Avaliação de diferentes discos de refinação em polpa kraft de Pinus

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")


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


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")


Item de especificação Fibras Longas Fibras Curtas

Largura da lâmina 3,5 – 4,8 mm 2,4 mm – 3,5 mm


medida como Potência

Específica de Corte

1,7 – 4,5 J/m 0,5 – 1,5 J/m


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


m/rev


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







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





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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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


30



Figura 18 – Fotografia da polpa coletada no Refinador #4 - Linha Capa, 650 KW @ 3000 L/min, PEC = 2,0 Ws/m

31



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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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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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.

44

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BAKER, C. F., Refining Seminar. In: 1995 PIRA 3RD INTERNATIONAL REFINING

CONFERENCE PROCEEDINGS, Leatherhead, 1995.

BRECHT, W., SIEWERT, W. H., Das Papier, 20(1):4, 1966.

DANFORTH, D.W., S. Pulp Paper Man. 32(7):52, 1969.

EBELING, K. A critical review of current theories for the refining of chemical pulps.

In: INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON FUNDAMENTAL CONCEPTS OF

REFINING, Appleton, 1980.

GABL, H., GORTON-HÜLGERTH, A., GSCHIEL, P., KERR, J., Low Consistency

Refining: A Comparison of Refiner Configurations. In: TAPPI 2007 PAPERMAKERS

CONFERENCE, Jacksonville, 2007.

GHOSH, A., In-situ Refining Trial at VP9 High Kappa Pine Pulp, Visy Technical

Centre, Tumut, 2004.

GHOSH, A. Optimal Refining Strategy of High Yield Unbleached Long Fibre Kraft

Pulp: In-situ Investigation. In: 43o CONGRESSO E EXPOSIÇÃO INTERNACIONAL

ABTCP, São Paulo, 2010.

J&L Fiber Services: produtos e serviços para indústria papeleira. Disponível em:

<http://www.jlfiberservices.com/images/reverse-flare2-42EJ203-2-BO.gif>. Acesso em

05 dezembro 2013.

J&L Fiber Services: produtos e serviços para indústria papeleira. Disponível em:

<http://www.jlfiberservices.com/images/34EJ237_Closeup.gif>. Acesso em 05

dezembro 2013 (2)

INFOCOM Network Ltd.: comércio eletrônico. Disponível em:

<http://img.tradeindia.com/fp/0/188/987.jpg>. Acesso em 30 setembro 2013.

45

INFOCOM Network Ltd.: comércio eletrônico. Disponível em: <

http://img.tradeindia.com/fp/1/001/407/838.jpg>. Acesso em 30 setembro 2013 (2).

JAGENBERG, F. Das Holländer-Geschirr in Briefen an einen Papiermacher, 1887,

48p.

KEREKES, R. J., Nordic Pulp Paper Res. J. 5(1):3, 1990.

LUMIAINEN, J. J., A new approach to the critical factors effecting on refining intensity

and refining result in low consistency refining. In: TAPPI 1990 PAPERMAKERS

CONFERENCE PROCEEDINGS, Atlanta, 1990.

LUMIAINEN, J. J., Specific surface theory load. In: 1995 PIRA 3RD

INTERNATIONAL REFINING CONFERENCE PROCEEDINGS, Leatherhead, 1995.

GULLICHSEN, J., FOGELHOLM, C-J., Papermaking Science and Technology:

Chemical Pulping. Book 6, Chapter 4 – Refining of Chemical Pulps, FAPET, 2000,

pp.1-18.

PITZ, M., GIRARD, J., YAKOWCHUCK, T., CROSSLEY, B. R., Refining

Characteristics of Globally Produced Softwood Kraft Pulps. In: TAPPI 2001

PAPERMAKERS CONFERENCE PROCEEDINGS, Cincinnati, 2001.

SWINEHART, D., Fundamentals of Refining. MeadWestvaco's Center for Packaging

Innovation. Rayleigh, 2012.

TAPPI Test Methods, Volume 1, Technical Association of the Pulp and Paper Industry,

TAPPI, 1991.

WULTSCH, F., FLUCHER, W., Das Papier, 12(13):334, 1958.

Engineering

Avaliação de diferentes discos de refinação em polpa kraft de Pinus