SECAGEM DO PAPEL - Uma visão operacional.pdf

DIRCEU RODRIGUES DOS SANTOS JR.

A SECAGEM DO PAPEL

UMA VISÃO OPERACIONAL

RESUMO

A secagem é uma das etapas mais importantes da fabricação do papel, representando cerca de 50% dos custos envolvidos no desaguamento da folha. Um bom embasamento teórico é de fundamental importância para o pessoal envolvido na sua operação. Com este intuito foi desenvolvido este trabalho, que tentou traduzir em uma linguagem acessível, parte das teorias e tecnologias existentes.

Dirceu Rodrigues dos Santos Jr.

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RESUMO

A secagem é uma das etapas mais importantes da fabricação do papel, representando cerca de 50% dos custos envolvidos no desaguamento da folha. Um bom embasamento teórico é de fundamental importância para o pessoal envolvido na sua operação. Com este intuito foi desenvolvido este trabalho, que tentou traduzir em uma linguagem acessível, parte das teorias e tecnologias existentes.


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1 - INTRODUÇÃO No processo de fabricação do papel, podemos encarar a máquina de papel como um equipamento responsável pela remoção da água da folha. A massa ao sair da caixa de entrada está com uma consistência, normalmente, menor do que 1%; ou seja, para cada tonelada de fibra que sai da caixa de entrada temos 99 ton de água, ou mais. Ao final da mesa formadora estará com algo em torno de 20 a 22% e ao término da prensagem com 44%. Cabe a secagem remover água, até atingir a umidade ideal ao produto final, por exemplo 4%. Para uma melhor visualização, observemos a tabela a seguir, supondo-se que tenhamos saído da caixa de entrada com 100 ton de massa a 1% de consistência e não tenhamos tido perdas de fibras durante o processo:

Etapa

Remoção de

Remoção de

água (ton)

água (%)

20%

95,00

96,0

20%

44%

2,73

2,8

44%

96%

1,23

1,2

Entrada

Saída

Formação

1%

Prensagem Secagem

Tabela 1 – Remoção de água da folha

Portanto, a secagem, nas condições mencionadas, será responsável pela remoção de apenas 1,2% do total de água, mas representando algo em torno de 50% do custo desta remoção, conforme Bressani 2. Para termos uma idéia, se o teor de seco da folha for reduzido para 42%, o volume de água a ser removido terá um acréscimo de 8,9%. Como regra podemos afirmar que a cada 1% de variação de umidade na

entrada da secagem temos uma variação em torno de 4% na quantidade de água a ser removida . Fica claro que para um bom desempenho e operação econômica da secagem, é necessário que as condições da folha na entrada da secagem sejam o mais uniforme possível. Variações na dosagem de aditivos químicos (carga mineral, amido, agentes de retenção, etc.), na receita (por exemplo, porcentagem de refugo), na refinação, na formação da folha e na prensagem, entre outros, alteram as condições da operação da secagem, em função de variarem a quantidade de água na entrada da secagem. Dirceu Rodrigues dos Santos Jr.

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2- A SECAGEM A secagem pode ser definida, conforme Pacheco1, “como a operação destinada à remoção de um líquido agregado a um sólido, para uma fase gasosa insaturada, através da vaporização térmica. Esta vaporização ocorrendo em uma temperatura inferior àquela de ebulição do líquido, na pressão do sistema”. Por exemplo, quando colocamos uma toalha molhada para secar em um varal, ao sol, a temperatura atingida é bem menor do que os 100°C, necessários para a ebulição da água ao nível do mar, mas mesmo assim a toalha seca. Para entendermos os mecanismos envolvidos na secagem vamos visualizar uma outra situação: temos a mesma toalha molhada e colocamos sobre ela um ferro de passar quente. Mantendo o ferro sobre ela não a secaremos, podemos até queimá-la. Apenas após a retirada do ferro, possibilitando que o ar circundante entre em contato com ela é que temos a vaporização da água contida. Podemos agora estudar as principais variáveis envolvidas na secagem da toalha: •

Quantidade de água a ser evaporada (toalha mais ou menos molhada).

•

A temperatura do ar (dia mais quente ou mais frio).

•

A temperatura da toalha (toalha aquecida ou fria).

•

A umidade relativa do ar (dia mais m ais seco ou mais úmido).

Fazendo uma analogia entre a secagem da toalha e a da folha de papel, podemos afirmar que as principais variáveis envolvidas na secagem da folha de papel são: •

A umidade e a temperatura da folha f olha na secaria.

•

Temperatura e umidade relativa do ar na secaria.

•

Temperatura superficial dos cilindros secadores.

•

Velocidade de insuflamento do ar sobre a folha de papel.

•

Velocidade da máquina de papel. Dirceu Rodrigues dos Santos Jr.

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No dia-a-dia da operação da máquina de papel, praticamente nos preocupamos apenas com a pressão de vapor e com o diferencial de pressão nos secadores. Fica claro que são variáveis importantes, mas longe de serem as únicas. Precisamos, portanto, nos ater também as outras variáveis do processo para uma operação eficiente e econômica da secaria da máquina de papel.

Figura 1 – Análise da Secagem (esquemático)

O esquema acima nos mostra como se dá a secagem do papel. A folha de papel entra na secaria com algo em torno de 56% de água e sai com aproximadamente 4%. Para evaporação da água contida na folha, necessitamos de uma fonte de calor para aquecê-la e facilitar a evaporação da água e de ar para “transportar” a água evaporada. Muitas fontes de calor podem ser utilizadas para o aquecimento da folha tais como caixas de vapor e fontes de radiação infra-vermelho; mas os mais utilizados, a mais de um século, são os cilindros aquecidos com vapor.

2.1 - Por que aquecemos a folha de papel? A transferência da água da superfície da folha se dá através da difusão molecular, e quanto maior for a temperatura da água e menor a umidade relativa do ar, maior será Dirceu Rodrigues dos Santos Jr.

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a transferência de água da folha para o ar. Em outras palavras, a taxa de transferência de água é proporcional à diferença entre a pressão de vapor correspondente à temperatura da folha e a pressão parcial de vapor de água no ar. Portanto, para aumentarmos a quantidade de água evaporada da folha, trabalhamos em duas frentes: •

Aumentando a temperatura da folha.

•

Reduzindo a umidade relativa do ar.

2.2 - O vapor O vapor d’água foi escolhido como a forma mais segura e eficiente de aquecermos os cilindros secadores. Vamos entender um pouco sobre ele. Suponhamos que colocamos uma chaleira com água para aquecer. No início a água estava com temperatura em torno de 20°C, quando a água entrar em ebulição se colocarmos um termômetro registraremos uma temperatura em torno de 100ºC (dependendo da altitude); mesmo se deixarmos evaporar uma boa parte da água, a temperatura se manterá a mesma (100°C), da mesma forma a temperatura do vapor se manterá constante. Se passar o vapor gerado por uma tubulação, também aquecida, veremos a temperatura do vapor aumentar. Podemos notar três diferentes situações, conforme ilustrado a seguir:

Figura 2 – Aquecimento da água na pressão atmosférica (esquemático)


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Nos trechos 1 e 3 ao fornecermos calor temos alteração da temperatura, sem alteração do estado, a este calor fornecido chamamos de calor sensível; enquanto no trecho 2 fornecermos calor, mas temperatura continua constante, ocorrendo a mudança de estado de líquido para vapor, a este calor fornecido chamamos de calor latente. Se agora fizermos vários gráficos, um para cada pressão e sobrepondo-os teremos a figura a seguir:

Figura 3 – Temperatura vs. Entropia (esquemático) – Voith S/A Máquinas e Equipamentos

Podemos verificar claramente que a maior quantidade da energia contida no vapor está sob a forma de calor latente; portanto, para um melhor aproveitamento da energia do vapor, devemos entrar no secador com vapor e deixá-lo sair na forma de condensado, liberando assim a maior parte da sua energia. Mas isto gera um grande inconveniente, que é a formação de uma película de condensado que irá se comportar como um isolante térmico, obrigando-nos a tomar cuidado com controle de sua espessura. Para termos uma idéia, uma película de Dirceu Rodrigues dos Santos Jr.

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condensado de 1mm tem a mesma capacidade isolante de 88mm de espessura da parede de ferro fundido do cilindro secador. Qual a melhor condição do vapor na entrada do secador? A primeira impressão é a de que quanto mais quente o vapor e maior a sua pressão melhor. Será correto? Para uma facilitar a análise suponhamos um secador de capacidade de 1m³. Variando temperatura e pressão de vapor, vamos calcular a quantidade de energia, em kcal, disponível dentro do secador, conforme a tabela a seguir:

Pressão Absoluta

150°C

160°C

170°C

180°C

190°C

3

1019,6

1001,1

983,7

967,3

951,8

4

1368,7

1342,4

1318,5

1295,6

1274,4

5

-

1688,5

1656,7

1627,5

1599,9

7,5

-

-

2521,1

2472,3

2426,9

10

-

-

-

3342,9

3275,5

(kgf/cm²)

Tabela 2 – Energia (kcal) disponível por m3 de secador, em função da pressão e temperatura do vapor

Fica claro, portanto, que quanto maior a pressão, maior a quantidade de energia no secador; mas, se aumentarmos a temperatura do vapor, teremos redução.

Um superaquecimento do vapor (temperatura acima da temperatura de vaporização) de 20°C pode significar uma perda de mais de 3% da energia disponível no secador. Se não tiver a mão uma tabela de características do vapor saturado, para determinação da temperatura de saturação do vapor, a uma determinada pressão, podemos dispor da Dirceu Rodrigues dos Santos Jr.

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equação a seguir (de origem desconhecida, mencionada por Jorqueira 3), que tem erro (para a maioria das pressões) menor do 1% para as pressões normais de operação das máquinas de papel:

Ts

=

100 * 4

ps

(1)

onde: Ts: é a temperatura de saturação do vapor em ºC ps: pressão absoluta em bar, caso se utilize a pressão manométrica, somar 1 bar. Normalmente em fábricas integradas, o vapor primeiro passa por turbo-geradores e depois vai para as máquinas de papel. Os turbo-geradores necessitam de vapor superaquecido para evitar problemas de erosão, além de apenas reduzirem a pressão do vapor e muito pouco a sua temperatura. A instalação de dessuperaquecedores, portanto, se fazem necessários para garantir que a temperatura do vapor não esteja com um grau de superaquecimento muito alto. Na prática para evitarmos condensação nas tubulações, o que também ocasionaria perdas ou um excessivo superaquecimento do vapor, recomenda-se trabalhar com um superaquecimento em torno de 10°C,

na entrada dos secadores.

2.3 - Curva de Secagem Como vimos quanto maior a pressão do vapor e menor a sua temperatura mais energia conseguiremos introduzir no secador. Como no início da secagem o papel está frio e mais úmido, aparentemente, devemos ter no início os secadores o mais quente possível, para aumentarmos a troca térmica e maximizar a evaporação de água. Certo? Infelizmente não. A fibras, que são compostas principalmente por celulose, são estruturas porosas, flexíveis, absorventes e que se incham quando em contato com a água. Quando retiramos a água, as fibras se contraem e reduzem o tamanho dos poros. Se fizermos uma secagem muito rápida, a água superficial da fibra se evapora, a superfície se Dirceu Rodrigues dos Santos Jr.

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contrai, retendo ou dificultando a saída da água do interior das fibras e também da folha de papel. A este fenômeno damos o nome de selagem da folha. Para evitarmos a selagem da folha, se faz necessário um aquecimento gradual da folha. Na prática, podemos adotar uma diferença entre a temperatura da folha e a da superfície do secador de aproximadamente 10°C. Este valor é uma referência, o valor ideal para cada máquina, matéria-prima utilizada e gramatura de papel deve ser obtido observando-se a qualidade e a umidade final do papel. Serve, portanto, como alerta:

“Se ao aumentar a pressão de vapor, não obtiver uma redução da umidade da folha, pense seriamente em refazer a curva de secagem”.

2.4 - O aquecimento da folha Como já vimos a energia necessária para o aquecimento da folha é fornecida pelo vapor, ao se condensar no secador. Entre a superfície externa da folha de papel e o vapor, existem camadas formadas pelo filme de condensado, a parede do secador, impurezas (sujeiras), ar e a própria espessura da folha, conforme esquematizado a seguir:

Figura 4 – Transmissão de calor do vapor até a superfície oposta da folha de papel


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O fluxo de calor (Q) transmitido à folha de papel, é função do coeficiente global de transferência de calor (U), da área de contato entre a folha de papel e o secador (S), da temperatura do vapor (tv) e da temperatura da superfície externa da folha de papel (te), podendo ser expressa pela equação ( Jorqueira 3): Q

=

(2)

U * S * (tv − te)

e U variando conforme a equação: U =

1 1 hc

+

e1 ks

+

1 h A

+

e2 k P

+

ei ki

+

1

(3)

hv

onde, hc: coeficiente de convecção térmica do condensado ks: coeficiente de condutividade térmica da parede do secador hA: coeficiente de convecção do ar kP: coeficiente de condutividade térmica do papel ki :

coeficiente de condutividade térmica da película de impurezas

hv: coeficiente de convecção da película ar + vapor e1: espessura da camisa do cilindro secador e2: espessura da folha de papel ei:

espessura da camada de impurezas na superfície do cilindro secador

Tradicionalmente, os diversos autores (entre eles Bressani 2 e Jorqueira 3), não incluem, nesta equação, a condutividade térmica da película de impurezas, devido a dificuldade de se determinar a sua composição e a sua conseqüente influência na transmissão de calor. Resolvi incluí-la apenas para marcar a importância da manutenção de uma boa limpeza da superfície do secador. Em resumo, as variáveis envolvidas na transmissão de calor do vapor introduzido no secador para a folha de papel são: Dirceu Rodrigues dos Santos Jr. 10

•

espessura do filme de condensado

•

espessura e material da parede do secador

•

espessura e composição das impurezas na superfície do secador

•

espessura do “colchão” de ar entre a folha de papel e o secador

•

espessura e composição da folha de papel

Nos próximos capítulos vamos discutir algumas destas variáveis, mas não entraremos no dimensionamento do secador, por se referir mais a Resistência dos Materiais, do que a secagem propriamente dita.

Dirceu Rodrigues dos Santos Jr. 11

3 - O COMPORTAMENTO DO CONDENSADO O filme de condensado tem uma condutividade térmica de 0,67 W/mK, o ferro fundido, utilizado na confecção do secador, é de 59 W/mK; ou seja, 88 vezes menor ( Bressani 2). Considerar, portanto, o filme de condensado como um isolante térmico, não seria nenhum exagero. Como conseqüência, o controle da sua espessura do filme de condensado é de extrema importância para um bom desempenho da secagem. O comportamento do filme de condensado, segundo Rosa 5, varia em função da velocidade da máquina e do diâmetro do secador. Com o secador parado ocorre a formação de uma poça de condensado na parte inferior do secador. Colocando o secador em movimento, o filme tende a acompanhá-lo, mas desliza de volta, até que se atinja uma determinada velocidade, aonde o filme forma um anel estável encostado na parede do secador. Conforme podemos visualizar através das fotos a seguir:

Figura 5 – Formação do filme de condensado – Filme da Johnson

A velocidade na qual o anel de condensado se forma é definida na equação, conforme Jorqueira 3:

 

V = 3 L * 1744 −

658 



D 

(4)

onde: V: Velocidade (m/min) L: Espessura do filme de condensado (m) D: Diâmetro do cilindro (m) Dirceu Rodrigues dos Santos Jr. 12

Portanto, dependendo da velocidade da máquina e da espessura do filme de condensado, teremos um comportamento diferente do filme e uma melhor maneira de extraí-lo do secador.

3.1 - Extração de Condensado A extração do condensado é feita através de sifões, que são os elementos compostos de uma tubulação através da qual o condensado, o vapor de arraste e o ar, saem do secador. Devem ser projetados e dimensionados de modo a manter sob controle a espessura de condensado dentro do secador. Existem vários modelos de sifões, sendo os principais os de canecos (em desuso), os estacionários e os rotativos.

3.1.1 - Sifões de canecos São constituídos de tubulações em espiral, que giram com o secador e estão parafusadas nele. Em cada volta se enche de condensado, o qual com o movimento é levado até o eixo central e sai do secador pela tubulação de extração de condensado.

Figura 6 - Sifão de canecos – Jorqueira 3

Este sistema de extração não necessita de pressão diferencial e nem de vapor de arraste para a remoção do condensado, pois a energia necessária é fornecida pelo acionamento da máquina. Remove, além do condensado, também o ar interno ao secador. Dirceu Rodrigues dos Santos Jr. 13

A velocidade máxima a que o caneco pode operar está limitada à velocidade de formação do anel, em função da força centrífuga.

3.1.2 - Sifões estacionários É constituído de um tubo horizontal, firmemente encaixado na união rotativa, que passa pelo centro do eixo até o interior do secador. Ali, vira em ângulo reto até a superfície interna do secador, nesta extremidade está instalada a sapata, que permite ajustar a folga entre o secador e o sifão (normalmente 2mm). Os sifões antigos eram sustentados em “cantilever”, por um tubo horizontal de diâmetro de 15cm e a união rotativa tinha que ser extremamente robusta e ancorada na estrutura da máquina ou na caixa de rolamentos. Os sifões modernos têm um mancal de metal ou grafite no lado interior da tampa do secador, o qual evita esforços sobre a união rotativa e permite ajustar com mais precisão a distância entre a sapata e o secador.

Figura 7 - Sifão estacionário –Voith (material de divulgação e treinamento Voith)

Os sifões estacionários normalmente são montados apontando para baixo, mesmo para velocidades acima da velocidade de formação do anel, devido a possibilidade de Dirceu Rodrigues dos Santos Jr. 14

formação de uma poça, principalmente na partida da máquina ou devido a variações nas condições de operação. Em velocidades acima da de formação do anel seria melhor que estivessem apontados para cima, aproveitando-se da força da gravidade para a extração do condensado. O sifão estacionário provoca um aumento da transmissão de calor na zona em que está colocado, devido à turbulência que ele produz na camada de condensado e porisso o papel nessa zona fica mais seco, gerando um perfil irregular de umidade da folha de papel. Outro problema é devido à necessidade de termos uma folga maior entre o secador e a sapata, comparando-se com os sifões rotativos. Nas máquinas modernas estes dois problemas são contornados com as seguintes providências: a sapata é colocada fora da zona na qual o secador está em contato com o papel, e na zona sob a sapata o secador é rebaixado em 2mm, de modo a não termos acúmulo de condensado. Os sifões são colocados de dois em dois, alternados do lado do acionamento e do comando. A pressão diferencial necessária para extrair o condensado é muito baixa, equivalente à coluna de água de uma altura equivalente ao comprimento do sifão mais as perdas de carga. O vapor de arraste também é muito pouco. A velocidade não dificulta a extração do condensado, pelo contrário, a facilita, se a sapata estiver adequadamente projetada, a energia cinética do condensado o “empurra” para fora do secador, sem a necessidade de pressão diferencial. O sifão estacionário pode ser aplicado em máquinas de qualquer velocidade, de preferência nas muito lentas ou muito rápidas. Nas zonas da secaria da máquina em que a pressão de vapor é muito baixa (primeiros secadores e os após a prensa de colagem) sua aplicação tem enorme vantagem, em função do baixo diferencial de pressão exigido e da facilidade de extrair condensado quando alagado.


3.1.3 - Sifões rotativos É constituído de um tubo perpendicular ao eixo do secador que chega até perto da parede. Na extremidade tem uma sapata em forma de sino e opostamente o sistema fica apoiado na superfície do secador, por meio de barras e molas, que o mantém firmemente fixado. O sifão gira juntamente com o secador. A quantidade de condensado retido no secador é determinada pela folga entre a sapata do sifão e a parede do secador, não sofrendo interferência de excentricidades do secador. Nas figuras a seguir são mostrados dois modelos de sifões rotativos de fabricantes diferentes (Voith e Johnson).

Figura 8 - Sifão Rotativo – Voith (material de divulgação e treinamento Voith)


Figura 9 - Sifão Rotativo – Johnson ( Jorqueira 3 )

Para a saída do condensado é necessário um diferencial de pressão bem maior do que nos sifões estacionários, devido à extração ser feita contra a força centrífuga. Para minimizar o efeito da força centrífuga é necessário que uma determinada quantidade de vapor de arraste saia junto com o condensado, reduzindo conseqüentemente a densidade. O grande problema dos sifões rotativos é a possibilidade da formação de uma coluna de condensado, e se o diferencial de pressão for insuficiente, teremos paralizada a extração de condensado. Para evitar este problema, se fazem dois furos na tubulação do sifão, um pouco acima da extremidade (40mm e 70mm) na qual está instalada a sapata, se garantido a quebra desta coluna de condensado. Em caso da formação de uma grande poça, nem mesmo esta solução garantirá a extração do condensado e a sua conseqüente inundação. Próximo ao sifão, o condensado é impulsionado pelo vapor de arraste e transformado em gotículas. Mesmo que a parede do secador fique livre de condensado neste ponto, haverá um anel de condensado no resto da parede, não aquecendo de forma muito Dirceu Rodrigues dos Santos Jr. 17

desigual a camisa do secador e fornecendo um perfil de temperatura superficial do secador mais uniforme e portanto, um perfil de umidade da folha de papel também mais uniforme. Um novo modelo de sapata foi desenvolvido pelo fabricante Johnson, o LDR (Low Recovery Diferential), que em função da entrada de vapor de arraste de forma diferenciada, garante que não se forme uma coluna de condensado, mesmo com a entrada de vapor pela sapata alagada. Podemos comparar os diversos modelos de sifões rotativos nas figuras a seguir, extraídas do trabalho de Jorqueira 3 , que referencia publicações e trabalhos elaborados pelo fabricante

Johnson

(“L.D.R.

Rotary Symphons” e “The Effects of Siphon Clearence on Dryer Performace”).

Figura 10 - Pressão Diferencial vs. Vapor de Arraste – Sifão Rotativo Convencional


Figura 11 - Pressão Diferencial Recomendada vs. Velocidade – Sifão Rotativo Convencional

Figura 12 - Pressão Diferencial Recuperação do Alagamento vs. Velocidade – Sifão Rotativo Convencional Dirceu Rodrigues dos Santos Jr. 19

Figura 13 -Vapor de Arraste e Ponto de Alagamento o vs. Taxa de Condensação – Sifão LDR

Figura 14 - Pressão Diferencial Recuperação do Alagamento vs. Velocidade – Sifão Rotativo Convencional e LDR Dirceu Rodrigues dos Santos Jr. 20

Figura 15 - Pressão Diferencial vs. Vapor de Arraste – Sifão LDR

Algumas indicações de dimensionamento de sifões rotativos a seguir são fornecidas pela Johnson ( Jorqueira 3): Relação entre o diâmetro do sifão e a taxa de condensação no secador: •

1/2 polegada até 270 kg/h

•

3/4 polegada até 540 kg/h

•

1 Polegada até 900 kg/h

Relação entre a velocidade da máquina e a porcentagem de vapor de arraste: •

de 0 a 500 m/min

17% de vapor de arraste.

•

de 500 a 600m/min 24% de vapor de arraste.

•

de 600 a 750 m/min 27% de vapor de arraste.

•

mais de 750 m/min 33% de vapor de arraste.


A velocidade da mistura de condensado e vapor dentro do sifão deve ficar entre 50 e 65 m/s. Abaixo de 35m/s, o vapor não quebra, satisfatoriamente, a coluna de condensado, tendo perigo de alagamento do secador. Acima de 80 m/s teremos erosão acentuada do sifão.

3.2 - Barras de turbulência São barras chatas colocadas contra a superfície interna do secador, a distâncias reguladas, suportadas por anéis metálicos providos de molas que as mantém firmemente encostadas. Cada fabricante deu um nome para eles: Voith as chamou de termo-anéis, Beloit de spoiler bars e Johnson de turbulators ( Jorqueira 3) O efeito desejado ao instalá-las é provocar turbulência da camada de condensado, aumentando o coeficiente de película, que é função da turbulência a qual está submetido um fluido, no caso o condensado, aumentando a transmissão de calor. Podemos visualizá-las e o seu efeito nas figuras a seguir:

Figura 16 - Barras de turbulência ( termo-anéis) - Material de divulgação Voith Dirceu Rodrigues dos Santos Jr. 22

Figura 17 - Influência dos termo-anéis na transmissão de calor, em função da velocidade da máquina e da espessura do filme de condensado – Material de divulgação Voith

Cabe ressaltar que um filme de condensado maior, em torno de 4 mm, aumenta a transferência de calor, conforme as curvas da figura anterior. As barras de turbulência também podem propiciar um perfil de umidade da folha de papel mais uniforme, conforme testes em diversas máquinas de papel.


4 – SISTEMAS DE VAPOR E CONDENSADO O objetivo fundamental do sistema de vapor e condensado é permitir aos operadores aquecerem os diferentes secadores da máquina de papel, de acordo com as necessidades do processo (tipos de papéis, gramaturas, velocidades de operação, matérias-primas, qualidade do produto final, entre outros). Outro objetivo, não menos importante, é a utilização racional do calor do vapor, evitando perdas e devolvendo à caldeira o máximo do condensado produzido. Para poder controlar a temperatura dos secadores, de forma estável, é necessário, como já vimos, retirar de forma eficiente o condensado e os não-condensáveis do interior dos secadores. O fluxograma do sistema de vapor e condensado deverá ser diferente em função da velocidade da máquina, dos elementos de utilizados para a extração de condensado dos secadores e dos produtos produzidos (dependendo, por exemplo, da existência ou não de prensa de colagem, etc.). As figuras, utilizadas para ilustração neste capítulo, foram baseadas ou extraídas dos trabalhos de Jorqueira 3, Ueno 4 e materiais de divulgação e treinamento da Voith.

4.1 - O sistema de vapor e condensado em função do produto As variáveis apresentadas em função do produto são: •

Necessidade de se controlar baixas temperaturas nos primeiros secadores da máquina, e os que se seguem a prensa de colagem, para evitar arrancamento das fibras superficiais do papel e a selagem da folha. Nesses secadores é necessário controle individual de pressão de vapor.

•

Necessidade de se controlar de forma separada a taxa de evaporação de água Dirceu Rodrigues dos Santos Jr. 24

antes e depois da prensa de colagem, pois as quantidades de água a evaporar são muito diferentes, nos diversos produtos. •

Necessidade de controle independente da pressão dos secadores superiores e inferiores, para controlar o encanoamento, ou para se obter um lado mais úmido de forma a poder obter brilho no secador monolúcido.

•

Máquinas de um único secador.

4.1.1 - Máquina de papel jornal Os primeiros secadores devem ter pressão de vapor reduzida. Os restantes podem ter um só controle.

Figura 18 - Sistema de vapor (esquemático) – Máquina de papel jornal

4.1.2 - Máquina com prensa de colagem Os primeiros secadores e os que se seguem a prensa de colagem devem ter pressão reduzida e controle individual. Os secadores restantes devem ter controle separado, os antes e os depois da prensa de colagem.

Figura 19 - Sistema de vapor (esquemático) – Máquina com prensa de colagem Dirceu Rodrigues dos Santos Jr. 25

4.1.3 - Máquina com prensa de colagem e controle de encanoamento Idem ao sistema anterior, com o último grupo de secadores dividido em superiores e inferiores, com controle de pressão independente em ambos.

Figura 20 - Sistema de vapor (esquemático) – Máquina com prensa de colagem e controle de encanoamento

4.1.4 - Máquina de Cartão Idem ao sistema anterior, com o primeiro grupo de secadores também divididos em superiores e inferiores. No caso do cartão ter a aplicação de tinta couché, também são necessários mais dois grupos de secadores com controle independentes de pressão.

Figura 21 - Sistema de vapor (esquemático) – Máquina de Cartão Revestido Dirceu Rodrigues dos Santos Jr. 26

4.1.5 - Máquina mista com cilindro monolúcido As necessidades deste tipo de produto são: um aquecimento lento da folha na entrada da secagem, secar mais o lado oposto ao do secador monolúcido, controle do monolúcido e controle dos secadores depois do monolúcido. Em outras palavras, os primeiros secadores têm pressão reduzida e controle individual; nos que se seguem, controles independentes nos grupos superiores e inferiores, um sistema independente de controle do secador monolúcido e um sistema de controle para os secadores finais.

Figura 22 - Sistema de vapor (esquemático) – Máquina mista com cilindro monolúcido

4.1.6 - Máquina de papel tissue Um único sistema de controle de pressão para o secador Yankee.

Figura 23 - Sistema de vapor (esquemático) – Máquina de papel tissue


4.2 - O sistema de vapor e condensado em função do aproveitamento do vapor Como já vimos, uma das funções principal do sistema de vapor e condensado é a de permitir secar o papel com o menor consumo de vapor possível, ou seja, explorar ao máximo o calor disponível no vapor. Portanto o sistema deve ser projetado, como um conjunto, aonde a calor residual do condensado de um determinado grupo, possa ser utilizado em outro grupo ou reaproveitado no mesmo. Em função da configuração do sistema de reaproveitamento do vapor, os desenhos típicos são: •

Sistema em paralelo.

•

Sistema em cascata.

•

Sistema com termocompressor.

•

Sistema misto.

4.2.1 - Sistema em paralelo Todos os secadores estão ligados a uma única linha de vapor e as pressões são controladas através de válvulas individuais. Se os secadores são desaguados por sifões do tipo canecos (limitados a 300 m/min) ou sifões estacionários é possível

Figura 24 - Sistema de vapor em paralelo (esquemático)

controlar a saída de condensado através de purgadores de bóia em cada secador. No Dirceu Rodrigues dos Santos Jr. 28

caso de sifões estacionários os purgadores deverão permitir a saída de uma certa quantidade de vapor, para eliminar o selo de vapor que se produziria nas tubulações. No caso de máquinas com velocidade superior a 400 m/min, com sifões rotativos, este sistema não é recomendado, pois o indispensável vapor de arraste não teria como ser reaproveitado, e a quantidade de energia perdida seria muito grande. Se por algum motivo tiver que ser adotado este sistema, é necessário que cada secador tenha o seu próprio controle de pressão e de pressão diferencial, o que deixaria o sistema muito caro.

Figura 25 - Sistema de vapor em paralelo com controle de pressão diferencial (esquemático)

4.2.2 - Sistema em cascata Neste sistema o vapor é alimentado ao grupo de pressão mais alta. O condensado e o vapor de arraste vão para um separador de condensado, onde o vapor flash (vapor de arraste mais a parcela do condensado que voltou a ser vapor em função da despressurização) gerado é levado para alimentar grupos secadores de pressão menor. Este sistema pode utilizar todos os tipos de sifões, sempre que projetado levando-se em conta as pressões diferenciais e o vapor de arraste necessário. O número de secadores no estágio seguinte da cascata deve ser de pelo menos 1/3 dos do estágio Dirceu Rodrigues dos Santos Jr. 29

anterior.

Figura 26 - Sistema de vapor em cascata (esquemático) - Voith

O sistema em cascata quando bem dimensionado é simples e eficiente (a perda do sistema é só a do vapor de arraste do último estágio), e tem boa extração de incondensáveis. É um sistema excelente para máquinas com sifões estacionários ou canecos, que necessitam de pequenas diferenças de pressão entre grupos e baixas vazões de vapor de arraste. Tem utilização comprometida em máquinas de alta velocidade e com sifões rotativos, em função dos maiores diferenciais de pressão necessários para o desaguamento dos secadores. É o sistema ideal a ser utilizado em máquinas que trabalham com um único produto, sem trocas de programação, por exemplo, papel jornal. Não é indicado para máquina com produtos com grande variação de gramaturas e velocidades, pois as pressões de vapor são dependentes entre os grupos, e a pressão específica média é menor comparativamente a outros sistemas.


4.3 - O termocompressor O termocompressor é ejetor alimentado por vapor, que se baseia no princípio de um Venturi, onde o vapor de arraste é succionado por uma zona de baixa pressão gerada pela injeção de vapor motriz (vapor da linha de alta pressão) no termocompressor. No difusor do termocompressor, a energia cinética fornecida pelo vapor motriz é convertida em pressão, até alcançar pressão suficiente para ser re-introduzido no grupo secador (vapor de descarga).

Figura 27 - Termocompressor ( Jorqueira 3)

Os termocompressores são elementos que funcionam bem exclusivamente nas condições para as quais foram projetados. Para condições diferentes, o desempenho não é bom e até podem introduzir vapor por onde deveria succionar. Segundo Jorqueira 3, se colocarmos o termocompressor em uma bancada de teste e fomos abrindo a válvula do vapor motriz, o termocompressor só começará a succionar quando atingirmos a 65% da vazão de projeto. O vapor succionado Dirceu Rodrigues dos Santos Jr. 31

aumenta até 100%, quando o vapor motriz chegar a 100% da vazão. Se continuarmos aumentando, a vazão continua constante, até atingirmos à vazão do vapor motriz de 150% da de projeto, acima disto a vazão de vapor succionado cai linearmente.

4.4 - Sistema com termocompressor O grande problema para máquinas com velocidade acima de 300m/min, com sifões estacionários ou rotativos, é o aproveitamento do vapor de arraste. Nos sistemas em cascata a operação fica presa a um diferencial de pressão mínimo entre os grupos, obrigada ou trabalhar com velocidades reduzidas, ou a jogar vapor fora para um aumento de produção. Uma alternativa encontrada foi a instalação de termocompressores, que tem a função de reaproveitar o vapor de arraste (ou flash) no próprio grupo no qual foi gerado. Conforme podemos verificar no fluxograma a seguir:

Figura 28 - Sistema de vapor com termocompressor (esquemático) - Voith

As vantagens deste sistema são, portanto: pressões de vapor independentes entre os diversos grupos; a pressão específica média é maior e maior versatilidade de Dirceu Rodrigues dos Santos Jr. 32

produtos. Como principais desvantagens, temos: necessidade de duas linhas de vapor, uma de baixa e outra de média pressão; e um controle menos preciso da temperatura do vapor introduzido no secador (é possível o controle desta temperatura, mas tornaria o sistema demasiadamente caro).

4.5 – Sistema misto A maior parte das máquinas de papel de imprimir e escrever utiliza um sistema misto de paralelo, cascata e com termocompressor. O primeiro grupo secadores (eventualmente o segundo também) e o após a prensa de colagem utilizam ou sistema paralelo e/ou cascata; e nos demais grupos, sistemas com termocompressor.


5 – CONTROLE DO ENCANOAMENTO DA FOLHA Podemos definir encanoamento como sendo a tendência de curvatura da folha de papel para um dos lados da folha, fugindo da condição de planura. Mas para que lado a folha irá encanoar? Muito simples, a curvatura sempre se dará para o lado menos rígido da folha. Aí que está o problema, inúmeros fatores ocasionam diferença de rigidez entre os lados da folha. É óbvio que diferenças na estrutura da folha de papel são os fatores mais importantes no encoamento ou na tendência de encoamento da folha de papel. Fica claro, que a formação e umidade desuniformes da folha são grandes responsáveis pelo encanoamento. A formação desuniforme pode ocasionar variações de carga e/ou finos entre os lados, e a diferença de umidade entre lado tela e feltro, por exemplo, ocasionam diferença de rigidez entre os lados. Na secagem tentamos minimizar o problema, secando mais o lado para onde o papel está encanoando. Muitos papeleiros, por mais incrível que pareça, ainda se enganam ao pensar que o papel encanoa para o lado seco da folha. Bastaria fazer um pequeno teste para sanar esta dúvida. Utilizando-se um pano ou papel umidecido, passe-o sobre um dos lados de uma folha de papel. No primeiro momento as fibras absorverão água e se incharão, encanoando o papel para o lado seco. Se pararmos o teste neste momento, cometeríamos o erro de afirmar que o papel encanoaria para o lado seco. Aguardando alguns instantes, notaremos que o papel, como num passe de mágica, começará a inverter o encanoamento inicial e encanoará para o lado úmido. O que aconteceu? Simples, no primeiro momento as fibras se incharam, forçando o encanoamento para o lado seco, mas a água começa a interferir nas ligações entre as fibras e também internamente nas fibras, reduzindo a rigidez da estrutura, e porisso o papel inverterá o encanoamento para o lado úmido. Outra maneira simples de testarmos, é fazendo uma impressão em impressoras a laser, o lado que receber o

toner ,

será aquecido e o papel encanoará para o lado não Dirceu Rodrigues dos Santos Jr. 34

impresso. Na máquina de papel estamos na condição de estabilidade; ou seja, não molhamos nenhum lado da folha, e, portanto, não existe fibra se inchando, forçando o papel a encanoar para um determinado lado. Denominamos lado tela, o lado inferior da folha e lado feltro o superior (esta denominação é no mínimo estranha para formadores de telas duplas). Suponhamos que o papel está encanoando para o lado tela, ou seja, o lado tela está menos rígido. Para revertermos o encanoamento, deveremos aquecer os secadores superiores, e conseqüentemente, secarmos mais o lado tela, aumentando a sua rigidez, ou resfriamos os inferiores, aumentando a umidade do lado feltro, reduzindo a sua rigidez. É sempre bom ressaltar que existe limite para a correção do encanoamento utilizandose da secagem. É possível que, em função da diferença muito acentuada de rigidez entre os lados, a correção através da secagem não seja suficiente, implicando, portanto, em alterações na formação e/ou prensagem da folha.


6

–

FASES

DA

EVAPORAÇÃO

EM

SECAGEM

EM

MULTISECADORES Na figura a seguir, extraída de material de divulgação e treinamento da Voith, podemos observar o comportamento da evaporação de água, durante a passagem da folha por uma bateria de secadores. Verificamos que a maior parte da evaporação se dá entre os secadores, área esta denominada bolsão. Durante o tempo, no qual, o papel que está em contato com o secador, não tem evaporação (fato já discutido), e no lado oposto, o em contato com a tela secadora temos uma menor, mas importante evaporação.

Figura 29 - Ciclo de Secagem - Fases de evaporação da folha (Voith)

Podemos notar que, as condições da atmosfera no bolsão e permeabilidade da tela secadora são de fundamental importância na secagem da folha. Como já foi afirmado, a transferência de massa (água) para a atmosfera, depende de diversas condições, sendo as principais: a temperatura da folha de papel e a umidade relativa do ar do bolsão. Com o aumento de velocidade e de produção das máquinas de papel obrigou aos fabricantes de máquinas a trabalharem em cima das condições Dirceu Rodrigues dos Santos Jr. 36

da atmosfera do bolsão, devido à convecção natural, não propiciar condições para uma evaporação eficiente. Foram introduzidos sistemas de insuflamento de ar aquecido (reduzindo-se a umidade relativa do ar) e capotas fechadas, que evitam a entrada de ar frio e a formação fluxos preferenciais do ar, além de possibilitarem a exaustão forçada do ar já saturado. O controle da atmosfera dos bolsões ( Bressani 2) é feito medindo-se as temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido, e entrando-se com estes valores em uma carta psicométrica, podemos estimar a umidade relativa do ar, e a maior ou menor facilidade (ou tendência) de transferência de massa (água) para o ar. Esta tendência ou força motriz pode ser calculada, para cada um dos bolsões, através da diferença entre as pressões parciais de vapor da folha e de água no ar. A faixa normal de trabalho da força motriz, nas máquinas de papel, está normalmente na faixa de 150 a 400mmHg, valores esses considerados aceitáveis. Abaixo estaremos em uma condição muito ruim, muito acima poderemos estar gastando energia demais. Outro balanço importante é o de pressão dentro da capota, as pressões internas devem variar linearmente desde o porão, com pressão acima da pressão atmosférica, até o alto da capota, que deverá ter pressão negativa. O ponto neutro (pressão interna igual à atmosférica) deve acontecer entre 1,0m a 1,5m acima do piso da máquina. No dia-adia, podemos verificar as condições do balanço de pressões na capota, simplesmente passando um pedaço de papel fino ou uma pequena mecha de algodão pelas “frestas” das portas, e verificar onde temos tendência de entrada ou saída de ar. Estabelecidas as condições ideais de operação, cabe ao operador verificar, rotineiramente, as condições dos ventiladores, exaustor, trocadores de calor e filtros de ar. Depois de paradas e quebras, verificar se os “ dampers” de regulagem das caixas de insuflamento não foram alterados.


6.1 - A influência da tela secadora A tela secadora tem por funções principais: conduzir a folha de papel, permitir evaporação e reduzir o filme de ar entre a folha e o secador, devido à pressão exercida por ela sobre a folha. Testes em máquinas piloto demonstram que ao aumentarmos a tensão da tela temos significativo aumento da transmissão de calor, até um determinado limite, a partir do qual o aumento de tensão não se reflete em aumento significativo da transmissão de calor. Segundo Bressani 2, em máquina piloto da Albany, na Suécia, testes mostraram que esta tensão está por volta de 6,3 kN/m. Nestes testes, o aumento da tensão da tela secadora de 2 kN/m para 6,3 kN/m, propiciou no teor de seco da folha de até 2%, variando-se depois até 15 kN/m o aumento foi em torno de 1%. Outros fatores também são importantes: o número de pontos de contato entre a tela e a folha, quanto maior o número, maior será o teor de seco da folha; além da permeabilidade, que quanto maior, maior o teor de seco atingido.


7 - CONCLUSÕES A formação da folha, assim como, a receita utilizada, aditivos químicos, refinação e prensagem, interferem diretamente na quantidade de água na entrada da secagem, e também na diferença de rigidez entre lados da folha, conseqüentemente na secagem e no encanoamento da folha. Em fábricas integradas, onde o vapor passa primeiro por um turbo-gerador, o controle de temperatura do vapor na entrada dos secadores é de suma importância, pois o vapor tende a estar com elevado superaquecimento, reduzindo a energia disponível aos secadores. Altos diferenciais de pressão nos grupos secadores, além de não aumentar secagem, reduz a vida dos sifões e aumenta o consumo de vapor, em função do aumento do vapor de arraste e da redução da taxa de condensação. Diferenciais altos, somente, na saídas de máquina, visando reduzir os não condensáveis (ar) dentro dos secadores. Atenção especial merece o sistema aerotérmico, pois ele é que garante realmente a secagem do papel. Uma verificação regular da situação de ventiladores, exaustores e trocadores de calor, é de fundamental importância. Depois de paradas de máquina ou manutenção de algum componente do sistema, é necessária uma verificação geral de todo o sistema, principalmente no sentido de giro dos motores de ventiladores e exaustores. Tensão adequada das telas secadoras, cuidados durante o esticamento, bem como sua limpeza garantem consumos baixos de energia e perfis de umidade mais uniformes. Necessitamos sempre nos lembrar que a secagem é apenas uma das etapas da fabricação de papel e que as condições de operação dela depende de outros fatores que não estão sob seu controle. Portanto, não basta apenas se conhecer a secagem, mas sim o processo como um todo, para possibilitar, tomadas de decisões mais precisas e oportunas. Dirceu Rodrigues dos Santos Jr. 39

SECAGEM DO PAPEL - Uma visão operacional.pdf

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