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Ciclo 01/2014

BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA

UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA “JOSÉ SIMEÓN CAÑAS” FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE PROCESOS Y CIENCIAS AMBIENTALES

BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA “ 

” 

Proyecto Proyecto de BM E: Proces Proceso Kr aft par a la pr oducción oducción de la pul pa en en l a in dustri dustri a del del pape papel  l 

Estudiantes: Hernández Gutiérrez, Manuel Alejandro. Rivera Bonilla, Xiomara Emperatriz Aguilar Díaz, Gladis Iveth

Fecha de entrega: 04 de Julio 2014

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PROCESO DE KRAFT PARA LA PREPARARACION DE LA PULPA EN LA INDUSTRIA DEL PAPEL. Introducción. En la industria hay dos tipos de proceso para obtener pulpa alcalina, uno de ellos es el proceso de la soda que se basa en hidróxido de sodio, la otra mucho más reciente es el proceso de sulfato o el mejor llamado proceso Kraft. En este reporte nos enfocaremos en este último proceso antes mencionado (Proceso Kraft). El proceso Kraft está basado en hidróxido de sodio y sulfato de sodio. Este es el mayor método de fabricación que hay de pulpa empleada para pulpas químicas completamente cocidas. El proceso Kraft tiene muchas más ventajas respecto a otros métodos. Una amplia gama de maderas duras y  blandas pueden ser reducidas a pulpa, los tiempos de cocción son más cortos, la pulpa tiene buenas  propiedades de resistencia, licores gastados se recuperan más fácilmente, y trementina y aceite de resina se obtiene como subproductos de madera blanda. El proceso Kraft puede ser observado en la siguiente figura: Los químicos de cocción primaria en el proceso Kraft son el hidróxido de sodio y el sulfuro de sodio. El sulfato de sodio que es añadido al licor residual, se reduce a sulfuro de sodio en el horno de recuperación. El carbonato de sodio también está presente pero no participa en el proceso de la fabricación de pulpa. Es convertido en hidróxido de sodio durante el proceso de recaustificación. En la fábrica, la madera se desembarca y es cortada, los trozos de madera cortada se pre calientan en un recipiente de vaporización para eliminar el aire y asegurar una buena permeabilidad del licor. El vapor de los trozos de madera cortado, se cargan en la parte superior del digestor a lo largo con licor  blanco, que consiste en hidróxido de sodio más sulfuro de sodio en agua. Después de calentarlos a 170 °C durante una a dos horas, la pulpa es descargada en el tanque de soplado. La pulpa se lava libre de licor negro y es limpiada, la pulpa cruda se envía ya se para su almacenamiento o para la  planta de blanqueo. La recuperación del licor negro, una solución de lignina y residuos químicos de la pulpa, es una mayor porción del proceso de Kraft. El licor negro es primeramente concentrado del 15% a 65% de solidos por varios evaporadores. Esto se mantiene caliente y así la viscosidad es reducida a un estado de fluido. El sulfato de sodio es añadido al licor el cual es quemado en un horno de recuperación especialmente diseñado. El licor negro de alto BTU arde en la sección superior del horno, la generación de calor del proceso de vapor y generación eléctrica. La ceniza se compone de ceniza de soda     y la sal del pastel (     que es reducida a sulfuro de sodio en la cama de carbón en la parte inferior de la caldera. Esta ceniza reducida se disuelve en agua para forma licor verde. El licor verde     , debe ser convertido en licor blanco    , antes de su reutilización en el digestor. Este proceso de conversión de licor verde al blanco se conoce como recaustificación. La Recaustificación comienza con carbonato de calcio en bruto que se reduce a oxido de calcio en un horno de cal rotatorio. El óxido de calcio se disuelve en agua para producir cal apagada,  . El licor verde se mezcla con cal apagada en el apagador. El carbonato de sodio reacciona con el hidróxido de calcio para producir hidróxido de sodio y carbonato de calcio,

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que precipita en forma de lodo de cal. El licor blanco se aclara para elimina cualquier residuo de lodo de cal, y se bombea de nuevo a la planta de celulosa. El loso de cal se devuelve al horno de cal  para ser convertido de nuevo a la cal. El método parece ser bastante eficiente, pero hay pérdidas en el camino. El recuperado de las pérdidas de azufre y sodio se realiza en el horno de recuperación mediante la adición de sulfato de sodio. La recuperación en la zona de recaustificación se hace en el horno de cal con carbonato cálcico crudo fresco. La pulpa producida por el proceso Kraft es ampliamente utilizado en las industrias de papel y cartón. El Kraft crudo se utiliza para bolsas de comestibles, papeles de envolver, embalaje de materia prima, y para cajas de cartón corrugado. El  blanqueado de pulpas Kraft se utilizan para papeles de impresión y escritura, papel higiénico, y cartón blanqueado. El blanqueo de la pulpa implica el uso de varios productos químicos para eliminar los componentes de color residuales. El rendimiento de pulpa Kraft es bajo en comparación con otros métodos, debido al alto grado de deslignificacion (Anderson). La siguiente figura es un diagrama del proceso Kraft (Figura 1).

Figura 1. Diagrama del proceso Kraft (tomado de ( Austin, 1988)) Proceso Primario: Formación de papel a partir de pulpa Tambor descortezador: Los troncos entran al tambor descortezador, que es rotatorio donde se cortan al tamaño conveniente y se les remueve la corteza por medio del rozamiento de unos con otros. Desmenuzador: En esta parte la madera se ve reducida a astillas de tamaño preseleccionado. Las astillas se clasifican sobre mallas vibratorias o giratorias para separar las demasiado grandes, las de tamaño adecuado y aserrín. Las astillas grandes se mandan a retroceadoras para reducirlas al tamaño adecuado.

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Digestor: Las astillas con el tamaño adecuado entran al digestor continuo y se les da un tratamiento  previo con vapor de aproximadamente 100kPa, volatilizando al aguarrás y los gases incondensables. Luego pasan a una zona de impregnación de presión mayor a más o menos 900kPa, donde se ajusta su temperatura y encuentran el licor de cocimiento. El tiempo de cocción es de 1.5 horas a 170°C. Se realiza un lavado a contracorriente donde se reduce el contenido químico de las astillas, y se reduce la presión, produciendo vapor de evaporación instantánea que se emplea para el tratamiento  previo con vapor de las astillas que entran. Las astillas obtenidas así, con el licor que se les adhiere, reciben el nombre de pasta café. Tanque de descarga: La pasta café pasa a través de dicho tanque de descarga. Y de aquí esta pasta es trasladada a una a lo que se llama caja de pasta café, donde se lleva a concentraciones muy bajas, usando lejía negra diluida. Lavadoras de pulpa: Se lava la pasta mediante un sistema de filtración a vacío y a contracorriente. Después esta pasta pasa a la sección de depuración y espesado, donde como líquido filtrado se obtiene la lejía negra diluida. Knotters, Rifflers & mallas: Se separan y eliminan los nudos y metales presentes en la pulpa,  preparándolo para su conformación en papel. Fourdrinier: La fourdrinier es la máquina para hacer papel, en ella ocurren tres operaciones importantes. Formado, prensado y secado. En el formado, la pulpa se distribuye homogéneamente en una superficie plana, donde se hace que el grosor de esta capa sea constante. En el prensado, se le da forma al papel, y mucha agua se pierde debido a la presión ejercida. Y en el secado, el papel  pierde la mayoría de su humedad, y ya está listo para ser enrollado.

Proceso Secundario: Aprovechamiento del licor negro, y reutilización Evaporación: El licor negro contiene de 90% a 95% de los reactivos utilizados en el digestor, por lo que se busca reutilizarlos. Primero pasa por un evaporador para aumentar su concentración de la disolución lo más posible. Horno de recuperación: Se quema el licor negro para que algunos componentes de éste se reduzcan y puedan volver a ser utilizados al comienzo del proceso. Se utiliza un horno de recuperación Thomlinson. Aquí se reduce el sulfato en sulfuro, utilizando carbón como agente reductor. Alcalinización: Se le agrega cal al licor verde (formado luego del quemado del licor negro), para  preparar los componentes de la reacción del digestor. Esto hace que el licor verde se convierta en licor blanco. Clarificado: Se deja reposar el licor blanco formado, para dejar que se asienten algunas impurezas que en el camino se tengan, como carbonato de calcio y otros, para luego ser enviado al digestor

Diagrama de Flujo de proceso Kraft A continuación se presentan los diagramas de flujo que se utilizarán para hacer los balances de materia y energía. Se han hecho algunas simplificaciones que serán expuestas a continuación, pero aparte de éstas, los diagramas reflejan los pasos reales que pasa la madera para convertirse en pulpa.

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Otro comentario que debe ser mencionado es que se redujo el alcance del proceso inicial. Al  buscarse mayor detalle en el proceso Kraft, se descubrió que constaba de muchas más operaciones unitarias que las planteadas inicialmente. Se muestra a continuación el esquema que se tomó en cuenta a la hora de hacer las entradas y salidas de material en cada etapa, tomado de (Casey, 1990):

Consideraciones para simplificación  

  

Se considera cada “caja” del proceso como una operación unitaria a la cual se le analizará la entrada y la salida de material (para este avance), y de energía (para futuros avances). El proceso que se analizará empezará en el descortezado, donde entran los troncos, tomará en cuenta el reciclaje del licor utilizado en el digestor y se llegará hasta la fase de depuración. La madera se considerará como un conjunto formado por: celulosa, hemicelulosa y lignina. La presencia de material inorgánico o cenizas se tomará como trazas y no serán analizadas  No hay acumulación dentro de ningún proceso.

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

Para reducir análisis, en la sección del proceso donde se encuentran 2 evaporadores, se tomará como uno solo, ya que el propósito de éstos es simplemente aumentar la concentración de sólidos en el licor, y solo difieren en la manera en que hacen esto.  Se omitió el paso del licor por el tanque de soplado, ya que solo actúa como un sistema que deja que la pulpa salida del digestor se expanda, ya que se encontraba en condiciones diferentes a las atmosféricas. La pulpa que entra es la misma que sale y no hay cambios de composición.  Se tomó una eficiencia del 100% en la recausterización, por tanto no es necesario agregar óxido de calcio adicional en el ciclo, ya que se supone que todo se consume, y todo se convierte en carbonato de calcio.

Diagramas de flujo para cada operación Se muestran a continuación los diagramas de flujo de entrada y salida de cada etapa.

a) Producción de Pulpa 1- Descortezador: Entran los troncos y se les quita la corteza

Corteza Troncos

Madera DESCORTEZADOR

2- Astillador: Convierte la madera en astillas, para una mejor impregnación en el digestor

Madera

Astillas ASTILLADOR

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3- Digestor: la parte principal del proceso Kraft. En él ingresan astillas y el licor blanco, el cual se encarga de solubilizar la lignina de la madera transformándola sales de ácidos orgánicos que contienen el ion sodio, y azufre. 

Licor Blanco

 

 

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 

     

 



Licor Negro

Astillas

Compuestos Orgánicos  

DIGESTOR Pulpa

4- Lavadores: Lavan la pulpa para separarla del licor negro. El licor negro se lleva al proceso de reciclaje.

Agua Pulpa

Pulpa LAVADOR

Licor Negro Licor Negro

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b) Reciclaje del licor negro 1- Oxidado: se inyecta aire a condiciones adecuadas, para que el hidrogeno sulfuro de sodio se oxide a sulfato de sodio, evitando así la emisión de sulfuro de sodio en el horno de recuperación    

Licor Negro  

Licor Negro

    

Materia Orgánica

    

OXIDADO

  

Materia orgánica

Aire

2- Evaporación: se evapora el agua para aumentar la concentración del licor negro a aproximadamente 60% en sólido

   

Licor negro concentrado

  

Materia Orgánica  

EVAPORADOR

 

 

Licor Negro

      

Materia Orgánica

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3- Horno de recuperación: Entra el licor negro y se le agrega “plasta de sal”, llamado comúnmente como carbonato de sodio. Luego se calienta para calcinar la materia orgánica

Materia fundida

   



HORNO DE RECUPERACIÓN



Torta de sal  

  

Aire

 

Licor Negro seco

    

Materia Orgánica

4- Tanque de disolución: se disuelve la mezcla fundida del paso anterior para formar el licor verde. Se logran extraer sedimentos que no se logran disolver.

Licor verde

     

 

TANQUE DE DISOLUCIÓN

 

(Torta de sal)

Materia fundida

   

5- Recausterizado y Horno de cal: este es otro sistema de recirculado. Se le agrega cal viva al licor verde para formar hidróxido de calcio, el cual reacciona con el carbonato de sodio y se forma carbonato de calcio, este producto es llevado a un horno de cal, donde se calienta  para recuperar parte del óxido de calcio

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Licor verde

Licor blanco

      

    

RECAUSTERIZADO  (Proveniente del

horno de cal)

  

HORNO DE CAL

Aire

Para producir una tonelada de pulpa seca se necesitan: Madera: 1.5-2 ton Cal nueva CaO 250 kg Carbonato de sodio 125 kg Vapor 6500kg Electricidad 900 MJ Para la producción tenemos el siguiente diagrama de flujo con la entrada de los componentes al  proceso y la salida del producto deseado al 60%:

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BALANCES DE MASA Comparado con los diagramas de flujos anteriores, se hicieron consideraciones especiales para facilitar los cálculos. 

 



Se empezó a analizar a partir de la entrada del digestor, eliminando el descortezador y astillador. Se eliminó la recirculación de nudos, que salían del lavador.  No se tomó en cuenta el proceso de recirculación del carbonato de calcio que salía del  proceso de recausterizado.  No se tomó en cuenta algunos componentes del licor negro, como las trazas de sulfito de sodio y el tiosulfato de sodio que se formaron en el proceso.

Los balances obtenidos por cada sistema son los siguientes: 1) El primer balance realizado es en el digestor:

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                            Todo el NaOH producido se utiliza en la reacción ii). Balances Agua:

                                                       

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2) El segundo balance será en el Lavador:

Balances Pulpa

        

Sólidos

       Agua

          

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3) El tercer balance es de reaccion y es la oxidacion de       :

                  

 

   

4) El cuarto balance es en el Evaporador:

Balances: Agua:

     Sólidos

      

    

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5) El quinto balance es realizado en el horno.

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                                          

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omando lignina como Materia Orgánica (debido a que es el componente mayoritario)

MO

        

6) El siguiente balance es en el tanque de dilución:

7) El siguiente balance es en el recausterizado:

   

  

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         

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                                             

Balances. Agua:

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 

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Datos sobre el Balance de Energía Equilibrio térmico en el horno de recuperación. La entrada de calor al horno es igual a la suma de: 

El calor sensible presente en el licor negro fuerte que sale del tanque de almacenamiento.  El calor agregado en el calentador del licor, que sigue el evaporador por contacto directo.  El valor térmico bruto de los sólidos del licor negro que van al horno.  El calor sensible en el aire de combustión que entra en el horno. Parte de este calor se pierde en el sistema a consecuencia directa de: 

El calor sensible en el gas seco de escape.  Calor en el producto fundido.  Calor de reducción de la torta salina y del sulfato que se recupera. (El calor de formación del sulfuro de sodio es de  ⁄  ⁄ menos que el del sulfato de sodio, y este calor absorbido debe ser suministrado por otras fuentes de calor en la combustión para  permitir que siga adelante la reducción.)  Las pérdidas por radiación. El valor térmico del licor negro tiene una función muy importante al determinar la entrada de calor al sistema de recuperación. Los calores de formación de los productos reales (o supuestos) de la combustión del horno pueden calcularse a continuación. Los calores de formación de los productos de la combustión calorimétrica pueden calcularse en forma análoga. El valor del calentamiento del

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licor depende de su composición, pero usualmente varía entre    ⁄   de sólidos (6600 a 7000 ⁄ de sólidos); frecuentemente se utiliza un valor de  ⁄  de sólidos  ⁄ de sólidos) como cifra promedio para los cálculos. La entrada de calor en el horno procedente del licor negro depende de la cantidad de sólidos que se queman, así como de su valor térmico. Por lo general, l licor entra en los evaporadores a una temperatura entre   , dependiendo de la dilución y la temperatura durante el lavado.

Calcinación de cal La cal se calcina lo más frecuentemente, en un horno giratorio, aunque se utilizan también calcinadores de lecho fluido en algunas instalaciones. El combustible, por lo general petróleo o gas natural, se utiliza para mantener la temperatura del horno entre   . Se requiere energía tanto para evaporar el agua en la alimentación como para generar el calor de reacción necesario. Unas cadenas suspendidas en el extremo de alimentación del horno entran y salen de la masa de sólidos ayudando en la transferencia de calor, ya que exponen una superficie mucho mayor de lodo a los gases calientes. Con el empleo de estos dispositivos, los gases salen del horno en la etapa de secado por el extremo de alimentación a aproximadamente . En esta situación, el consumo de energía en el horno es de 8 a   ⁄      ⁄ de cal.

Oxidación del Licor Negro. Un método para oxidar, que puede aplicarse a los licores especialmente espumosos, consiste en usar oxígeno en lugar de aire. El equipo de oxidación puede ser muy sencillo en este caso; usualmente lo forma un reactor en línea. La reversión en azufre puede mantenerse al mínimo si se hace funcionar el sistema a   y si se permite que el resto del oxigeno disuelto reaccione en los tanques de almacenamiento. Al evaluar el beneficio neto que se obtendrá mediante la oxidación del licor negro, deberá tenerse en cuenta el equilibrio de energía a la vez que el efecto sobre los olores. El aumento en temperatura del aire a medida que este para por una torre, retira calor del licor y representa una pérdida en el sistema. También se genera calor en la oxidación, ya que la reacción es exotérmica hasta tanto como    ⁄    ⁄ de sulfuro de sodio oxidado. Por otra parte, el tiosulfato producido debe reducirse en el horno a la forma de sulfuro; el valor térmico del licor negro debida a la oxidación es de  ⁄    ⁄ de solidos originales, es equivalente de manera aproximada a 20% del valor térmico original del licor.

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Bibliografía Anderson, J. (s.f.). Recuperado el Lunes 28 de Abril de 2014, de http://www.sc.ehu.es/iawfemaf/archivos/materia/industrial/libro-12.PDF

Papermaking:

Austin, G. T. (1988).  Manual de procesos químicos en la industria  (Vol. III). México D.F.: McGrawHill. Casey, P. J. (1990). Pulpa y papel, química y tecnología química. México: Limusa. Ciullo, P. A. (1996).  Industrial Minerals and their Uses-A handbook and formulary.  William Andrew.

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