRPMD
AtHPnHPaS
⋅⋅⋅⋅−= [9]
Em que:
N = número relativo de impactos
S = severidade relativa dos impactos
HPa = potência total aplicada (KW)
HPn = potência no-load (KW)
At = área total da zona de refinação (m²)
Lr = comprimento total das lâminas do rotor (Km)
Ls = comprimento total das lâminas do estator (Km)
D = diâmetro efetivo (m)
RPM = rotações por minuto do motor
C = consistência da polpa (%)
X = comprimento médio de contato das barras (Km)
R = taxa de produção (Kg/h)
K1, K2 = constantes apropriadas
Por inspeção desta teoria, existem muitos fatores que segundo ela, afetam a
refinação, mas existem constantes que não são facilmente obtidas. Por esta razão esta
teoria não é muito utilizada.
17
2.2.4 – TEORIA DO FATOR C
Assim como diversas teorias de refinação, esta teoria está fundamentada no
princípio de que a energia de refinação efetiva pode ser diretamente associada com o
número de impactos e a intensidade (conteúdo energético) de cada impacto, expresso
genericamente da seguinte forma:
INE ⋅= [10]
Em que:
E = energia de refinação efetiva
N = número de impactos
I = intensidade (conteúdo energético) dos impactos
A partir desta premissa, o KEREKES (1990) desenvolveu o chamado Fator C,
que representa a capacidade do refinador impor os impactos de refinação sobre as fibras
que atravessam o refinador. O Fator C conecta:potência aplicada e fluxo mássico com o
número e intensidade de impactos aplicados às fibras.
Resumidamente, número e intensidade de impactos são expressos da seguinte
maneira:
M
C FatorN = [11]
C Fator
PI = [12]
Em que:
M = fluxo mássico (Kg/h)
P = potência líquida aplicada (KWh/ton)
O Fator C propriamente dito é uma função da geometria dos discos, velocidade
de rotação, consistência, comprimento de fibra e coarseness das fibras.
A teoria do Fator C apresenta em sua totalidade 31 equações diversas, contendo
simplificações destas equações e substituição de termos que, por não ser objetivo desta
monografia o estudo aprofundado de teorias de refinação, é deixado ao leitor a
referência para consultas.
18
A teoria do Fator C talvez seja, até a presente data, a mais rigorosa e ampla das
teorias de refinação, que, em sua essência está fundamentada em outras teorias muito
conhecidas como a Potência Específica de Corte e a Potência de Superfície Específica.
Entretanto, devido à complexidade de cálculos muitas vezes requerida, esta teoria não e
amplamente difundida entre os papeleiros.
19
3. MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 MATERIAL
Foram utilizadas amostras coletadas no processo de fabricação de papel
kraftliner da MP-4, fábrica da MWV Rigesa em Três Barras-SC. As coletas (triplicatas)
foram realizadas no Tanque de Fibra Longa Não Refinada (TFLNR), que recebe a polpa
kraft de pinus proveniente da torre de estocagem da planta de polpação. Foram
utilizados amostradores de polpa localizados nas tubulações de massa, onde
normalmente são coletadas as amostras para calibração dos transmissores de
consistência do processo. O TFLNR recebe a polpa com consistência controlada em
torno de 4,0% e alimenta os refinadores das linhas capa e base da máquina de papel, de
acordo com a Figura 8.
Figura 8 – Esquema simplificado do sistema de refinação
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20
O Quadro 3 exibe uma caracterização da polpa coletada.
Quadro 3 – Caracterização da polpa Kraft alimentada aos refinadores estudados
Parâmetro Valor
Número Kappa 105
pH 8,1
Consistência (%) 4,04%
Retenção de Água (WRV) 203%
Drenabilidade (CSF) 750
A caracterização dos refinadores utilizados neste trabalho, encontra-se no
Quadro 4.
Quadro 4 – Caracterização dos refinadores estudados
Identificação do refinador Refinador #3 - Linha Base Refinador #4 - Linha Capa
Fabricante do refinador Voith Andritz (Pilão)
Tipo/Modelo/Tamanho Duplo disco, TF4-E, 42 pol Duplo disco, RTD, 42 pol
Fabricante dos discos Voith Andritz
Desenho dos discos 1,5 x 3,8 mm x 5,0º 5,0 x 5,0 mm x 14,0º
Motor elétrico 1500 KW 1250 KW
RPM 450 514
Potência no-load 180 KW 166 KW
Comprimento total de corte 76,56 Km/rev ou 638 Km/s 29,0 Km/rev ou 248 Km/s
21
3.2 MÉTODOS
3.2.1 PLANO DE AMOSTRAGEM
O plano de amostragem de polpa, que deu origem às curvas de refinação
apresentadas neste trabalho, seguiram a seguinte configuração:
A) Refinador #3, linha base
Etapa A1: Potência total aplicada = 450 KW (PEC=0,5 KWs/m)
- fluxos de polpa pelo refinador = 2400; 2800; 3500; 4500 L/min
Etapa A2: Potência total aplicada = 600 KW (PEC=0,8 KWs/m)
- fluxos de polpa pelo refinador = 2400; 2800; 3500; 4500 L/min
Etapa A3: Potência total aplicada = 850 KW (PEC=1,2 KWs/m)
- fluxos de polpa pelo refinador = 2400; 2800; 3500; 4500 L/min
Etapa A4: Potência total aplicada = 1000 KW (PEC=1,5 KWs/m)
- fluxos de polpa pelo refinador = 2400; 2800; 3500; 4500 L/min
B) Refinador #4, linha capa
Etapa B1: Potência total aplicada = 650 KW (PEC=2,0 KWs/m)
- fluxos de polpa pelo refinador = 2200; 3000; 3400 L/min
Etapa B2: Potência total aplicada = 770 KW (PEC=2,5 KWs/m)
- fluxos de polpa pelo refinador = 2200; 3000; 3400 L/min
Etapa B3: Potência total aplicada = 900 KW (PEC=3,0 KWs/m)
- fluxos de polpa pelo refinador = 2200; 3000; 3400 L/min
22
3.2.2 AVALIAÇÃO DE PROPRIEDADES DA POLPA E FOLHAS DE LABORATÓRIO
Para cada combinação entre intensidade de refinação medida como potência
específica de corte (PEC) e fluxo (refinadores da linha base e linha capa), foram
formadas folhas laboratoriais com aproximadamente 120 g/m² em equipamento de
laboratório tipo TAPPI, e acondicionadas em ambiente climatizado com temperatura
controlada em 23±1º C e umidade relativa do ar controlada em 50±2%.
Os procedimentos utilizados para formação das folhas em laboratório e para a
medição de propriedades físico-mecânicas destas folhas, são documentos internos da
MWV Rigesa em Três Barras, que por sua vez foram elaborados atendendo
rigorosamente as normas TAPPI (1991), conforme Quadro 5.
Quadro 5 – Procedimentos baseados nas normas TAPPI para avaliação da polpa e folhas formadas em laboratório
Procedimento Norma TAPPI
Drenabilidade T 227 om-99
Formação de folhas em laboratório T 205 sp-95
Gramatura T 220 sp-96
Índice de Retenção de Água TAPPI UM 256
Número Kappa T 236 cm-85
Resistência à compressão SCT T 826 om-08
Resistência à passagem do ar (porosidade) T 536 om-96
Resistência à tração e elongação T 494 om-88
Resistência ao esmagamento RCT T 822 om-11
Resistência ao rasgo T 414 om-96
Testes físicos de papéis T 220 sp-96
23
3.2.3 AVALIAÇÃO DOS RESULTADOS OBTIDOS
Para cada intensidade de refino foram construídos gráficos com pares ordenados
do tipo (energia específica aplicada, em KWh/ton; propriedade física), sendo as
propriedades físicas escolhidas para esta avaliação as seguintes listadas abaixo:
- Resistência à compressão SCT (Short-span Compression Test);
- Resistência ao esmagamento RCT (Ring Crush Test);
- Resistência à tração.
Em cada um dos gráficos gerados foram ajustadas curvas de estimação do tipo
linear ou polinomial, conforme o melhor ajuste obtido pelo modelo matemático das
planilhas eletrônicas utilizadas. Todas as análises de dados foram realizadas utilizando-
se a ferramenta Microsoft Excel 2007, em ambiente Windows Vista.
Para o caso dos modelos lineares foram realizadas análises de variância para
determinar se os coeficientes obtidos para os modelos são de fato independentes.
Os resultados obtidos comprovam que, ao nível de significância de 5% os
coeficientes são independentes e portanto foram validados os modelos lineares.
A partir destas curvas de estimação, foram arbitradas interpolações destas
propriedades físicas em todas as intensidades de refino estudadas em: 80 KWh/ton e
140 KWh/ton, que correspondem aos menores e maiores valores típicos de energia de
refinação aplicada durante a operação normal da MP-4 para a fabricação dos diferentes
tipos de papéis produzidos nesta máquina.
Finalmente, gráficos com ganho de propriedades físico-mecânicas em função da
variação da intensidade de refinação foram obtidos e utilizados para as conclusões a
respeito dos resultados obtidos.
24
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 DESENVOLVIMENTO DAS PROPRIEDADES DA POLPA
4.1.1 DRENABILIDADE
Os gráficos das figuras 9 e 10 demonstram como foram desenvolvidas as
propriedades da polpa – drenabilidade (medida em CSF, Canadian Standard Freeness)
e índice de retenção de água (WRV, Water Retention Value), em função da variação da
intensidade de refinação, comparativamente entre discos de refinação de diferentes
configurações.
25
Figura 9 – Desenvolvimento da drenabilidade em função da energia específica aplicada (Refinador #3 – Linha Base)
Figura 10 – Desenvolvimento da drenabilidade em função da energia específica aplicada (Refinador #4 – Linha Capa)
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26
Por inspeção dos gráficos exibidos nas Figuras 9 e 10, podemos perceber
claramente o efeito da diminuição do grau de drenabilidade em ambos os refinadores,
com o aumento da energia específica aplicada.
Também é possível identificar que, no caso do refinador #4 – Linha Capa, o
freeness final alcançado foi de 569 mL; já para o refinador #3 – Linha Base o freeness
final alcançado foi de 623 mL.
Este comportamento nos valores de drenabilidade estão de acordo com o que é
previsto em teoria, uma vez que a intensidade de refinação do refinador #4 – Linha
Capa é maior, devido à configuração do disco empregado.
4.1.2 ÍNDICE DE RETENÇÃO DE ÁGUA
A análise conjunta do Índice de Retenção de Água (WRV) com drenabilidade e
resistência física de folhas formadas em laboratório pode fornecer informações valiosas
com relação à qualidade da refinação aplicada, se esta favorece mais a fibrilação externa
do que a fibrilação interna (proveniente esta última de ações de impacto que acabam por
colapsar a fibra).
Os gráficos das figuras 11 e 12 apresentam o desenvolvimento da retenção de
água para as polpas analisadas. No caso do estudo do Refinador #3 Linha Base, são
apresentados os resultados de WRV apenas para a menor e maior intensidades de refino
avaliada.
27
Figura 11 – Desenvolvimento do índice de retenção de água em função da energia específica aplicada (Refinador #3 – Linha Base)
Figura 12 – Desenvolvimento do índice de retenção de água em função da energia específica aplicada (Refinador #4 – Linha Capa)
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A análise dos gráficos das figuras 11 e 12 mostra que no caso do refinador #3 –
Linha Base, existe um bom desenvolvimento do WRV, o que indica um maior
inchamento das fibras devido à ação majoritária da fibrilação interna, o que é
extremamente positivo para o desenvolvimento de propriedades físico-mecânicas no
papel.
Já no caso do refinador #4 – Linha Capa, fica evidenciado que praticamente não
há melhora no teste de WRV para as intensidades de refino acima de 2,0 W.s/m, o que
indica que, acima desta intensidade, existe provavelmente um efeito majoritário de ação
de impacto nas fibras, levando ao colapsamento das fibras e podendo afetar a estrutura
mecânica do papel. Este resultado, juntamente com os resultados de drenabilidade
indicam que pode estar havendo um efeito pronunciado de corte de fibras neste
equipamento, intensidades de refino acima de 2,0 W.s/m.
Embora as propriedades da polpa indiquem um aspecto negativo até então, é
necessário continuar a averiguação das propriedades medidas em folhas formadas em
laboratório para uma análise global para um melhor entendimento do comportamento
dos diferentes discos de refinação estudados.
4.1.3 ANÁLISE VISUAL VIA MICROSCÓPIO ÓTICO
Complementando o estudo realizado, foi efetuada uma análise visual das polpas
tratadas pelos diferentes refinadores e intensidades de refino aplicadas, com o objetivo
de apreciar os efeitos típicos do processo de refinação de polpas: geração de finos de
fibras, fibrilação externa, e corte de fibras.
As fotografias exibidas nas figuras 13 à 20 foram feitas a partir de microscópio
ótico de bancada, com auxílio de corante de contraste Safranina.
29
Figura 13 – Amostra em branco da polpa alimentada aos refinadores estudados
Figura 14 – Fotografia da polpa coletada no Refinador #3 - Linha Base, 450 KW @ 2400 L/min, PEC = 0,5 Ws/m
Figura 15 – Fotografia da polpa coletada no Refinador #3 - Linha Base, 600 KW @ 3500 L/min, PEC = 0,8 Ws/m
30
Figura 16 – Fotografia da polpa coletada no Refinador #3 - Linha Base, 850 KW @ 3500 L/min, PEC = 1,2 Ws/m
Figura 17 – Fotografia da polpa coletada no Refinador #3 - Linha Base, 1000 KW @ 3500 L/min, PEC = 1,5 Ws/m
Figura 18 – Fotografia da polpa coletada no Refinador #4 - Linha Capa, 650 KW @ 3000 L/min, PEC = 2,0 Ws/m
31
Figura 19 – Fotografia da polpa coletada no Refinador #4 - Linha Capa, 770 KW @ 3000 L/min, PEC = 2,0 Ws/m
Figura 20 – Fotografia da polpa coletada no Refinador #4 - Linha Capa, 900 KW @ 3000 L/min, PEC = 2,0 Ws/m
A análise das amostras de polpa sob o microscópio (figuras 13 à 20), concordam
com as tendências das análises numéricas mostradas anteriormente para WRV e
Freeness: a polpa refinada pelo Refinador #4 - Linha Capa, apresentou maior geração de
finos (menor Freeness) e efeito de corte de fibras mais pronunciado (menor
desenvolvimento de WRV), em detrimento da hidratação das fibras, se comparado com
a polpa processada pelo Refinador #3 - Linha Base.
32
4.2 DESENVOLVIMENTO DAS PROPRIEDADES DA FOLHA
4.2.1 GRÁFICOS DO DESENVOLVIMENTO DAS PROPRIEDADES FÍSICAS ESCOLHIDAS PARA ANÁLISE – LINHA BASE
Os gráficos das figuras 21 à 23 apresentam o desenvolvimento das propriedades
físicas:
- resistência à compressão short-span (SCT);
- resistência à compressão esmagamento de anel ou ring crush (RCT);
- resistência à tração.
em função da energia específica aplicada.
Estas propriedades foram transformadas em índices através da divisão dos
valores de teste obtidos pela gramatura real das folhas formadas em laboratório.
Figura 21 – Desenvolvimento do índice de SCT em função da energia específica aplicada (Refinador #3 – Linha Base)
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Figura 22 – Desenvolvimento do índice de RCT em função da energia específica aplicada (Refinador #3 – Linha Base)
Figura 23 – Desenvolvimento do índice de Tração em função da energia específica aplicada (Refinador #3 – Linha Base)
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4.2.2 GRÁFICOS DO GANHO DESEMPENHO DAS PROPRIEDADE FÍSICAS PARA ENERGIAS ESPECÍFICAS PRÉ-DETERMINADAS – LINHA BASE
Os gráficos das figuras 24 e 25 apresentam o ganho relativo das propriedades
físicas apresentadas anteriormente, para duas condições pré-determinadas de operação
da refinação da linha base.
Figura 24 – Ganho de desempenho em propriedades físicas para o Refinador #3 – Linha Base, operando à potência aplicada de 80 KWh/ton
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Figura 25 – Ganho de desempenho em propriedades físicas para o Refinador #3 – Linha Base, operando à potência aplicada de 140 KWh/ton
Os resultados apresentados demonstram que é significativo o efeito do
desenvolvimento das propriedades da fibra a partir da variação da intensidade de refino
aplicada. As curvas de tendência informam que para intensidade de refino da ordem 1,5
Ws/m existem ganhos acentuados para energia aplicada de 140 KWh/ton, onde a
propriedade SCT apresentou desenvolvimento de 86%, em relação à amostra em
branco. Esta mesma propriedade apresentou um desenvolvimento de 49% em relação à
amostra em branco para energia aplicada de 80 KWh/ton.
Já no caso do desenvolvimento das propriedades de RCT e Tração, os ganhos
obtidos em potência aplicada de 140 KWh/ton foram 48% e 129% respectivamente; já
para potência aplicada de 80 KWh/ton, os ganhos apreciados foram de 28% e 74%
respectivamente
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4.2.3 GRÁFICOS DO DESENVOLVIMENTO DAS PROPRIEDADES FÍSICAS ESCOLHIDAS PARA ANÁLISE – LINHA CAPA
De maneira similar ao apresentado para a Linha Base, os gráficos das figuras 26
à 28 apresentam o desenvolvimento das propriedades físicas:
- resistência à compressão short-span (SCT);
- resistência à compressão esmagamento de anel ou ring crush (RCT);
- resistência à tração.
em função da energia específica aplicada, considerando agora o Refinador #4 - Linha
Capa.
Estas propriedades também foram transformadas em índices através da divisão
dos valores de teste obtidos pela gramatura real das folhas formadas em laboratório.
Figura 26 – Desenvolvimento do índice de SCT em função da energia específica aplicada (Refinador #4 – Linha Capa)
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Figura 27 – Desenvolvimento do índice de RCT em função da energia específica aplicada (Refinador #4 – Linha Capa)
Figura 28 – Desenvolvimento do índice de Tração em função da energia específica aplicada (Refinador #4 – Linha Capa)
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38
4.2.4 GRÁFICOS DO GANHO DESEMPENHO DAS PROPRIEDADE FÍSICAS PARA ENERGIAS ESPECÍFICAS PRÉ-DETERMINADAS – LINHA CAPA
Os gráficos das figuras 29 e 30 apresentam o ganho relativo das propriedades
físicas apresentadas anteriormente, para duas condições pré-determinadas de operação
da refinação da linha capa.
Figura 29 – Ganho de desempenho em propriedades físicas para o Refinador #4 – Linha Capa, operando à potência aplicada de 80 KWh/ton
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Figura 30 – Ganho de desempenho em propriedades físicas para o Refinador #4 – Linha Capa, operando à potência aplicada de 140 KWh/ton
No caso do Refinador #4 - Linha Capa, o desenvolvimento das propriedades
físicas em intensidade de refino de 3,0 Ws/m e potência aplicada de 140 KWh/ton
apresentou incremento no SCT foi de 68%; já para o RCT e Tração, os ganhos
observados foram de 37% e 106%, respectivamente.
É curioso notar que, na comparação com o Refinador #3 – Linha Base operando
na mesma potência específica, e com intensidade de refino menor (1,5 Ws/m), os
ganhos com o refinador da Linha Capa foram menores do que o equipamento da Linha
Base. Situação esta que se inverte quando analisamos os equipamentos da Linha Capa e
Linha Base operando em potências aplicadas de 80 KWh/ton.
Ou seja, em potências aplicadas ao redor de 80 KWh/ton o refinador da Linha
Capa tende a desenvolver melhor as propriedades físicas da polpa. Já no caso da
operação em potências aplicadas maiores (em torno de 140 KWh/ton), o refinador da
Linha Base apresentou melhor desempenho, indicando mais uma vez o favorecimento
do efeito de corte e geração de finos de fibras na polpa processada pelo refinador da
Linha Capa operando em potências aplicadas mais altas.
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40
4.2.5 EQUAÇÕES E COEFICIENTES DE DETERMINAÇÃO
Nos quadros 6 e 7 encontram-se os parâmetros mais bem adaptados às
propriedades físicas avaliadas, por meio da realização de regressões segundo algoritmo
de ajuste das planilhas eletrônicas utilizadas.
Todos os coeficientes das equações representam coeficientes numéricos para a
equação quadrática representada genericamente pela equação 13 abaixo.
CXBXAY +⋅+⋅= 2 [13]
em que, Y assume os valores das variáveis dependentes (ou seja, das propriedades
físicas SCT, RCT e Tração) e X assume os valores das variáveis independentes (ou seja,
das potências específicas aplicadas).
Quadro 6 – Coeficientes da equação quadrática para estimação de parâmetros do Refinador #3 – Linha Base
SCT RCT TRAÇÃO
PEC A B C A B C A B C
0,5 0,0007 1,68 0 -0,0005 11,01 0 0,0342 5,33 0
0,8 0,0034 1,68 0 0,0110 11,01 0 0,0392 5,33 0
1,2 0,0066 1,68 0 0,0132 11,01 0 0,0436 5,33 0
1,5 0,0103 1,68 0 0,0381 11,01 0 0,0490 5,33 0
Quadro 7 – Coeficientes da equação quadrática para estimação de parâmetros do Refinador #4 – Linha Capa
SCT RCT TRAÇÃO
PEC A B C A B C A B C
2,0 0,00002 0,00204 1,68 -0,0004 0,0882 11,01 -0,0002 0,0551 5,33
2,5 -0,00002 0,00938 1,68 -0,0003 0,0781 11,01 -0,0003 0,0715 5,33
3,0 -0,00007 0,01799 1,68 -0,0007 0,1268 11,01 -0,0003 0,0825 5,33
41
4.2.6 COMPARATIVO DO DESEMPENHO ENTRE DISCOS DA LINHA CAPA E LINHA BASE
Por inspeção dos resultados apresentados até aqui, fica evidenciado que existe
potencial de melhoria no desenho dos discos de refinação do Refinador #3 - Linha Base,
uma vez que as curvas de tendência mostram um comportamento ascendente para as
propriedades físicas analisadas. Ou seja, o desenho atual dos discos de refinação é tal
que a refinação é demasiadamente suave.
Por outro lado, o potencial de melhoria no desenho do disco de refinação do
Refinador #4 - Linha Capa indica que a refinação é demasiada severa ou agressiva, o
que acaba provocando o favorecimento dos efeitos de corte e geração de finos,
prejudicando o desenvolvimento das propriedades físicas com o aumento da energia de
refinação aplicada.
42
5. CONCLUSÕES
Através dos resultados obtidos durante o desenvolvimento deste trabalho, as
seguintes conclusões e sugestões são registradas:
- A Teoria da Potência Específica de Corte possui aplicação prática,
posicionando-se como uma ferramenta versátil para o papeleiro na análise de diferentes
configurações de discos de refinadores, auxiliando-o na tomada de decisões;
- O desenho dos discos dos refinadores da Linha Base apresentam oportunidade
de melhoria no sentido de aumentar um pouco o comprimento das lâminas de corte para
permitir maior desenvolvimento das fibras para alcance de melhores propriedades
físicas no papel;
- O desenho dos discos dos refinadores da Linha Capa apresentam oportunidade
de melhoria no sentido de diminuir um pouco o comprimento das lâminas de corte para
permitir maior desenvolvimento das fibras para alcance melhores propriedades físicas
no papel, minimizando o efeito corte e geração de finos de fibras, e reduzindo o
consumo de energia elétrica;
- Sugere-se a realização da alteração dos desenhos dos discos com base no
raciocínio exposto anteriormente e uma nova aplicação desta estrutura de análise com
aplicação da Teoria da Potência Específica de Corte;
43
- Sugere-se a realização deste tipo de análise nos sistemas de refinação numa
base periódica, uma vez que muitas são as variáveis que operam neste sistema e que
estão fora do controle do papeleiro, com o agravante de serem dinâmicas ao longo do
tempo, como por exemplo: espécie e idade das matérias-primas, necessidades de novos
produtos, pressão por redução de custos com energia elétrica e ganhos de escala de
produção.
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