Modelagem e simulação da polpação kraft antraquinona

Abstract

Em indústrias de celulose, o processo dominante é a polpação Kraft. A polpação ou cozimento da madeira representa a operação central na produção de celulose, onde se processam as reações com os componentes da madeira. Propõe-se neste trabalho um modelo matemático de polpação Kraft-antraquinona de pinus taeda. O modelo consiste de um sistema de equações diferenciais parciais que descrevem os efeitos cinéticos e difusivos dos reagentes. O reator é modelado como um reator de mistura perfeita. Foram realizados experimentos, em planta piloto, com várias faixas de temperatura e concentrações de álcali a fim de encontrar os parâmetros cinéticos através de estimativa pertinente. A polpa foi tratada adequadamente para análise dos componentes da madeira discriminados em lignina, celulose, glucomana e xilana, utilizando técnica de cromatografia gasosa. Os resultados experimentais encontrados mostram-se próximos aos dados da literatura para a espécie de madeira utilizada. É proposto o uso de um modelo cinético baseado nos mecanismos de reação dos componentes da madeira. O modelo foi simplificado utilizando-se de análise de sensibilidade do modelo frente a variação dos parâmetros e simplificação do modelo cinético. Os resultados mostraram que a simplificação apresenta-se adequada para descrever o processo de polpação Kraft dentro da faixa de estudo. O modelo fenomenológico considera que o cavaco está impregnado no início da polpação. Leva-se em conta apenas a espessura do cavaco, dimensão perpendicular à direção das fibras, pois esta é a dimensão crítica, sendo em torno de cinco vezes menor que as outras dimensões. Os coeficientes de difusão efetivos foram retirados da literatura e os coeficientes de transferência de massa estimados através do número de Biot adequado a cada condição de processo. O perfil de temperatura durante o processo é conhecido. O modelo é capaz de predizer o comportamento das curvas experimentais, para carbohidratos e lignina, retiradas da literatura, bem como as curvas de consumo de álcali efetivo, para todas as fases de polpação. No entanto, o modelo mostrou um desvio considerável para os dados experimentais do componente xilana. Desenvolveu-se um programa computacional para a estimativa de parâmetros, utilizando um algoritmo genético, bem como para simulação do processo. O programa apresenta-se com metodologia para visualização dos resultados através de ferramenta gráfica.