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V CONGRESO IBEROAMERICANO DE INVESTIGACION EN CELULOSA Y PAPEL 2008 CIADICYP Octubre 2008, Guadalajara, Jalisco, México Departamento de Madera, Celulosa y Papel, Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías Universidad de Guadalajara Km. 15.5 Carretera Guadalajara-Nogales, C.P. (45200), Zapopan, Jalisco, México Tel: (52)33 -3682-0110, Ext.118, e-mail: ciadicyp@red.cucei.udg.mx REFINO DE COMPRESION. FUNDAMENTOS, MECANISMO Y AVANCES DEL PROCESO Compression Refining. Fundamentals, mechanisms and process advances Formento, Juan C., Lossada, Aldo A. Instituto de Tecnología Celulósica – Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Litoral – Santiago del estero 2654 – 3000 – Santa Fe – Argentina. Telefax: 54 342 452 0019 – e-mail: formento@fiq.unl.edu.ar Resumen Se revisan los efectos del proceso industrial de refino como cambios estructurales detectados en las fibras y su vinculación con las fuerzas principales ejercidas por las barras de los equipos actuales en base a teorías mecanicistas vigentes. Del análisis surgen las fuerzas de cizallamiento tangencial al recorrido de barras como las principales responsables de la pérdida de resistencia a la tracción y drenabilidad potencial de la pulpa a través del corte y la abrasión superficial respectivamente así como del alto consumo de energía específica. La tecnología disponible utiliza el principio de co-rotación de las superficies activas (discos o conos) la cual no permite independizar los esfuerzos de compresión –útiles a la fibrilación interna- de los de cizallamiento. Investigaciones de laboratorio pioneras independizando dichas acciones y priorizando la compresión normal, comprobaron mejoras de las propiedades citadas por batido en PFI con cizallamiento cero. Experiencias recientes sobre compresión cíclica, ratificaron resultados iniciales con mejoras en rendimiento energético y comprobaron el desarrollo preferencial del swelling y delaminación a través de la fibrilación interna. Finalmente se revisa la mecánica del cambio estructural en la fibra por compresión y algunas condiciones operativas útiles a su homogeneidad e implicancias referentes al estado de cornificación de la fibras. Se analizan diseños de equipos recientes y se especula sobre perspectivas de aplicación de este proceso. Palabras claves Refino de compresión * fuerzas normales * fuerzas de cizallamiento * fibrilación interna de fibras + consumo específico de energía Abstract The effects of the industrial process of refining such as structural changes detected in fibres and their connection with the main forces exerted by the bars of current equipment are reviewed, on the basis of present mechanistic theories. From the analysis, tangential shear bar forces appear as being mainly responsible for the loss of tensile strength and potential pulp drainability through cutting and surface abrasion of fibers respectively, as well as high specific energy consumption. The available technology applies the principle of co-rotation of the active surfaces (discs or cones), which does not allow separating the compression efforts useful for internal fibrillation from those of shearing. Pioneer laboratory research work proved improvements in the properties referred to by PFI beating with zero shearing by means of separating said actions and prioritizing normal compression. 1 Recent experiments on cyclic compression ratified the initial results, with better energetic performance, and proved the preferential swelling development and delamination through internal fibrillation. Finally, the structural change mechanics in fibres due to compression and some operating conditions useful for homogeneity and implications related to hornification state of fibres is reviewed. The design of recently developed equipment is analyzed and the perspectives of application of this process are speculated upon. Keywords Compression refining * normal forces * shear forces + fibre internal fibrillation + specific energy consumption INTRODUCCION Se ha definido el refino óptimo como aquel que logra alta resistencia de la pulpa con buena drenabilidad y mínima energía /1/. El desarrollo progresivo de los equipos contInuos de barras (discos o conos), mejoró sustancialmente la productividad del proceso, pero la obtención de resistencia ha seguido atada a sensible déficit en los otros aspectos Hacia mediados del siglo pasado, se fue elaborando una teoría mecánica del refino basada en dos conceptos característicos aplicables en especial a los refinadores de discos, que parte de la potencia neta consumida en la operación: 1. Carga específica de filos ("SEL"), que describe la intensidad de los cruces entre barras (impactos), medidos como energía de refino dividida por la longitud total de impactos producidos (kwh/km). 2. Energía específica de refino ("SER") que indica la productividad del proceso como energía de refino dividida por la cantidad de pulpa tratada (kwh/t). La teoría de los impactos, aunque rica en derivaciones técnicas, tales como el diseño de refinadores, nada dice del mecanismo profundo del proceso, es decir de la naturaleza y magnitud de las fuerzas transmitidas a las fibras /2/. Hacia la década ´80 el conocimiento de los cambios sufridos por las fibras al ser refinadas (efectos de refino), y el estado del arte fue mostrado por Page en un review clásico /3/. Los principales efectos del refino convencional de barras y su incidencia admitida en las propiedades papeleras son resumidos así: 1. Debilitamiento y corte de fibras, afectando la resistencia a la tracción de la pulpa. 2. Fibrilación externa, aumentando la capacidad de bonding (Specific Bonding Ability: SBS). 3. Generación de finos, colaborando en bonding pero reduciendo desproporcionadamente drenabilidad. 4. Fibrilación interna, delaminando la pared celular con aumento de la conformabilidad fibrosa y mejorando el área de unión relativa (Relative Bonding Area: RBA). 5. Deformación de fibras (curvado, dislocaciones interlaminares, quiebres, micro- compresiones), afectando en especial la resistencia /4/, o su contraparte correctora o enderezamiento (straightening), con efectos opuestos. 6. Disolución de hemicelulosas y materiales ligonocelulósicos, asignándose en especial consecuencias negativas a la perdida de hemicelulosas, causando un aumento de la cornificación luego del secado de las fibras con disminución de su potencial papelero /5/, interferencia con el uso efectivo de aditivos en el proceso de fabricación de la hoja de papel y posible impacto sobre el medioambiente /3/ Desde los años 80's se acentúa un enfoque renovador del proceso, enfatizando el estudio de las fuerzas actuantes en refino antes que las energías que maneja la teoría de impactos. A partir de Goncharov /2/ se realizan numerosas experiencias sobre cuantificación de dichas fuerzas /6-8/, y se establecen vínculos entre fuerzas en barras, fuerzas en fibras, y tensiones y deformaciones derivadas. Tales avances fueron revisados por Kerekes /8/ cuyas conclusiones principales son: 2 1. Las fuerzas de cizallamiento tangencial son responsables de la fibrilación externa y de la generación de finos por abrasión, con sustancial aumento de la superficie específica, así como del enderezamiento de las fibras al desarrollar tensiones en los bordes de las barras (fuerzas de filo), las que en el extremo producen debilitamiento estructural y cortes. Se gana fuerza cohesiva específica, útil para tracción pero afectando drenabilidad, que es propiedad clave de la productividad papelera. 2. Las fuerzas de compresión normal son responsables de la fibrilación interna, que se expresa como sorción de agua interlaminar (swelling), y se vincula estrechamente a la delaminación y a la conformabilidad fibrosa, que son el fundamento del área de unión relativa entre fibras. El swelling también colabora con la corrección de deformaciones/4/ 3. La energía de refino con barras está ligada directamente a la abrasión superficial del cizallamiento y resulta mucho mayor que la requerida para producir fibrilación interna. Esta última conclusión resultaría clave a los fines del presente estudio. En cuanto a los defectos admitidos del refino industrial presente, el rendimiento energético es probablemente el aspecto más importante, que se acentuará con los años. Considerado como cociente entre el valor práctico y el teórico de energía neta consumida, ha sido estimado por sucesivos autores sobre distintas bases, tales como la creación de nuevas superficies, rotura de uniones interfibrilares o deformación de las fibras, resultando valores extraordinariamente dispersos, desde 0,01% hasta el 25% /9/. Sin llegar a extremos, debe convenirse que se está muy lejos de valores razonables. En segundo lugar ubicaríamos la merma de drenabilidad producida por alta generación de finos inherente al proceso industrial, comparado con algunos equipos de laboratorio, Este defecto tiene fuerte repercusión en la productividad y en la energía global papelera, y reconoce igual origen que el anterior: la abrasión por cizallamiento. Otro aspecto negativo del refino convencional que ha retomado relevancia es el de la heterogeneidad. En un refinador se produce un número elevadísimo de impactos, o ciclos de esfuerzos de las barras sobre la pulpa hasta lograr la resistencia deseada. Es que los efectos de refino dependen de la cantidad y distribución de las fibras montadas sobre los lomos de las barras. Esta cantidad es ínfima con relación al flujo total de pasta y su distribución sumamente irregular, de modo que en cada momento pocas fibras están sujetas a un tratamiento heterogéneo de sub o sobre-refino. Por otra parte, se ha comprobado que la flexibilización de las fibras puede lograrse tanto a través de miles de ciclos de baja amplitud /10/, cuanto con unos pocos ciclos de gran amplitud /11/, Puede entonces pensarse que el rol del cruce múltiple de barras sea más el de homogeneizar la operación que el de flexibilizar las fibras /8/, de donde un proceso más homogéneo que el convencional podría completarse con menos ciclos de esfuerzo. Puede concluirse que el refino de barras presente, que ha sido objeto de innumerables pruebas empíricas sobre variación de parámetros operativos (temperatura, pH, consistencia, etc.), o de diseño (discos, conos, cilindros; forma, dimensiones y posición de las barras, materiales, etc.), si bien cumple las condiciones industriales indispensables de continuidad y productividad con una resistencia razonable, está lejos de ser una operación óptima y muestra signos de agotamiento. Así, en lo referente a nuevos equipos, en un review de l997 /12/, se concluye que en los últimos 20 años -y a semejanza de los automóviles-, los refinadores tienen mejor ingeniería pero sin cambios radicales en el concepto. Un minucioso trabajo reciente de tesis sobre mejoras de propiedades papeleras /13/, concluye que para la mejor combinación de drenabilidad y resistencia a la tracción en pulpas químicas el refino debería apuntar al aumento de la fibrilación interna y el enderezamiento de fibras, manteniendo la cantidad de finos y fibrilación externa a bajo nivel. 3 REFINO DE COMPRESION - EXPERIENCIAS DE LABORATORIO La evidencia experimental sobre el rol específico de la fuerza de compresión, nace del trabajo pionero de Murphy (1962) /14/, quién operó un refinador de laboratorio PFI con deslizamiento cero entre el rodillo con barras interior y la batea exterior en lugar de los 6 m/s de la operación estándar, es decir con energía de cizallamiento despreciable, comprobando que también se lograba un aumento de resistencia a la tracción en la pulpa refinando a compresión casi pura. Debe aclararse que los valores de energía de compresión en PFI contienen una proporción muy pequeña de energía de cizallamiento debido a la geometría de sus rodillos refinadores, con efecto favorable para la resistencia. Los resultados primarios de Murphy inspiraron una serie de experiencias similares en PFI, sobre batido sin resbalamiento, que han ampliado las bases de un nuevo enfoque del proceso -el refino de compresión-, y aportado conocimientos sobre su mecanismo y alcances. Trabajos propios de nuestro grupo en el 2001 mostraron ganancias en tracción de un 94%, con baja generación de finos, alta fibrilación interna, buena drenabilidad y elevado ahorro de energía con relación a la operación PFI estándar /15/. Un importante grupo europeo concluye posteriormente que la compresión de fibras juega un rol clave en la calidad y energía de refino /16/, y finalmente un equipo de la Universidad de Graz agrega mejoras en formación y enderezamiento de fibra /17/. Podría objetarse que las mejoras relativas en energía entre refino de compresión en PFI y la operación PFI estándar son equívocas porque esta última es de reconocida baja eficiencia energética, por el consumo adicional que demandaría el mezclado del material /18/, pero estudios posteriores mostraron también sustanciales ganancias con relación a un equipo de barras /19/. Finalmente, nuevas experiencias han mostrado otros aspectos inter relacionados aplicables al RC. En primer lugar habría un nivel superior crítico de compresión normal que afecta irreversiblemente la ganancia potencial de resistencia a la tracción por refino, al producir un cierre irreversible de poros en la pared celular, es decir una cornificación por presión, que reduce la delaminación y con ello la conformabilidad fibrosa /20/. Esta limitación en la magnitud de las fuerzas de compresión podría compensarse solamente aumentando el número de ciclos del proceso. Además, se ha comprobado que la mezcla del material entre los ciclos de compresión permite un tratamiento más homogéneo al exponer distintas partes de una misma fibra a dichos esfuerzos, reduciendo así el número de ciclos al orden de decenas /21/. Esta experiencia mostró además que mil ciclos de compresión de 33 kg/cm2, sin mezcla inter-ciclos, no conseguían mejora alguna de resistencia a la tracción en la muestra, contrariando los resultados antes descritos de laboratorio, en prensa de rodillos o equipo PFI sin deslizamiento, donde el efecto de mezcla es despreciable. Podría entonces pensarse que la falta de respuesta responda a dichos esfuerzos de compresión excesivos, con efectos cornificantes. El mecanismo respectivo fue mostrado por Hartman /22/, mediante prensado cíclico de la pulpa en una prensa de laboratorio sin deslizamiento entre los rodillos, donde logró un 65% de mejoría en tracción, generado por fibrilación interna. Con los elementos hasta aquí aportados estamos en condiciones de especular sobre las posibilidades de una mejora radical del refino de barras presente. Dado que los efectos negativos son asignables a las fuerzas de cizallamiento, la optimización resulta imposible porque el principio básico de rotación concéntrica de las superficies activa s (discos o conos), impide obtener ningún efecto de refino sin cizallar la pulpa /23/. A lo sumo, cabe entonces 4 limitar la operación hasta generación incipiente de fibrilación externa o finos, como fue postulado /13/, resignando entonces resistencias mayores. MECANISMO DE REFINO DE COMPRESION No resulta inmediata la percepción de la generación de fibrilación interna por compresión cíclica, si bien su efecto en resistencia en la pulpa se aprovechó desde los principios de la actividad papelera con el martilleo del papiro egipcio, y más tarde de los trapos en el mundo conocido. Nuestra especulación sobre el fenómeno considera que la presión de compresión deforma axial o transversalmente la fibra, produciendo un deslizamiento interlaminar que promueve su separación efectiva, con reducción del momento de inercia axial de la fibra que es factor directo de rigidez /24/. Para algunos autores basta la flexióncíclica elástica de la pared celular hasta su colapso para alcanzar la flexibilización permanente de la fibra /9/, mientras otros especulan que debe llegarse hasta una compresión de la pared celular que desplace el agua libre inter-laminar, a modo de un bombeo peristáltico generador de delaminación /2/. Recientemente se postula que la fibrilación interna es causada en RC por la disrupción de la estructura laminar en los bordes de la fibra colapsada, fenómeno que se generalizaría a todo el perímetro al comprimirse la fibra en distintas posiciones, por el mezclado /13/. No advertimos incompatibilidad entre las distintas hipótesis, que probablemente convivan en un refino heterogéneo, con deformaciones puntuales muy dispares, desde elásticas hasta plásticas. Tales mecanismos ratifican la conveniencia de mezclado interciclos en refino de compresión. LIMITACIONES TÉCNICAS DEL REFINO DE COMPRESIÓN Mientras resultan claras las ventajas potenciales del RC aplicado a pulpas químicas nunca secadas o de mercado (un secado), habría limitaciones en el caso de pulpas recicladas con más de dos ciclos de secado. Es bien conocido que el re-procesado progresivo produce un cierre irreversible de poros interlaminares o capacidad de re-humectación (cornificación), que se traduce en severa pérdida de flexibilidad en húmedo de las fibras. Aún sin considerar la hipótesis extrema de Atack sobre el mecanismo del RC por bombeo peristáltico del agua libre interlaminar, en principio este proceso sólo se adapta naturalmente a fibras con los poros expandidos, aptos para delaminación. Con pulpas recicladas, es la fibrilación externa predominante en el refino convencional el que ofrece mayor potencial para restaurar el swelling y enderezamiento de las fibras cornificadas /25/, y por esta vía mejorar su resistencia a la tracción. DESARROLLOS TECNOLOGICOS Si bien los principios operativos del RC fueron sentados por las citadas experiencias de laboratorio en prensa o en batidora PFI sin resbalamiento, éstas no son de aplicación directa por simple cambio de escala. El uso industrial exige una operación contInua y productiva, con tratamiento homogéneo de la pulpa en ciclos múltiples, que se beneficia si se intercala mezcla del material entre los mismos, condiciones que faltan en laboratorio . Este desarrollo es el objetivo actual de varios grupos internacionales de primer nivel. A continuación describiremos sintéticamente los avances que hemos conocido, en especial a través de solicitudes de patentes. Sólo en un caso se ha llegado hasta la construcción de equipos pilotos, y por éste comenzaremos la revisión. 5 1. Como un ejemplo de integración de capacidades técnicas y económicas, se concretó en Holanda un programa de desarrollo del RC con participación del Ministerio de Economía, un centro oficial de investigaciones dedicado a la agro-industia, y empresas papeleras o de ingeniería. Confirmando las previsiones teóricas, las pruebas de un equipo continuo piloto con una capacidad de 50 kg de fibra seca /hora, han mostrado a igual nivel de resistencia a la tracción (Ind. De Tracción 55Nm/g), una drenabilidad casi 40% mayor medida en ºSR, con un consumo de energía específica menor a la mitad de un equipo de discos de igual escala. Además se observa una leve reducción de la retención de agua (WRV) que mejorará la energía de prensado y el secado de la hoja de papel. El diseño correspondiente (Fig. 1 a y b) ha sido descrito genéricamente por su autor, J. Dekker /19, 26/, como una prensa horizontal de rodillos cilíndricos con barras que rotan en igual sentido -movidos por sendos motores eléctricos-, sobre la cara interior de un tambor rotante, donde también se ubica un sinfin inferior paralelo a ambos con fines aparentes de alimentación y descarga simultánea por ambos extremos, y otro sinfín superior de avance inverso, adecuado para controlar la permanencia del material dentro del equipo. Rodillos y tambor giran a igual velocidad tangencial y la pulpa es forzada a pasar repetidamente por el nip formado entre ambos. Fig. 1. a – Sección transversal del refinador por compresión de operación continua, escala piloto (Dekker, J. –ATO) Fig. 1. b – Vista general del refinador por compresión de operación continua 2. Prensa horizontal de rodillos múltiples rotando dentro de un tambor concéntrico que gira a igual o cercana velocidad tangencial, con flujo axial del material por el nip, con solicitud de patente de autoría múltiple encabezada por Hess y asignada a la empresa Voith /27/. El principio operativo básico es análogo al caso anterior, pero aquí el material es impulsado hacia la pared del tambor rotante exterior y allí es presionado por la fuerza centrífuga de los rodillos -dotados de cierta movilidad radial-, y debe trasladarse axialmente desde un extremo al otro del tambor, sin despegarse de su pared, es decir, sin mezcla de material. El diseño se ilustra en la Figuras 2 a. y 2.b. Usualmente se agrega una batea interna concéntrica que puede rotar colaborando en el movimiento del material. Los rodillos y el tambor pueden ser lisos o con estrías o barras radiales o axiales. 6 Fig. 2. a – Vista lateral del refinador por compresión de operación continua (Hess, H. – Voith). Detalle de circulación de pasta (ingreso, tratamiento interno y salida). Fig. 2. a – Sección transversal del refinador por compresión de operación continua (Hess, H. – Voith). Detalle de mecanismo rotante y sistema de presión de pasta 3. Otra solicitud de patente de 2007 /28/, con autoría de un grupo de la universidad de Graz (Austria) encabezado por Berger y asignado a la empresa papelera SAPPI, presenta dos versiones de diseño. Una corresponde a la de prensa, ahora vertical, de rodillos múltiples estriados rotantes sobre la pared interior de una batea concéntrica que gira a velocidad tangencial cercana a la de los rodillos. La descripción del diseño en Fig. 3a corresponde, en aumento de escala, a la del refinador de laboratorio PFI donde se han pluralizado los rodillos, y aparece entonces la dificultad fundamental del mismo en lo referente al control de un flujo continuo uniforme del materia, limitación que es admitida por la propia patente al consignar que ello requiere "medidas especiales" no especificadas. Como alternativa de operación continua se presenta un diseño de prensa horizontal integrado por un sector de cilindro estático que hace de batea, contra cuya superficie interna rotan uno o más rodillos estriados, los que unidos por un bastidor rotacional concéntrico a la batea, pueden a su vez trasladarse en conjunto en movimiento ascendente sobre la misma (Fig. 3b) . La pulpa de alta consistencia se alimenta en la parte superior y desciende entre los rodillos por gravedad o ayudada por la rotación de los rodillos. 7 Fig. 3. a – Vista lateral del refinador por compresión de operación discontínua continua (Berger – Sappi)- Similar a PFI multiple. Fig. 3. b – Vista lateral del refinador por compresión de operación continua (Berger – Sappi). Detalle de circulación de pasta (ingreso, tratamiento interno y salida). 4. Prensa de rodillos cilíndricos horizontales superpuestos, con flujo transversal del material , autor Gabl asignada a la empresa Andritz /29/. Como se ve en el esquema de la Figs. 4a y 4b, el diseño sigue la configuración general de las prensas húmedas papeleras, aunque incluye rodillos provistos de fuertes estrias. Se presentan variantes mecánicas que no hacen al fondo de la cuestión, tales como prensas de tres rodillos (dos nips) o un par de prensas en serie, de dos rodillos. Incluye además diseños equivalentes a las prensas húmedas de "nip extendido" y hasta "shoe press", que aumentan la duración del ciclo de prensado, parámetro útil al prensado húmedo papelero pero sin antecedentes en refino.Fig. 4. a – Refinador por compresión de operación contínua continua (Gabl Andritz). Nip simple Fig. 4. b – Refinador por compresión de operación continua (Gabl - Andritz). Nip doble 8 5. Este último diseño corresponde a una solicitud de patente argentina de los autores (en trámite) por la Univ. Nacional del Litroral. En esencia es el histórico molino de muelas (Molaza en nuestro país, Kollergang en Europa /30/) mostrado en la Figura 5, utilizado en especial para el desfibrado de papel reciclado, obviamente dotado aquí de rasgos novedosos, como la operación continua en ciclos múltiples controlables y mezclado inter- ciclos del material. Los trámites de solicitud de patente impiden a la fecha de redacción del presente trabajo agregar mayores detalles correspondientes al diseño y operación de dicho aparato. Fig. 5 - Refinador Industrial Kollergang PERPECTIVAS GENERALES Como era previsible, no resulta fácil lograr un diseño de equipo industrial de RC que satisfaga todas las premisas teóricas del proceso ideal. Un rasgo general desfavorable sería la baja productividad, tal vez limitante de su uso por grandes fábricas. Como característica general de los casos revisados, es reducida la relación entre las áreas cuasi-lineales en contacto y el área total de las piezas potencialmente activas (rodillos rasurados o estriados y tambores), si se la compara con las homólogas del refino convencional de barras, a lo que se suma una cantidad relativamente baja de ciclos de esfuerzos en RC, sólo en ciertos diseños compensable reduciendo la producción. De todos modos, la intensidad y calidad de los trabajos de desarrollo en curso y el hecho de registrar muy buenos resultados en un equipo piloto, permite ser optimista sobre el futuro del proceso. BIBLIOGRAFIA 1. Dekker, J., Bouma, H. and Hooimeijer, A. Compression refining: the energy saving breakthrough in papermaking technology. Paper presented at Pulpaper 2007 Conference, Helsinki, 5-7 June 2007. 2. Atack, D. (1977). Advances in beating and refining. In: Fibre –water interactions in papermaking. Trans.of the Symp. held at Oxford, September 1977, p.261-295. 3. Page, D. H. (1989). The beating of chemical pulps- The actions and the effects. In: , Trans. of the 9th Fundamental Research Symposium, held at Cambridge, September 1989, p. 1-38. 4. Seth, R. S. (2005). The importance of the fibre straightness for pulp strength. Meeting of the 5. Cao, B., Tschirner, U. and Ramaswam, S. (1998). Impact of pulp chemical composition on recycling. Tappi J. 81 (12) 119-127. 6. Batchelor, W. 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